مركب نانوي

المادة النانوية المركبة هي مادة صلبة متعددة الأطوار حيث يكون لأحد الأطوار بُعد واحد أو اثنين أو ثلاثة أبعاد أقل من 100 نانومتر (nm) أو هياكل ذات مسافات تكرار نانوية بين الأطوار المختلفة التي تشكل المادة.

بالمعنى الأوسع، يشمل هذا التعريف الأوساط المسامية ، والغرويات ، والهلاميات، والبوليمرات المشتركة ، ولكنه يُستخدم عادةً للدلالة على المزيج الصلب من مادة أساسية كبيرة الحجم وطور (أو أطوار) نانوية الأبعاد تختلف في خصائصها نتيجةً لاختلافات في بنيتها وتركيبها الكيميائي. وتختلف الخصائص الميكانيكية والكهربائية والحرارية والبصرية والكيميائية الكهربائية والحفزية للمركب النانوي اختلافًا كبيرًا عن خصائص المواد المكونة له. وقد تم اقتراح حدود حجمية لهذه التأثيرات: ^{[ 1 ]}

1. <5  نانومتر للنشاط التحفيزي
2. أقل من 20  نانومتر لجعل المادة المغناطيسية الصلبة لينة
3. <50  نانومتر لتغيرات معامل الانكسار
4. أقل من 100  نانومتر لتحقيق المغناطيسية الفائقة ، أو التقوية الميكانيكية، أو تقييد حركة الخلع في المصفوفة

توجد المواد النانوية المركبة في الطبيعة، على سبيل المثال في بنية صدفة وعظم أذن البحر. ويسبق استخدام المواد الغنية بالجسيمات النانوية فهم الطبيعة الفيزيائية والكيميائية لهذه المواد. وقد بحث خوسيه ياكامان وآخرون ^{[ 2 ]} في أصل عمق اللون ومقاومة الأحماض والتآكل الحيوي لطلاء المايا الأزرق ، وعزوا ذلك إلى آلية الجسيمات النانوية . ومنذ منتصف خمسينيات القرن الماضي، استُخدمت الطينات العضوية النانوية للتحكم في تدفق محاليل البوليمر (مثلًا كمواد مُكثِّفة للطلاء) أو في تكوين المواد الهلامية (مثلًا كمادة مُكثِّفة في مستحضرات التجميل، للحفاظ على تجانسها). وبحلول سبعينيات القرن الماضي، أصبحت مركبات البوليمر/ الطين موضوعًا للكتب الدراسية، ^{[ 3 ] [ 4 ]} على الرغم من أن مصطلح "المواد النانوية المركبة" لم يكن شائع الاستخدام آنذاك.

من الناحية الميكانيكية، تختلف المواد النانوية المركبة عن المواد المركبة التقليدية نظرًا لنسبة مساحة السطح إلى الحجم العالية جدًا للمادة المقوية، و/أو نسبة أبعادها العالية جدًا . يمكن أن تتكون المادة المقوية من جسيمات (مثل المعادن)، أو صفائح (مثل أكوام الطين المقشر)، أو ألياف (مثل أنابيب الكربون النانوية أو الألياف المغزولة كهربائيًا). ^{[ 5 ]} عادةً ما تكون مساحة السطح البيني بين المادة الأساسية والمادة المقوية أكبر بعشرة أضعاف من مساحة السطح البيني في المواد المركبة التقليدية. تتأثر خصائص المادة الأساسية بشكل كبير في محيط المادة المقوية. يشير أجايا وآخرون ^{[ 6 ]} إلى أنه في المواد النانوية المركبة البوليمرية، يمكن أن تتغير الخصائص المتعلقة بالتركيب الكيميائي الموضعي، ودرجة التصلب الحراري، وحركة سلاسل البوليمر، وتكوين سلاسل البوليمر، ودرجة انتظام سلاسل البوليمر، أو التبلور، بشكل كبير ومستمر من السطح البيني مع المادة المقوية إلى داخل المادة الأساسية.

