أريد أن أعرف كل شيء

جسيمات متناهية الصغر

Pin
Send
Share
Send


بودرة السيليكون.Nanodiamonds ، كما لوحظ مع المجهر الإلكتروني الإرسال.

في تقنية النانو ، يتم تعريف الجسيم بأنه كائن صغير يتصرف كوحدة كاملة من حيث نقلها وخصائصها. يتم تصنيف الجزيئات من حيث حجمها. وبالتالي ، فإن "الجسيمات الدقيقة" هي تلك التي يتراوح قطرها بين 100 و 2500 نانومتر ، في حين أن "الجسيمات فائقة الدقة" لها أقطار تتراوح بين 1 و 100 نانومتر. مثل الجزيئات متناهية الصغر ، النانوية يتم تعريفها على أنها تحتوي على أقطار بين 1 و 100 نانومتر ، على الرغم من أن قيود الحجم يمكن قصرها على بعدين. في الطرف الصغير من نطاق الحجم ، غالباً ما يشار إلى الجسيمات النانوية على شكل مجموعات. بالإضافة إلى ذلك ، فإن nanospheres ، nanorods ، و nanocups هي بعض الأشكال التي نمت.

تم تحضير الجسيمات النانوية للمعادن والمواد العازلة وأشباه الموصلات ، بالإضافة إلى الهياكل الهجينة (مثل الجسيمات النانوية ذات القشرة الأساسية). يمكن أيضًا تسمية جسيمات متناهية الصغر مصنوعة من مادة شبه موصلة بالنقاط الكمومية إذا كانت صغيرة بما يكفي (أقل من 10 نانومتر عادةً) تحدث كمية من مستويات الطاقة الإلكترونية. تم تصنيع الجسيمات النانوية شبه الصلبة والناعمة. الجسيمات النانوية النموذجية ذات الطبيعة شبه الصلبة هي الجسيمات الشحمية.

تعد أبحاث الجسيمات النانوية حاليًا مجالًا للبحث العلمي المكثف ، وذلك بسبب مجموعة واسعة من التطبيقات المحتملة في المجالات الطبية الحيوية والضوئية والإلكترونية. أدت المبادرة الوطنية لتقنية النانو إلى تمويل عام سخي لأبحاث الجسيمات النانوية في الولايات المتحدة. تُستخدم أنواع مختلفة من الجسيمات النانوية حاليًا سريريًا كنظم تسليم للأدوية واللقاحات المضادة للسرطان ، أو كعوامل تصوير.

التاريخ

على الرغم من أن الجسيمات النانوية عمومًا تعتبر اختراعًا للعلم الحديث ، إلا أنها لها تاريخ طويل جدًا. على وجه التحديد ، تم استخدام الجسيمات النانوية من قبل الحرفيين الذين يعودون إلى القرن التاسع في بلاد ما بين النهرين لتوليد تأثير براق على سطح الإناء.

حتى في هذه الأيام ، يحتفظ الفخار من العصور الوسطى وعصر النهضة بريق معدني مميز بلون ذهبي أو نحاسي. سبب هذا اللمعان هو فيلم معدني تم تطبيقه على سطح الزجاج الشفاف. يمكن أن يظل اللمعان مرئيًا إذا قاوم الفيلم الأكسدة في الغلاف الجوي وغيرها من عوامل التجوية.

ينبع اللمعان من داخل الفيلم نفسه ، الذي يحتوي على جسيمات نانوية فضية ونحاسية ، موزعة بشكل متجانس في المصفوفة الزجاجية للزجاج الخزفي. تم إنشاء هذه الجسيمات النانوية من قبل الحرفيين عن طريق إضافة أملاح وأكاسيد النحاس والفضة ، إلى جانب الخل ، المغرة ، والطين ، على سطح الفخار المزجج سابقًا. ثم يتم وضع الجسم في فرن وتسخينه إلى حوالي 600 درجة مئوية في جو متناقص.

