الميكانيكا النانوية

الميكانيكا النانوية فرع من علوم النانو يدرس الخصائص الميكانيكية الأساسية (المرونة، والحرارية، والحركية) للأنظمة الفيزيائية على مقياس النانومتر . وقد نشأت الميكانيكا النانوية عند ملتقى مجالات الفيزياء الحيوية ، والميكانيكا الكلاسيكية ، وفيزياء الحالة الصلبة ، والميكانيكا الإحصائية ، وعلوم المواد ، والكيمياء الكمية . وباعتبارها أحد مجالات علوم النانو، توفر الميكانيكا النانوية أساسًا علميًا لتكنولوجيا النانو .

علم الميكانيكا النانوية هو فرع من فروع علم النانو الذي يتعامل مع دراسة وتطبيق الخصائص الميكانيكية الأساسية للأنظمة الفيزيائية على المستوى النانوي، مثل الخصائص المرنة والحرارية والحركية للمواد.

غالباً ما يُنظر إلى الميكانيكا النانوية كفرع من فروع تكنولوجيا النانو ، أي كمجال تطبيقي يركز على الخصائص الميكانيكية للهياكل النانوية والأنظمة النانوية المصممة هندسياً (الأنظمة التي تحتوي على مكونات نانوية ذات أهمية). ومن أمثلة هذه الأنظمة: الآلات النانوية ، والجسيمات النانوية ، والمساحيق النانوية ، والأسلاك النانوية، والقضبان النانوية ، والأشرطة النانوية، والأنابيب النانوية ، بما في ذلك أنابيب الكربون النانوية (CNT) وأنابيب نتريد البورون النانوية (BNNT)؛ والأغلفة النانوية ، والأغشية النانوية، والطلاءات النانوية، والمواد النانوية المركبة /المواد النانوية التركيبية (السوائل التي تحتوي على جسيمات نانوية منتشرة)؛ والمحركات النانوية ، وغيرها.

بعض المجالات الراسخة في الميكانيكا النانوية هي: المواد النانوية ، وعلم الاحتكاك النانوي ( الاحتكاك والتآكل وميكانيكا التلامس على المستوى النانوي )، والأنظمة الكهروميكانيكية النانوية (NEMS)، والموائع النانوية .

باعتبارها علماً أساسياً، تستند الميكانيكا النانوية إلى بعض المبادئ التجريبية (الملاحظات الأساسية)، وتحديداً مبادئ الميكانيكا العامة والمبادئ الخاصة الناشئة عن صغر الأحجام الفيزيائية لموضوع الدراسة.

تشمل المبادئ العامة للميكانيكا ما يلي:

• مبادئ حفظ الطاقة والزخم
• مبدأ هاميلتون التبايني
• مبادئ التناظر

نظراً لصغر حجم الجسم المدروس، فإن علم الميكانيكا النانوية يأخذ في الاعتبار أيضاً ما يلي:

• انفصال الجسم، الذي يكون حجمه قابلاً للمقارنة بالمسافات بين الذرات
• تعدد درجات الحرية في الكائن ، ولكن محدوديتها
• أهمية التقلبات الحرارية
• أهمية التأثيرات الإنتروبية (انظر إنتروبيا التكوين )
• أهمية التأثيرات الكمومية (انظر الآلة الكمومية )

