يُركّز العلم والتقانة النانويان اهتمامهما على المواد من الناحية الفيزيائية، ومن حيث كونها أجساماً صلبة. وما كان شائعاً في السابق هو تمييز علم المواد لثلاث فئات كبيرة من المواد المعادن والبوليمرات والسيراميكات. وقد ناقشنا المعادن، وفي ما يلي سوف نلقي نظرة على الفئتين الأخريين.

إن أكثر أنواع البوليمرات شيوعاً هي اللدائن (البلاستيك plastics) التي تُسمى أحياناً الجزيئات الكبيرة macromolecules بُغية التأكيد على أنها جزيئات كبيرة جداً بالمعايير الجُزَيئية (إلا أنها ليست كبيرة بما يكفي ليراها الإنسان بالعين المجرّدة). يقوم معظم البوليمرات على الكربون لأنه يتصف بقابلية فريدة تقريباً للترابط مع نفسه. والبوليمرات هي جزيئات أُحادية مكونة من اشكال متكررة من الذرّات تُسمّى (المونومرات monomers) المتصلة معاً على شكل سلسلة. وعلى سبيل المثال يوجد في كأس مصنوع من البوليستيرين polystyrene، كثير من البنى المختلفة، وتتخذ السلاسل أطوالاً مختلفة.

ويمكن للبوليمرات أن تتشابك، وهذا يعني أن سلاسل المونومرات ترتبط بسلاسل أخرى بواسطة روابط السلاسل. والبوليمرات الشديدة التشابك لا تميل إلى التصرّف كأكثر المواد غير المعدنية شيوعاً فقط، بل سوف تكون على الأرجح أشد صلابة أيضاً بسبب بنيتها الصلبة. وفي طريقة أخرى، تتلاف سلاسل البوليمر وتتشابك مثل المعكرونة الطويلة (السباغيتي) أو كبال الحاسوب مكونة مواد مطاطية شديدة اللدانة. تُسمّى تلك المواد بالبوليمرات اللامتبلورة amorphous ويُعد كلور متعدد البوليفينيل (polyvinyl chloride (PVC المستخدم في صنع الأنابيب وأشياء منزلية أخرى متنوعة مثالاً للبوليمر الشديد التشابك. والكأس المصنوع من البوليستيرين لامتبلور على الأغلب.

تمثل البوليمرات البسيطة، ومنها البولي إثيلين polyethelene والبوليستيرين، اللدائن الهندسية عموماً. وخلافاً للمعادن تكون البوليمرات القائمة على الكربون عازلة على الأرجح لأن الإلكترونات تبقى مأسورة بالقرب من نوى ذراتها ولا تستطيع التجوال بحرية عبر المادة. واتصاف اللدائن بكونها عوازل لينة هو السبب أيضاً في استخدامها في تغليف الأسلاك الكهربائية. ووفقاً لما هو متوقع ليست اللدائن لمَّاعة، ومثالها ستارة الحمام المصنوعة من كلور البوليفينيل أو الحبل المصنوع من البوليبروبيلين polypropylene.

وإلى جانب البوليمرات التركيبية (الصناعية) ثمة كثير من البوليمرات الهامة في عالم الأحياء. ومن أمثلتها شبكات العنكبوت وجزيئات الدنا DNA التي تحمل المعلومات الوراثية والبروتينات ومتعددات السكريات polysaccharides. وسوف نناقش هذه المواد في المقطع التالي.

الشكل 3-2: نموذج جُزيئي لجزء من سلسلة البولي إثيلين. يضم هذا الجزء 28 ذرة كربون (غامقة)، أما البولي إثيلين التجاري فيحتوي على أكثر من 1000 ذرة كربون في الشريط الواحد.

اقتبست الصورة بعد موافقة الناشر من: Chemistry: The Cetral Science, 9/e, by Brown/LeMay

Bursten, © Pearson Education Inc., Upper Saddle River, NJ.

لا تنقل البوليمرات الكهرباء عموماً، إلا أنه من الممكن صنع بوليمرات خاصة ناقلة. وهذا أمر هام لأن البوليمرات خفيفة وطيّعة ورخيصة ومستقرة وسهلة الصنع. ومن التطبيقات الهامة لهذه البوليمرات الاستثنائية استعمالها بدلاً من المعادن في درء تكون الكهرباء الساكنة، وفي صنع الأسلاك الجزيئية النانوية وغيرهما.

والفئة الأخيرة من المواد المألوفة في علم المواد هي السيراميكات. وتتكون السيراميكات غالباً، وليس دائماً، من أكاسيد المعادن التي يمثل الأكسجين فيها أحد العناصر المكوّنة لها. وتُصنع السيراميكات من أنواع مختلفة من الذرّات. فالصلصال على الأغلب هو أكسيد الألمنيوم، والرمل على الأغلب هو ثنائي أكسيد السليكون والآجر هو أكسيد سليكون المغنيزيوم. وأكاسيد الكالسيوم على درجة من الأهمية في تطبيقات البلاط المألوفة. وعلى غرار البوليمرات، وخلافاً للمعادن تبقى الإلكترونات في السيراميك محصورة ضمن ذراتها، ولذا لا ينقل السيراميك الكهرباء (بعض السيراميكات تصبح نواقل فائقة عند درجات الحرارة الشديدة الانخفاض). وهي عموماً غير براقة، لكنها شديدة القساوة غالباً، وهشة أحياناً. وهي الآن في بداية استخدامها في التقانة النانوية، وتبدو واعدة لتطبيقات التعويضات العظمية.