في الحرارة ، يخفف التزجيج ، مما يؤدي إلى انتقال أيونات النحاس والفضة إلى الطبقات الخارجية للتزجيج. هناك ، قلل الغلاف الجوي المختزل الأيونات إلى المعادن ، التي تجمعت بعد ذلك لتشكل جسيمات متناهية الصغر تعطي اللون والمؤثرات البصرية.

تُظهر تقنية اللمعان أن الحرفيين لديهم معرفة عملية متطورة إلى حد ما بالمواد. ينشأ الأسلوب في العالم الإسلامي. نظرًا لأنه لم يُسمح للمسلمين باستخدام الذهب في التمثيل الفني ، فقد تعين عليهم إيجاد طريقة لإنشاء تأثير مماثل دون استخدام الذهب الحقيقي. الحل الذي وجدوه هو استخدام اللمعان.

قدم مايكل فاراداي الوصف الأول ، من الناحية العلمية ، للخصائص البصرية للمعادن ذات المقياس النانوي في بحثه الكلاسيكي لعام 1857 بعنوان "العلاقات التجريبية بين الذهب (والمعادن الأخرى) للضوء".1

تم إجراء الكثير من الدراسات الحديثة حول هذه الأشياء في مختبر ESRF. تم استخدام العديد من التقنيات لوصف الخصائص الكيميائية والفيزيائية لهذه اللمعان ، مثل Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) ، الامتصاص البصري في منطقة الأشعة فوق البنفسجية المرئية ، المجهر الإلكتروني (TEM و SEM).

المصطلحات والتصنيف

Nanoclusters2 لديك بعد واحد على الأقل بين 1 و 10 نانومتر وتوزيع ضيق الحجم. مساحيق النانو2 هي تكتلات من جزيئات متناهية الصغر ، جسيمات متناهية الصغر ، أو متناهية الصغر. وغالبًا ما يشار إلى البلورات المفردة ذات الحجم النانومتر أو الجزيئات فائقة الدقة ذات المجال الواحد باسم البلورات النانوية. مصطلح NanoCrystal® هو علامة تجارية مسجلة3 of Elan Pharma International (EPIL) المستخدمة فيما يتعلق بعملية طحن الملكية EPIL وتركيبات جسيمات متناهية الصغر.

الخصائص

تحظى الجسيمات النانوية باهتمام علمي كبير لأنها تشكل فعليًا جسرًا بين المواد السائبة والهياكل الذرية أو الجزيئية. يجب أن يكون للمادة السائبة خواص فيزيائية ثابتة بغض النظر عن حجمها ، ولكن على نطاق النانو لا يكون هذا هو الحال في الغالب. ويلاحظ الخصائص المعتمدة على الحجم مثل الحبس الكمومي في جزيئات أشباه الموصلات ، صدى البلازما السطح في بعض الجزيئات المعدنية والمغناطيسية الفائقة في المواد المغناطيسية.

تتغير خواص المواد مع اقتراب حجمها من المقياس النانوي وبما أن النسبة المئوية للذرات على سطح المادة تصبح مهمة. بالنسبة للمواد السائبة التي يزيد حجمها عن ميكرومتر واحد ، تكون النسبة المئوية للذرات الموجودة على السطح ضئيلة للغاية بالنسبة إلى إجمالي عدد ذرات المادة. تعود الخواص المثيرة للاهتمام وغير المتوقعة أحيانًا للجسيمات النانوية جزئيًا إلى جوانب سطح المادة التي تهيمن على الخصائص بدلاً من الخواص السائبة.

قد تظهر أو لا تظهر الجسيمات النانوية خواص مكثفة متعلقة بالحجم تختلف اختلافًا كبيرًا عن تلك التي لوحظت في الجسيمات الدقيقة أو المواد السائبة.4 أنها تظهر عددا من الخصائص الخاصة التي تختلف عن تلك المواد السائبة. على سبيل المثال ، يحدث انحناء النحاس بالجملة (السلك ، الشريط ، وما إلى ذلك) مع حركة ذرات / مجموعات النحاس في نطاق 50 نانومتر تقريبًا. تعتبر الجسيمات النانوية النحاسية التي يقل حجمها عن 50 نانومتر مواد صلبة للغاية لا تظهر لها نفس قابلية التحمل والليونة مثل النحاس بالجملة. التغيير في الخصائص غير مرغوب فيه دائمًا. يمكن للمواد الكهروضوئية التي يقل حجمها عن 10 نانومتر تبديل اتجاه مغنتها باستخدام الطاقة الحرارية في درجة حرارة الغرفة ، مما يجعلها عديمة الفائدة لتخزين الذاكرة.