تعني هذه المساحة السطحية الكبيرة للتقوية أن كمية صغيرة نسبيًا من التقويات النانوية يمكن أن يكون لها تأثير ملحوظ على الخصائص الكلية للمركب. على سبيل المثال، تُحسّن إضافة أنابيب الكربون النانوية التوصيل الكهربائي والحراري . وقد تُؤدي أنواع أخرى من الجسيمات النانوية إلى تحسين الخصائص البصرية ، والخصائص العازلة ، ومقاومة الحرارة، أو الخصائص الميكانيكية مثل الصلابة، والقوة ، ومقاومة التآكل والتلف. وبشكل عام، تُوزّع التقويات النانوية في المادة الأساسية أثناء التصنيع. ويمكن أن تبقى النسبة المئوية الوزنية (المعروفة بالكسر الكتلي ) للجسيمات النانوية المُضافة منخفضة جدًا (في حدود 0.5% إلى 5%) نظرًا لانخفاض عتبة ترشيح الحشو ، لا سيما بالنسبة للحشوات غير الكروية ذات النسبة العالية بين الطول والعرض الأكثر شيوعًا (مثل الصفائح الرقيقة النانومترية، كالطين، أو الأسطوانات النانومترية القطر، كأنابيب الكربون النانوية). يؤثر اتجاه وترتيب الجسيمات النانوية غير المتماثلة، وعدم تطابق الخصائص الحرارية عند السطح البيني، وكثافة السطح البيني لكل وحدة حجم من المركب النانوي، وتعدد تشتت الجسيمات النانوية بشكل كبير على الموصلية الحرارية الفعالة للمركبات النانوية. ^{[ 7 ]}

تتكون مركبات المصفوفة الخزفية (CMCs) من ألياف خزفية مغمورة في مصفوفة خزفية. يمكن أن تتكون المصفوفة والألياف من أي مادة خزفية، بما في ذلك الكربون وألياف الكربون. غالبًا ما يكون الخزف الذي يشغل معظم الحجم من مجموعة الأكاسيد، مثل النتريدات والبوريدات والسيليسيدات، بينما يكون المكون الثاني عادةً معدنًا . من الناحية المثالية، يتم تشتيت كلا المكونين بدقة في بعضهما البعض للحصول على خصائص بصرية وكهربائية ومغناطيسية محددة ^{[ 8 ]} ، بالإضافة إلى خصائص الاحتكاك ومقاومة التآكل وغيرها من الخصائص الوقائية ^{[ 9 ] .}

يجب مراعاة مخطط الطور الثنائي للخليط عند تصميم المركبات النانوية الخزفية المعدنية، واتخاذ تدابير لتجنب التفاعل الكيميائي بين المكونين. وتكتسب هذه النقطة الأخيرة أهمية خاصة بالنسبة للمكون المعدني الذي قد يتفاعل بسهولة مع الخزف، وبالتالي يفقد خصائصه المعدنية. ولا يُعدّ هذا قيدًا سهل التطبيق، لأن تحضير المكون الخزفي يتطلب عادةً درجات حرارة عالية. لذا، فإنّ الإجراء الأكثر أمانًا هو اختيار أطوار معدنية وخزفية غير قابلة للامتزاج بعناية. ومن الأمثلة الجيدة على هذا النوع من التركيبات، المركب الخزفي المعدني المكون من ثاني أكسيد التيتانيوم ( TiO₂ ₎ والنحاس (Cu) ، حيث وُجد أن خليطهما غير قابل للامتزاج على مساحات واسعة في مثلث جيبس ​​الخاص بـ "Cu-O-Ti". ^{[ 10 ]}

طُبِّق مفهوم المركبات النانوية ذات المصفوفة الخزفية على الأغشية الرقيقة ، وهي طبقات صلبة يتراوح سمكها بين بضعة نانومترات وعشرات الميكرومترات، تُرسَّب على ركيزة أساسية، وتلعب دورًا هامًا في تحسين وظائف الأسطح التقنية. وقد أثبت الترسيب بالرش الغازي باستخدام تقنية المهبط المجوف فعاليته في تحضير طبقات المركبات النانوية. تعتمد هذه العملية على الترسيب في الفراغ، وتتميز بمعدلات ترسيب عالية تصل إلى بضعة ميكرومترات في الثانية، ونمو الجسيمات النانوية في الطور الغازي. وقد حُضِّرت طبقات المركبات النانوية ذات التركيب الخزفي من _ثاني أكسيد التيتانيوم والنحاس باستخدام تقنية المهبط المجوف ^{[ 11 ]} ، والتي أظهرت صلابة ميكانيكية عالية ، ومعاملات احتكاك منخفضة ، ومقاومة عالية للتآكل .

