نانومتر

الكيمياء اللاعضوية تشمل مجموعة واسعة من المركبات غير العضوية التي تحتوي على العناصر اللاعضوية مثل الهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والكربون والفلور والكلور والبروم واليود والفوسفور والكبريت والزئبق والرصاص والزنك والنحاس والفضة والذهب والبلاتين. ومن بين المركبات الجديدة في الكيمياء اللاعضوية:

1- النانومواد: وهي مواد تتكون من جزيئات صغيرة جداً تتراوح أبعادها بين 1 و 100 نانومتر، وتتميز بخصائص فريدة مثل توصيل الكهرباء والحرارة واللون والسطحية.

2- الزيوليت: وهي مواد مسامية تحتوي على هياكل متكررة تتراوح أبعادها بين 0.5 و 1.5 نانومتر، وتستخدم في عمليات التحضير الكيميائي والبترولية وتنقية الماء.

3- الخلائط الأيونية: وهي مواد تتكون من أيونات مختلفة تتفاعل مع بعضها البعض لتشكل مركبات جديدة، وتستخدم في العديد من التطبيقات مثل الطاقة والكيمياء الحيوية والأجهزة الإلكترونية.

4- النانوتوبات: وهي مواد تتكون من أنبوبات نانوية مصنوعة من الكربون أو السيليكون أو المعادن، وتستخدم في العديد من التطبيقات مثل الطاقة والإلكترونيات والحيوية.

5- الأنسجة الذكية: وهي مواد تتكون من تراكيب متعددة الطبقات تتفاعل مع المواد الخارجية لتغير خصائصها بشكل ذاتي، وتستخدم في التطبيقات الطبية والتحكم في البيئة.

تتطور الكيمياء اللاعضوية باستمرار، وتشمل عددًا من المجالات المختلفة، بما في ذلك:

1- النانوتكنولوجي: يتضمن هذا المجال دراسة الخصائص الكيميائية والفيزيائية للمواد على المستوى النانوي، والتي تتراوح أحجامها بين 1-100 نانومتر.

2- الكيمياء الحيوية: يتناول هذا المجال دراسة العمليات الكيميائية المتعلقة بالحياة والتي تنشأ في الكائنات الحية، وتشمل تفاعلات البروتين والأحماض النووية والليبيدات.

3- الكيمياء العضوية: يهتم هذا المجال بدراسة الأطر الكيميائية التي تحتوي على الكربون، ويشمل العديد من المواد الكيميائية المستخدمة في الصناعة والطب.

4- الكيمياء الغير تقليدية: يتضمن هذا المجال دراسة التفاعلات الكيميائية الجديدة والمبتكرة، والتي غالبًا ما تكون غير تقليدية، مثل التفاعلات التي تستخدم مواد مختلفة عن الرصاص والفضة والذهب.

5- الكيمياء الحرارية: يتناول هذا المجال دراسة التفاعلات الكيميائية التي تتطلب درجات حرارة عالية، وتشمل تفاعلات الأكسدة والاختزال والاحتراق.

6- الكيمياء الكمية: يهدف هذا المجال إلى فهم التفاعلات الكيميائية من خلال تطبيق المفاهيم الكمية والرياضيات، ويستخدم في بحث مجالات مثل التركيب الجزيئي والديناميكا الجزيئية والنمذجة الحاسوبية.

تقنية النانو في النظرية الكمومية تتعلق بدراسة الخصائص الكمومية للمواد على مستوى النانو (أي على مقياس النانومتر، وهو المقياس الذي تتراوح فيه أحجام الجزيئات بين 1 و 100 نانومتر). وتستخدم هذه التقنية في صناعة المواد والأجهزة على نطاق النانو، وتشمل عددًا من التطبيقات المبتكرة مثل النانوميميكس (Nanomix) والنانوبيوتكنولوجي (Nanobiotechnology) والنانوالكترونيات (Nanoelectronics) والنانوفوتونيات (Nanophotonics) والنانومغناطيسية (Nanomagnetism) والنانوالحساسية (Nanosensing). وتستند هذه التقنية على مفاهيم النظرية الكمومية والتي تسمح بفهم سلوك المواد على المستوى النانومتري وتحسين خصائصها وتطوير تطبيقات جديدة في مجالات مختلفة.

