السيليكا النانومترية.. المادة النانوية الأكثر استخدامًا!

تعدّ السيليكا النانوية المادة الاكثر تصنيعًا من حيث الكمية بين مختلف أطياف المواد النانوية نظرًا لاستخداماتها الكثيرة في مختلف جوانب الحياة، ولكون تكلفة إنتاجها تكون غالبًا أرخص من تكلفة إنتاج معظم المواد النانوية، فضلاً عن سهولة التعامل معها نسبيًا بالمقارنة مع باقي المواد النانوية.

تشمل هذه الدراسة ذِكر بعض أنواع السيليكا النانوية ثم ّالتحدث عن طرائق تصنيعها المتَّبعة، ثم طرائق توصيفها والأجهزة المستخدمة في ذلك، ويليها التحدث عن كيمياء السيليكا النانوية وصفاتها وذكر بعض مخاطر استعمالها على الصحة، وفي النهاية، عَرض موجز عن تطبيقات واستخدامات السيليكا النانوية.

من أنواع السيليكا النانوية نذكر السيليكا صفرية البعد؛ أي تكون أبعادها الثلاثة أصغر من 1nm، من أشهرها السيليكا النانوية الدخانية Fumed Silica؛ وهو النوع الأكثر تصنيعًا واستخدامًا، ويكون على شكل بودرة نانوية كما يظهر الشكل:

وقد أُطلق على هذا النوع من السيليكا اسم الدخانية أو الدخانية (Fumed) لأنها تنتج داخل شُعلة لهب. تتألف السيليكا الدخانية من دقائق مجهرية من أوكسيد السيلسيوم غير المتبلورة (تسمى الجسيمات الأولية) والمرتبطة مع بعضها البعض لتشكّل سلاسل وتشعّبات ثلاثية الأبعاد (تُسمى الجسيمات الثانوية) وهذه الجسيمات الثانوية تتجمّع مع بعضها البعض لتعطي ما يُسمّى بالجسيمات الثالثية. كما يُظهر الشكل:

ومن أنواع السيليكا الأقلّ استخدامًا وتصنيعًا نذكر السيليكا ثنائية الأبعاد، وهي تقوم على بنية مشابهة لبنية الغرافين ولكن من شرائح متعدّدة مُشبَعة بالكامل؛ أي كلّ الروابط فيها أحادية من النوع سيغما. وتكون الروابط مع الركيزة ضعيفة من نمط فاندرفالس. يوضّح الشكل البنية البلّورية للسيليكا ثنائية الصفّ السداسية (على اليمين) بالمقارنة مع البنية البلورية للغرافين (على اليسار) حيث أنّ الذرات الحمر هي ذرات أوكسجين والزرقاء هي ذرات سيلسيوم والسوداء ذرات الكربون.

يمكن ذكر بعض الخواصّ الكيميائية الأخرى:

كما ذُكر سابقًا، فالسيليكا الدخانية تتجمّع على شكل جسيمات ثانوية وثالثية لتعطي بنية ثلاثية الأبعاد من السلاسل، يعود سبب مَيل جسيمات السيليكا المدخنة الشديد للتكتل والتجمع إلى وجود زُمَر هيدروكسيل قطبية –OH على سطح حبيباتها، مما يؤدي إلى تشكُل روابط هدروجينية قوية بين حبيبات السيليكا (بين ذرة هدروجين من زمرة هيدروكسيل في حبيبة أولى مع ذرة أوكسجين من زمرة هدروكسيل في حبيبة ثانية)، وذلك كما هو موضح في الشكل:

لذلك فعندما يتم تحضير مزائج سائل-سيليكا دخانية لغرضٍ ما فيجب تطبيق تحريك شديد ولمدة زمنية طويلة نسبيًا على هذه المزائج، وذلك لكي تتكسّر البنية ثلاثية الأبعاد المتشكلة وتنفصل تجمعات السيليكا الكبيرة إلى تجمّعات أصغر، كما هو موضّح في الشكل:

نظرًا لامتلاك السيليكا النانوية الدخانية كثافة ظاهرية منخفضة جدًا، فهي قابلة للتطاير في الهواء بشكل كبير، ويمكن أن تدخل عبر الأنف إلى الرئتين؛ ونظرًا لامتلاكها سطحًا نوعيًا كبيرًا يصل إلى 200 m²/g بالنسبة للسيليكا الدخانية ذات الأبعاد 14 nm، فهذا يعني أن دخول كمية صغيرة منها إلى الرئتين يمكن أن يسبب ضررًا لا يمكن إصلاحه.

