نستطيع القول إن جميع أنواع المواد التقليدية، مثل الفلزات Metals وسبائكها، وأشباه الموصلات Semiconductors، والزجاج Glass، والسيراميك Ceramic والبوليمرات Polymers، تعد بمنزلة الخامات الأولية المستخدمة في تخليق مواد ذات أبعاد نانومترية (مواد نانونية). هذا وتختلف أشكال المواد النانوية باختلاف طريقة التحضير المستخدمة، حيث يمكن أن تُحضّر في صورة أغشية (رقائق) نانوية Nanolayers، أو على هيئة أنابيب (أسطوانات) Nanotubes، أو أسلاك Nanowires أو عصي أو عيدان Nanorods، وكذلك في صورة حبيبات Nanoparticles. تنفرد المواد النانومترية على اختلاف أنواعها بخواص فيزيائية، كيميائية وميكانيكية فريدة تميزها عن المواد التقليدية ذات الحبيبات الكبيرة وحيث إن المواد النانوية هي بمنزلة أحجار بناء وتصنيع المنتجات الجديدة، فإن تمتع هذه المواد المخلقة بخواص متقدمة ينعكس على كفاءة وأداء المنتج النهائي الذي يتم تصنيعه، حيث تتوافر فيه خواص لا يمكن توافرها في منتجات المواد التقليدية.

ويلخص الشكل (5–1) الأنواع المختلفة لأشكال المواد النانوية وعلاقتها بالنسبة إلى مستويات الفراغ الثلاثية (Z ،Y،X).

الشكل (5–1) رسم تخطيطي يبين الأشكال المختلفة التي تخلق المواد النانوية على هيئتها، وهي: (أ) رقائق أو طبقات نانوية (أحادية الأبعاد)، و(ب) أسطوانات أو أنابيب نانونية (ثنائية الأبعاد)، و(ج) حبيبات نانوية (ثلاثية الأبعاد) ⁽¹⁾.

ومن الشكل، نستطيع أن نصنف المواد النانوية إلى ثلاث مجموعات رئيسية هي:

– المواد النانوية أحادية الأبعاد: تقع تحت هذه الفئة، جميع المواد التي يقل أحد مقاييس ابعادها عن 100 نانومتر. ويعرض الشكل (5–1 «أ») رسما تخطيطيا لعينة من هذه الفئة وهي على هيئة طبقة مسطحة رقيقة (جمعها رقائق) ذات سمك (بعدها الرأسي على المحور Z) نانوي. ويلاحظ من الشكل أنه لا يشترط أن يتمتع بعداها الآخران (X, Y) بمقاييس نانوية، ومن هنا سميت هذه الفئة بالمواد النانوية أحادية الأبعاد (أي التي لها بعد نانوي واحد فقط). ومن أمثلة هذه المواد كما ذكرنا الرقائق أو الأغشية Thin Layers مثل المواد النانوية الموظفة في أعمال طلاء الأسطح Surface Nanocoating، كمثل التي تستخدم في طلاء أسطح المنتجات الفلزية بغرض حمايتها من التآكل بالصدأ، أو تلك الأفلام رقيقة السمك Thin Films المستخدمة في تغليف المنتجات الغذائية بهدف وقايتها من التلوث والتلف. كذلك تُصنع رقائق مواد أشباه الموصلات المختلفة مثل رقائق السيليكون لتوظيفها في صناعة الخلايا الشمسية. ويبين الجدول (5–1) كيفية تأهيل المنتج للتطبيقات المختلفة عن طريق طلاء سطحه الخارجي برقائق النانو، وماهية الخواص التي يكتسبها سطحه ليتناسب مع تلك التطبيقات.

الجدول (5– 1) تحسين وتطوير خواص سطح المنتج لمواكبة التطبيقات المختلفة، وذلك عن طريق طلائه برقائق النانو.

– المواد النانوية ثنائية الأبعاد: يشترط في مجموعة هذه الفئة من المواد النانوية أن يقل مقياس بعدين من أبعادها عن 100 نانومتر. وتعد الأنابيب أو الأسطوانات النانوية (Nanotubes) ومنها على سبيل المثال لا الحصر أنابيب الكربون النانوية (Carbon Nanotubes)، والألياف النانوية (Nanofibers) وكذلك الأسلاك النانوية (Nano wires)، نماذج مهمة لتلك الفئة من المواد. وإذا ما نظرنا إلى الشكل (5 – 1 «ب»)، الذي يعرض رسما لأسطوانة نانوية، فإننا نلاحظ أن مقياسي قطري المعين، (في الاتجاهين X, Y) بقاعدة الأسطوانة يقلان عن 100 نانومتر، هذا على الرغم من أن أطوال هذه المواد (البعد الرأسي على المحور Z) قد تمتد إلى عدة مئات من النانومترات أو المايكرومترات.

