تعرّف على المواد النانونية Nanomaterial وخصائصها واستخداماتها

المقصود بالمواد النانونية

يمكن شرح مفهوم المواد النانونية / النانوية او Nanomaterial على انها عبارة عن فئة مميزة من المواد المتقدمة والي بالإمكان انتاجها بحيث تكون ابعادها او مقاييس الحبيبات الداخلية لها بين 1 الى 1000 نانومتر، ونظراً لصُغر حجم المواد النانونية بشكل كبير جداً حيث تأتي بمقاييس متناهية الصغر فهذا أعطاها قدرة وسلوك مختلف مميز عن باقي المواد التقليدية ذات الحجم الكبير والتي عادةً يزيد حجمها عن 100 نانومتر.

 تعرّف على المواد النانونية وخصائصها واستخداماتها

ان المواد النانونية تحتوي على خصائص وصفات شديدة التمييز وهذه الخواص لا يمكن بحال ان تتواجد مجتمعة في المواد التقليدية، تعتبر المواد النانونية Nanomaterials احد اهم اركان التكنولوجيا الحديثة والأساس في الثورة الصناعية الدقيقة في القرن الواحد والعشرين حيث يعود لها الفضل في ظهور وتطور مجالات حساسة ومهمة مثل تكنولوجيا النانو والتكنولوجيا الحيوية، وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات وغير ذلك.

وبخصوص مصادر المواد النانونية فلها مصادر متعددة حيث ان المواد النانونية Nanomaterials تختلف حسب مصدرها وكذلك تختلف حسب نسبها مثل المواد النانونية التي تُشتق من المواد العضوية او المواد غير العضوية او التي تكون مواد طبيعية او عبارة عن مواد مخلّقة، وقد تكون مواد هندسية معروفة مثل الفلزات وسبائكها او اشباه المواصلات Semiconductors، والأكاسيد وايضاً المعادن Oxides and metals، وغير ذلك.

تكنولوجيا النانو وعلم النانو

يُعرف علم النانو على انه احد فروع العلوم الذي يهتم بدراسة وتوصيف مواد النانو والقيام بتعيين خواصها وتحديد ودراسة خصائصها الكيميائية وخواصها الفيزيائية والميكانيكية مع دراسة كاملة لجميع الطواهر التي ترتبط بعملية تصغير حجمها. حيث يتم تصغير احجام المواد الى مقاييس النانو لدراسة التغير في سلوكها والخصائص الجديدة التي تكتسبها والحصول على مواد جديدة.

وهناك ترابط وثيق بين علم النانو وتكنولوجيا النانو حيث يمكن القول ان تكنولوجيا النانو هي تكنولوجيا متقدمة جدا تقوم اساساً على فهم ودراسة علم النانو وايضاً العلوم الأساسية الأخرى بشكل عميق وعقلاني وابداعي مع توفر قدرة تكنولوجية على تخليق المواد النانونية والقيام بعملية التحكم في بنيتها الداخلية عن طرق إعادة هيكلة وترتيب للذرات وكذا الجزئيات التي تكون هذه المواد ما يضمن الحصول على منتجات تكون متميزة وذات خواص وصفات فريدة يتم استخدامها في مختلف التطبيقات.

وقد قامت تكنولوجيا النانو بعملية ابتكار لعدد من التقنيات الفريدة والتي مكّنت هذه التكنولوجيا من التحكم في البنية الجزيئية او Molecular Structure للمواد ومن ثم التلاعب بذرات هذه المواد وتصميمها وفق البوليمرات Polymers وبعد ذلك ادخال تلك المواد في تحضير وإنتاج المواد والأجهزة النانونية، حيث توصف المادة بالنانونية اذا كان احد ابعادها (بُعد واحد على الأقل) اقل من 100 نانومتر.

 

تصنيف المواد النانونية وتطبيقات كلاً منها

هناك العديد من التصنيفات والأشكال للمواد النانونية Nanomaterials ومن هذه التصنيفات ما يلي:

أولاً: المواد النانونية ذات الابعاد الأحادية

ويندرج تحت هذا النوع جميع المواد التي يكون مقاييس احد ابعادها اقل من 100 نانوميتر، وقد تم اطلاق تسمية المواد النانونية أحادية الابعاد على هذا النوع لان لها بعد نانوي واحد فقط. ومن امثلة هذه المواد:

1. الاغشية والرقائق Thin layers: مثل المواد النانونية المستخدمة في اعمال طلاء الاسطح Surface Nanocoating، كتلك التي تستخدم في عملية طلاء اسطح المنتجات الفلزية بهدف حمايتها من التآكل.
2.  الأفلام رقيقة السُمك Thin Films: وتستخدم في عملية تغليف المنتجات الغذائية لغرض حمايتها من حدوث أي تلوث او تلف.
3. المواد اشباه الموصلات Semiconductors: مثل رقائق السيليكون التي تستخدم في صناعة الخلايا الشمسية.

