شارح الدرس: الجسيمات النانوية الكيمياء • الصف الأول الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نعرِف الجسيمات النانوية، ونَصِف خواصَّها واستخداماتها.

الجسيمات النانوية هي أجسام متناهية الصغر لديها القدرة على تغيير حياتنا تمامًا. لقد درس الكثير من العلماء خواصَّ الجسيمات النانوية، وأفاد معظمُهم أن هذه الجسيمات النانوية ستُستخدم في تحسين صحتنا وإضفاء مزيد من السهولة على حياتنا. من المتوقَّع أن تُحدِث الجسيمات النانوية تغييرات جذرية في الطريقة التي نعيش بها حياتنا في المستقبل. ومن ثم، فهذا سبب وجيه للتعرف عليها بمزيد من التفاصيل هنا في هذا الشارح.

الجسيمات النانوية هي بِنًى صغيرة يتراوح قطرها ما بين 1 و100 نانومتر (nm). بعض هذه الجسيمات النانوية لها أشكال بسيطة نسبيًّا، فيما يأخذ البعض الآخر أشكالًا غير معتادة ومعقدة للغاية. يمكن أن تحتوي الجسيمات النانوية على نوع واحد فقط من العناصر أو الذرات. كما يمكن أن تتكون أيضًا من العديد من الأنواع المختلفة من العناصر، وكذلك قد تحتوي على العديد من الأنواع المختلفة من الجزيئات.

تحتوي الجسيمات النانوية عادةً على بضع مئات من الذرات، ودائمًا تكون نسبة مساحة سطحها إلى حجمها عالية للغاية. وتتسم غالبًا بخواصَّ فيزيائية أو كيميائية غير معتادة؛ ويرجع ذلك إلى حجمها المتناهي الصغر، وارتفاع نِسَب مساحة سطحها إلى حجمها للغاية.

يمكننا مقارنة الجسيمات النانوية بالأجسام العادية اليومية الأكثر شيوعًا لفَهْم مدى صِغَر حجمها الذي يكاد لا يُدرَك. يُعد شعر الإنسان أحد المواد الأكثر نحافة التي يراها الناس أغلب الأوقات أو حتى كل يوم من حياتهم. يبلغ متوسط قطر الخصلة الواحدة من شعر الإنسان ما يقرب من 100‎ ‎000–80‎ ‎000 nm. فيما تعرَّف الجسيمات النانوية بأن قطرها يتراوح ما بين 100–1 nm. يمكننا استخدام هاتين العبارتين لتحديد أن أصغر الجسيمات النانوية يقل قطرها بعشرات الآلاف من المرات عن خصلة واحدة من شعر الإنسان.

يمكننا أيضًا مقارنة الجسيمات النانوية بجزيء واحد من جزيئات الماء. يمكن استخدام هذه المقارنة لتوضيح أن بعض الجسيمات النانوية ليست أكبر بكثير من مركَّب واحد ثلاثي الذرة. يبلغ عرض جزيئات الماء حوالي 0.27 nm، في حين أن أصغر الجسيمات النانوية لا يزيد عرضها عن 1 nm. هذا يعني أن بعض الجسيمات النانوية يمكن أن تكون أكبر من جزيء الماء الواحد ببضع مرات فقط.

تُظهِر الصورة الآتية مقارنةً بين حجم معظم الذرات والجزيئات العادية وأحجام الجسيمات النانوية. توضِّح الصورة أن بعض الجزيئات المتعددة الذرات لها نفس الحجم أو أكبر من بعض الجسيمات النانوية. كما توجد العديد من الجزيئات الضخمة الحيوية في أجسامنا التي يتجاوز حجمها بعض الجسيمات النانوية لكلٍّ من الكربون والفلزات.

كما توضِّح الصورة أيضًا أن بعض الجسيمات النانوية أصغر من الجسيمات الدقيقة بمئات المرات، وأصغر من الجسيمات الغليظة بآلاف المرات. الجسيمات الدقيقة والغليظة هي جسيمات مجهرية مُعلَّقة في الهواء. تتضمن الجسيمات الدقيقة موادَّ مثل الضباب الدخاني والسخام. فيما تتضمن الجسيمات الغليظة موادَّ مثل غبار الأسمنت وأبواغ العفن.

