فيديو الدرس: الجسيمات النانوية الكيمياء

في هذا الفيديو، سوف نتعلم ما المقصود بالجسيمات النانوية، وكيف نتعرف عليها، ونصف بعض خواصها واستخداماتها.

٢١:٠٥

‏نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم ما المقصود بالجسيمات النانوية، وكيف نتعرف عليها، ونصف بعض خواصها واستخداماتها.

يتألف مصطلح «جسيم النانو» من كلمتي «جسيم» و«نانو». تشير كلمة «نانو» في لغة الحياة اليومية إلى شيء متناهي الصغر، أصغر حتى من المقياس الميكروي. أما في العلوم، فتستخدم كلمة «نانو» باعتبارها بادئة خاصة للوحدات، وتعني جزءًا من المليار من الوحدة. وقد ترى هذه البادئة معبرًا عنها في صورة واحد مقسوم على مليار، أو واحد مقسوم على 10 أس تسعة، أو 10 أس سالب تسعة. والنانومتر الواحد يعادل 10 أس سالب تسعة متر، والمليار نانومتر يعادل مترًا. ويختصر أحيانًا النانومتر إلى ‪nm‬‏.

هل هذا يعني أن الجسيم النانوي جزء من المليار من الجسيم؟ كيف يعقل ذلك؟ فالجسيمات ليس لها حجم محدد. ماذا إذا وصفنا الجسيم بأنه بحجم النانومتر؟ يبدو هذا منطقيًّا. ومع ذلك، لن يكون هذا مفيدًا على نحو كبير. فلا يوجد الكثير من الجسيمات التي يبلغ حجمها نانومترًا واحدًا بالضبط. لذا يستخدم العلماء مصطلح الجسيم النانوي لوصف أي شيء له شكل متساو تقريبًا، ويتراوح ارتفاعه وعرضه وطوله بين نانومتر واحد و 100 نانومتر.

إذن لكي يوصف الجسيم بأنه جسيم نانوي، يجب أن يكون من الممكن وضعه داخل صندوق أبعاده 100 نانومتر في 100 نانومتر في 100 نانومتر. يمكن تحويل أي مادة صلبة تقريبًا إلى جسيم نانوي. فيمكنك صنع جسيمات نانوية من الملح، ومن الذهب، بل ومن الخشب أيضًا. وبعض الجسيمات النانوية هي في الواقع جزيئات أحادية. ثمة شكل من أشكال الكربون يسمى بوكمينستر فوليرين، وهو غلاف مثالي مكون من 60 ذرة كربون يبلغ عرضه نانومترًا واحدًا تقريبًا.

ولكن ما مدى صغر النانومتر بالضبط؟ حسنًا، دعونا نبدأ بشيء يمكنك تخيله: مسطرة طولها متر واحد. اقسمها إلى نصفين، وستجد أن طولها سيصبح 50 سنتيمترًا. اقسمها إلى نصفين مرة أخرى، وسيصبح طولها 25 سنتيمترًا. إذا واصلت تقسيم المسطرة ومناصفتها، فستصل في نهاية المطاف إلى قطعة طولها نانومتر واحد، وسيتطلب ذلك مناصفة المسطرة 30 مرة إجمالًا. كيف إذن، نقارن ذلك بحجم الأجسام الأخرى؟

عند أحد طرفي الشاشة، لدينا قطعة من الفحم يبلغ عرضها حوالي خمسة سنتيمترات، ويمكن وضعها في راحة يدك. وفي الطرف الآخر، لدينا ذرة واحدة من الكربون يبلغ عرضها حوالي ربع نانومتر. يمكننا أخذ قطعة الفحم الكبيرة وتفتيتها إلى قطع أصغر. تسمى الجسيمات التي يتراوح حجمها بين 2500 و10000 نانومتر جسيمات غليظة. وإذا واصلنا تفتيتها، فسنصل في النهاية إلى مستوى الجسيمات الدقيقة التي يتراوح حجمها بين 100 و2500 نانومتر. وإذا كنا مثابرين للغاية، يمكننا تكسير هذه الجسيمات إلى جسيمات نانوية يتراوح حجمها بين نانومتر واحد و100 نانومتر.