وقد أنجزت في خلال العقدين الآخرين دراسات كثيرة واكتشافات مثيرة تتعلق بالخواص الفريدة لأنابيب الكربون النانوية التي تحتكر لنفسها عددا كبيرا من الخواص الكيميائية، الفيزيائية والميكانيكية غير المألوفة كارتفاع مقاومة Strength إجهادات الشد Tensile stresses الذي يصل إلى مائة ضعف قيمة مقاومة الشد لسبائك الصلب مع تمتعها بانخفاض في قيمة كثافتها البالغة سدس مقدار كثافة سبائك الصلب، مما يجعلها أقوى مادة صنعها الإنسان حتى الآن. ولم يكن غريبا أن ترشح ترشيح أنابيب الكريون النانوية لأن توظف كمواد داعمة ومقوية لقوالب الفلزات لرفع قيم صلادتها وتحسين خواصها الميكانيكية، وعلى الأخص رفع مقاومتها للانهيار. كما أنها تجمع خواص فريدة أخرى مثل القدرة الفائقة على التوصيل الحراري والكهربي، علاوة على خواصها الكيميائية المتميزة. ومن المتوقع استخدام الأنابيب والأسلاك النانوية في تصنيع مكونات الخلايا الشمسية وشرائح الحاسبات الإلكترونية وأجهزة الاستشعار والأجهزة الإلكترونية الدقيقة.

– المواد النانوية ثلاثية الأبعاد: تمثل الكريات Spheres نانوية الأبعاد مثل الحبيبات النانوية Nanoparticles، وكذلك مساحيق الفلزات والمواد السيراميكية فائقة النعومة Ultrafine Powders، أمثلة لهذه الفئة من المواد التكنولوجية المهمة التي نعتت بأنها ثلاثية الأبعاد، نظرا إلى أن مقاييس أبعادها على المحاور الثلاثة X, Y, Z تقل عن 100 نانومتر كما هو مبين في الشكل (5–1 «ج»). الجدير بالذكر، أن هذه الفئة من المواد النانوية ثلاثية الأبعاد، سواء أكانت على هيئة حبيبات أم مساحيق فائقة النعومة، تتصدر قائمة الإنتاج العالمي من المواد النانوية بوجه عام، وذلك نظرا إلى تعدد استخداماتها في المجالات والتطبيقات التكنولوجية الحديثة. فعلى سبيل المثال تتوافر الآن بالأسواق مساحيق حبيبات نانوية لأكاسيد الفلزات Nanoparticulate Metal Oxide ذات أهمية اقتصادية كبيرة، حيث تدخل أكاسيد الفلزات مثل أكسيد السيليكون (Silica (SiO₂، أكسيد التيتانيوم (Titania (TiO₂، أكسيد الألمونيوم (Alumina (Al₂O₃، وكذلك أكاسيد الحديد: (Magnetite (Fe₃O₄ وHematite (Fe₂O₃) في قطاع صناعة الإلكترونيات، ومواد البناء، وصناعة البويات والطلاء، وكذلك في قطاع صناعة الأدوية والأجهزة الطبية الحديثة، لتحل بذلك محل المواد التقليدية، ولتساهم في رفع كفاءة وجودة المنتجات. ووسط هذا الخضم الهائل من الحبيبات النانوية تجيء حبيبات مركبات أشباه الموصلات مثل الكادميوم تيلوريد CdTe، وكذلك خارصينات الغاليوم GaAs على رأس قائمة المواد النانوية المستخدمة في صناعة الأدوات والأجهزة الإلكترونية الدقيقة وفي صناعة الخلايا الشمسية، هذا بالإضافة إلى استخداماتها المثيرة كموصلات للدواء Drug Delivery داخل الجسم.

وتعد فئة الحبيبات النانوية لعناصر الفلزات الحرة Nobel Metals وعلى الأخص فلز الذهب من أهم المواد النانوية الحبيبية Nanoparticles وذلك لأهميتها واستخداماتها في كثير من التطبيقات الطبية المتعلقة بدحر وقتل الأورام السرطانية التي تصيب أعضاء الجسم. وقد استخدمت حبيبات الذهب النانوية في تحديد سلاسل الحامض النووي DNA Sequences المرتبطة بالمرض، وكذلك في تحديد سلاسل الحامض النووي للفيروسات التي تغزو جسم الإنسان. هذا بالإضافة إلى احتكارها عددا من الخواص الفريدة تؤهلها لأن تكون المواد الأساسية لمكونات الأجهزة البصرية، البيولوجية عالية التقنية والدقة.

________________________________________
هوامش

(1) تم تصميم وتنفيذ الشكل بواسطة مؤلف هذا الكتاب.