تصنيف وتطبيقات المواد النانوية ذات البنية الأساسية/الغلافية
تصنيف وتطبيقات المواد النانوية ذات البنية الأساسية/الغلافية
الاستاذ الدكتوره :ندى يحيى فيروز
ملخص
تُعدّ المواد النانوية ذات البنية الأساسية/الغلافية فئةً مهمةً من البنى النانوية المتقدمة، تتكون من مادة أساسية مُغلّفة بغلاف ذي تركيب مختلف. وبناءً على خصائصها التركيبية والبنيوية، يُمكن تصنيف هذه المواد إلى عدة فئات، تشمل الأنظمة غير العضوية-غير العضوية، وغير العضوية-العضوية، والعضوية-غير العضوية، والعضوية-العضوية. يُتيح هذا التصنيف تحكمًا دقيقًا في الخصائص الفيزيائية والكيميائية والبصرية والإلكترونية من خلال تصميم المواد الأساسية والغلافية. هذه المرونة البنيوية تجعل المواد النانوية ذات البنية الأساسية/الغلافية جذابةً للغاية لمجموعة واسعة من التطبيقات التكنولوجية.
أظهرت هذه المواد النانوية إمكانات كبيرة في مجال التحفيز، حيث تُعزز بنيتها النشاط التحفيزي والانتقائية والاستقرار، مع تقليل تكاليف المواد. في تطبيقات تخزين الطاقة وتحويلها، بما في ذلك البطاريات والمكثفات الفائقة والأجهزة الكهروضوئية، تُحسّن هذه المواد
نقل الشحنات، وتُقلّل من فقدان إعادة التركيب، وتُعزّز كفاءة الطاقة الإجمالية. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم المواد النانوية ذات البنية الأساسية/الغلافية على نطاق واسع في التطبيقات الطبية الحيوية، مثل توصيل الأدوية والتصوير الحيوي وعلاج السرطان، نظرًا لسلوك إطلاقها المُتحكّم فيه وتوافقها الحيوي المُحسّن. كما تُتيح خصائصها الكهربائية والبصرية الفريدة منصات استشعار عالية الحساسية للكشف الكيميائي والبيولوجي. وبشكل عام، فإنّ البنية القابلة للتعديل والطبيعة متعددة الوظائف للمواد النانوية ذات البنية الأساسية/الغلافية تجعلها مرشحة واعدة لتطبيقات الجيل القادم في مجال تكنولوجيا النانو والطاقة.
- مقدمة
تُعدّ الجسيمات النانوية اللبنة الأساسية لتكنولوجيا النانو. وتُعرف الجسيمات المصنوعة من الكربون أو المعادن أو أكاسيد المعادن أو المواد العضوية، والتي يتراوح حجمها بين 1 و100 نانومتر، بالجسيمات النانوية.[1] وعلى عكس نظيراتها ذات الأحجام الأكبر، تُظهر الجسيمات النانوية خصائص فيزيائية وكيميائية وبيولوجية مميزة على المستوى النانوي. يمكن عزو هذه الظاهرة إلى عدد من العوامل، بما في ذلك تحسين المتانة الميكانيكية، وزيادة التفاعل أو الاستقرار في العمليات الكيميائية، وكبر مساحة السطح مقارنةً بالحجم نسبيًا.[2] وبسبب هذه الخصائص، تُستخدم الجسيمات النانوية في العديد من التطبيقات المختلفة.
وبغض النظر عن تركيبها، تختلف الجسيمات النانوية في الحجم والشكل والأبعاد.[3] وهناك أربعة أنواع من الجسيمات النانوية: صفرية الأبعاد، حيث يكون الطول والعرض والارتفاع ثابتين عند نقطة واحدة (مثل النقاط النانوية)، وأحادية الأبعاد، حيث يكون لها بُعد واحد فقط (مثل الجرافين)، وثنائية الأبعاد، حيث يكون لها طول وعرض (مثل أنابيب الكربون النانوية)، وثلاثية الأبعاد، حيث يكون لها جميع الأبعاد (مثل جسيمات الذهب النانوية).
يختلف حجم الجسيمات النانوية وشكلها وبنيتها. ويتراوح حجمها من 1 نانومتر إلى 100 نانومتر، ويمكن أن تكون كروية، أو أسطوانية، أو أنبوبية، أو مخروطية، أو مجوفة النواة، أو حلزونية، أو مسطحة، أو غير منتظمة. وبحسب اختلافات السطح، قد يكون السطح منتظمًا أو غير منتظم. تتكون بعض الجسيمات النانوية من بلورات صلبة مفردة أو متعددة، إما مفككة أو متكتلة، وقد تكون بلورية أو غير متبلورة.[4]
1.1 تصنيف الجسيمات النانوية ذات البنية الأساسية/الغلافية
يمكن تصنيف الجسيمات النانوية إلى جسيمات بسيطة، وجسيمات ذات بنية أساسية/غلافية، وجسيمات مركبة، وذلك بناءً على مادة واحدة أو أكثر. بينما تتكون الجسيمات المركبة والجسيمات ذات البنية الأساسية/الغلافية من مكونين أو أكثر، كما يوحي اسمها، فإن الجسيمات النانوية البسيطة غالبًا ما تتكون من مادة واحدة فقط. تُعدّ النواة (المادة الداخلية) والغلاف (مادة الطبقة الخارجية) المكونين الرئيسيين للجسيمات النانوية ذات البنية الأساسية/الغلافية. ويمكن أن تشمل هذه المكونات، من بين أمور أخرى، مواد غير عضوية/غير عضوية، أو غير عضوية/عضوية، أو عضوية/غير عضوية، أو عضوية/عضوية متلامسة بشكل وثيق. ويؤثر الاستخدام والتطبيق النهائيان بشكل كبير على اختيار مادة غلاف الجسيمات النانوية ذات البنية الأساسية/الغلافية.