يمكن تعليق الجسيمات النانوية لأن تفاعل سطح الجسيم مع المذيب قوي بما فيه الكفاية للتغلب على الاختلافات في الكثافة ، والتي عادة ما تؤدي إلى مادة إما غارقة أو عائمة في سائل. غالباً ما يكون للجسيمات النانوية خصائص مرئية غير متوقعة لأنها صغيرة بما يكفي لحصر إلكتروناتها وإنتاج تأثيرات كمية. على سبيل المثال ، تظهر جزيئات الذهب النانوية في اللون الأحمر إلى الأسود في محلول.

تحتوي الجسيمات النانوية على مساحة سطح عالية جدًا بالنسبة إلى الحجم. يوفر ذلك قوة دافعة هائلة للنشر ، خاصة في درجات الحرارة المرتفعة. يمكن أن يحدث التلبيد في درجات حرارة منخفضة ، على نطاقات زمنية أقصر من الجسيمات الأكبر. هذا من الناحية النظرية لا يؤثر على كثافة المنتج النهائي ، على الرغم من أن صعوبات التدفق وميل الجسيمات النانوية إلى التكتل يعقد الأمور. تعمل مساحة السطح الكبيرة على نسبة الحجم أيضًا على تقليل درجة حرارة الانصهار الأولي للجسيمات النانوية.5

علاوة على ذلك ، تم العثور على جسيمات متناهية الصغر لنقل بعض الخصائص الإضافية لمختلف المنتجات اليومية. مثل وجود جزيئات ثاني أكسيد التيتانيوم تنقل ما نسميه بتأثير التنظيف الذاتي ، وحجم النانو ، لا يمكن رؤية الجزيئات. تم العثور على جزيئات أكسيد الزنك نانو لديها خصائص منع الأشعة فوق البنفسجية متفوقة بالمقارنة مع البديل بالجملة. هذا هو أحد الأسباب التي تجعله يستخدم غالبًا في المستحضرات الواقية من الشمس. تزيد الجسيمات النانوية الطينية عند دمجها في مصفوفات البوليمر من إعادة الانتهاك ، مما يؤدي إلى مواد بلاستيكية أقوى ، يتم التحقق منها من خلال درجة حرارة انتقال زجاجية أعلى واختبارات خواص ميكانيكية أخرى. هذه الجسيمات النانوية صلبة ، وتنقل خصائصها إلى البوليمر (البلاستيك). كما تم ربط الجسيمات النانوية بألياف النسيج من أجل صنع ملابس ذكية وعملية.

مورفولوجيا الجسيمات النانوية

نانو ستار من الفاناديوم (الرابع) أكسيد.

لقد اتخذ العلماء تسمية جزيئاتهم بعد الأشكال الحقيقية التي قد يمثلونها. Nanospheres6نانوريس7 nanoboxes،8 وظهرت أكثر في الأدب. تنشأ هذه المورفولوجيات في بعض الأحيان بشكل عفوي كتأثير لعامل توجيهي أو موجّه موجود في التخليق مثل المستحلبات المجهرية أو مسام الألومينا المؤكسدة ، أو من أنماط النمو البلورية الفطرية للمواد نفسها.9 قد تخدم بعض هذه التشكلات غرضًا ، مثل الأنابيب النانوية الكربونية الطويلة التي تستخدم في سد تقاطع كهربائي ، أو مجرد فضول علمي مثل النجوم المعروضة على اليسار.