يمكن تعريف المركبات النانوية ذات المصفوفة المعدنية أيضًا بأنها مركبات ذات مصفوفة معدنية مُدعمة. يُصنف هذا النوع من المركبات إلى مواد مُدعمة متصلة وغير متصلة. تُعد مركبات المصفوفة المعدنية المُدعمة بأنابيب الكربون النانوية من أهم المركبات النانوية ، وهي مادة جديدة ناشئة يجري تطويرها للاستفادة من قوة الشد العالية والتوصيل الكهربائي لأنابيب الكربون النانوية. ^{[ 12 ]} من الأمور الحاسمة لتحقيق مركبات المصفوفة المعدنية المُدعمة بأنابيب الكربون النانوية ذات الخصائص المثلى في هذه المجالات، تطوير تقنيات تصنيع (أ) قابلة للإنتاج اقتصاديًا، (ب) توفر تشتتًا متجانسًا للأنابيب النانوية في المصفوفة المعدنية، و(ج) تؤدي إلى تماسك قوي بين المصفوفة المعدنية وأنابيب الكربون النانوية. بالإضافة إلى مركبات المصفوفة المعدنية المُدعمة بأنابيب الكربون النانوية، تُعد مركبات المصفوفة المعدنية المُدعمة بنتريد البورون ومركبات المصفوفة المعدنية المُدعمة بنتريد الكربون من مجالات البحث الجديدة في المركبات النانوية ذات المصفوفة المعدنية. ^{[ 13 ]}

أشارت دراسة حديثة، قارنت الخصائص الميكانيكية (معامل يونغ، ومقاومة الخضوع الانضغاطي، ومعامل الانحناء، ومقاومة الخضوع الانحنائي) لمركبات نانوية بوليمرية مقواة بأنابيب نانوية أحادية ومتعددة الجدران (فومارات البولي بروبيلين - PPF) مع مركبات نانوية مقواة بأنابيب نانوية من ثاني كبريتيد التنجستن، إلى أن المركبات النانوية المقواة بأنابيب نانوية من ثاني كبريتيد التنجستن تتمتع بخصائص ميكانيكية أعلى بكثير، وأن أنابيب ثاني كبريتيد التنجستن تُعد عوامل تقوية أفضل من الأنابيب النانوية الكربونية. ^{[ 14 ]} يُعزى تحسن الخصائص الميكانيكية إلى التوزيع المنتظم للأنابيب النانوية غير العضوية في مصفوفة البوليمر (مقارنةً بالأنابيب النانوية الكربونية التي توجد على شكل تجمعات ميكرونية الحجم)، وزيادة كثافة التشابك البوليمري في وجود أنابيب ثاني كبريتيد التنجستن (زيادة كثافة التشابك تؤدي إلى زيادة الخصائص الميكانيكية). تشير هذه النتائج إلى أن المواد النانوية غير العضوية ، بشكل عام، قد تكون عوامل تقوية أفضل مقارنة بأنابيب الكربون النانوية.

نوع آخر من المواد النانوية المركبة هو المادة النانوية المركبة النشطة، والتي تتكون عادةً من مادة هجينة من نوع سول-جل ذات قاعدة سيليكا، والتي عند دمجها مع أكاسيد المعادن ومسحوق الألومنيوم النانوي، يمكنها تكوين مواد فائقة الحرارة . ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}

في أبسط الحالات، يُمكن لإضافة الجسيمات النانوية إلى مصفوفة بوليمرية أن تُحسّن أداءها، وغالبًا بشكلٍ كبير، وذلك ببساطة من خلال الاستفادة من طبيعة وخصائص الحشو النانوي ^{[ 19 ]} (يُفضّل وصف هذه المواد بمصطلح " مركبات البوليمر النانوية المحشوة" ^{[ 19 ]} ). تُعدّ هذه الاستراتيجية فعّالة بشكلٍ خاص في إنتاج مركبات عالية الأداء، عند تحقيق تشتت مُنتظم للحشو، وعندما تكون خصائص الحشو النانوي مُختلفة بشكلٍ كبير أو أفضل من خصائص المصفوفة. يُعيق انفصال الطور الناتج عن الديناميكا الحرارية عدم انتظام التشتت في جميع المركبات النانوية. يُؤدي تكتل الحشوات النانوية إلى تكوين تجمعات تُشكّل عيوبًا هيكلية وتؤدي إلى الفشل. يتم التجميع طبقةً تلو الأخرى (LbL) بإضافة طبقات نانوية من الجسيمات النانوية والبوليمرات واحدةً تلو الأخرى. تُظهر مركبات LbL معايير أداء أفضل من 10 إلى 1000 مرة من المركبات النانوية التقليدية المُصنّعة بالبثق أو الخلط الدفعي.

