الأنابيب النانويّة تغير شكل الماء.

ما المواد التي تخطُر ببالك عند التَّحدُث عن تغيُّر حالة المادة؟! وما بالك بتغيُّر شكل جُزَيء المادة؟

من المعروف أنَّ شكل جُزَيء الماء مُثلَّثي، ولكن عند المهندسين من جامعة رايس يبدو الأمر مختلفًا قليلًا، إذ تُظهِرُ الصورة أشكالَ الجليدِ النانوي التي أُنتجت من قِبَل جامعة رايس؛ كيف أنَّ القوَّة الموجودة في أنابيب الكربون النانويّة على اليسار وأنابيب نتريد البورون النانويّة 1 على اليمين هي عملية إنتاج جزيء الماء لتحويله إلى شكلٍ مربَّع، وذلك اعتمادًا على قُطر الأنبوب النانوي 2، ومن أجل محاولة إجراء التجرِبة؛ فإنَّه بإمكاننا -وفقاً لمهندسي جامعة رايس- صُنعُ فتحة نانويّة، ثُمَّ إدخال جزيء الماء فيها، وإذا كانت الفتحةُ بالحجم المناسب؛ فإنَّ جزيئات الماء سوف تتراصف على شكل قضيبٍ مربع.

استخدَم عالم المادة في جامعة رايس -روزبيه شاهسافاري وفريقه- أشكال الجزيئات من أجل شرح نظريتهم، إذ إنَّ ترابطات قُوى فاندرفالس3 الضعيفة بين السطح الداخلي للأنبوب النانوي وجزيء الماء قويَّةٌ بما يكفي لاختراق ذرات الأوكسجين والهيدروجين من مكانها.

أشار شاهسافاري إلى مواده بالجليد الثُّنائي الأبعاد؛ لأن الجزيئات تجمَّدت بغض النظر عن درجة الحرارة، إذ صرَّح بأنَّ البحثَ قدَّم رؤية قيَّمة عن الاستفادة من التفاعلات الذريَّة بين الأنابيب النانويّة وجزيئات الماء، وذلك لتشكيل قنوات نانويّة ومكثفات نانويّة مخزنًا للطاقة.

بنى شاهسافاري وزملاؤه أُنموذجًا جزيئيًّا للكربون ونتريد البورون عند عَرْض قابل للتعدي، وقد اكتشفوا أنَّ العرضَ الأفضل من أجل حجز شكل الماء وتحويل الشكل من مثلثي إلى مربع؛ هو 10.5 أنغستروم 4.

ثُمَّ أَظهرت التجارِب الأخيرة من قِبَل بعض المختبرات الأخرى برهانًا قويًا لتشكل جزيئات الجليد الأنبوبية النانويّة؛ ممَّا دفعَ الباحثين إلى بناء نماذج نظرية وظيفية للكثافة، وذلك لتحليل القوى المسؤولة عنها.

بنى فريق شاهسافاري أنموذج جزيئات الماء التي يبلُغ عرضها قُرَابة 3 أنغستروم ضمن أنابيب نتريدية كربونية بشيلرات مختلفة (زوايا شبكية ذرية مختلفة) وقطر قرابة (8 إلى 12) أنغستروم، وقد اكتشفوا أنَّ الأنابيب النانويّة في القطر الأوسط لها التَّأثير الأكثر فاعلية في الموازنة بين تفاعلاتِ الجزيئات وقوى فاندرفالس التي تُحوِّل شكل جزيء الماء المربع إلى جليد، وأوضح العلماء: "إذا كانت الأنابيب النانويّة صغيرةً جدًا، وتتسع لجزئ ماءٍ وحيدٍ فقط؛ فإنَّها لا تستطيع أن تفعل كثيرًا"، وأيضًا: "إذا كانت كبيرةً جدًا؛ فإنَّ الماء سيُحافِظ على شكله غير المتبلور، ولكن عند قُرابة 8 أنغستروم قوى فاندرفالس النانويّة للأنبوب؛ تبدأ بدفع جزيئات الماء لتشكيل أشكالٍ مربعة"، وقد وُجدت أقوى التفاعلات في أنابيب النتريد كربون، وذلك بسبب الاستقطاب الخاص بذرَّاتِها؛ ممَّا وضعها في القائمة مع الموادِ الأكثر قساوةً بعد الألماس، ثُمَّ صَرَّح شاهسافاري بأنَّ الجليد النانوي يُمكن أن يُستخدَم في الآلات الجزيئية أو الخلايا الشعرية النانويّة، أو قد تُشجِّع طرائقَ من أجل توصيل عدد من جزيئيات الماء أو الأدوية إلى الخلايا المُستهدَفة مثل المحاقن النانوية؛ فهل يتطوَّر ذلك في المستقبل حتَّى نستطيع تغيير حالة المادة وفق قوانين الفيزياء وتطور التكنولوجيا؟! وما الذي تستطيع هذه الأنابيب أن تفعله في المستقبل؟!

هوامش

[1] النتريد بورون: هو مركب كيميائي مكوَّن من النتروجين والبورون BN ويكون ذا شكلٍ صلب عديم اللون. هنا 

[2] الأنابيب النانوية: هي أنابيب صغيرةٌ جدًّا ذات قطر يُقدَّر بالنانو متر (10 للأس -9 م)، وأشهر أنواعها الأنابيب الكربونية النانوية وتُستخدَم في تدمير الخلايا السرطانية. 

هنا 

[3] قوى فاندرفالس : هي قوى ذريَّة تُستخدم للغازات، ويُميَّز فيها بين الغاز الحقيقي والغاز المثالي. هنا 

[4]  أنغستروم =10 للأس -10 م = 0.1 نانومتر

نُشِرَت ورقة بحثية عن الموضوع في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية لانغموار.

هنا 

المصادر:

1-  هنا 

2- هنا 

3- هنا