الجسيمات النانوية هي تقريبا مواد نشطة للغاية. يمكن تفسير معدلات تفاعلها العالية إذا أخذنا في الاعتبار أن نسب مساحة السطح إلى الحجم تعتمد على حجم الجسم الثلاثي الأبعاد. إذ إن الأجسام تكون نِسَبُ مساحة سطحها إلى حجمها منخفضةً عندما تكون كبيرة الحجم. وبالمثل، تكون نسب مساحة سطحها إلى حجمها عالية عندما تكون صغيرة الحجم. ومن ثم، فإن الجسيمات النانوية نسبُ مساحة سطحها إلى حجمها عاليةٌ للغاية، نظرًا لأنها جسيمات متناهية الصغر. كما أنه لا بد وأن تكون الجسيمات النانوية موادَّ نشطة للغاية، نظرًا لتعرُّض مساحة كبيرة من سطح الجسيمات النانوية بشكل دائم لجسيمات متفاعلة أخرى.

تُمثِّل العديدُ من الجسيمات الفلزية النانوية عواملَ حفازة فعالة، نظرًا لارتفاع نسب مساحة سطحها إلى حجمها، إلى جانب تعرُّض الكثير من العامل الحفاز لجسيمات متفاعلة أخرى. تتلامس الجسيمات المتفاعلة مع سطح العامل الحفاز بمعدل سريع، وتحدُث التفاعلات الكيميائية بسرعة كبيرة.

يوضِّح الشكل الآتي كيف أن الأجسام الثلاثية الأبعاد نسبةُ مساحة سطحها إلى حجمها عاليةٌ عندما تكون صغيرة الحجم. يقارن الشكل بين ثلاث مكعبات لها قيم طول مختلفة. المكعب الأصغر طوله 1 cm والمكعبان الآخران طولهما 10 cm و100 cm. يوضِّح الشكل مساحات السطح، والأحجام، ونسب مساحة السطح إلى الحجم للمكعبات الثلاث المختلفة.

احتُسب الحجم لكل مكعب باستخدام التعبير واحتُسبت قيم مساحة السطح باستخدام الصيغة . فيما تَحدَّدَت نسبة مساحة السطح إلى الحجم بقسمة كل قيمة مساحة سطح على قيمة الحجم المناظرة. توضِّح العمليات الحسابية التفصيلية أن نسب مساحة السطح إلى الحجم تكون أكبر في المكعبات الأصغر.

مثال ٤: حساب حجم الجسيمات النانوية المكعبة

يوضح الشكل أحد أنواع الجسيمات النانوية الذي يُعرف باسم المكعب النانوي. باستخدام الأبعاد الموضَّحة، ما حجم الجسيم النانوي؟

الحل

حجم المكعب يمكن تحديده بالتعبير الرياضي الذي يستخدم الرمز لتمثيل الحجم الإجمالي والرمز لتمثيل قيم الطول. لدينا شكلٌ مكعبٌ، وطول جميع أضلاعه يساوي 30 nm. يمكن حساب الحجم على الصورة أو . إذا أجرينا هذه العملية الحسابية، فسنحصل على الناتج الآتي: . هذا يشير إلى أن حجم الجسيم النانوي هو 27‎ ‎000 nm³. لن نغير هذه الوحدة بحيث تُصبح وحدة nm³، لأن السؤال يطلب منا استخدام الأبعاد الموجودة في الصورة.

يتزايد استخدام جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية () في النوافذ للمساعدة في الحفاظ عليها نظيفة وناصعة. وتُعد جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية من العوامل الحفازة التي تولِّد إلكترونات عند تفاعُلها مع الأشعة فوق البنفسجية. تحوِّل الإلكتروناتُ جزيئاتِ الماء الموجودةَ في الهواء إلى جذور الهيدروكسيل (•)، والتي تعمل بدورها على تكسير السخام المكوَّن من الكربون إلى أجزاء صغيرة من الأوساخ. يمكن بعد ذلك أن تُجرف جسيمات الأوساخ المتكسرة بفعل قطرات المطر. يضع العلماء كمية صغيرة نسبيًّا من جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية في كل لوح زجاجي، نظرًا لأن قيم مساحة سطحها إلى حجمها عالية للغاية. عمليًّا هذه الجسيمات النانوية غير مرئية، ولا تؤثِّر على شفافية أيِّ نافذة.

