ميكانيكا النانو
|
جزء من سلسلة منطقات عن |
|
إلكترونيات الجزيء الواحد |
|
الإلكترونيات النانوية للحالة الصلبة |
|
مقاربات أخرى |
|
انظر أيضاً |
|
جزء من سلسلة منطقات عن |
|
التاريخ |
| الحقول الجزئية والمتعلقة |
|---|
|
المواد النانوية |
|
الطب النانوي |
|
تجميع ذاتي جزيئي |
|
إلكترونيات نانوية |
|
Scanning probe microscopy |
|
تقنية نانوية جزيئية |
ميكانيكا النانو أوبـ بالإنگليزية: Nanomechanics هي أحد فروع فهم تقانة النانووالذي يهتم بدراسة الخصائص الميكانيكية (من مرونة وحرارة وحركة) للأنظمة الفيزيائية الطبيعية ذات مقاييس النانومتر. وكان فهم ميكانيكا النانوقد ظهر عند نقطة اجتماع كلٍ من علوم الميكانيكا الكلاسيكية، فيزياء الجوامد، ميكانيكا إحصائية، المواد، والكيمياء الكمومية. وباعتبارها أحد فروع فهم تقانة النانو، توفر ميكانيكا النانوأساساً فهمياً لتقانة الصغائر.
ومن ثم فإن فهم ميكانيكا النانويعد أحد فروع علوم النانووالذي يتعامل مع دراسة وتطبيق الخصائص الميكانيكية الأساسية (من مرونة وحرارة وحركة) للأنظمة الفيزيائية الطبيعية ذات الأبعاد النانومترية.
وغالباً ما يتم استعراض فهم ميكانيكا النانوعلى أنه فرعاً من علوم تقانة النانو، وعلى سبيل التوضيح كمساحةٍ تطبيقيةٍ ذات هجريز على الخصائص الميكانيكية للهياكل النانوية بالإنگليزية: nanostructures المهندسة والأنظمة النانوية (هي تلك الأنظمة ذات مكونات نانوية القياس). ومن أمثلة الأخيرة الجسيمات النانوية، مساحيق النانو، الأسلاك النانوية، قضبان النانو، روبوتات النانو، الأنابيب النانوية والتي منها الأنابيب النانوية الكربونية، وأنابيب نيتريد البورون النانوية بالإنگليزية: boron nitride nanotubes (BNNTs)؛ ومنها القشرة النانوية، الأغشية النانوية، طلاءات النانو/المواد نانوية الهجريب، (السوائل أوالموائع المحتوية على جزيئات النانوالمتفرقة)؛ محرك النانو...إلخ.
ومن أمثلة مجالات فهم ميكانيكا النانووالتي تم تأسيسها جيداً كلٌ من: المواد النانوية، فهم الاحتكاك الناوي (والذي يضم كلاً من الاحتكاك، الاهتراء وميكانيكا الاتصال ذوي الأبعاد النانوية القياس)، بالإضافة إلى الأنظمة الإلكتروميكانيكية النانوية بالإنگليزية: nanoelectromechanical systems، وكذلك فهم الموائع النانوي.
وكأحد العلوم الأساسية، فقد قام فهم ميكانيكا النانوعلى بعض المبادئ التجريبية (ملاحظاتٍ أساسيةٍ) ومنها: 1) مبادئ فهم الميكانيكا العام؛ 2) المبادئ الخاصة النابعة من صغر الأحجام الفيزيائية الطبيعية للأغراض المخصصة للدراسة البحثية.
وتتضمن مبادئ على الميكانيكا العامة كلاً من:
- مبادئ حفظ الطاقة وزخم الحركة.
- مبدأ هاملتون المتغاير.
- مبادئ التناظر.
ونتيجةً لصغرحجم الجسم موضوع الدراسة، فإن فهم ميكانيكا النانويضع في الحسبان كذلك:
- تحوط الجسم موضوع الدراسة، والذي يتم مقارنة حجمه بالمسافات بين الذرات الداخلية به.
- التعددية، ولكن بمراعاة المحدودية، لدرجات حرية هذا الجسم.
- أهمية التقلبات الحرارية.
- أهمية آثار التدهور الحتمي (اطلع على: توزيع إنتروبي بالإنگليزية: configuration entropy.
- أهمية الآثار الكمومية.
