الإضافة المتعددة الأبعاد المعززة جزيئاتاً من أجل القوة الميكانيكية الخارقة

مقدمة إلى شركة نانوب جبريلدز بلايمر المحدودة

وقد برز إدماج الجسيمات النانوية في مصفوفات متعددة المقاييس كأحد أحدث التطورات في علوم المواد خلال العقدين الماضيين، إذ أن تفريق المشغلين النانويين - الذي يتكون من مليئين بحري - يتكون من مبلول أساسي - يمكن للمهندسين أن يحسنوا بشكل كبير خصائص الميكانيكية مثل القوة الخفية، والشعارات الراقية، والتصلب التقليدي بين المصابين، والمقاومة الدهية.

وتعتمد الصناعات التي تتراوح بين الفضاء الجوي والأجهزة الطبية الأحيائية الآن على البوليمرات المعززة بالجرعات النانوية لإنتاج مكونات أكثر راحة وأقوى وأكثر استدامة، وعلى عكس البوليمرات التقليدية التي تستخدم الألياف الزجاجية أو ألياف الكربون، فإن الندوات النانوية توفر إمكانية تحسين الممتلكات دون التضحية بعملية التصنيع أو إضافة وزن كبير، ومع تقدم تقنيات التصنيع وانخفاض التكاليف، فإن هذه المواد تتجه إلى استبدال البلاستيك التقليدي.

ما هي الـ (نانوب جزيئيا) المُضافة لـ (بوليمر)؟

وتشير المواد المضافة من البوليمر المكثفة إلى مجموعة من المواد المركبة التي تُدمج فيها الجسيمات النانوية في مصفوفة متعددة الأطراف لتعديل خصائصها المادية والميكانيكية، ويمكن أن يكون البوليمر الأساسي مركباً حرارياً (مثلاً، البوليبروبيلين، النايلون، البوليكربونات)، وهو مادة حرارية (مثلاً، عوامل التراكم، البوليتورثانوية).

وتتوقف فعالية هذه المواد المضافة بشكل حاسم على ثلاثة عوامل: الخصائص الأساسية للجسيمات النانوية )الحجم والشكل والكيمياء السطحية(، ونوعية التشت )الوحدة وعدم التكتل(، والارتداد بين الوجوه والبوليمر، بل إن كميات صغيرة من الجسيمات النانوية المشوهة جيداً، أقل من ٥ في المائة بالوزن.

وتقنيا، عندما يُطبق حمولة على مركب نانو - كوميدي، تحمل الجسيمات النانوية جزءا من ذلك الضغط والتحويل عن طريق سندات قوية بين الوجوه، كما أنها تقيد حركة سلاسل البوليمر، مما يزيد من مقاومة المواد للتشويه، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تُحدِّد الجسيمات النانوية أو تُلقي القبض على المروجين للشقق، مما يؤدي أساسا إلى إنشاء آلية للتقوية لا توجد في البوليمتر النقي.

آليات تعزيز القوة الميكانيكية

وتنشأ التحسينات في القوة الميكانيكية التي لوحظت في البوليمرات المعززة بالجرعات النانوية من عدة آليات مترابطة، ومن الضروري فهم هذه الآليات لتصميم الندوات النانوية على الوجه الأمثل لتطبيقات محددة.

نقل الإجهاد وتوزيع القرض

وعندما تطبق قوة خارجية على مركب نانوي، تزيح مصفوفة البوليمر وتحوّل الضغط إلى جزيئات النوبات المحتوية على مواد مغنطة، لأن الجسيمات النانوية أحدثت قدراً كبيراً من البوليمر المحيط بها، وهي تحمل حصة غير متناسبة من الحمولة، وتتوقف كفاءة هذا النقل الإجهاد على قوة الإجهاد بين الوجوه بين سطح النانوب وسلاسل الإجهاد بين الزمان.

الكشف عن المسارات وربطها

فالجسيمات النانوية تعمل كحواجز مادية تعوق النمو في الكراك، وعندما يصطدم الشق بجسيم نانوب ممزق، يجب أن ينهار حول الجسيمات أو يحاول المرور من خلالها، ويزيد من طول الشقوق ويستوعب طاقة أكبر، وفي بعض الحالات، لا سيما مع وجود جسيمات نانوية مشتعلة مثل نانووبات الكربون أو المناورة، يمكن للجسيمات أن تشق بين الجانبين.

