د. عبدالستار تركستاني شركة سابك 

فما هي تقنية النانو، ومتى بدأت وما أهميتها في الصناعات الكيميائية والمواد؟

 تقنية النانو واحدة من أهم التطورات الحديثة نسبيًّا، التي بدأ الاهتمام بها بشكل كبير منذ أكثر من ثلاثة عقود، وأصبحت على رأس هرم التطوير الحديث بخطى متسارعة في كثير من المجالات الطبية والهندسية والصناعية وغيرها. فالنانو، وكما هو معروف، هو وحدة قياس متناهية الصغر تقاس بـ (10-9) متر؛ أي واحد على تريليون من المتر. ولكي نعطي تصور أوضح لمدى صغر حجم النانو قمنا بمقارنة الأجسام المقاسة برتبة النانو مع أجسام معروفة أخرى – (الشكل 1).

تعتمد تقنية النانو أو تقنيات النانو على تصنيع مواد، أو تتعامل مع تراكيب من المواد أو أنظمة ذات أبعاد من رتبة النانومتر. وبناءً على تعريف الـ ASTM فإنَّ كل ما يقل حجمه أو أحد أبعاده عن 100 نانومتر يدخل في تصنيف تقنية النانو. فوصول التقنية إلى المستوى النانوي يتيح للمنظومة ميزات فيزيائية وكيميائية لا تتوافر في المنظومات العادية، مثل التأثير الكمي، ومساحة السطح الفاعلة، إضافةً إلى الخصائص الضوئية والكهربائية والبيولوجية وغيرها. والمتأمل في خلق الله يجد أنَّ الخلايا الحية تعد مثالاً مهمًّا لتقنية النانو الطبيعية، إذ تُعد الخلية مستودعًا لعدد كبير من الآلات البيولوجية بحجم النانو تُسمَّى الريبوسومات، ويتم تصنيع البروتينات داخلها. والريبوسومات هي جزيئات البروتين النووي الشاملة التي تترجم الشيفرة الوراثية إلى بروتينات، ويبلغ حجم الريبوسومات حوالي 25 نانومترًا. 

من الناحية التاريخية، فقد ثبت استخدام تقنية النانو في العصر الروماني في صناعة الزجاج المتغير الألوان، باستخدام مادة الذهب والفضة النانوية، وكذلك اكتشف العلماء في جامعة دريسدن الألمانية بأنَّ السَّيف الدمشقي الذي أرهب أوروبا بصلابته وحدَّته وقوَّته مع الاحتفاظ بمرونته يحتوي على أنابيب الكربون النانوي (carbon nanotube) المتكوّن خلال عملية التصنيع، كما هو موضَّح في (الشكل 2). وفي العصر الحديث، بدأ العالم الالتفات والاهتمام بتقنية النانو بعد الكلمة التي ألقاها ريتشارد فيمان عن فرص التطوير في القاع (There’s Plenty of Room at the Bottom) ، التي تحدث فيها عن طرائق جديدة للتحكم ومحاكاة المواد على المستوى الجزيئي والذري وإمكانية تطبيق ذلك في مجالات متعددة. وبرغم حديث فينمان عن تقنيات النانو فإنَّ أول من استحدث مصطلح تقنية النانو هو الياباني نوريو تانيجوجي عام 1974 في شرحه تقنية التصنيع الدقيقة لأشباه الموصلات. وفي عام 1981 تم تطوير مجهر المسح النفقي (STM) في مختبرات أي بي أم، التي مكَّنت العلماء من الوصول الى المستوى الجزيئي والذري، وأسهمت كثيرًا في تطوير اكتشاف المواد النانوية. وفي عام 1985 تم اكتشاف الكرات الكربونية أو الفولرين، التي يبلغ قطرها حوالي (1) نانومتر من قبل العالم ريتشارد ساملي، وفي عام 1991 تم اكتشاف الأنابيب الكربونية التي لا يتجاوز قطرها الـ 10 نانومترات بواسطة سوميو إيجيما.