تُسهم هذه المبادئ في توفير فهم أساسي للخصائص الميكانيكية الجديدة للأجسام النانومترية. ويُقصد بالجديد هنا أن هذه الخصائص غير موجودة في أجسام مماثلة على المستوى العياني، أو أنها تختلف اختلافًا كبيرًا عن خصائصها (مثلًا، القضبان النانوية مقابل هياكل الحزم العيانية المعتادة). وعلى وجه الخصوص، يُؤدي صغر حجم الجسم نفسه إلى ظهور تأثيرات سطحية متنوعة، تُحددها النسبة العالية بين مساحة السطح والحجم في الهياكل النانوية ، وبالتالي تُؤثر على الخصائص الميكانيكية والحرارية (نقطة الانصهار، السعة الحرارية، إلخ) لهذه الهياكل . ويُعدّ التجزؤ سببًا جوهريًا، على سبيل المثال، لتشتت الموجات الميكانيكية في المواد الصلبة ، وبعض السلوكيات الخاصة لحلول المرونة الميكانيكية الأساسية على المقاييس الصغيرة. كما أن تعدد درجات الحرية وظهور التقلبات الحرارية هما سببا النفق الحراري للجسيمات النانوية عبر الحواجز الكامنة ، بالإضافة إلى الانتشار المتبادل بين السوائل والمواد الصلبة . ويُوفر الصغر والتقلبات الحرارية الأسباب الأساسية للحركة البراونية للجسيمات النانوية. يؤدي تزايد أهمية التقلبات الحرارية وإنتروبيا التكوين على المستوى النانوي إلى ظهور المرونة الفائقة ، والمرونة الإنتروبية ( القوى الإنتروبية )، وأنواع أخرى غير مألوفة من مرونة البنى النانوية . كما تحظى جوانب إنتروبيا التكوين باهتمام كبير في سياق التنظيم الذاتي والسلوك التعاوني للأنظمة النانوية المفتوحة.

تحدد التأثيرات الكمومية قوى التفاعل بين الذرات الفردية في الأجسام الفيزيائية، والتي يتم إدخالها في الميكانيكا النانوية عن طريق بعض النماذج الرياضية المتوسطة التي تسمى الكمونات بين الذرات .

يُتيح الاستخدام اللاحق للجهود بين الذرات ضمن ديناميكيات الأجسام المتعددة الكلاسيكية نماذج ميكانيكية حتمية للهياكل والأنظمة النانوية على المستوى الذري. تُعرف الطرق العددية لحل هذه النماذج باسم ديناميكيات الجزيئات (MD)، وأحيانًا باسم الميكانيكا الجزيئية (خاصةً فيما يتعلق بالنماذج المتوازنة سكونيًا). تشمل الطرق العددية غير الحتمية مونت كارلو ، ومونت كارلو الحركية (KMC)، وغيرها. كما تتضمن الأدوات العددية الحديثة مناهج هجينة متعددة المقاييس تسمح بالاستخدام المتزامن أو المتسلسل لطرق المقياس الذري (عادةً ديناميكيات الجزيئات) مع طرق المقياس المتصل (الماكرو) (عادةً مجهر الانبعاث الميداني ) ضمن نموذج رياضي واحد. ويُعد تطوير هذه الطرق المعقدة موضوعًا منفصلاً في بحوث الميكانيكا التطبيقية .

كما تحدد التأثيرات الكمومية الخصائص الكهربائية والبصرية والكيميائية الجديدة للهياكل النانوية ، ولذلك فهي تحظى باهتمام أكبر في المجالات المجاورة لعلوم النانو وتكنولوجيا النانو ، مثل الإلكترونيات النانوية وأنظمة الطاقة المتقدمة والتكنولوجيا الحيوية النانوية .

• الآلة الجزيئية
• المرحلة الهندسية (قسم تأثير المضخة العشوائية)
• مرحل نانوإلكتروميكانيكي

• ساتلر كيه دي. دليل الفيزياء النانوية: المجلد 1 المبادئ والأساليب. مطبعة سي آر سي، 2011.
• بوشان ب (محرر). دليل سبرينغر لتقنية النانو، الطبعة الثانية. سبرينغر، 2007.
• ليو دبليو كيه، كاربوف إي جي، بارك إتش إس. الميكانيكا النانوية والمواد: النظرية، والأساليب متعددة المقاييس، والتطبيقات. وايلي، 2006.
• كليلاند إيه إن. أسس الميكانيكا النانوية. سبرينغر، 2003.
• فاليه إ. بخشالي. الميكانيكا النانوية وتطبيقاتها: الخواص الميكانيكية للمواد. المؤتمر الإلكتروني الدولي للهندسة والتكنولوجيا والإدارة - ICETM 2020. https://theired.org/conference/paper/nanomechanics-and-its-applications-mechanical-properties-of-materials-3921