يمكن الاطلاع على تمثيل تخطيطي لأنواع الجسيمات النانوية ذات البنية الأساسية/الغلافية في الشكل 1. أكثرها شيوعًا هي الجسيمات النانوية الكروية المركزة ذات البنية الأساسية/الغلافية، حيث يغلف غلاف مصنوع من مادة مختلفة جسيمًا أساسيًا كرويًا بالكامل. وباتباع إجراء مناسب، يمكن أيضًا إنشاء جسيم أساسي متحرك داخل جسيم غلاف مجوف منتظم، وذلك بتغطية الجسيم الأساسي بطبقة ثنائية من مادة الغلاف، ثم إزالة الطبقة الأولى ببساطة.[5]
الشكل 1: أنواع الجسيمات النانوية ذات البنية الأساسية/الغلافية.
1.2 تطبيقات البنية الأساسية/الغلافية
يُظهر استخدام المواد النانوية ذات البنية الأساسية/الغلافية في الأجهزة الكهروضوئية والإلكترونية مزايا ملحوظة في تحسين نسبة التكلفة إلى الكفاءة من خلال تقليل إعادة تركيب الشحنات وتعزيز امتصاص الضوء. تؤدي هذه الخصائص إلى كفاءة أعلى في تحويل الطاقة وتحسين استقرار الجهاز
مما يجعل المواد النانوية ذات البنية الأساسية/الغلافية مرشحة واعدة للتطبيقات المتعلقة بالطاقة.
في مجال التحفيز، تتيح المواد النانوية ذات البنية الأساسية/الغلافية تحكمًا دقيقًا في التفاعلات السطحية بفضل بنيتها الفريدة. يوفر اللب عادةً دعمًا هيكليًا أو خصائص إلكترونية مميزة، بينما يعزز الغلاف النشاط التحفيزي والانتقائية. يُحسّن هذا التصميم كفاءة التفاعل، ويقلل من استخدام المعادن النفيسة باهظة الثمن، ويحمي المحفز من التآكل والتكتل، مما يؤدي إلى إطالة عمره التشغيلي.
تلعب المواد النانوية ذات البنية الأساسية/الغلافية دورًا محوريًا في أنظمة تخزين الطاقة وتحويلها، مثل البطاريات والمكثفات الفائقة وخلايا الوقود. يُعزز اللب الموصل نقل الإلكترونات، بينما يُحسّن الغلاف الاستقرار الكيميائي ويُثبط تدهور المادة خلال دورات الشحن والتفريغ المتكررة. ونتيجةً لذلك، يتحسن انتشار الأيونات، ويقل التمدد الحجمي، وتزداد كفاءة الطاقة الإجمالية، مما يجعل هذه المواد مناسبة لأجهزة الطاقة من الجيل القادم.
تمثل التطبيقات الطبية الحيوية مجالًا مهمًا آخر للمواد النانوية ذات البنية الأساسية/الغلافية. ففي أنظمة توصيل الأدوية، يُمكن لللب تغليف العوامل العلاجية، بينما يتحكم الغلاف في إطلاق الدواء ويعزز التوافق الحيوي، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة العلاج وتقليل الآثار الجانبية. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم الجسيمات النانوية ذات البنية الأساسية/الغلافية على نطاق واسع في التصوير الطبي وعلاج السرطان، حيث تُعزز خصائصها متعددة الوظائف دقة التشخيص وفعالية العلاج.
كما تُستخدم المواد النانوية ذات البنية الأساسية/الغلافية على نطاق واسع في تقنيات الاستشعار نظرًا لمساحة سطحها الكبيرة وخصائصها الكهربائية والبصرية والكيميائية القابلة للتعديل. تُمكّن هذه الخصائص من الكشف الحساس والانتقائي عن الغازات والمواد الكيميائية والجزيئات البيولوجية، مما يُحسّن أداء أجهزة الاستشعار في الرصد البيئي والتشخيص الطبي وتطبيقات السلامة الصناعية.[6]
Reference
Hasan S. A review on nanoparticles: their synthesis and types. Res J Recent Sci. 2015;2277:2502.
Bhatt I, Tripathi BN. Interaction of engineered nanoparticles with various components of the environment and possible strategies for their risk assessment. Chemosphere. 2011;82(3):308-17.
Cho EJ, Holback H, Liu KC, Abouelmagd SA, Park J, Yeo Y. Nanoparticle characterization: state of the art, challenges, and emerging technologies. Mol Pharma. 2013;10(6):2093-110.
Machado S, Pacheco JG, Nouws HP, Albergaria JT, Delerue-Matos C. Characterization of green zero-valent iron nanoparticles produced with tree leaf extracts. Sci Env. 2015;533:76-81.
Chatterjee K, Sarkar S, Rao KJ, Paria S. Core/shell nanoparticles in biomedical applications. Adv Coll Int Sci. 2014;209:8-39.
Zhang, L., Webster, T. J. Toward emerging applications using core–shell nanomaterials. Journal of Materials Science, 2022.