تحدُث العديد من التفاعلات غير المعتادة بين الجسيمات النانوية وجسم الإنسان. نظرًا لأن حجم الجسيمات النانوية متناهي الصغر، فيمكن أن تحملها الرياح ونستنشقها في جهازنا التنفسي عند الشهيق والزفير. لم يتم التوصل إلى فَهْمٍ واضحٍ لتفاعلات الجسيمات النانوية مع جسم الإنسان، ويخشى بعض العلماء من أن استنشاق هذه الجسيمات قد يزيد من معدلات انتشار الأمراض البشرية والوفاة. كما يشعر العلماء أيضًا بالقلق من أن الجزيئات النانوية يمكن أن تؤثِّر سلبًا على البيئة المحيطة؛ وذلك لأننا لا نعلم كيفية تفاعل هذه الجسيمات مع معظم أشكال الحياة والمواد غير الحية.

يمكن امتصاص الجسيمات النانوية إلى حد كبير بشكل مدهش في بشرة الإنسان. هناك الآن عدة أنواع مختلفة من الكريمات الواقية من أشعة الشمس المصنوعة من جسيمات أكسيد الزنك ()، وأكسيد التيتانيوم () النانوية. وعادةً ما توفِّر المرطباتُ الواقية من أشعة الشمس تغطيةً أفضل للبشرة ووقاية أكبر من الأشعة فوق البنفسجية عند احتوائها على جسيمات أكسيد الزنك أو أكسيد التيتانيوم النانوية. كما تميل إلى أن تكون شفافة عند احتوائها على جسيمات أكسيد الفلزات بالحجم النانوي. بدأ العلماء في دمج الجسيمات النانوية في مستحضرات التجميل الأخرى، نظرًا لإمكانية تصميم الجسيمات النانوية بحيث تعطي الكثير من النتائج المرغوب بها عند تفاعلها مع بشرة الإنسان.

تَوصَّل العلماء إلى أن جسيمات الذهب والفضة النانوية تتمتع بالقدرة على الانتقال عبر الأغشية الليبيدية للثدييات والبكتيريا. تُجرى الآن دراسة الجسيمات النانوية للفلزات لاستخدامها في مجموعة من تطبيقات توصيل الدواء ومقاومة البكتيريا. يمكن الاستفادة من الجسيمات النانوية للفلزات لأغراض توصيل الدواء، فضلًا عن إمكانية تحسينها لاختراق خلايا البكتيريا وتكسيرها. يُعتقد أيضًا أن الجسيمات النانوية للفلزات ستستخدم لصنع دوائر كهربية مجهرية نظرًا لقدرة الجسيمات النانوية على توصيل التيار الكهربي. تجدر الإشارة إلى أن العديد من الجسيمات الفلزية النانوية عادةً ما تتمتع بألوان وقيم صلابة غير معتادة. جسيمات النحاس النانوية تتَّسِم بدرجة عالية من الصلابة بشكل مدهش، كما أن الذهب بحجمه النانوي يمكن أن يأخذ اللون الأحمر، أو البرتقالي، أو الأخضر، أو الأزرق.

يمكن استخدام أنواع مختلفة من الجسيمات النانوية في إنتاج الأغشية والأسلاك والألياف. هذه أمثلة على المواد النانوية الأحادية البُعد، وهي مواد نانوية لها بُعد نانوي واحد. تُستخدم الأغشية الرقيقة في الحفاظ على الطعام وحمايته من أن يفسد. كما يمكن استخدامها أيضًا لتغطية الأسطح كطبقة شبيهة بالطلاء لمنع حدوث الصدأ أو التآكل. تُستخدم الأسلاك النانوية الأحادية البُعد في الدوائر الإلكترونية، كما توجد ألياف نانوية متناهية الصغر داخل فلاتر المياه لضمان أن المياه صالحة للشرب.

كما تخضع الجسيمات الدهنية النانوية أيضًا إلى التعديل لأغراض توصيل الدواء. الليبوسومات‎ هي جسيمات نانوية صغيرة تتألف من جزيئات دهنية‎. يجري تغيير خواص الليبوسومات بحيث تُصبح أكثر قوة وفعالية في الوصول إلى الخلايا المستهدفة في جميع أنحاء جسم الإنسان.

الغرافين، وبوكمينستر فوليرين، وأنابيب الكربون النانوية هي من بين المواد النانوية الأكثر غرابة، حيث إنها تتكون بالكامل من ذرات الكربون. يدرس الكثير من العلماء حاليًّا هذه المواد النانوية المصنوعة من الكربون، ولا نزال نتعلم عنها أكثر وأكثر كل يوم.