إنَّ تقنية النانو هي إحدى ركائز التطوير الحالي والمستقبلي، التي توفر فرصًا عظيمة للتطوير والسبق في التطبيق في شتى المجالات الطبية والدفاعية والإلكترونية والصناعية والاتصالات وغيرها. وبحسب (repot linker) فإنَّ السوق العالمي لتقنية النانو في عام 2020 يُقدَّر بـ 42.2 تريليون دولار، ويُتوقَّع نمو هذا السوق إلى 70.7 تريليون دولار بحلول عام 2026. وتشمل التطبيقات الحالية للمواد النانوية الطلاءات الرقيقة جدًّا والمستخدمة في الإلكترونيات والأسطح النشطة، مثل الأسطح ذاتية التنظيف. كما تؤدي القدرة على تصنيع المواد بدقة عالية جدًّا (أقل من 100 نانومتر) إلى فوائد كبيرة في مجموعة واسعة من القطاعات الصناعية، على سبيل المثال في إنتاج مكونات لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات (ICT)، والسيارات، والفضاء، والكيمياء الحيوية. كما تسمح الأبعاد النانوية للمكونات الإلكترونية والطبقات الوظيفية في رؤوس القراءة بتحسين جذري في أداء محركات الأقراص الثابتة للكمبيوتر. وتعمل المحفزات في أنظمة فلاتر الهواء على تنقيته باستخدام جسيمات نانوية محفزة. 

أحد التطبيقات القوية للنانو، التي تلامس حياتنا اليومية هي المواد المركبة (nano-composites) ، التي تتكون من مادتين مختلفتين أو أكثر لتعطي خصائص مميزة، مثل الصلابة، والتوصيلية، والشفافية، واللون وغيرها. وهي تتكون من مادة حاملة أو سائدة، تشكل النسيج المشكل للمادة، ومادة مالئة أو مضافة للقيام بمهمة معينة في المنظومة، مثل زيادة الصلابة، والمرونة، والتوصيلية الكهربائية، أو الحرارية، أو تغيير خصائص السطح وغيرها. فالمادة المضافة يمكنها أن تكون على شكل حبيبات أو ألياف قصيرة أو ألياف ممتدة أو قشور، مثل القشور الطينية (clays) أو الجرافين. وأقرب مثال إلى المواد المركبة هي الخرسانة المسلحة، إذ إنَّ الأسمنت تشكل المادة السائدة، وحديد التسليح يشكل المادة المضافة الداعمة. وعلى المستوى النانوي تُضاف المواد النانوية لتقوية صفة أو إضافة خصائص معينة للمادة المركبة مستفيدة بذلك من الخصائص المميزة للمواد النانوية، التي لا يمكن الحصول عليها باستخدام نفس المواد بالأحجام الكبيرة. ومثال ذلك ما ذكرناه سابقًا عن السيف الدمشقي والصلابة المميزة الذي اكتسبها نتيجة إضافة الكربون النانوي.

تشكل المواد البلاستيكية المركبة واحدة من أهم القطاعات الصناعية للمواد البلاستيكية، وتتكون من أحد أنواع البوليمرات كمادة سائدة ومادة مالئة صلبة أو ألياف لتعطي المادة المركبة الخصائص المرجوة، مثل تحسين الخصائص الميكانيكية أو الفيزيائية أو لتقليل التكلفة. فالمواد المالئة تشمل السيليكا، والمادة الطينية، والجير، أو كلسات الكربون، أو أليافًا مثل ألياف الزجاج، أو الكربون. فعلى سبيل المثال تُضاف ألياف الزجاج لمادة البولي بربيلين في صناعة دعامات السيارات لتعطي الدعامة خصائص متوازنة من الصلابة والمرونة والشدة، كما تُضاف كلسات الكربون أو السيليكا للبولي إيثيلين المستخدم في تصنيع الأثاث لزيادة الصلابة وتقليل الكلفة. 