تُستخدم الجسيمات النانوية، مثل الجرافين ^{[ 20 ]} وأنابيب الكربون النانوية ^{[ 21 ]}  وثاني كبريتيد الموليبدينوم وثاني كبريتيد التنجستن، كعوامل تقوية لتصنيع مركبات نانوية بوليمرية قابلة للتحلل الحيوي ذات قوة ميكانيكية عالية، وذلك لتطبيقات هندسة أنسجة العظام. يؤدي إضافة هذه الجسيمات النانوية إلى مصفوفة البوليمر بتراكيز منخفضة (حوالي 0.2% وزناً) إلى تحسينات ملحوظة في الخواص الميكانيكية للضغط والانحناء لهذه المركبات النانوية البوليمرية. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} ومن المحتمل أن تُستخدم هذه المركبات النانوية كبديل جديد، قوي ميكانيكياً، وخفيف الوزن، لزراعة العظام. وتشير النتائج إلى أن التقوية الميكانيكية تعتمد على مورفولوجيا البنية النانوية، والعيوب، وتشتت المواد النانوية في مصفوفة البوليمر، وكثافة التشابك البوليمري. بشكل عام، تُعزز البنى النانوية ثنائية الأبعاد البوليمر بشكل أفضل من البنى النانوية أحادية الأبعاد، وتُعد المواد النانوية غير العضوية عوامل تقوية أفضل من المواد النانوية الكربونية. إضافةً إلى الخواص الميكانيكية، استُخدمت مركبات البوليمر النانوية القائمة على أنابيب الكربون النانوية أو الجرافين لتحسين مجموعة واسعة من الخواص، مما أدى إلى ظهور مواد وظيفية لتطبيقات ذات قيمة مضافة عالية في مجالات مثل تحويل الطاقة وتخزينها، والاستشعار، وهندسة الأنسجة الطبية الحيوية. ^{[ 25 ]} على سبيل المثال، استُخدمت مركبات البوليمر النانوية القائمة على أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران لتعزيز التوصيل الكهربائي. ^{[ 26 ]}

يُعدّ التخليق بالتسريب المتسلسل مسارًا بديلًا لتصنيع المواد النانوية المركبة ، حيث تُنمّى المواد النانوية غير العضوية داخل ركائز بوليمرية باستخدام مواد أولية في الطور البخاري تنتشر في المصفوفة. علاوة على ذلك، يمكن تحضير المواد النانوية المركبة عبر توليد الجسيمات النانوية في الموقع على المواد البوليمرية وداخلها، وهو نهج يعتمد على التحويل الكيميائي لمواد أولية مناسبة إلى جسيمات نانوية مُستهدفة بالتزامن مع بناء الأنظمة النانوية الهجينة. ^{[ 27 ]} تميل الجسيمات النانوية المُولّدة في الموقع إلى التكوّن والنمو على المواقع النشطة للسلاسل الجزيئية الكبيرة، مما يُظهر التصاقًا قويًا بالمضيف البوليمري.

يمكن أن يؤدي تشتيت الحشوات أو البنى النانوية المُتحكَّم بها في المادة المركبة على المستوى النانوي إلى إدخال خصائص فيزيائية جديدة وسلوكيات مبتكرة غير موجودة في المواد غير المحشوة. وهذا يُغيّر فعليًا طبيعة المادة الأصلية ^{[ 19 ]} (ويمكن وصف هذه المواد المركبة بشكل أدق بمصطلح المواد النانوية المركبة الحقيقية أو المواد الهجينة ^{[ 19 ]} ). ومن أمثلة هذه الخصائص الجديدة مقاومة الحريق أو تثبيط اللهب ^{[ 28 ]} ، والتحلل البيولوجي المُتسارع .

تُستخدم مجموعة متنوعة من المركبات النانوية البوليمرية في التطبيقات الطبية الحيوية، مثل هندسة الأنسجة، وإيصال الأدوية، والعلاجات الخلوية. ^{[ 29 ] [ 30 ]} وبفضل التفاعلات الفريدة بين البوليمر والجسيمات النانوية، يُمكن هندسة مجموعة واسعة من تركيبات الخصائص لمحاكاة بنية وخصائص الأنسجة الطبيعية. وتُستخدم مجموعة من البوليمرات الطبيعية والاصطناعية لتصميم المركبات النانوية البوليمرية للتطبيقات الطبية الحيوية، بما في ذلك النشا، والسليلوز، والألجينات، والكيتوزان، والكولاجين، والجيلاتين، والفيبرين، وبولي فينيل الكحول (PVA)، وبولي إيثيلين جلايكول (PEG)، وبولي كابرولاكتون (PCL)، وبولي حمض اللاكتيك-كو-جليكوليك (PLGA)، وبولي جليسرول سيباسيت (PGS). وتُدمج مجموعة من الجسيمات النانوية، بما في ذلك المواد النانوية الخزفية والبوليمرية وأكاسيد المعادن والمواد النانوية الكربونية، ضمن الشبكة البوليمرية للحصول على تركيبات الخصائص المطلوبة. ^{[ 31 ]}