التطعيم والتقليل من الكريستال

ويمكن أن تحد الجسيمات النانوية من حركة سلاسل البوليمر في محيطها، مما يخلق منطقة من البوليمرات المقيدة المعروفة بالتداخل، وكثيرا ما يظهر هذا التقاطع ارتفاعا في الاتساع ودرجة حرارة الانتقال الزجاجي مقارنة ببوليمرات السوائب، وفي البوليميرات شبه الكريستالية، يمكن أن تعمل الجسيمات النانوية أيضا كعوامل معززة لتشكيلات أكثر صغرا وأكثر عدلا.

Dissipation through Debonding and Pull-Out

وفي ظل ظروف عالية الإجهاد، يمكن أن تُنحرف الجسيمات النانوية من مصفوفة البوليمر أو، في حالة النانوفبيرات، أن تخرج من المصفوفة، وفي حين أن هذا يمثل شكلا من أشكال الضرر، فإنه يُفرِد أيضا كميات كبيرة من الطاقة، مما يسهم في قوة الكسور العامة للمواد، ويمكن أن تكون الطاقة التي تُنثر أثناء نزعها وسحبها عدة أوامر بحجم أكبر من الطاقة اللازمة لكسر آلية ثباتية.

أنواع رئيسية من الجسيمات النانوية المستخدمة في المواد الاصطناعية

وقد تم التحقيق في مجموعة واسعة من الجسيمات النانوية لاستخدامها كإضافات متعددة المصدرين، حيث تعرض كل منها لمواصفات مختلفة تتعلق بالممتلكات وتحديات تجهيزها، ويلخص الجدول أدناه الأنواع الأكثر شيوعاً، وخصائصها الرئيسية، والتطبيقات النموذجية.

سيليكا نانوب جزيئات (SiO2)

إن الجسيمات النانوية الهلامية منتشرة على نطاق واسع وهي غير مكلفة تجارياً بكميات كبيرة ويمكن أن تكون مجهزة على سطح الأرض لتحسين التوافق مع البوليميرات العضوية، كما أن الندوب النسائية تظهر قوة متشابكة معززة، وعارضة ومقاومة خدش، مما يجعلها مشهورة في المعاطف والأجزاء البصرية، والسيارات.

Carbon Nanotubes (CNTs)

وتمتلك النانووب الكربونية ذات الجدران الواحدة والمتعددة الجدران قوة غير عادية من الصلب تصل إلى 100 مرة من الفولاذ في السادسة الواحدة، مع وجود قدرة ممتازة على التصريف الكهربائي والحراري، وتزيد نسبة تأثيرها العالية (نسبة النسيج إلى قطر) على المواد ذات التأثيرات الاصطناعية، وتوفر تعزيزات هيكلية في أحمال منخفضة جداً.

كلاي نالوبي (السيليات العنيفة)

ويمكن أن تُنقَدَّل المناوريونية وغيرها من المصليقات المُعدَّة طبقات مُعدَّة إلى لوحات نانووية ذات سميكات تبلغ حوالي 1 نانو متراً وأبعاد جانبية من عدة مئات من المنانومترات، وعند تفرقها على النحو المناسب، تُحدث هذه اللوحات مساراً ضاراً لجزيئات الغاز، وتُحسِّن بشكل كبير خصائص الحاجز، كما تزيد من قوة الميكانيكية واستقرار الحرارة.

Metal Oxide Nanoparticles (TiO2, Al2O3, ZnO)

وتمنح الجسيمات النانوية لثاني أكسيد التيتانيوم من أجل قدرتها على الحجب فوق البنفسجية والنشاط التحليلي الضوئي، بالإضافة إلى تأثيرها المعزز، وتزيد الجسيمات النانوية من الجسامات الألومينا من الصعاب، ومقاومة الارتطام، والسلوك الحراري، وتوفر جسيمات أكسيد الزنك الحماية من الأشعة فوق البنفسجية، وخصائص مضادة للتكت، وكثيرا ما تستخدم تعزيزات أكسيد المعادن في الطين، والملابس الوبية.

غرامين وغريفين أوكسيد

إن طبقة غرافين - طبقة ذرية واحدة من الكربون مجهزة في مضمار مائي غير عادي (نحو 130 جي بي) وسلوك كهربائي وسلوكية حرارية، وثنائي أكسيد الغرايفين معدل كيميائياً، يفرق بسهولة أكبر في المياه والمذيبات القطبية، وقد استخدم كلا الشكلين في خلق مبيدات للأخشاب الفوقية ذات الأداء العالي.