وتتمثل فائدة هذه المبادئ في أنها توفر رؤية متبصرة رئيسية للخصائص الميكانيكية الجديدة للأجسام النانوية. ومبدأ الحداثة ذلك يُفهم من منظور حتى هذه الخصائص ليست متوفرة في الأجسام الماكروية أوأنها مختلفة بصورةٍ كبيرةٍ عن خصائص هذه الأجسام (مثال ذلك؛ قضبان النانوضد هياكل الأشعة الماكروية التقليدية). وبصورةٍ خاصةٍ، فإن صغر المادة نفسها يثير مجموعة من تأثريات السطح المتعددة والتي تُقرر بنسبة السطح الأعلى إلى الكمية والخاصة بالهياكل النانوية، ومن ثم تؤثر على الخصائص الميكانيكية النشطة والحرارية (نقطة الزوبان، السعة الحرارية،....إلخ) والخاصة الهياكل النانوية. في حين، يلعب التحوط دوره كسببٍ رئيسيٍ لتشتت وتبديد الموجات الميكانيكية للأجسام الصلبة، ولبعض صور اللسوك الخاصة بالمحاليل الرئيسية الميكانيكية المرنة بالإنگليزية: elastomechanics solutions في الأجسام صغيرة المقياس. في حين توفر تعددية درجة الحرية والتقلبات الحرارية الأسباب الرئيسية لنفق الجسيمات النانوية الحراري عبر الحواجز المحتملة، كما هوالحال في عملية الانتشار المتبادل للسوائل والأجسام الصلبة. هذا بالإضافة إلى حتى الصغر وتقلبات الحرارية توفر الأسباب الرئيسية للحركة البراونية للجسيمات النانوية. هذا بالإضافة إلى حتى الأهمية المتزايدة للتقلبات الحرارية والتوزيع الإنتروبي على المقياس النانوي تزيد من المرونة الفائقة بالإنگليزية: superelasticity، المرونة الإنتروبية (قوة إنتروبية أواعتلاجية بالإنگليزية: entropic forces)، بالإضافة إلى الصور الأخرى الغريبة لمرونة الهياكل النانوية. كما تمثل ملامح وسمات توزيع الإنتروبيا أهميةً كبيرةً في التنظيم الذاتي للسياق والسلوك التعاوني لأنظمة النانوالمفتوحة.
في حين تحدد الآثار الكمومية قوى التفاعل بين الذرات الفردة في الأجسام الفيزيائية، والتي يتم تقديمها في مجال فهم ميكانيكا النانوباستخدام وسائل ذات نماذجاّ رياضيةً متوسطةً، يطلق عليها "إمكانات داخل الذرة".
وتوفر الاستخدامات اللاحقة للإمكانات الداخلية بالذرة داخل ديناميكا المتعددة الهيئات نماذجاً ميكانيكةً حتميةً للهيئات والأنظمة النانوية على النطاق الذري. ويطلق على الطرق العددية لمحلول هذه النماذج الديناميكا الجزيئية بالإنگليزية: molecular dynamics، أوفي بعض الأحيان الميكانيكا الجزيئية بالإنگليزية: molecular mechanics (وبصورةٍ خاصةٍ، في علاقتها بالنماذج المتوازنة أوالثابتة إحصائياً). وتشتمل المداخل العددية الغير حتمية كلاً من مونتكارلوMonte-Carlo، كينتك مونتكارلوKinetic More-Carlo، وطرقاً أخرى كذلك. في حين تشتمل الأدوات العددية المعاصرة على المداخل أوالنهج الهجينة متعددة النطاقات والتي تسمح بالاستخدام المتوازي أوالمتتالي للطرق الذرية مع استمرارية أوتواصل استخدام الطرق الماكروية (غالباً طريقة مجهر انبعاث المجال) داخل نموذج رياضي فردي.
كما تحدد الآثار الكمومية الخصائص الإلكترونية، البصرية، والكيميائية الجديدة للهياكل النانوية، ومن ثم فهي تلقى انتباهاً كبيراً في جميع المناطق المجاورة لعلوم النانووتقانتها كذلك، ومنها الإلكترونيات النانوية، أنظمة الطاقة المتقدمة، وتقانة النانوالحيوية.
للمزيد اطلع على
- آلة جزيئية
- فترة هندسية (مبتر تأثير المضخة العشوائية)
المصادر
- ويكيبيديا
- Bhushan B (editor). Springer Handbook of Nanotechnology, 2nd edition. Springer, 2007.
- Liu WK, Karpov EG, Park HS. Nano Mechanics and Materials: Theory, Multiscale Methods and Applications. Wiley, 2006.
- Cleland AN. Foundations of Nanomechanics. Springer, 2003.