 

ثانياً: المواد النانونية ثنائية الأبعاد

ولتندرج المواد النانونية تحت هذا البند يجب ان يكون مقياس بعدين من ابعادها اقل من 100 نانوميتر، ومن اهم واشهر امثلة هذا المواد النانونية ثنائية الابعاد ما يلي:

1. الأنابيب والاسطوانات النانونية Nanotubes: ومنها انابيب الكاربون النانونية والتي تُستخدم كمواد داعمة ومقوية لقوالب الفلزات للمساهمة في رفع قيم الصلادة لها وتحسين خواصها الميكانيكية ورفع مقاومتها للانهيار.
2. الالياف والاسلاك النانونية Nanowires: وتُستخدم في صناعة مكونات الخلايا الشمسية وكذا الشرائح الالكترونية وأجهزة الاستشعار وكذلك الأجهزة الالكترونية الدقيقة.

 

ثالثاً: المواد النانونية ثلاثية الأبعاد

وتسمى هذه المواد بالنانونية ثلاثية الابعاد لان مقاييس ابعادها على المحاور الثلاثة Y-Z -X جميعها تقل عن 100 نانومتر، ومن ابرز امثلة هذا النوع من المواد ما يلي:

• الحبيبات والمساحيق الفلزية فائقة النعومة: مثل مساحيق حبيبات النانو لأكاسيد الفلزات ذات الأهمية الاقتصادية مثل أكسيد السيليكون SiO2 واكسيد التيتانيوم TiO2 وأكسيد الألمونيوم Al2O3 وكذا أكسيد الحديد Fe3O4، حيث تدخل في صناعة الالكترونيات ومواد البناء وكذا في صناعة البويا والطلاء، وايضاً تدخل هذه المساحيق النانونية في صناعة الادوية والأجهزة الطبية الحديثة.

اهم خواص المواد النانونية

هناك العديد من الخواص التي تجعل المواد النانونية استثنائية وفريدة ومهمة جداً في مختلف التطبيقات، ومن اهم الخواص ما يلي:

أولاً: الخواص الميكانيكية، وتتمثل في:

1. صغر حجم الحبيبات ووجود اعداد ضخمة من ذرات المادة على اسحها الخارجية.
2. ارتفاع قيم الصلادة Hardness للمواد الفلزية.
3. زيادة مقاومتها Strength وذلك لمواجهة الاحمال المختلفة التي تقع عليها.
4. اكتسابها المزيد من المتانة نتيجة تصغير حبيبات المواد السيراميكية.

ثانياً: نقطة الانصهار

حيث ان قيم حرارة الانصهار تتأثر بتصغير ابعاد مقاييس حبيباتها، حيث تتناقص قيم نقط الانصهار للمواد النانونية بتناقص مقاييس اقطارها وحبيباتها نتيجة لزيادة المساحة السطحية الخارجية لها.

ثالثاً: الخواص البصرية

حيث ان المواد النانونية تختلف في خواصها البصرية عن نظرائها من المواد التقليدية ما استحوذ على اهتمام الباحثين لدراسة هذه الخواص، ومن هذه الخواص البصرية التي تتأثر بحجم الحبيبات هي التشتت والتكسير الضوئي لسطح المادة، مثلاً حبيبات الذهب النقي التي تزيد في مقاس اقطارها عن 200 نانومتر يكون لونها ذهبي اصفر بينما الى تم تصغير حبيباته الى اقل من 20 نانومتر تُصبح عديمة اللون او شفافة وهذا يتغير لونها مع كل عملية تصغير.

ومن اهم التطبيقات للمواد النانونية التي تجمع في خصائصها صفات بصرية وكذا قدرة على التوصيل الكهربائي هي تطبيقات مجال الالكترونيات والبصريات، حيث تُستخدم في صناعة الشاشات ذات الدقة العالية وفائقة التباين وذات الألوان النقية.

رابعاً: الخواص المغناطيسية

وتعتمد قوة المغناطيس على مقاييس ابعاد حبيبات المادة المصنوع منها المغناطيس حيث انه كلما صغُرت الحبيبات وزادت مساحة سطحها الخارجي زادت قوة وفاعليّة المغناطيس.

وتدخل المواد النانونية ذات الخواص المغناطيسية في صناعة المغناطيس فائق الشدة والذي يتم استخدامه في المولدات الكهربائية الضخمة وكذا في محركات السفن العملاقة وأجهزة التحليل فائقة الدقة وأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي وغيرها.

خامساً: الخواص الكهربائية

ومنها القدرة الفائقة على التوصيل للتيار الكهربائي نتيجة لصغر احجام حبيبات المواد النانوية وكذا كثافة اعدادها، وتستخدم المواد النانوية في صناعة أجهزة الحساسات الدقيقة، وكذا في الشرائح الالكترونية وصناعة مكونات الهواتف الخلوية والحاسبات.

 

كانت هذه عزيزي القارئ اهم الخواص والمميزات والاستخدامات لمختلف المواد النانوية Nanomaterials والتي تستخدم تكنولوجيا النانو وتدخل في مختلف المجالات مما يُبشر بمستقبل واعد لمختلف الصناعات التي تستفيد من تكنولوجيا النانو وتستخدم المواد النانوية ذات الخصائص الفريدة والخارقة.

تعديل المقال