مادة هجينة

تتكون العديد من المواد الطبيعية من وحدات بناء غير عضوية وعضوية موزعة على المستوى النانوي. في معظم الحالات، يوفر الجزء غير العضوي القوة الميكانيكية والبنية العامة للأجسام الطبيعية، بينما يوفر الجزء العضوي الترابط بين وحدات البناء غير العضوية و/أو بقية الأنسجة . ومن الأمثلة النموذجية على ذلك العظام والصدف .

كانت أولى المواد الهجينة هي الدهانات المصنوعة من مكونات عضوية وغير عضوية، والتي استُخدمت منذ آلاف السنين. يُعدّ المطاط مثالاً على استخدام المواد غير العضوية كحشوات للبوليمرات العضوية . وكانت عملية سول-جل، التي طُوّرت في ثلاثينيات القرن العشرين، من أهم العوامل الدافعة لما أصبح يُعرف اليوم بمجال المواد الهجينة العضوية-غير العضوية الواسع.

يمكن تصنيف المواد الهجينة بناءً على التفاعلات المحتملة التي تربط بين المكونات غير العضوية والعضوية. ^{[ 2 ]} المواد الهجينة من الفئة الأولى هي تلك التي تُظهر تفاعلات ضعيفة بين الطورين، مثل قوى فان دير فالس ، والروابط الهيدروجينية ، أو التفاعلات الكهروستاتيكية الضعيفة. أما المواد الهجينة من الفئة الثانية فهي تلك التي تُظهر تفاعلات كيميائية قوية بين المكونات، مثل الروابط التساهمية .

يمكن أيضًا استخدام الخصائص البنيوية للتمييز بين المواد الهجينة المختلفة. يمكن لجزيء عضوي يحتوي على مجموعة وظيفية تسمح بالارتباط بشبكة غير عضوية، مثل مجموعة ثلاثي ألكوكسي سيلان، أن يعمل كمعدِّل للشبكة، لأن الشبكة غير العضوية في البنية النهائية لا تُعدَّل إلا بواسطة المجموعة العضوية. تُعد فينيل ثلاثي ألكوكسي سيلانات مثالًا على هذه المركبات؛ فهي تُعدِّل شبكة السيليكا في عملية سول-جل عبر تفاعل مجموعة ثلاثي ألكوكسي سيلان دون إضافة مجموعات وظيفية أخرى مُخصصة للخضوع لتفاعلات كيميائية أخرى في المادة المُتكوِّنة. إذا تم دمج مجموعة وظيفية تفاعلية، يُطلق على النظام اسم مُعدِّل الشبكة . يختلف الوضع إذا قامت مجموعتان أو ثلاث من هذه المجموعات الرابطة بتعديل جزء عضوي؛ مما يؤدي إلى مواد تُصبح فيها المجموعة غير العضوية جزءًا لا يتجزأ من الشبكة الهجينة. يُعرف هذا النوع الأخير من الأنظمة باسم باني الشبكة.

تتكون الخلائط عندما لا توجد تفاعلات كيميائية قوية بين الوحدات البنائية العضوية وغير العضوية. ومن الأمثلة على هذه المواد دمج تجمعات أو جسيمات غير عضوية مع بوليمرات عضوية تفتقر إلى تفاعل قوي (مثل التفاعل التساهمي) بين المكونات. في هذه الحالة، تتكون مادة تتألف، على سبيل المثال، من بوليمر عضوي مع وحدات غير عضوية منفصلة محصورة فيه، حيث يحدث، اعتمادًا على وظائف المكونات، ترابط ضعيف بين الوحدات غير العضوية المحصورة من خلال تفاعلات فيزيائية، أو تُحصر المكونات غير العضوية في مصفوفة بوليمرية مترابطة. إذا تداخلت شبكة غير عضوية مع شبكة عضوية دون تفاعلات كيميائية قوية، تتشكل ما يُسمى بالشبكات المتداخلة (IPNs)، كما هو الحال عند تكوين مادة سول-جل في وجود بوليمر عضوي أو العكس. تنتمي كلتا المادتين الموصوفتين إلى فئة الهجائن الأولى. تتشكل الهجائن من الفئة الثانية عندما ترتبط وحدات البناء غير العضوية المنفصلة، ​​على سبيل المثال العناقيد، بروابط تساهمية مع البوليمرات العضوية أو عندما ترتبط البوليمرات غير العضوية والعضوية بروابط تساهمية مع بعضها البعض.