وصف

توصيف الجسيمات النانوية ضروري لإثبات فهم ومراقبة تخليق الجسيمات النانوية وتطبيقاتها. يتم التوصيف باستخدام مجموعة متنوعة من التقنيات المختلفة ، مستمدة بشكل رئيسي من علم المواد. التقنيات الشائعة هي الفحص المجهري للإلكترون (الفحص المجهري للإلكترون (TEM) والفحص المجهري للإلكترون (SEM)) ، المجهري للقوة الذرية (AFM) ، تشتت الضوء الديناميكي (DLS) ، التحليل الطيفي الإلكتروني للأشعة السينية (XPS) ، قياس حيود الأشعة السينية بالمسحوق (XPS) XRD) ، يقوم فورييه بتحويل التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء (FTIR) ، مطياف الكتلة بمساعدة الليزر في وقت الطيران (MALDI-TOF) ، والتحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية.

على الرغم من أن نظرية الحركة البراونية معروفة منذ أكثر من قرن من الزمان ، فإن تقنية تحليل تتبع الجسيمات النانوية (NTA) تسمح بالتتبع المباشر للحركة البراونية ، وبالتالي تتيح هذه الطريقة تحجيم الجسيمات النانوية الفردية في محلول.

تصنيع الجسيمات النانوية

هناك عدة طرق لإنشاء الجسيمات النانوية. الاستنزاف والانحلال الحراري من الأساليب الشائعة. في حالة الاستنزاف ، يتم طحن جزيئات المقياس الكلي أو الجزئي في مطحنة كروية ، أو مطحنة كروية كوكبية ، أو أي آلية أخرى لتقليل الحجم. الجسيمات الناتجة هي الهواء المصنف لاستعادة الجسيمات النانوية.

في الانحلال الحراري ، يتم فرض السلائف البخارية (السائل أو الغاز) من خلال فتحة عالية الضغط وحرقها. المادة الصلبة الناتجة (نسخة من السخام) عبارة عن هواء مصنف لاستعادة جزيئات الأكسيد من غازات المنتجات الثانوية. الانحلال الحراري غالبا ما يؤدي إلى الركام والتكتل بدلا من الجزيئات المفردة الأولية.

يمكن للبلازما الحرارية أيضًا توفير الطاقة اللازمة للتسبب في تبخر جسيمات ميكرومتر صغيرة الحجم. درجات حرارة البلازما الحرارية في حدود 10000 كلفن ، لذلك يتبخر المسحوق الصلب بسهولة. تتشكل الجسيمات النانوية عند التبريد أثناء الخروج من منطقة البلازما. الأنواع الرئيسية من مشاعل البلازما الحرارية المستخدمة في إنتاج الجسيمات النانوية هي البلازما النفاثة ذات التيار المستمر ، والبلازما ذات القوس المقنن والترددات الراديوية (RF). في مفاعلات بلازما القوس ، يتم توفير الطاقة اللازمة للتبخر والتفاعل بواسطة قوس كهربائي يتشكل بين الأنود والكاثود. على سبيل المثال ، يمكن تبخير رمل السيليكا ببلازما قوسية تحت الضغط الجوي. يمكن تبريد الخليط الناتج من غاز البلازما وبخار السيليكا بسرعة عن طريق التبريد بالأكسجين ، وبالتالي ضمان جودة السيليكا المدخنة المنتجة. في مشاعل البلازما الحث RF ، يتم تحقيق اقتران الطاقة إلى البلازما من خلال المجال الكهرومغناطيسي الناتج عن ملف التعريفي. لا يتلامس غاز البلازما مع الأقطاب الكهربائية ، وبالتالي يلغي مصادر التلوث المحتملة ويسمح بتشغيل مثل هذه المشاعل البلازمية مع مجموعة واسعة من الغازات بما في ذلك الغازات الخاملة والتقليل من الأكسدة وغيرها من الأجواء المسببة للتآكل. يتراوح تردد العمل عادة بين 200 كيلو هرتز و 40 ميجا هرتز. تعمل الوحدات المعملية بمستويات طاقة في حدود 30-50 كيلو واط في حين تم اختبار الوحدات الصناعية واسعة النطاق بمستويات طاقة تصل إلى 1 ميجاوات. نظرًا لأن مدة بقاء قطرات التغذية المحقونة في البلازما قصيرة جدًا ، فمن المهم أن تكون أحجام القطيرات صغيرة بدرجة كافية للحصول على التبخر التام. تم استخدام طريقة البلازما RF لتجميع مواد جسيمات متناهية الصغر المختلفة ، على سبيل المثال تخليق العديد من الجسيمات النانوية الخزفية مثل الأكاسيد والكربورات / الكربيدات ونيتريدس Ti و Si.