الأمر التالي الذي سنتناوله هو عدد الذرات أو الأيونات التي قد نجدها في الجسيم النانوي. توجد أنواع عديدة من الجسيمات النانوية، وبعضها له بنى مميزة للغاية. كلما صغر حجم الجسيمات، لا تتوافق الذرات أو الأيونات بعضها مع بعض مثلما تفعل عندما تكون الجسيمات أكبر حجمًا. لكي نبسط هذه الفكرة، دعونا نلق نظرة على الجسيمات النانوية للفلزات. تميل جسيمات الفلزات إلى الحفاظ على نفس البنية كلما صغرت في الحجم.

لإبقاء الفكرة مثيرة للاهتمام، دعونا نلق نظرة على بضعة فلزات في آن واحد: الليثيوم، والبوتاسيوم، والسيزيوم، وهي ثلاثة فلزات قلوية. ولنفكر في عدد الذرات التي نتوقع أن نجدها في جسيم يبلغ قطره نانومترًا واحدًا، أو 10 نانومترات، أو 100 نانومتر. في جسيم الليثيوم البالغ قطره نانومترًا واحدًا، من المتوقع أن نجد حوالي 24 ذرة، أما جسيم السيزيوم البالغ قطره نانومترًا واحدًا فستكون به خمس ذرات فقط. الجسيم البالغ قطره نانومترًا واحدًا له حجم محدد ودقيق. ويمكننا وضع عدد أقل من الذرات الكبيرة، وعدد أكبر من الذرات الصغيرة في الحجم ذاته. بعبارة أخرى، يمكننا وضع عدد أكبر بكثير من الذرات في جسيم أكبر حجمًا. لذا، في جسيم الليثيوم البالغ قطره 10 نانومترات، نتوقع وجود حوالي 24000 ذرة. وفي جسيم السيزيوم البالغ قطره 10 نانومترات، نتوقع وجود 4600 ذرة فقط.

ونلاحظ ارتفاعًا كبيرًا آخر في أعداد الذرات عند زيادة القطر بمعامل قدره 10 ليصل إلى 100 نانومتر؛ إذ نحصل على 24 مليون ذرة ليثيوم أو 4600000 ذرة سيزيوم. لكن ضع في اعتبارك أن هذه تقديرات مبنية على كيفية تخيلنا لذرات الفلز وهي تتوافق معًا على نطاقات أكبر. ولكن ما نلاحظه هو أن الجسيمات النانوية يمكن أن تحتوي على ذرات قليلة جدًّا، مثل خمس ذرات في جسيم سيزيوم قطره نانومتر واحد، أو ذرات كثيرة جدًّا، مثل 24 مليون ذرة ليثيوم في جسيم قطره 100 نانومتر.

بذلك نكون قد عرفنا ما المقصود بالجسيمات النانوية وكيف نصفها، ولكن لماذا نهتم بإعطائها اسمًا في الأساس؟ يطلق الكيميائيون عادة اسمًا على شيء ما بسبب السلوك الذي يبديه هذا الشيء. ولكن الجسيمات النانوية ليست مجموعة من مواد متماثلة. فتميل الجسيمات النانوية إلى التصرف بشكل مختلف عن الجسيمات الأكبر من المادة نفسها. نتوقع أن تظهر مواد مثل الألكانات سلوكًا كيميائيًّا متماثلًا.

لذا دعونا نتخيل أننا نأخذ مادة ونحولها إلى جسيم نانوي. ونقارنها بمادة أخرى حولناها أيضًا إلى جسيم نانوي. ستكون الخواص الكيميائية لهذا الجسيم النانوي الصغير مشابهة بدرجة أكبر للجسيم الكبير من المادة نفسها مقارنة بجسيم نانوي من مادة مختلفة.