يُستخدم مصطلح "المركب النانوي" عندما ينتج عن دمج وحدات هيكلية عضوية وغير عضوية مادة ذات خصائص مركبة. بمعنى آخر، تبقى الخصائص الأصلية للمكونات العضوية وغير العضوية منفصلة في المركب، ولا تتغير بمزج هذه المواد. مع ذلك، إذا ظهرت خاصية جديدة نتيجةً لهذا المزيج المتجانس، تصبح المادة هجينة. ^{[ 3 ]} ومن الأمثلة على ذلك البغل، الذي يُعدّ أكثر ملاءمةً للعمل الشاق من كلٍّ من والديه، الحصان والحمار. ولا يُؤخذ حجم المكونات الفردية وطبيعة تفاعلها (تساهمي، كهروستاتيكي، إلخ) في الاعتبار عند تعريف المادة الهجينة. ^{[ 4 ]}

تحافظ الوحدات البنائية، جزئيًا على الأقل، على سلامتها الجزيئية طوال عملية تكوين المادة، مما يعني أن الوحدات الهيكلية الموجودة في مصادر تكوين المواد يمكن العثور عليها أيضًا في المادة النهائية. في الوقت نفسه، عادةً ما تبقى الخصائص المميزة لهذه الوحدات البنائية بعد تكوين المادة الأساسية، وهو ما لا يحدث عند تحويل المواد الأولية إلى مواد جديدة. ومن الأمثلة النموذجية على هذه الوحدات البنائية المحددة جيدًا، التجمعات غير العضوية المعدلة أو الجسيمات النانوية ذات المجموعات العضوية التفاعلية المرتبطة بها.

تتكون المركبات العنقودية عادةً من مجموعة وظيفية واحدة على الأقل تسمح بالتفاعل مع مادة عضوية، على سبيل المثال عن طريق البلمرة المشتركة. وبحسب عدد المجموعات المتفاعلة، تستطيع هذه الوحدات البنائية تعديل المادة العضوية (مجموعة وظيفية واحدة) أو تكوين مواد متشابكة جزئيًا أو كليًا (أكثر من مجموعة). فعلى سبيل المثال، يمكن لمجموعتين تفاعليتين أن تؤديا إلى تكوين هياكل سلاسل. وإذا احتوت الوحدات البنائية على ثلاث مجموعات تفاعلية على الأقل، فيمكن استخدامها دون جزيئات إضافية لتكوين مادة متشابكة.

إلى جانب الوحدات البنائية الجزيئية المذكورة، يمكن أيضًا استخدام وحدات بنائية نانوية، مثل الجسيمات أو القضبان النانوية، لتكوين مركبات نانوية. يتميز نهج الوحدات البنائية بميزة كبيرة مقارنةً بالتكوين الموضعي للكيانات غير العضوية أو العضوية: نظرًا لأن وحدة بنائية واحدة على الأقل (الوحدة البنائية) محددة جيدًا ولا تخضع عادةً لتغيرات هيكلية كبيرة أثناء تكوين المادة الأساسية، فإن ذلك يُتيح إمكانية التنبؤ بشكل أفضل بالعلاقة بين البنية والخواص. علاوة على ذلك، يمكن تصميم الوحدات البنائية بطريقة تُعطي أفضل أداء في تكوين المواد، على سبيل المثال، قابلية ذوبان جيدة للمركبات غير العضوية في المونومرات العضوية بفضل المجموعات السطحية التي تُظهر قطبية مشابهة للمونومرات.

في السنوات الأخيرة، تمّ تصنيع العديد من الوحدات البنائية واستخدامها في تحضير المواد الهجينة. يستطيع الكيميائيون تصميم هذه المركبات على المستوى الجزيئي باستخدام أساليب متطورة للغاية، وتُستخدم الأنظمة الناتجة لتكوين مواد هجينة وظيفية. تركز العديد من التطبيقات المستقبلية، ولا سيما في مجال تقنية النانو، على منهجية البناء من الأسفل إلى الأعلى، حيث تُشكّل الهياكل المعقدة بشكل هرمي باستخدام هذه الوحدات البنائية الصغيرة. تُعدّ هذه الفكرة أيضًا إحدى القوى الدافعة لمنهجية الوحدات البنائية في المواد الهجينة.

يعتمد التكوين الموضعي للمواد الهجينة على التحول الكيميائي للمواد الأولية المستخدمة في تحضيرها. ينطبق هذا عادةً على البوليمرات العضوية، وكذلك عند استخدام عملية سول-جل لإنتاج المكون غير العضوي. في هذه الحالات، تتحول الجزيئات المنفصلة المحددة جيدًا إلى هياكل متعددة الأبعاد، والتي غالبًا ما تُظهر خصائص مختلفة تمامًا عن المواد الأولية الأصلية. تُستخدم عادةً جزيئات بسيطة متوفرة تجاريًا، ويُحدد التركيب الداخلي للمادة النهائية من خلال تركيب هذه المواد الأولية، بالإضافة إلى ظروف التفاعل. لذلك، يُعد التحكم في ظروف التفاعل خطوة حاسمة في هذه العملية. غالبًا ما يؤدي تغيير أحد هذه العوامل إلى مادتين مختلفتين تمامًا. على سبيل المثال، إذا كان النوع غير العضوي مشتقًا من السيليكا مُشكلًا بعملية سول-جل، فإن التغيير من التحفيز القاعدي إلى التحفيز الحمضي يُحدث فرقًا كبيرًا، لأن التحفيز القاعدي يؤدي إلى بنية مجهرية أقرب إلى الجسيمات، بينما يؤدي التحفيز الحمضي إلى بنية مجهرية أقرب إلى البوليمر. وبالتالي، يعتمد الأداء النهائي للمواد المُشتقة اعتمادًا كبيرًا على معالجتها وتحسينها.