كثيرا ما يستخدم تجميع الغاز الخامل في صنع الجسيمات النانوية من معادن ذات نقاط انصهار منخفضة. يتم تبخير المعدن في غرفة مفرغة ثم تبريده بتيار غاز خامل. يتكثف بخار المعدن الفائق البرودة على جزيئات بحجم النانومتر ، والتي يمكن أن تكون محصورة في تيار الغاز الخامل وترسب على ركيزة أو تتم دراستها في الموقع.

قضايا السلامة

تمثل الجسيمات النانوية الأخطار المحتملة ، طبيا وبيئيا.10 معظم هذه الأسباب يرجع إلى ارتفاع نسبة السطح إلى الحجم ، والتي يمكن أن تجعل الجزيئات شديدة التفاعل أو الحفاز.11 كما أنها قادرة على المرور عبر أغشية الخلايا في الكائنات الحية ، وتفاعلاتها مع الأنظمة البيولوجية غير معروفة نسبيًا.12 ومع ذلك ، سرعان ما تميل الجسيمات النانوية الحرة في البيئة إلى التكتل وبالتالي تترك النظام النانوي ، والطبيعة نفسها تقدم العديد من الجسيمات النانوية التي قد تطورت إليها الكائنات الحية على الأرض (مثل جزيئات الملح من الهباء الجوي المحيط ، أو التربين من النباتات ، أو الغبار من ثورات بركانية).

وفقا ل سان فرانسيسكو كرونيكل ، "أظهرت الدراسات التي أجريت على الحيوانات أن بعض الجسيمات النانوية يمكنها اختراق الخلايا والأنسجة ، والانتقال عبر الجسم والدماغ والتسبب في أضرار بيوكيميائية. كما أظهرت أيضًا أنها تسبب عامل خطر في الرجال للإصابة بسرطان الخصية. لكن ما إذا كانت مستحضرات التجميل وظلال الشمس المحتوية على مواد متناهية الصغر تشكل مخاطر صحية لا يزال مجهولا إلى حد كبير ، في انتظار الانتهاء من الدراسات طويلة المدى التي بدأت مؤخرا من قبل ادارة الاغذية والعقاقير والوكالات الأخرى. "13

تم العثور على جسيمات الديزل النانوية لتلف نظام القلب والأوعية الدموية في نموذج الماوس.14

خلية جسيمات السيليكون النانوية

بشكل عام ، لا تنتج الخلايا الشمسية الموجودة في السوق اليوم الكثير من الكهرباء من الأشعة فوق البنفسجية ، بل يتم ترشيحها أو امتصاصها بواسطة الخلية ، مما يؤدي إلى تسخين الخلية. هذه الحرارة تضيع الطاقة ويمكن أن تؤدي إلى تلف الخلية. من خلال تخفيف جزيئات السيليكون في الكحول ، وتغطية الخلية الشمسية معها ، وترك الكحول يتبخر لمغادرة الجسيمات النانوية من السيليكون على الخلية ، زاد إنتاج الطاقة الخلوية بنسبة 67 في المائة في النطاق فوق البنفسجي وحوالي 10 في المائة في النطاق المرئي .15

أنظر أيضا

  • كربون
  • كريستال
  • الفوليرين
  • الغاليوم عنصر فلزي نادر
  • الإنديوم عنصر فلزي
  • مغنطيسية
  • تكنولوجيا النانو
  • الفوتون
  • السيليكون

