تعد علوم المواد المتناهية في الصغر والتقنيات المنبثقة عنها ميادين واعدة للبحث العلمي والتقني. فهي تستعمل آليات وتجهيزات متطورة. وقد فتح هذا الميدان العلمي الباب أمام تطبيقات خارقة للعادة في مختلف الميادين العلمية والتقنية، حيث إنها تغطي إشكالات علمية وتقنية متنوعة، وتجيب عن أسئلة تقليدية، مثل: كيفية تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية بتكلفة منخفضة.

ولقد انطلق هذا التطور منذ عام 1990 م، وذلك بعد أن اكتشف العالمان هوفمان (D.Huffman) وكراتشمير (W.Kratschmer) طريقة تركيب كمية ماكروسكوبية من الجزيئات والبلورات انطلاقًا من الفوليرين الذي اكتشف في ثمانينيات القرن الماضي، واكتشاف العالم الياباني سوميو إيجيما (Lijima .(S أنابيب الكربون المتناهية في الصغر بواسطة المجهر الإلكتروني. وتلت هذه الأبحاث الكشف عن طرق أخرى متعلقة بتركيب المواد، ومن ثم أصبح من الممكن دراسة الخصائص الفيزيائية والكيميائية لأجسام متناهية في الصغر.

ولإيجاد أبسط تعريف لعلم المواد المتناهية في الصغر لا بد من دراسة المواد في السلم الذري أو الجزيئي، حيث تختلف خواصها اختلافًا ملحوظاً عن خواص المواد نفسها في سلم أكبر (الحجم العادي). وعلم المواد متعدد التخصصات، ويغطي مجالات علمية كثيرة، مثل: الكيمياء، والفيزياء، والأحياء، والطب وعلوم الهندسة والإلكترونيات.

وتغطي الأبحاث في هذا المجال تحضير المواد المتناهية في الصغر، واكتشاف مميزاتها بأشكال وبنى وخصائص فيزيائية وكيميائية خاصة. ويمكن أن تكون هذه المواد عضوية، أو غير عضوية، أو هجينا من المواد العضوية وغير العضوية.

وتتراوح أبعاد المواد النانوية ما بين عشرة إلى مئة نانومتر

(1 nm = 10-3μ =10-9 nm).

ولكي نتخيل أبعاد هذه المواد دعنا نقارنها بأبعاد أجسام أخرى، فمثلا بعد الذرة يتراوح ما بين nm 0.1 إلى nm 0.4، في حين يقدر سمك جزيء الحامض النووي (DNA) بحوالي nm 2، أما طول هذا الجزيء فيصل إلى 10 أمتار. كما يتراوح طول فيروس ما بين nm 10 إلى nm 100. في حين أن سمك شعرة الإنسان تتراوح ما بين nm 50000 إلى  .100000 nm

وتكمن أهمية المواد المتناهية في الصغر في خصائصها الكمية المتميزة؛ وذلك نظرا لصغر حجمها، وكبر سطحها، كما أنّ نسبة مساحة سطح المادة المتناهية في الصغر على كتلتها أكبر من النسبة نفسها في السلم العادي؛ مما يؤدي إلى ارتفاع التفاعل الكيميائي، ومنه إلى التأثير في الخصائص الكهربائية والميكانيكية للمواد المتناهية في الصغر. ومن جهة أخرى يصبح المفعول الكمي أكثر أهمية في مواد النانو، حيث يؤثر في خواص المادة الضوئية والكهربائية، والمغناطيسية، ويظهر هذا جليا في النقط الكمية، والليزر الكمي المجهز بالتجهيزات الإلكتروضوئية ⁽⁵⁾.

فالمواد المركبة انطلاقا من الجزيئات المتناهية في الصغر تكون أشدّ صلابة، وأكثر مرونة من المواد العادية (في الحجم الطبيعي). فكلما تقلص حجم الجزيئات ارتفعت صلابة المادة. ويفترض أن تقليص حجم الجزيئات يؤدي إلى تغيير الأواصر الذرية المبنية على تشارك الإلكترونات، أما مرونة مواد النانو فتأتي من جهة صغر حجم الجزيئات، حيث يسمح لها بالانزلاق على بعضها بعضًا عند بداية الكسر، وهكذا يصنع الخزف القوي في صلابته، والشديد في مقاومته الصدمات في الوقت نفسه.

ومن الخواص المهمة للمواد المتناهية في الصغر أنّ نسبة سطح المواد على حجمها أكبر من هذه النسبة في المواد العادية. ولهذه الخاصية تطبيقات ذات أهمية كبيرة مثل: أكثر الحوافز امتصاصا للمادة. فالحوافز المركبة من مواد متناهية في الصغر لها تطبيقات متعددة، مثل: جزيء البترول والمواد المسامية المتناهية في الصغر تستعمل في امتصاص المواد الكيماوية الملوثة، أو في تخزين الهيدروجين بأمان. كما تستعمل الجزيئات المتناهية في الصغر في مواد التجميل والمراهم؛ لحماية البشرة من أشعة الشمس (جزيئات أكسيد التيتانيوم، وأكسيد الزنك). أما الأنابيب المتناهية في الصغر (العضوية أو غير العضوية) فلها خواص ميكانيكية مهمة. كما أن الكريات والحبات البلورية المتناهية في الصغر تستعمل في التشحيم شأنها في ذلك شأن الدهون، كما تستعمل في تركيب المواد المغناطيسية ⁽¹⁹⁾. ولقد حدث تطور سريع للآليات المستعملة في التقنيات المتناهية في الصغر في مدة قصيرة من الزمن، وسمحت هذه الآليات برؤية الأجسام على مستوى النانومتري ⁽¹⁷⁾.

____________________________________________

هوامش

(5) Dutta, J. and Hofmann, H. Nanomaterials, Electronic Book, 2005.

(17) سلامة: صفات. النانوتكنولوجي: عالم صغير ومستقبل كبير. بيروت: الدار العربية للعلوم (ناشرون)، مؤسسة محمد بن راشد آل مكتوم (2009 م).

(19) Ozin, G. A. ; Manners, I.; Fournier-Bidoz, S. and Arsenault, A. Dream Nanomachines. Adv. Mater. 2005, 17, 3011–3018.