تكتسب المواد النانوية المركبة القادرة على الاستجابة للمؤثرات الخارجية أهمية متزايدة، وذلك لأن التفاعل الكبير بين أسطحها الطورية يُتيح تأثيرًا أكبر للمؤثرات على المادة المركبة ككل. وتتخذ هذه المؤثرات أشكالًا متعددة، كالمجالات المغناطيسية والكهربائية والميكانيكية. وتُعدّ المواد النانوية المركبة المغناطيسية مفيدةً في هذه التطبيقات نظرًا لقدرة المواد المغناطيسية على الاستجابة للمؤثرات الكهربائية والمغناطيسية على حد سواء. كما يتميز المجال المغناطيسي بعمق اختراقه الكبير، مما يزيد من مساحة التأثير على المادة النانوية المركبة، وبالتالي يُعزز استجابتها. وللاستجابة للمجال المغناطيسي، يُمكن بسهولة تحميل مصفوفة بجزيئات نانوية أو قضبان نانوية. وتتنوع أشكال المواد النانوية المركبة المغناطيسية تنوعًا واسعًا، بما في ذلك الجزيئات النانوية المُشتتة في المصفوفة، والجزيئات النانوية ذات البنية الأساسية والقشرة، والبلورات الغروية، والكرات الكبيرة، والبنى النانوية ثنائية الوجه. ^{[ 32 ] [ 33 ]}

يمكن استخدام المركبات النانوية المغناطيسية في عدد كبير من التطبيقات، بما في ذلك التطبيقات التحفيزية والطبية والتقنية. على سبيل المثال، يُعد البالاديوم من المعادن الانتقالية الشائعة الاستخدام في تفاعلات التحفيز. ويمكن استخدام مركبات البالاديوم المدعومة بجزيئات نانوية مغناطيسية في التحفيز لزيادة كفاءة البالاديوم في التفاعل. ^{[ 34 ]}

يمكن أيضًا استخدام المركبات النانوية المغناطيسية في المجال الطبي، حيث تُسهم القضبان النانوية المغناطيسية المدمجة في مصفوفة بوليمرية في توصيل الأدوية وإطلاقها بدقة أكبر. كما يمكن استخدامها في تطبيقات الترددات العالية ودرجات الحرارة المرتفعة. فعلى سبيل المثال، يمكن تصنيع هياكل متعددة الطبقات لاستخدامها في التطبيقات الإلكترونية. وتُعد عينة متعددة الطبقات من أكسيد الحديد/الحديد المُرسب كهربائيًا مثالًا على هذا التطبيق للمركبات النانوية المغناطيسية. ^{[ 35 ]}

في تطبيقات مثل المحاثات الدقيقة للطاقة، حيث يُرغب في نفاذية مغناطيسية عالية عند ترددات تشغيل عالية، ^{[ 36 ]} تشهد مواد القلب المغناطيسي التقليدية المصنعة بتقنية التصنيع الدقيق انخفاضًا في النفاذية وفقدًا كبيرًا عند ترددات التشغيل العالية. ^{[ 37 ]} في هذه الحالة، تتمتع المركبات النانوية المغناطيسية بإمكانات كبيرة لتحسين كفاءة أجهزة إلكترونيات الطاقة من خلال توفير نفاذية عالية نسبيًا وفقدًا منخفضًا. على سبيل المثال، تُمكّننا جزيئات أكسيد الحديد النانوية المدمجة في مصفوفة النيكل من تخفيف هذا الفقد عند الترددات العالية. ^{[ 38 ]} تساعد جزيئات أكسيد الحديد النانوية عالية المقاومة على تقليل فقد التيارات الدوامية، بينما يساعد معدن النيكل في تحقيق نفاذية عالية. تقع الخصائص المغناطيسية للتيار المستمر، مثل مغنطة التشبع، بين كل جزء من أجزائها المكونة، مما يشير إلى إمكانية تغيير الخصائص الفيزيائية للمواد عن طريق إنشاء هذه المركبات النانوية.

• المواد الهجينة
• أكواميلت

• كومار، إس كيه؛ كريشنامورتي، آر. (2010). "المواد النانوية المركبة: التركيب، والسلوك الطوري، والخواص" . المراجعة السنوية للهندسة الكيميائية والبيولوجية الجزيئية . 1 : 37-58 . doi : 10.1146/annurev-chembioeng-073009-100856 . PMID 22432572 .