عندما تكون المادة المضافة إلى البوليمر مركب نانوي؛ أي أصغر من الـ 100 نانومتر، تتكون لدينا مادة نانوية مركبة ذات خصائص فريدة لا يمكن إنتاجها باستخدام المواد التقليدية، إذ إنَّ لمركبات البوليمر النانوية خصائص محسنة بشكل ملحوظ، وعند التركيز منخفضة المكونات النانوية (0 ~ 10٪ بالوزن). وتعتمد خصائص المركب البلاستيكي النانوي على خصائص الإضافات النانوية من تركيب كيميائي، وتركيبة السطح، والشكل الهندسي، ونسب الملء أو الإضافة، إضافةً إلى تركيبة البوليمر والتداخل البيني مع تركيبة البوليمر. بدأ تسويق مركبات البوليمر النانوية تجاريًّا في عام 1991 عندما قدَّمت شركة تويوتا موتور لأول مرة مركبات نانوية مصنوعة من النايلون 6، بوصفها مادة سائدة، والقشور الطينية النانوية، بوصفها مادة مضافة أو مالئة، وذلك لإنتاج أحزمة التوقيت (timing belt) بوصفها جزءًا من محرك سيارات تويوتا كامري. وأطلقت جنرال موتورز في عام 2002، دعاسة مساندة للسيارات مصنوعة من البولي أوليفين المقوى بنسبة 3٪ من القشور الطينية النانوية لشاحنات سفاري وشيفروليه أسترو من جنرال موتورز، تلاه تطبيق هذه المركبات النانوية في أبواب شيفروليه إمبالا (شكل 3, 4).

أحد التطبيقات المهمة لمركبات البوليمر النانوية، والمتوفرة في السوق هي الأفلام أو الألواح الشفافة المصممة لتؤدي خصائص امتصاص الإشعاعات الحرارية الضارة، أو مقاومة صدمات أو مقاومة خدوش وغيرها. فهذه الخواص يمكن الوصول إليها عن طريق دمج جسيمات غير عضوية، مثل السيليكا، وأكسيد الزنك، وأكسيد الألمنيوم، وأكسيد التيتانيوم وغيرها مع نسيج البوليمر. وحتى نحقق هذه الصفات مع المحافظة على الشفافية فلا بد من أن تكون الجسيمات المضافة في الحجم النانوي. فمن المعروف أنَّ إدخال مادة ذات معامل انكسار ضوئي (RI)، يختلف عن تلك الموجودة في المادة السائدة أو البوليمر، إلى تشتت الضوء، وينتج عنه ضياع شفافية المادة. وهنا يمكن الاستعاضة عن عدم تطابق (RI) عن طريق تقليل حجم الجسيمات تحت الطول الموجي للضوء المرئي، وقد ثبت أنه اعتمادًا على درجة عدم تطابق (RI)، يصبح فقدان الكثافة من خلال الانتثار ضئيلًا إذا كان حجم الجسيم أقل من 100 نانومتر. ومن ضمن التطبيقات التجارية لهذه المواد البلاستيكية المركبة النانوية إضافة جسيمات نانوية ذات امتصاص موجي محدد، مثل أكسيد الزنك أو ثاني أكسيد التيتانيوم لترشيح الأشعة فوق البنفسجية، أو تحت الحمراء. وهذه التقنية فتحت المجال لإنتاج أفلام عازلة شفافة للمباني والسيارات بخصائص متعددة، وأداء مميز، مثل طول العمر الافتراضي، وزيادة نسبة الترشيح، (شكل 5).