دعونا نلق نظرة الآن على الخواص التي تميز الجسيم النانوي. الخاصية الأولى هي ارتفاع نسب مساحة السطح إلى الحجم في الجسيمات النانوية عنها في الجسيمات الأكبر حجمًا، وهو ما يجعلها تفاعلية بدرجة أكبر بكثير. دعونا نتخيل أن لدينا مكعب سكر يبلغ طول كل ضلع من أضلاعه سنتيمترًا واحدًا. ومن ثم يساوي حجم المكعب سنتيمترًا واحدًا مضروبًا في سنتيمتر واحد مضروبًا في سنتيمتر واحد، أي سنتيمترًا مكعبًا واحدًا. للمكعب ستة أوجه، وكل وجه تبلغ أبعاده سنتيمترًا واحدًا في سنتيمتر واحد. إذن مساحة السطح الكلية هي ستة سنتيمترات مربعة. هذا يعطينا نسبة مساحة سطح إلى حجم تساوي ستة سنتيمترات مربعة لكل سنتيمتر مكعب.

دعونا نتخيل الآن أن لدينا الحجم نفسه بالضبط، أي الكمية نفسها من المادة، لكنها مقسمة إلى مكعبات يبلغ حجمها 100 نانومتر في 100 نانومتر في 100 نانومتر. كما ذكرنا، نستخدم الكمية نفسها من المادة بالضبط. ومن ثم، فإن لها الحجم نفسه، لكن كل جسيم له مساحة سطح أكبر معرضة للتفاعل. ومساحة السطح الكلية هي 600000 سنتيمتر مربع. وبذلك تكون مساحة السطح أكبر بمقدار 100000 مرة.

بتجاهل أي عوامل أخرى، من المرجح أن تكون الجسيمات النانوية أكثر تفاعلية، وأكثر قابلية للاشتعال، وأفضل بوصفها عوامل حفازة؛ وذلك ببساطة بفضل حجمها متناهي الصغر. فمن الممكن استخدام كمية أقل من المادة للحصول على مساحة السطح نفسها، والنشاط الحفزي ذاته.

يتراوح الطول الموجي للضوء المرئي بين 700 و400 نانومتر. وعندما نقلص المواد إلى حجم الجسيم النانوي، يمتص بعضها قدرًا أكبر من الضوء، ويمتص البعض الآخر قدرًا أقل من الضوء. على مقياس العين البشرية، الذهب لامع وبالطبع ذهبي اللون. لكن جسيمات الذهب النانوية تتفاعل مع الضوء بطرق خاصة، وتظهر حمراء اللون عندما تكون معلقة في محلول. وفي الوقت نفسه، ثاني أكسيد التيتانيوم هو صبغة بيضاء تستخدم في الطلاءات. ولكن جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية المعلقة في الماء أو الموزعة بشكل رقيق في الواقي من أشعة الشمس تكون غير مرئية للعين المجردة، لكنها تمتص مع ذلك الأشعة فوق البنفسجية الضارة.

أما الخاصية الأخيرة المهمة للجسيمات النانوية، فهي أنها صغيرة بما يكفي للوصول إلى أماكن لا تستطيع الجسيمات الأكبر حجمًا الوصول إليها. فيمكن للجسيمات النانوية اختراق الخلايا البشرية؛ حيث يمكن استخدامها في توصيل العقاقير، أو تتبعها بالأشعة فوق البنفسجية، أو تحفيزها لتدمير الخلايا السرطانية. كما يمكن استخدامها في تصميم الدوائر الكهربية المجهرية. ومع ذلك، لا يمكننا توقع السلوك المحتمل للجسيمات النانوية داخل الجسم البشري أو البيئة بسهولة. لذلك، يجب أن نحرص على اختبارها أولًا.

حتى إذا علمنا أن الجسيمات الأكبر آمنة، فهذا لا يعني أن الجسيمات النانوية ستكون آمنة أيضًا. وعلينا، بوصفنا مجتمعًا، أن ننتبه إلى الجسيمات النانوية التي نصنعها، لأن بعضها قد يلحق ضررًا كبيرًا بالنظام البيئي، ويتراكم فيه بالقدر الكافي لقتل النباتات والحيوانات. نعرف الآن ما المقصود بالجسيمات النانوية، والخواص التي تجعلها مميزة، وكيف نصفها. لنتدرب الآن على بعض الأسئلة.

قطر شعرة الإنسان 80000 نانومتر. ما عدد الجسيمات النانوية التي قطرها 50 نانومترًا، ويمكنها أن تتراص داخل شعرة الإنسان؟ قرب إجابتك لأقرب عدد صحيح.