تقنية الحقن الحية الفيمتوية في الكيمياء الحيوية هي عبارة عن تقنية تستخدم في دراسة العمليات الخلوية الحية، وتتمثل هذه التقنية في حقن محاليل ذات أملاح تحتوي على جزيئات صغيرة جدًا تسمى الفيمتو، وهي تتراوح بحجمها من 10-100 نانومتر، وتستخدم هذه الجزيئات لتحديد مواقع وتتبع حركة البروتينات والجزيئات الدقيقة الأخرى داخل الخلايا، وذلك باستخدام ميكروسكوب يسمى الميكروسكوب الإلكتروني الانتقالي، وبهذه الطريقة يتم تحليل العمليات الحيوية داخل الخلايا بدقة عالية وبتفاصيل دقيقة.

يعد الفيمتو الجزيئي عبارة عن جزيئات صغيرة متفرقة بعيدة عن بعضها البعض، في حين يتم تكوين الفيمتو البوليمري من تراكيز عالية من الفيمتو المتراص. وتتمثل الفروقات الرئيسية بينهما في:

1. الحجم: فالفيمتو الجزيئي يتراوح حجمها بين 1 و 1000 نانومتر، بينما يمكن أن يصل حجم الفيمتو البوليمري إلى مئات الميكرونات.

2. الخصائص الفيزيائية: فالفيمتو الجزيئي يتميز بخصائص فيزيائية مختلفة عن الفيمتو البوليمري، مثل درجة الانحلالية وحجم الجزيئات.

3. التطبيقات: يستخدم الفيمتو الجزيئي عادة في تطبيقات الطب والإلكترونيات وفي صناعة الأدوات الدقيقة، بينما يستخدم الفيمتو البوليمري عادة في المواد البلاستيكية، والإضافات الغذائية، والمنظفات، ومستحضرات التجميل والأدوية.

توجد العديد من التكنولوجيا الجديدة في صناعة البوليمرات، منها:

1. تقنية البثق الثلاثي الأبعاد (3D Printing): وهي تقنية تستخدم في إنتاج المنتجات بطريقة ثلاثية الأبعاد، حيث يتم إيداع المواد الخام المناسبة في آلة البثق ثلاثية الأبعاد لإنتاج قطع معينة بتصميمات مختلفة.

2. تقنيات النانو (Nano Technology): وهي تقنية تستخدم لإنتاج البوليمرات عالية الأداء والخفيفة الوزن، حيث يتم تحويل المواد الخام إلى شكل نانومتري لزيادة سطح الاتصال وبالتالي زيادة خصائص المواد المنتجة.

3. تقنية البوليمر بالنفث (Blow Molding Technology): وهي تقنية تستخدم في إنتاج المنتجات البلاستيكية الخفيفة الوزن من خلال نفث الهواء على البوليمر المسخن في قالب معين.

4. تقنيات الرصف الحراري (Thermal Lamination Technology): وهي تقنية تستخدم في إنتاج الأغلفة البلاستيكية الملونة والمطبوعات، حيث يتم تثبيت الصورة أو اللون على الأغلفة البلاستيكية باستخدام الحرارة.

5. تقنية البوليمر الذاتي الشفاء (Self-Healing Polymer Technology): وهي تقنية تستخدم لإنتاج البوليمرات المقاومة للتآكل والتآكل البيولوجي، حيث يتم إضافة مواد معينة إلى البوليمرات لتساعد على الإصلاح الذاتي في حالة الضرر أو التآكل.

هناك عدة طرق لتصنيع البوليمرات الحرارية، ومن بينها:

1- البلمرة بالضغط: حيث يتم تسخين الأحماض الأمينية والبوليمرات في ضغط عالٍ ودرجة حرارة عالية لتحويلها إلى بوليمر حراري.