ومن أهم تطبيقات المركبات النانوية في ظل جائحة كورونا، وانتشار الأمراض المعدية الأسطح المقاومة للبكتيريا والجراثيم، وقد أثبتت الدراسات فاعلية أجسام الفضة والنحاس، وبعض الأجسام النانوية في مقاومتها. وهذا ما أتاح المجال لتطوير أفلام وطلاءات مقاومة للبكتيريا والجراثيم، ومنها ما يستخدم في عربات التسوُّق في بعض الأسواق المركزية. كذلك تستخدم تقنية النانو لإنتاج طلاءات شفافة مقاومة للخدش أو تنظيف ذاتي أو مقاوم للغبار، بإضافة جسيمات السيليكا أو الألومينا النانوية للمركب البلاستيكي المستخدم كمادة سائدة في الطلاء.

وفي مجال التطبيقات الدفاعية، تُستخدم المواد النسيج المختص، مثل الكيفلار، بشكل شائع للحماية الخفيفة للجنود، مثل الدروع الواقية للبدن، وبطانات الحماية للسيارات المدرعة. وهنا يمكن رفع كفاءة منسوجات الدروع باستخدام سوائل تثخين نانوية، وتتكون سوائل التثخين (shear thickening) من سائل يحتوي على جسيمات مشتتة وموزعة بنسبة معينة في السائل الحامل أو السائد. وهذا السائل يتصلب ويقاوم التشوه إذا تم تعرضه للصدمات المفاجئة. وبحسب مختبر أبحاث الجيش الأمريكي عندما يتم تشريب سائل التثخين المصنوع من الجسيمات النانوية، مثل السيليكا في البولي إيثيلين جلايكول في ألياف (نسيج) الكيفلار التقليدية، تتحسن قدرة المادة المركبة على امتصاص الطاقة الضاربة بشكل كبير. وتُضاعف الأداء الباليستي (من حيث الطاقة الممتصة)، بحيث إنَّ أربع طبقات من الكيفلار مشربة بسائل التثخين تمتص قدرًا من الطاقة تمتصه 10 طبقات بدون سائل التثخين. وسيؤدي ذلك إلى دروع أكثر مرونة مع انخفاض الوزن، وهذا ما يعطي الجندي مرونة وسرعة في الحركة، وهو مثالي للدروع الشخصية، إذ تكون المرونة في الحركة مطلوبة مع توفير الحماية من الأسلحة الحادة.

وكما هو الحال في المواد المركبة نجد أنَّ تقنية النانو لها دور كبير ونشط في المحفزات، فمحفزات النانو مجال سريع النمو وواعد، ويشهد تطبيقات في مجالات مختلفة، مثل صناعات معالجة الأغذية والأدوية، ومصافي التكرير والتصنيع الكيميائي، والتطبيقات البيئية. ويتضمن استخدام المواد النانوية كمحفزات لمجموعة متنوعة من تطبيقات التحفيز المتجانسة وغير المتجانسة. 

ويمثل التحفيز غير المتجانس (heterogeneous) أحد أقدم الممارسات التجارية في علم النانو، وتُستخدم الجسيمات النانوية للمعادن وأشباه الموصلات والأكاسيد والمركبات الأخرى على نطاق واسع في التفاعلات الكيميائية المهمة. ومن أهم خصائص المحفز هو “سطحه النشط”، إذ يحدث التفاعل، فكلما زادت مساحة السطح زاد النشاط التحفيزي، وتزداد كفاءة المحفز إذا وجد التنظيم المكاني للمواقع النشطة في المحفز. إنَّ التحكم في هاتين الخاصيتين في تصميم المحفزات (حجم الجسيمات النانوية والتركيب الجزيئي / التوزيع) هو أحد مجالات البحث والتطوير المكثف في علم النانو، التي ترجمت إلى تطبيقات عملية وتجارية.