يتفاوت سمك شعرة الإنسان تفاوتًا كبيرًا، إلا أن عرضها يبلغ عادة 100 ميكرومتر، وهو ما يعادل تقريبًا 100000 نانومتر. يبلغ قطر الشعرة المذكورة في السؤال 80000 نانومتر، أي إنها أقل سمكًا بعض الشيء عن المعتاد. الجسيمات النانوية هي جسيمات يتراوح قطرها من نانومتر واحد إلى 100 نانومتر. والجسيمات النانوية التي سنستخدمها هنا يبلغ قطرها 50 نانومترًا. وسنفترض في هذه الحالة أننا نتعامل مع جسيمات نانوية كروية.

والمطلوب هو إيجاد عدد الجسيمات النانوية التي يمكن أن تتراص، بحيث يلاصق بعضها بعضًا، داخل شعرة الإنسان. هذا يعني أن علينا إيجاد عدد الجسيمات التي يبلغ طولها عند اصطفافها 80000 نانومتر. ويجب ألا نبالغ في تصور هذا الأمر ونضع الجسيمات النانوية على سطح الشعرة. فلمعرفة عدد الجسيمات النانوية التي نحتاج إليها، علينا فقط أخذ قطر الشعرة وقسمته على قطر الجسيم النانوي.

نعوض بالقيمتين الموجودتين لدينا، فنحصل على 80000 نانومتر مقسومًا على 50 نانومترًا. ليس من الضروري استخدام الآلة الحاسبة لحساب ذلك؛ فيمكننا ملاحظة أن 50 توجد 16 مرة في 800، وهو ما يعني أن 50 توجد 1600 مرة في 80000، وبذلك تصبح إجابتنا هي 1600 جسيم نانوي. والإجابة مقربة بالفعل لأقرب عدد صحيح.

يستعرض السؤال التالي استخدامات الجسيمات النانوية في الكريمات الواقية من أشعة الشمس.

تستخدم الجسيمات النانوية في صناعة الكريمات الواقية من أشعة الشمس. أي سبب من الأسباب الآتية لا يعبر عن ميزة إضافة الجسيمات النانوية إلى الكريمات الواقية من أشعة الشمس؟ (أ) تعمل الجسيمات النانوية الموجودة في الكريمات الواقية من أشعة الشمس على تعزيز الحماية من الأشعة فوق البنفسجية. (ب) تؤدي الجسيمات النانوية الموجودة في الكريمات الواقية من أشعة الشمس إلى تغطية أفضل للبشرة. (ج) تنتج الجسيمات النانوية الموجودة في الكريمات الواقية من أشعة الشمس سائلًا شفافًا. (د) تمتص البشرة الجسيمات النانوية الموجودة في الكريمات الواقية من أشعة الشمس إلى حد كبير، وهو ما يمنح حماية أطول. (هـ) قد تنتقل الجسيمات النانوية من الكريمات الواقية من أشعة الشمس إلى البيئة.

الجسيمات النانوية هي جسيمات يتراوح حجمها من نانومتر واحد إلى 100 نانومتر. تحتوي عادة الكريمات الواقية من أشعة الشمس على جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم التي تستخدم لامتصاص الأشعة فوق البنفسجية والمساعدة في الوقاية من حروق الشمس. علينا هنا معرفة أي من العبارات الخمس لا يعبر عن ميزة تنتج عن إضافة جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية إلى الكريمات الواقية من أشعة الشمس بدلًا من الجسيمات الكبيرة الحجم.

تشير العبارة الأولى إلى أن الجسيمات النانوية الموجودة في الكريمات الواقية من الشمس توفر حماية أفضل من الأشعة فوق البنفسجية مقارنة بالجسيمات الكبيرة الحجم. من الصعب تخيل كيف سيؤثر حجم الجسيم على مدى كفاءته في امتصاص الأشعة فوق البنفسجية، لذلك سنعود إلى هذه العبارة لاحقًا.