Cellulose Nanocrystals (CNCs) and Nanofibrillated Cellulose (NFC)

وتخضع الجزيئات النانوية من الكتلة الحيوية المتجددة للتحلل الأحيائي، وتدني الكثافة، وتظهر قوة عالية من التشابك والشعارات، وتجعلها مجموعات الهيدروكسيل السطحية متوافقة مع العديد من البوليمرات حلوب الماء والبوليمير القطبية، وتتزايد استخدام الشركات عبر الوطنية ومركبات الكربون غير المشبع بالفلور في التغليف، والمصنوعات الطبية الحيوية، ومكونات السيارات كبدائل مستدامة في الجسم.

توليف وتجهيز البوليمرات المحسنة الجسيمات النانوبية

إن أداء الجماع النانوي لا يتوقف على اختيار الجسيمات النانوية والبوليمر فحسب بل أيضا على طريقة المعالجة المستخدمة في الجمع بينها، ويؤدي سوء التشت إلى تجمعات تعمل كمراكز للإجهاد وخصائص ميكانيكية متدهورة، وعادة ما تستخدم التقنيات التالية:

في الموقع

وفي هذا النهج، تُنتشر الجسيمات النانوية داخل الاحتكار أو البكر قبل الشروع في البوليمر، ويمكن أن تحقق هذه الطريقة تفريقا ممتازا لأن السلاسل البوليمرية المتزايدة تفصل وتُقوض الجسيمات النانوية، وهي فعالة بشكل خاص بالنسبة للسيليكات المطبقة والنانووبات الكربونية، غير أن وجود الجسيمات النانوية يمكن أن يؤثر على البوليمردات ويجب التحكم به بعناية.

الحلول

ويُحل البوليمر في مذيب مناسب، وتُشتت الجسيمات النانوية بشكل منفصل قبل الجمع بين بعضها البعض.() ويمكن استخدام الخلط بين الأشعة فوق البنفسجية والسمع العالي أو طاحنة الكرات لكسر الجسيمات النانوية، وبعد الخلط، يتم التهرب من المذيب لإغراق النانويكويت، وتستخدم هذه الطريقة على نطاق واسع في البحوث، ولكنها أقل تكلفة.

مركبة ملطحة

وتضاف الجسيمات النافعة مباشرة إلى البوليمر المتحرك في مبيد أو خليط داخلي، وهذا النهج الخالي من المذيبات هو أكثر النهج قدرة على البقاء تجارياً بالنسبة لمجموعات الحرارة، والتحديات الرئيسية هي تحقيق تفريق موحد في غضون فترة الإقامة القصيرة ومنع التدهور الحراري في البوليمر أو التخصيب السطحي، وكثيراً ما تستخدم مهاجمات الفول المزودة بعناصر المتخصصة في الخلط لتحسين طريقة التفرق.

أداء سطح الأرض

وبغض النظر عن مسار المعالجة، فإن التشغيل السطحي للجسيمات النانوية ضروري في كثير من الأحيان لتحقيق الترابط بين الوجوه والتشتت الجيد، وتشمل الاستراتيجيات المشتركة سلاسل البوليمر على سطح النانوب (تنشئ جزيئات " الشعر " )، وتربط بين عوامل الانقلاب (مثلاً، أو المصفوفات أو المحركات الاصطناعية) أو المصممة خصيصاً للارتقاء.

تطبيقات الصناعات عبر الحدود

وقد وجدت مضافات البوليمرات المحسنة الجسيمات طريقها إلى منتجات تجارية عديدة، وفيما يلي مجالات تطبيق رئيسية، مع أمثلة محددة.

الفضاء الجوي

وفي الفضاء الجوي، يُعتبر الحد من الوزن في حين الحفاظ على السلامة الهيكلية أمراً بالغ الأهمية، إذ تستخدم الأوسمة المقوى من الجسيمات والمركبات المتعددة الكيماويات في لوحات الطائرات الداخلية والزهور والخناق، كما يجري اختبار مركبات النانوب - الوبوكسي من أجل المكونات الهيكلية الرئيسية، مثل محركات القفزات والأجزاء ذات العجلات، مما يتيح تخفيضاً بنسبة تتراوح بين 20 و30 في المائة في الوزن مقارنة بالمحركات الأشعة الكربون التقليدية.

السيارات

وتستخدم صناعة السيارات البوليمرات المعززة بالجرعات النانوية لتحسين القابلية للصدمات، والحد من الوزن، وتوسيع نطاق الحياة المكوِّنة، وتستخدم البوليبروبيلين المعززة بالجسيمات النانوية الطينية في فاسات المطاط والألواح المشابهة، مما يؤدي إلى تحسين التكتل والاستقرار البُعدي، وتضاف شرائط النانووبات الكربونية إلى عوامل مقاومة البوليوريثانية العالية التي تُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُ في خطوط الوقود ومحركات.