ومن بين أهم الاستخدامات للمحفزات النانوية في المجال البيئي، إذ يُستخدم التحفيز النانوي، على سبيل المثال، في إزالة الكبريت من الوقود، بهدف تطوير وقود “نظيف” يحتوي على منتجات منخفضة الكبريت. ففي هذا المجال، ساعدت أبحاث تقنية النانو الحديثة في تطوير جيل جديد من محفزات الكبريت بالهدرجة (HDS) ومحفزات الأكسدة ODS ذات الكفاءة العالية لاستخدامها في تنظيف الكبريت من الوقود البترولي، وهذا ما يمنع انبعاث كثير من أطنان الكبريت الضار في البيئة. وفي هذا المجال ساعدت أبحاث تقنية النانو الحديثة في شركة دنماركية على تطوير جيل جديد من محفزات الكبريت بالهدرجة (BIRM) معتمدة على محفزات (NiMo) و (CoMo) النانوية لاستخدامها في تنظيف الكبريت من الوقود البترولي، وهذا ما يمنع انبعاث كثير من أطنان الكبريت الضار في البيئة. 

ومن التطبيقات المثيرة والمهمة استخدام الذهب محفزًا نانويًّا. فالذهب مثال على التغيُّر في الطبيعة الكيميائية والفيزيائية للمواد عند الحجم النانوي. فبعض المواد المحفزة التي لا تكون محفزة عندما تكون موجودة في الكتلة يمكن أن تصبح محفزة عندما تكون بأحجام النانو. ومن المعروف أنَّ الذهب معدن خامل ولا يتفاعل مع كثير من المواد الكيميائية (بما في ذلك الأحماض والقواعد القوية). ومع ذلك يصبح الذهب شديد التفاعل عندما يكون في الحجم النانوي، وخصوصا في المجال البيئي. فقد ثبت أنَّ الذهب النانوي عامل مساعد فعال جدًّا في كثير من دراسات مكافحة التلوث. وعلى سبيل المثال، فقد ثبت أنه قادر على إزالة أول أكسيد الكربون من هواء الغرفة في درجات الحرارة العادية. 

وفي الآونة الأخيرة، أعلنت شركة أمريكية عن تطوير محفز أكسدة من الذهب النانوي يمكنه أن يقلّل من انبعاث الهيدروكربون بالديزل بنسبة 40٪ أكثر من المواد المتاحة تجاريًّا ما يجعل له أثرًا بالغًا في المحافظة على البيئة.

وبالرغم من الخصائص الفريدة التي توفرها الإضافات النانوية للمواد المركبة إلا أنَّ هنالك صعوبات لابد من التغلُّب عليها في تصميم المركبات النانوية والتقنيات المعتمدة عليها وتصنيعها. وهذا مجال مفتوح للإبداع والتطوير، لإنتاج مواد نانوية وتطبيقات معتمدة على تقنيات النانو أكثر كفاءةً اقتصاديًّا وبيئيًّا وعمليًّا. ومن ضمن العقبات التي يواجهها مطور مركبات البلاستيك النانوية، على سبيل المثال، طرائق التصنيع وتوزيع الإضافة النانوية في المنظومة المركبة بتجانس مع التغلُّب على مشكلة تكتُّل المواد النانوية نتيجة التجاذب الطبيعي بينها. وهناك عدد من الطرائق المطوَّرة، وكثير من هذه الطرائق تحتاج إلى خطوات كثيرة ومعقدة، ما يجعل ترجمتها إلى مرحلة التصنيع التجاري غير مجدية. 

إنَّ تقنية النانو تقنية سريعة التطور، وهناك إمكانات هائلة لتطوير مواد جديدة بخصائص فريدة، وخلق منتجات جديدة ومحسنة لكثير من التطبيقات، وهناك عدد من المنتجات المتاحة والقائمة حاليا على تقنية النانو، بما في ذلك السلع الرياضية والإلكترونيات والعناية الشخصية وقطع غيار السيارات. وفي هذه المقالة حاولنا إعطاء صورة مبسطة عن تقنيات النانو، وبعض تطبيقاتها القريبة من حياتنا اليومية، وهذا غيض من فيض، فتقنيات النانو مجال واسع ومتشعب في مجالات مختلفة، ولا يمكن تغطيتها في مقالة واحدة.