جسيمات النحاس النانوية

جسيمات النحاس النانوية هي جسيمات نحاسية  يتراوح حجمها بين 1 و100 نانومتر. ^{[ 1 ] [ 2 ]} ومثل العديد من أنواع الجسيمات النانوية الأخرى ، يمكن تحضير جسيمات النحاس النانوية بعمليات طبيعية أو من خلال التخليق الكيميائي. ^{[ 3 ]} وتكتسب هذه الجسيمات النانوية أهمية خاصة نظرًا لتطبيقاتها التاريخية كعوامل تلوين، فضلًا عن تطبيقاتها الطبية الحيوية والمضادة للميكروبات . ^{[ 4 ]}

كان من أوائل استخدامات جزيئات النحاس النانوية تلوين الزجاج والخزف في بلاد ما بين النهرين خلال القرن التاسع الميلادي . ^{[ 2 ]} وقد تم ذلك عن طريق تحضير طبقة زجاجية من أملاح النحاس والفضة وتطبيقها على الفخار الطيني. عند خبز الفخار في درجات حرارة عالية في ظروف اختزالية، هاجرت أيونات المعادن إلى الجزء الخارجي من الطبقة الزجاجية واختُزلت إلى معادن. ^{[ 2 ]} وكانت النتيجة طبقة مزدوجة من جزيئات المعادن النانوية مع كمية صغيرة من الطبقة الزجاجية بينهما. عند تعريض الفخار المُجهز للضوء، يخترق الضوء الطبقة الأولى وينعكس عنها. ثم ينعكس الضوء المخترق للطبقة الأولى عن الطبقة الثانية من الجزيئات النانوية، مما يُحدث تأثيرات تداخل مع الضوء المنعكس عن الطبقة الأولى، مُنتجًا بريقًا ناتجًا عن التداخل البنّاء والهدّام. ^{[ 3 ]}

وُصفت طرقٌ عديدة لتخليق جسيمات النحاس النانوية كيميائيًا. تتضمن إحدى الطرق القديمة اختزال هيدرازين كاربوكسيلات النحاس في محلول مائي باستخدام الارتجاع أو التسخين بالموجات فوق الصوتية تحت جو خامل من الأرجون. ^{[ 5 ]} ينتج عن ذلك مزيج من أكسيد النحاس وتجمعات جسيمات النحاس النانوية النقية، وذلك بحسب الطريقة المستخدمة. أما طريقة التخليق الأحدث فتستخدم كلوريد النحاس الثنائي في تفاعل عند درجة حرارة الغرفة مع سترات الصوديوم أو حمض الميريستيك في محلول مائي يحتوي على سلفوكسيلات فورمالدهيد الصوديوم للحصول على مسحوق جسيمات النحاس النانوية النقية. ^{[ 6 ]} في حين أن هذه الطرق تُنتج جسيمات نحاس نانوية متجانسة نسبيًا، فقد أُبلغ أيضًا عن إمكانية التحكم في أحجام وأشكال جسيمات النحاس النانوية. يؤدي اختزال أسيتيل أسيتونات النحاس الثنائي في مذيب عضوي باستخدام أوليل أمين وحمض الأوليك إلى تكوين جسيمات نانوية على شكل قضبان ومكعبات، بينما تؤثر الاختلافات في درجة حرارة التفاعل على حجم الجسيمات المُصنّعة. ^{[ 7 ]}

تتضمن طريقة أخرى للتخليق استخدام ملح هيدرازين كاربوكسيلات النحاس (II) مع الموجات فوق الصوتية أو الحرارة في الماء لتوليد تفاعل جذري، كما هو موضح في الشكل على اليمين. ويمكن أيضًا تخليق جسيمات النحاس النانوية باستخدام الكيمياء الخضراء للحد من الأثر البيئي للتفاعل. ويمكن اختزال كلوريد النحاس باستخدام حمض الأسكوربيك فقط في محلول مائي ساخن لإنتاج جسيمات نحاس نانوية مستقرة. ^{[ 8 ]}