بالنسبة للسيليكا ثنائية الأبعاد، فهي تتميّز بميزة مغايرة لمعظم المواد وهي امتلاكها لمعامل بواسون سالب، أي أنها عندما تتعرض لحمل شدّ نحو اتجاه معين فإنها ستصبح أكثر سماكة وفق المنحى العمودي على اتجاه الشد، ويعود ذلك بشكل أساسي إلى البنية الداخلية للسيليكا ثنائية الأبعاد، ويسمى هذا النوع من المواد باسم Auxetics Materials. وذلك كما يوضح الشكل:

تطبيقات السيليكا النانوية الأوسع انتشارًا هي للسيليكا صفرية البعد مثل:

تُضاف السيليكا النانوية الدخانية إلى خلطة الاسمنت لتحسين خواصه الميكانيكية ولتعبئة المسامات الموجودة، إذ يُلاحَظ ازدياد مقاومة الانضغاط للخرسانات التي تحوي سيليكا عن الخرسانات العادية بنسبة تتعلق بكمية السيليكا المضافة وحجم حبيباتها، كما يُلاحظ ازدياد عمر الخرسانة التي تحوي سيليكا، كون السيليكا ملأت المسامات والفراغات وأخرت حدوث ظاهرة التعب والكربنة.

تُضاف السيليكا الدخانية إلى المطّاط، وبشكل خاص المطاط السيليكوني، لتحسّن خواصه الميكانيكية والحرارية، إذ ترفع السيليكا من معامل يونغ للمطاط السيليكوني وتزيد تحمّله الحراري. ويبين الشكل مطاطًا سيليكونيًا مُضافًا له سيليكا دخانية.

تُضاف السيليكا الدخانية إلى بعض الريزينات (Resins) مثل ريزين الإيبوكسي؛ وهو أحد أقوى أنواع اللواصق المستخدمة في الطائرات. تتم إضافة السيليكا إلى الإيبوكسي كونها تزيد جساءته وتحسّن خواصّ العزل الكهربائي له، كما تُستعمل السيليكا النانوية المدخنة في عمليات التلميع الكيميائي الميكانيكي (Chemical Mechanical Polishing) كونها تتمتّع بقساوة عالية كما تستخدم في الطلاءات وفي مواد التجميل.

تعد السيليكا النانوية من أكثر المواد النانوية غير الضارة على صحة الإنسان، ما عدا خطورة استنشاقها، ولكن يمكن إدخالها إلى الجهاز الهضمي للإنسان بكميات من مستوى الغرامات إلى عشرات الغرامات دون أي ضرر، لذلك تم استخدامها في المجال الطبي لغايات توصيل الأدوية؛ نذكر من ذلك أعمال الباحث Shrish Agnibotri وزملائه على السيليكا النانوية، إذ قاموا بتنشيط سطحها بدايةً عبر عمليات كيميائية، وذلك لكي يصبح تعديله أسهل، ثم قاموا بتثبيت مضادات حيوية على سطحها وهي Gentamicin G و Neomycin N و Kanamycin K؛ أي تصبح السيليكا المعدلة سطحيًا دواءً بحدّ ذاتها كما يُظهر الشكل:

أما بالنسبة للسيليكا ثنائية الأبعاد فهي لم تدخل بعد في تطبيقات كثيرة ولا نراها حاليًا في الأسواق، فهي لا تزال قيد البحث والدراسة. تشير بعض الدراسات الواعدة إلى إمكانية استخدامها في التطبيقات الإلكترونية كعازل كهربائي لتكون بذلك أرقّ عازل بوابة ترانزستور مصنَّعة في العالم (The Thinnest Gate Dielectric). كما يمكن استخدام شرائح السيليكا ثنائية الأبعاد لعزل شرائح الغرافين عن الركيزة الموضوعة عليها. وإنّ امتلاك السيليكا ثنائية الأبعاد لمعامل بواسون سالب قد يفتح مجالًا جديدًا من التطبيقات.

الـــــــمراجــــــــع (References).

Otto W. Flörke, et al. "Silica" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2008, Weinheim: Wiley-VCH.

Garrett, P.R. (1992). Theory and Industrial applications. USA: CRC Press. pp. 239–240

K.JalabM.Sudarshanb, 15 June 2004," Synthesis and characterization of nanosilica prepared by precipitation method",Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Volume 240, Issues 1–3, 15, Pages 173-178.

Pinshane Y.Huangt,2012," Direct Imaging of a Two-Dimensional Silica Glass on Graphene",American Chemical Society,Volume 12 (2), pp 1081–1086.

Changxu Lin, 8 February 2017," A Multiple Controllable Sol–Gel Preparation of 2D Silica Lamellar Composites Based on Azoimidazolium Surfactants",Advanced Materials Interfaces, Volume 4, Issue 7.

ChristinBüchner MarkusHeyde, December 2017," Two-dimensional silica opens new perspectives",Progress in Surface Science Volume 92, Issue 4, Pages 341-374.

Özçelik, V. Ongun; Cahangirov, S.; Ciraci, S. (2014-06-20). "Stable Single-Layer Honeycomblike Structure of Silica". Physical Review Letters. 112 (24): 246803.

Quercia, 2010," Application of nano-silica (nS) in concrete mixtures ",Lyngby,Denmark.

aerosil.com/product/aerosil/en/industries.

Singh Satnam, Batra N K , Rattan Rekha(2013)," Analysis of Micromechanical, Debonding and Damping Behavior of Gfrp", LAP Lambert Academic Publishing.pp.1-64.

Shrish Agnibotri,2015, "Synthesis and antimicrobial activity of aminoglycoside-conjugated silica nanoparticles against clinical and resistant bacteria",New Journal of Chemistry,Issue9