الخيار الثاني هو أن الجسيمات النانوية الموجودة في الكريمات الواقية من أشعة الشمس توفر تغطية أفضل للبشرة. للوهلة الأولى، يبدو أن الجسيمات الكبيرة الحجم تغطي السطح بنفس كفاءة الجسيمات الصغيرة. لكن البشرة في الواقع خشنة وغير متساوية. ولذا تدخل الجسيمات الصغيرة في الفتحات والفجوات بشكل أفضل من الجسيمات الأكبر حجمًا. ويستخدم عدد أقل من الجسيمات الضخمة لتغطية مساحة السطح نفسها. ومن ثم، فهي ميزة واضحة أن الجسيمات النانوية توفر تغطية أفضل للبشرة في الكريمات الواقية من أشعة الشمس مقارنة بالجسيمات الأكبر حجمًا. ولذلك، هذه ليست إجابة السؤال.

الخيار التالي هو أن الجسيمات النانوية الموجودة في الكريمات الواقية من أشعة الشمس تنتج سائلًا شفافًا. الأجزاء الكبيرة والجسيمات الكبيرة من ثاني أكسيد التيتانيوم بيضاء اللون. لكن الجسيمات النانوية أصغر من الطول الموجي للضوء المرئي، وتبدو جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية عديمة اللون عندما تكون في طبقة رقيقة أو محلول. إذن فإن استخدام الجسيمات النانوية في الكريمات الواقية من أشعة الشمس لا يحول لون السائل إلى الأبيض، وهو يعد أمرًا إيجابيًّا من المنظور التجاري؛ لأن الناس لا يريدون ظهور خطوط بيضاء على بشرتهم عند وضعهم واقي أشعة الشمس.

أما الخيار التالي، فهو أن الجسيمات النانوية الموجودة في الكريمات الواقية من أشعة الشمس تمتصها البشرة إلى حد كبير، وهو ما يمنح حماية أطول. يمكن لجسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية الدخول إلى مسام البشرة بدرجة أعمق بكثير مقارنة بالجسيمات الكبيرة، ولذلك تثبت لفترة أطول وتوفر حماية أطول. إذن هذه العبارة صحيحة أيضًا. ويمكننا بذلك ملاحظة كيف أن الامتصاص الأعمق، وتوفير حماية أطول، وإعطاء تغطية أفضل للبشرة تجعل الجسيمات النانوية الموجودة في الكريمات الواقية من الشمس توفر حماية أفضل ضد الأشعة فوق البنفسجية مقارنة بالجسيمات الكبيرة الحجم.

بذلك يتبقى لدينا الخيار الأخير، وهو أن الجسيمات النانوية الموجودة في الكريمات الواقية من أشعة الشمس قد تنتقل إلى البيئة. للوهلة الأولى، يبدو هذا وكأنه ميزة. فأنت لا ترغب في ثبات واقي الشمس على بشرتك بعد العودة إلى المنزل قادمًا من الشاطئ. لكن بينما تعد جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم الكبيرة آمنة، لم يثبت أن الجسيمات النانونية آمنة في جميع الحالات. فقد نجد أنها تدمر البيئة بطرق لم نتمكن من فهمها بعد. لذا، حتى تتسنى لنا معرفة ذلك بشكل أفضل، علينا توخي الحذر حيال نقل الجسيمات النانوية إلى البيئة.

لنلخص الآن النقاط الرئيسية في هذا الفيديو. الجسيم النانوي هو جسيم متناهي الصغر من المادة يتراوح قطره بين نانومتر واحد إلى 100 نانومتر. المليار نانومتر يعادل مترًا. يمكن صنع الجسيمات النانوية من العديد من المواد المختلفة. بعض الجسيمات النانوية آمن، وبعضها الآخر خطير، وبالنسبة إلى معظمها، لا يزال أمامنا الكثير لنكتشفه.

نسب مساحة سطح الجسيمات النانوية إلى حجمها أكبر بكثير منها في الجسيمات الأكبر حجمًا. وهذا يجعلها تتفاعل بشكل أسرع من الجسيمات الأكبر حجمًا، كما يجعلها مواد حفازة أفضل. تتفاعل بعض الجسيمات النانوية مع الضوء بطرق خاصة، وهو ما يعني أنه يمكننا الحصول على سلوك مميز من مادة تبدو عادية جدًّا. وأخيرًا، يمكن لبعض الجسيمات النانوية النفاذ إلى أماكن تعجز الجسيمات الأكبر حجمًا عن النفاذ إليها.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.