ملاحظات

  1. Far مايكل فاراداي ، العلاقات التجريبية للذهب (والمعادن الأخرى) للضوء ، فيل. عبر. روي. شركة نفط الجنوب. لندن 147 (1857): 145-181.
  2. 2.0 2.1 B.D. Fahlman، كيمياء المواد (Dordrecht، NL: Springer، 2007، ISBN 9781402061196)، 282-283.
  3. TM الولايات المتحدة TM ريج. رقم 2386089/2492925 و EU CTM Reg. رقم 000885079
  4. ↑ ASTM ، ASTM E 2456 - 06 المصطلحات القياسية المتعلقة بالتكنولوجيا النانوية. استرجاع 15 نوفمبر 2008.
  5. ↑ P.H. Buffat و J.P. Borel ، تأثير الحجم على درجة حرارة انصهار جزيئات الذهب ، مراجعة البدنية أ. 13 (6): 2287-2298. تم استرجاعه في 16 نوفمبر 2008.
  6. am Agam و Guo ، تعديل حزمة الإلكترون من نانوسفير البوليمر ، مجلة علم النانو وتكنولوجيا النانو 7 (10): 3615-3619. معرف العنصر الرقمي (DOI): 10.1166 / jnn.2007.814.
  7. جي تشوي ، الولايات المتحدة الأمريكية جانغ ، جيه. وون تشونغ دي جي يانج و واي. دبليو. كيم ، الطريق الحراري المائي إلى الشعاب المرجانية النانوية والألياف النانوية ، تطبيق ورقة. فيز. بادئة رسالة. 84 (2004): 287.
  8. ↑ يوجانغ سون ويونيان شيا ، التركيب المتحكم فيه على شكل جزيئات الذهب والفضة النانوية ، علم 298: 2176. معرف العنصر الرقمي (DOI): 10.1126 / science.1077229.
  9. ↑ كاثرين ميرفي و Nanocubes و Nanoboxes ، علم 298 (2002): 2139. معرف العنصر الرقمي (DOI): 10.1126 / science.1080007.
  10. ↑ أنيسة منيوسيوالا ، عبد الله س. دار ، وبيتر أ. سينغر ، "مانع الفجوة:" العلم والأخلاق في تكنولوجيا النانو ، تكنولوجيا النانو. 14 (2003): R9-R13. معرف العنصر الرقمي (DOI): 10.1088 / 0957-4484 / 14/3/201.
  11. ↑ جاكي يينغ ، المواد النانوية (San Diego، CA: Academic Press، 2001، ISBN 9780120085279).
  12. ↑ يوروبا ، تكنولوجيات النانو: 6. ما هي الآثار الضارة المحتملة للجسيمات النانوية؟ استرجاع 15 نوفمبر 2008.
  13. ea Keay Davidson ، حثت إدارة الأغذية والعقاقير (FDA) على الحد من استخدام الجسيمات النانوية في مستحضرات التجميل واقيات الشمس ، سان فرانسيسكو كرونيكل. استرجاع 15 نوفمبر 2008.
  14. ↑ آدم ساتاريانو ، دراسة جزيئات التلوث تؤدي إلى ارتفاع مخاطر الإصابة بالنوبات القلبية (Update1). Bloomberg.com. استرجاع 15 نوفمبر 2008.
  15. ↑ جيريمي كورزينوفسكي ، فيلم جزيئات السيليكون يمكن أن يزيد من أداء الخلايا الشمسية ، Autoblog Green. استرجاع 15 نوفمبر 2008.

المراجع

  • فهلمان 2007. كيمياء المواد. دوردريخت ، NL: سبرينغر. ISBN 9781402061196.
  • شميد ، جونتر. 2004. الجسيمات النانوية: من النظرية إلى التطبيق. وينهايم ، دي: وايلي- VCH. ISBN 3527305076.
  • يينغ ، جاكي. عام 2001. المواد النانوية. سان دييغو ، كاليفورنيا: الصحافة الأكاديمية. ISBN 9780120085279.

روابط خارجية

تم استرداد جميع الروابط في 6 نوفمبر 2018.

  • ملخص لتقنيات النانو من GreenFacts لتقييم اللجنة الأوروبية SCENIHR.
  • الجسيمات النانوية المستخدمة في تحويل الطاقة الشمسية (ScienceDaily).

شاهد الفيديو: صحتك تهمنا. جسيمات نانوية جديدة لعلاج #سرطانالدم (أبريل 2020).

Pin
Send
Share
Send