2- البلمرة بالانحلال الحراري: حيث يتم تسخين الأحماض الأمينية والبوليمرات في درجة حرارة عالية في غياب الهواء، مما يشكل بوليمر حراري.

3- البلمرة بالتحلل الحراري: وتتمثل في تحليل البوليمرات إلى جزيئاتها المكونة، ثم تفاعل الجزيئات لتكوين بوليمر جديد عن طريق إضافة مركبات مساعدة.

4- البلمرة بالإشعاع: حيث يتم تعريض الغازات الحاملة للمكونات الحرارية للأشعة الكهرومغناطيسية العالية التردد مثل الأشعة فوق البنفسجية والإشعاعات الإلكترونية والغاما، وهذا يؤدي إلى تشكيل بوليمر حراري.

5- البلمرة بالتحديد المجهري: حيث يتم استخدام جزيئات ذات حجم نانومتري لتحفيز تفاعلات بين الجزيئات، وتكوين بوليمر جديد.

هناك العديد من الطرق المستخدمة لإنتاج البوليمرات غير التقليدية، ومنها:

1- البوليمرات الحيوية: وهي البوليمرات التي تنتج من مصادر حيوية مثل السكريات والأمينو حمضات، ويمكن إنتاجها باستخدام البكتيريا المختلفة.

2- البوليمرات النانوية: وهي البوليمرات التي تتألف من جزيئات صغيرة جداً تصل حجمها إلى نانومترات، وتنتج هذه البوليمرات باستخدام التقنيات الحديثة مثل الترسيب الكيميائي البخاري وغيرها.

3- البوليمرات المعدلة: وهي البوليمرات التي تم تعديلها كيميائياً بحيث تكون لها خصائص معينة، ويمكن تحقيق ذلك باستخدام مواد كيميائية مختلفة مثل الأحماض والقواعد والمذيبات.

4- البوليمرات العضوية الإلكترونية: وهي البوليمرات التي تتميز بخواص إلكترونية مثل الأداء الإلكتروني والإضاءة، ويمكن إنتاجها باستخدام تقنيات البوليمر المركب والبوليمر الطباعي وغيرها.

5- البوليمرات الحرارية: وهي البوليمرات التي تعتمد على خواصها الحرارية، ويمكن إنتاجها باستخدام التفاعلات الحرارية والتقنيات الحرارية الأخرى.

النانو في الفيزياء الرياضية يشير إلى دراسة الخصائص والظواهر الفيزيائية في المواد والأجسام التي تتراوح أبعادها بين 1 و 100 نانومتر. وتتناول هذه الدراسات أساسًا المواد ذات الخواص الحيوية والمتقدمة التكنولوجيا، مثل المواد النانوية والأشباه الموصلة والنانوتكنولوجيا وغيرها. وتهدف هذه الدراسات إلى فهم الظواهر والتفاعلات في هذه المواد على المستوى النانوي، وتحقيق التطبيقات العملية الجديدة والابتكارات الفريدة في التكنولوجيا الحديثة.

تتميز الأسلاك النانوية في المواد المكثفة بخصائص فريدة، ومنها:

1. الحجم الصغير: حيث يمكن تحقيق أسلاك نانوية بقطر يصل إلى عدة نانومترات، مما يزيد من كثافة الشحنة ويقلل من حجم المادة المكثفة.

2. السرعة العالية: حيث تسمح الأسلاك النانوية بتوفير مسارات موصلية قصيرة للشحنة، مما يزيد من سرعة التحميل والتفريغ.

3. القدرة على التخزين: حيث تسمح الأسلاك النانوية بزيادة كمية الشحنة المخزنة في المادة المكثفة، مما يزيد من كثافة الطاقة المخزنة.

4. الاستقرار الحراري: حيث تتميز الأسلاك النانوية بمقاومتها للتدهور الحراري، مما يزيد من عمر المادة المكثفة.

5. التوافق مع التكنولوجيا الحديثة: حيث تستخدم الأسلاك النانوية في تصنيع المواد المكثفة التي تستخدم في تقنيات الإلكترونيات الحديثة مثل الأجهزة الذكية والأجهزة اللوحية والحواسيب المحمولة.