يتكون الغرافين من طبقة واحدة من ذرات الكربونات المرتبطة تساهميًّا. تشكِّل ذرات الكربون بِنْية رفيعة للغاية تشبه خلية النحل. يُعد الغرافين من بين أرفع المواد التي تم اكتشافها على الإطلاق، ويتمتع بمقاومة شد عالية بشكل استثنائي. فهو أكثر صلابة من الألماس، ولكنه في الوقت نفسه أكثر مرونة من المطاط. كما أنه أيضًا موصِّل فعَّال للكهرباء، ويوصِّل الحرارة أفضل من أيِّ مادة أخرى موجودة على الأرض تقريبًا. ويُعتقد أنه يمكن استخدام الغرافين لتصنيع أجهزة إلكترونية متقدمة، وأنواع جديدة من المستشعرات وأجهزة القياس الحيوي.

المواد النانوية الثلاثية الأبعاد هي مواد نانوية لها ثلاثة أبعاد نانوية، ومن الأمثلة الشائعة عليها هي بوكمينستر فوليرين. يتكون بوكمينستر فوليرين (كرات بوكي) من جسيمات نانوية ثلاثية الأبعاد تحتوي على ستين ذرة كربون مرتبطة تساهميًّا. وتشكِّل ذرات الكربون جسيمات صغيرة تشبه القفص. وقد أَوْضَحَ بعض العلماء أن كرات بوكي () يمكن أن تُستخدم لتوصيل مركَّبات صغيرة إلى خلايا مستهدفة داخل جسم الإنسان. إذ يمكن احتجاز الجزيئات الدوائية الصغيرة داخل كرات بوكي، ومن ثم توجيهها أو تسييرها نحو الخلايا المستهدفة في الأعضاء البشرية التالفة أو المصابة بالسرطان. ومن المفترض أن تصل المركَّبات الدوائية إلى الخلايا المستهدفة دون أن يطرأ عليها أيُّ تغيير نسبيًّا؛ لأن كرات بوكي ستمنع تفاعُلها مع الجزيئات الأخرى.

أنابيب الكربون النانوية هي أنابيب مجوفة ثنائية الأبعاد تتألف من ذرات الكربون المرتبطة تساهميًّا. وهي من بين الأمثلة على المواد النانوية الثنائية الأبعاد التي يكون لها بُعدان نانويان. وعادةً ما تتراوح أقطار الأنابيب ما بين 0.4 nm و40 nm. كما تكون قيم طول الأنابيب النانوية عادةً أكبر بمئات أو آلاف المرات. تتمتع أنابيب الكربون النانوية عمومًا بقيم توصيل كهرباء عالية، هذا إلى جانب قدرتها على توصيل الحرارة بصورة أكثر فعالية من الماس. كما تتمتع أنابيب الكربون النانوية بقيم مقاومة شد عالية بشكل استثنائي، ومعظم الأنابيب النانوية تفوق المعادن الصلبة مثل الصُلب والحديد من حيث القوة بمئات المرات. ذكر العديد من العلماء أن أنابيب الكربون النانوية ستُستخدم لتصنيع أجهزة استشعار حيوية، فيما أفاد علماء آخرون أن أنابيب الكربون النانوية ستُستخدم لتصنيع أجهزة إلكترونية متقدمة.

ثمة مثال آخر على مادة نانوية ثنائية الأبعاد، وهي أنابيب الكربون النانوية المتعددة الجدران. تحتوي أنابيب الكربون النانوية المتعددة الجدران بحدٍّ أدنى على أنبوبَي غرافين متَّحِدَي المركز، وتتمتع بخواصَّ ميكانيكية مميزة.

الجسيمات النانوية هي مواد مفيدة للغاية. تُستخدم في الوقت الحالي لمعالجة الكثير من المشاكل التقنية والصحية. من المتوقع أن تُستخدم على نطاق أوسع في المستقبل لإضفاء مزيد من السهولة على حياتنا وتحسين مستوى صحتنا. يوضِّح الجدول الآتي بعض تطبيقات الجسيمات النانوية الأكثر أهمية وشهرة.

دعونا نلخِّص ما تعلمناه بشأن الجسيمات النانوية.