الإلكترونيات والسلع الاستهلاكية

وتحتاج الإلكترونيات المرنة إلى مضارب فرعية يمكن أن تنحني دون كسر بينما تحمي المكونات الحساسة، وتوفر المواد النانوية المتعددة البوليميد التي تحتوي على لوحات الطين أو الجاينية ما يلزم من قوة ميكانيكية وخواص الحاجز، وفي الهواتف الذكية والحواسيب المحمولة، تستخدم البلاستيك المقوى من النانووبات الكربونية في المساكن والموازين الداخلية التي تزيل الحرارة بفعالية.

الأجهزة الطبية

وتكتسي القدرة على المنافسة البيولوجية والقدرة على البقاء الميكانيكية أهمية حاسمة في الزرع الطبي، والأدوات الجراحية، ونظم إيصال المخدرات، وتُستخدم مادة بولييثيركيتون معززة بجسيمات النانوبات الهيدروكية أو نانووبات الكربون في الزرع الشوكي، والأوساخ الظرية لأن هذه المادة تُعدّ الخواص الميكانيكية للعظم وتعزز التفكك الفموي.

الرياضة والترفيه

وتشتمل المعدات الرياضية ذات الأداء العالي من أغطية التنس إلى أُطر الدراجات على بوليمرات معززة من الجسيمات النانوية، كما أن أغطية التنس التي تحتوي على أُطر نايلون معززة بالكربون توفر قدرا أكبر من الحساسية والقوى دون زيادة الوزن، بينما تستوعب القفزات التي تُصنع من أفران التنسج المحسنة في النسيج مقاومة للتفوق والأثروة.

التعبئة

وتكتسي خصائص الباريتر أهمية قصوى في غلاف الأغذية والصيدلة، إذ تؤدي المواد النانوية ذات البوليبروبيلين أو رباثات البوليثيلين إلى الحد من الأكسجين والرطوبة إلى ما يصل إلى 10 أضعاف مقارنة بالبوليمر النقي، مما يمتد من عمر الرف ويتيح استخدام مواد التغليف النحيلة، ويخفض النفايات البلاستيكية.

التحديات والحدود

وعلى الرغم من المزايا المثيرة للإعجاب، يجب التغلب على عدة عقبات من أجل تسويق البوليمرات المحسنة من الجسيمات النانوية بشكل كامل:

إحداث التشتات الموحدة

وتميل الجسيمات النانوية إلى التكاثر بسبب قوات در وولز والتفاعلات الكهروستانية، وتعمل المنغوليات كمركِّزات للإجهاد التي تشقق وتخفض الممتلكات الميكانيكية، فإحداث دولة مستقرة ومفتوحة جيداً هو أحد أكثر التحديات استمراراً، وحتى مع تقنيات الخلط المتقدمة، قد تظل بعض الجسيمات مجمَّعة، ولا سيما عند زيادة تكاليفها الوظيفية.

Scalability and Cost

وهناك طرق كثيرة لإنتاج المواد النانوية، مثل تلازم الليزر أو ترسيب البخار الكيميائي لنانووب الكربون، باهظة التكلفة وتنتج كميات محدودة، كما أن تكلفة التشغيل تزيد من سعر المواد النانوية، وبالنسبة للتطبيقات المنخفضة القيمة مثل عبوات السلع الأساسية، فإن التكلفة المضافة لا يمكن تبريرها بمكاسب الأداء، فالبحث في اختناقات قابلة للتكرار ومستمرة (مثل الإنتاج في خط الغليون، أثناء التصريف.

الشواغل المتعلقة بالصحة والسلامة

ويثير الحجم الصغير للجسيمات النانوية مخاطر صحية وبيئية محتملة، إذ يمكن أن يؤدي استنشاق الجسيمات النانوية المحمولة جوا أثناء المعالجة إلى مشاكل الجهاز التنفسي، وقد تبين أن بعض الجسيمات النانوية (مثلاً، النانووبات الكربونية) تسبب تهاباً مماثلاً لظاهرة الأسبست في الدراسات الحيوانية، ويجب على المصانع أن تنفذ بروتوكولات صارمة للسلامة، بما في ذلك وجود أكوامائن غير مؤكدة، ومعدات حماية شخصية.