تُظهر جزيئات النحاس النانوية خصائص فريدة، بما في ذلك النشاط التحفيزي والمضاد للفطريات/البكتيريا، وهي خصائص غير موجودة في النحاس التجاري. أولًا، تُظهر جزيئات النحاس النانوية نشاطًا تحفيزيًا قويًا للغاية، وهي خاصية تُعزى إلى مساحة سطحها التحفيزية الكبيرة. وبفضل صغر حجمها ومساميتها العالية، تستطيع هذه الجزيئات النانوية تحقيق مردود تفاعل أعلى ووقت تفاعل أقصر عند استخدامها ككواشف في التخليق العضوي والعضوي المعدني. ^{[ 9 ]} في الواقع، حققت جزيئات النحاس النانوية المستخدمة في تفاعل تكثيف اليودوبنزين نسبة تحويل إلى ثنائي الفينيل بلغت حوالي 88%، بينما لم تتجاوز نسبة التحويل في النحاس التجاري 43%. ^{[ 9 ]}

يمكن لجزيئات النحاس النانوية، ذات الصغر الشديد ونسبة السطح إلى الحجم العالية، أن تعمل كعوامل مضادة للفطريات والبكتيريا. ^{[ 10 ]} وينتج النشاط المضاد للميكروبات عن تفاعلها الوثيق مع أغشية الميكروبات وأيوناتها المعدنية المنطلقة في المحاليل. ^{[ 10 ]} ومع تأكسد هذه الجزيئات النانوية ببطء في المحاليل، تنطلق منها أيونات النحاس الثنائي، التي بدورها تُكوّن جذور الهيدروكسيل الحرة السامة عند ملامستها للغشاء الدهني. ثم تعمل هذه الجذور الحرة على تفكيك الدهون في أغشية الخلايا من خلال الأكسدة، مما يؤدي إلى تلفها. ونتيجة لذلك، تتسرب المواد الخلوية من خلال الأغشية المتضررة، فتصبح الخلايا غير قادرة على القيام بالعمليات الكيميائية الحيوية الأساسية. ^{[ 11 ]} وفي النهاية، تؤدي جميع هذه التغيرات داخل الخلية، الناتجة عن الجذور الحرة، إلى موت الخلية. ^{[ 11 ]}

يمكن استخدام جزيئات النحاس النانوية ذات النشاط التحفيزي العالي في أجهزة الاستشعار الحيوية والكيميائية الكهربائية. تتسم تفاعلات الأكسدة والاختزال المستخدمة في هذه الأجهزة بأنها غير قابلة للانعكاس عمومًا، كما تتطلب جهدًا زائدًا عاليًا (طاقة أكبر) لإجرائها. في الواقع، تتميز هذه الجزيئات النانوية بقدرتها على جعل تفاعلات الأكسدة والاختزال قابلة للانعكاس وخفض الجهد الزائد عند استخدامها في أجهزة الاستشعار. ^{[ 12 ]}

من الأمثلة على ذلك مستشعر الجلوكوز. فباستخدام جسيمات النحاس النانوية، لا يحتاج المستشعر إلى أي إنزيم، وبالتالي لا يتعرض لتلف الإنزيمات أو تغير طبيعتها. ^{[ 14 ]} وكما هو موضح في الشكل 3، تعمل الجسيمات النانوية في المستشعر على حيود الضوء الساقط بزوايا مختلفة تبعًا لمستوى الجلوكوز. ونتيجة لذلك، يُعطي الضوء المحيود لونًا مختلفًا بناءً على مستوى الجلوكوز. ^{[ 13 ]} في الواقع، تُمكّن الجسيمات النانوية المستشعر من أن يكون أكثر استقرارًا في درجات الحرارة العالية ودرجات الحموضة المتغيرة، وأكثر مقاومة للمواد الكيميائية السامة. علاوة على ذلك، يُمكن الكشف عن الأحماض الأمينية الطبيعية باستخدام الجسيمات النانوية. ^{[ 14 ]} يعمل قطب الكربون المطبوع بالشاشة والمطلي بجسيمات النحاس النانوية كنظام استشعار مستقر وفعال للكشف عن جميع الأحماض الأمينية العشرين. ^{[ 15 ]} كما يُمكن استخدام طريقة سريعة وصديقة للبيئة لتصنيع أكسيد النحاس/أكسيد الزنك على نسيج القطن باستخدام حمض الفوليك لزيادة خصائص الحماية من الأشعة فوق البنفسجية للنسيج. ^{[ 16 ]}

^{[ 1 ]}