التوافق بين الوجوه

وحتى مع التشغيل، لا يزال تحقيق التقاء الوجهة بين الوجوه أمراً صعباً، ويؤدي سوء التذمر إلى إزالة البذور قبل الأوان وتخفيض نقل الحمولة، إذ أن وصف المقاييس المتطورة التي تفصل بين المناطق والتي لا تتطلب سوى مقاييس سميكة، مثل الأشعة الدقيقة للقوى الذرية أو الاستنساخ الإلكترونية، والتي تكون باهظة التكلفة وتستغرق وقتاً طويلاً، ولا تزال النماذج الافتراضية للسلوك فيما بين الوجوهات متصورة في التطور، وهذا يعني أن

المعالجة التدريجية

ويمكن لبعض الجسيمات النانوية، ولا سيما أكاسيد المعادن ونانووب الكربون، أن تحفز التدهور الحراري أو المسمّى للصور في البوليمر أثناء المعالجة أو الحياة في الخدمة، مما قد يؤدي إلى خلط الألوان وتغييرها بمرور الوقت، ويمكن للمسدسين والاختيار الدقيق لبارامترات المعالجة (الدرجة الزمنية، ومعدل الطلق، والغلاف الجوي) أن يخفف من ذلك، ولكنه يضيف طبقة إضافية من التعقيد إلى عملية التصنيع.

الاتجاهات المستقبلية

ولا تزال البحوث في مجال مضافات البوليمر المعززة بالجسيمات النانوية تتسارع، حيث من المرجح أن تشكل عدة اتجاهات الميدان على مدى العقد المقبل.

النانويكولات المتعددة الوظائف

والهدف النهائي هو تصميم مستلزمات نانوكولات تقوم في نفس الوقت بتقديم وظائف هيكلية وكهربية وحرارية وبصرية، مثلاً، عنصر هيكلي يمكن أن يعمل أيضاً كمجس أو محصول للطاقة، بينما يجري استكشاف نظم ملاءة مختلطة تضم نوعين أو أكثر من الجسيمات النانوية لتحقيق تحسينات في الممتلكات، مثلاً، يمكن استخدام أسلوب الميكانيكية وأجهزة الناموسيات الكربونية معاً.

نانويفلز، المرتكزات الحيوية والمستدامة

ومع تزايد الشواغل البيئية، هناك اهتمام متزايد بالمدافن النانوية المستمدة من مصادر متجددة، ويمكن أن توفر المواد النانوية السائلة، ومركبات النانوبين الجيرية، والنانوسيليكا من رماد الأرز (الآيس كريم) بدائل قابلة للتحلل الأحيائي لأوكسيدات النانوية الكربونية وأكسيدات المعادن الاصطناعية، وتزيد من كفاءة هذه المواد في إنتاجها.

النماذج المتقدمة والتعلم في مجال الآلات

ومن المشاكل المعقدة المتعددة النطاق تحديد خصائص النانويكات من تركيبها وتجهيزها، ومن المتوقع أن تؤدي هذه الأدوات إلى تسريع دورة التنمية، مما يقلل من الاعتماد على الخواص السطحية المحددة في الاختبارات ونتائج المحاكاة.

الرصد في الموقع والتعافي الذاتي

ويمكن استخدام الجسيمات النانوية كمجسات في مصفوفة البوليمر، فعلى سبيل المثال، يمكن أن تكشف النانووب الكربونية التي تشكل شبكة سلوكية عن ضائقة أو ضرر من خلال التغيرات في المقاومة الكهربائية، مما يتيح رصد الصحة الهيكلية في الوقت الحقيقي، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تُحدث عوامل الشفاء المكبوتة أو السندات القابلة للعكس عندما يكتشف الضرر، مما يؤدي إلى مواد تصليح نفسها.

الابتكارات الصناعية المتطورة

ويجري تكييف عمليات مثل التحلل الحاد في الماشية الصلبة، والطباعة ثلاثية الأبعاد، والتغطية من المطفأة من المسطحات النانوية، والطباعة من ثلاثة أبعاد مع المليارات المجهزة بالجرعات النانوية تسمح بإنشاء مختصرات جغرافية معقدة ذات خصائص خاضعة للرقابة المحلية، مثل التكتل أو التوجه نحو السلوكيات الحرارية.

خاتمة

وقد حولت بالفعل مضافات البوليمر المكثفة من المواد المتطورة، مما يوفر مسارا قويا لخلق البوليمرات ذات القوة الميكانيكية العليا والقدرات المتعددة الوظائف، وتتجاوز الآليات الأساسية لنقل الإجهاد، وتشقق السلاسل، وتشتت الطاقة فهما جيدا، مما يتيح للباحثين تصميم أصناف نانوية منطقية لتطبيقات محددة، ومع أن التحديات المتصلة بصنع مواد وزنية قابلة للذوبان، والتكاليف، والابتكارات والمعالجة.

For further reading on the fundamental science of polymer nanocomposites, see this review article in Nature Reviews Materials and ] the extensive collection of resources on ScienceDirect. Current developments in carbon naube-reinforced polymers can be found at