تطبيق محلل حجم جسيمات الليزر في اكتشاف حجم جسيمات المواد النانوية

1. المواد النانوية

    يشار إلى المواد ذات البنية النانوية بالمواد النانوية. بشكل عام، فإنها تشير إلى مواد جسيمية فائقة الدقة ذات بُعد واحد على الأقل في نطاق مقياس النانو في الفضاء ثلاثي الأبعاد. وفقا للتعريف الذي اعتمدته المفوضية الأوروبية في 18 أكتوبر 2011، فإن المادة النانوية هي مادة مسحوقة أو مكتلة طبيعية أو اصطناعية تتكون من جزيئات أساسية ذات أبعاد ثلاثية الأبعاد واحدة أو أكثر تتراوح من 1 نانومتر إلى 100 نانومتر. بين نانومتر، ويمثل العدد الإجمالي لهذا الجسيم الأساسي أكثر من 50% من إجمالي عدد الجزيئات في المادة بأكملها. تتمتع المواد النانوية بتفرد معين. عندما يكون حجم المادة صغيرًا إلى حد معين، يجب استخدام ميكانيكا الكم بدلًا من الميكانيكا التقليدية لوصف سلوكها. عندما يتم تقليل حجم جزيئات المسحوق من 10 ميكرون إلى 10 نانومتر، فإن حجم جسيماتها على الرغم من أن التغيير يبلغ 1000 مرة، إلا أنه عند تحويلها إلى حجم، سيكون 10 أضعاف القوة التاسعة، لذلك ستكون هناك اختلافات واضحة في سلوك الاثنين.

تكنولوجيا النانو والمواد النانوية هي تقنيات عالية التقنية تحظى بتقدير كبير في العالم اليوم، كما أنها أساس جميع التقنيات عالية التقنية. وعلى الرغم من أنه لا تزال هناك العديد من القضايا التقنية التي تحتاج إلى مزيد من الدراسة، مثل حجم الجسيمات النانوية، والتوزيع، والتحكم في التشكل؛ السيطرة على التكتلات وتشتتها؛ خصائص السطح وتعديل سطح الجسيمات النانوية؛ النظرية الأساسية للمواد النانوية، وما إلى ذلك، أظهرت بالفعل حيوية قوية. وتوقع تقرير بحثي نشرته المفوضية الأوروبية عام 1995 أن يصبح تطوير تكنولوجيا النانو ثاني أكبر صناعة صناعية في العالم بعد صناعة الرقائق خلال السنوات العشر القادمة. من المرجح أن تكون الاختراقات في السوق في مجالات المعلومات والإلكترونيات الدقيقة والطب والبيئة وغيرها من المجالات. تتمتع بلادنا بوفرة المواد الخام وسوق واسعة لتطوير المواد النانوية، وسيكون لتطبيق المواد النانوية مستقبل مشرق.

2. التطبيق والوضع الحالي للمواد النانوية

   تطبيقات المواد النانوية: (1) تكنولوجيا النانو في صناعة المعلومات: ① اتصالات الشبكة، واتصالات الشبكة ذات النطاق العريض، والأجهزة ذات البنية النانوية، وتكنولوجيا الرقائق، وتكنولوجيا العرض الرقمي عالية الوضوح. ② الأجهزة الإلكترونية الضوئية، الأجهزة الإلكترونية الجزيئية، الأجهزة الإلكترونية المغناطيسية العملاقة. ③ لا يتخلف مستوى البحث في بلدنا من حيث الأجهزة النانوية الرئيسية لاتصالات الشبكة، مثل الليزر والمرشحات والرنانات والمكثفات الدقيقة والأقطاب الكهربائية الدقيقة وما إلى ذلك في اتصالات الشبكة، وهي متوفرة في مقاطعة آنهوي. ④ يمكن تعديل المتغيرات والمقاومات غير الخطية وما إلى ذلك عن طريق إضافة مواد نانوية من أكسيد الزنك. (2) تكنولوجيا النانو في الصناعة البيئية: تكنولوجيا النانو هي تكنولوجيا لا يمكن الاستغناء عنها لتحليل 20 نانومتر من الملوثات في الهواء و 200 نانومتر من الملوثات في الماء. ولتنقية البيئة يجب استخدام تكنولوجيا النانو. لقد نجحنا الآن في إعداد جهاز يمكنه تحليل الفورمالديهايد وأكاسيد النيتروجين وأول أكسيد الكربون، والذي يمكنه تقليل الغازات الضارة التي تزيد عن 10 جزء في المليون في الهواء إلى 0.1 جزء في المليون. وقد دخل هذا الجهاز مرحلة الإنتاج العملي؛ باستخدام مواد نانوية تحفيزية ضوئية مسامية، تم استخدامها بنجاح لتحلل المواد العضوية في مياه الصرف الصحي، ولها تأثير تحلل جيد على الملوثات العضوية مثل الفينول التي يصعب تحللها باستخدام التقنيات التقليدية الأخرى. في السنوات الأخيرة، التزمت العديد من الشركات بزرع تكنولوجيا النانو مثل التحفيز الضوئي في صناعة معالجة المياه لتحسين جودة المياه، وحققت النتائج؛ (3) تكنولوجيا النانو في مجال الطاقة وحماية البيئة: فيما يتعلق بالاستخدام الرشيد للطاقة التقليدية، فهي الآن بشكل أساسي أجهزة تنقية ومسرعات احتراق، والتي يمكن أن تجعل الفحم يحترق بالكامل، ويدور ذاتيًا أثناء الاحتراق، ويقلل من انبعاثات الكبريت، ولم يعد يتطلب أجهزة مساعدة. بالإضافة إلى ذلك، هناك بالفعل إضافات تستخدم نانومتر لتحسين البنزين والديزل. في الواقع، فهي عبارة عن نوع من المواد العنقودية السائلة ذات الجزيئات الصغيرة القابلة للاحتراق والتي يمكن أن تدعم الاحتراق والتنقية. في الوقت الحاضر، يقوم العالم بشكل أساسي بتطوير مواد تحويل الطاقة، وبلدي يفعل ذلك أيضًا. ويشمل تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية، والطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية، والطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية، وما إلى ذلك. (4) طب النانو الحيوي: تواجه صناعة الأدوية الدولية حاليًا قرارًا جديدًا، وهو تطوير صناعة الأدوية على نطاق النانو. الطب الحيوي النانوي هو استخلاص المواد الضرورية من الحيوانات والنباتات ومن ثم دمجها على المستوى النانوي لتحقيق أقصى قدر من الفعالية. هذه هي بالضبط فكرة الطب الصيني التقليدي في بلدي. بعد استخلاص الجوهر، يتم استخدام عمود فقري صغير جدًا، مثل السكر والنشا الذي يمكن أن يمتصه جسم الإنسان، لجعله عالي الكفاءة ومستدامًا في إطلاق الأدوية المستهدفة.

يمكن الارتقاء بتحسين الأدوية التقليدية إلى المستوى التالي باستخدام تكنولوجيا النانو. (5) مواد النانو الجديدة: وفقاً للتقديرات الأمريكية، بحلول القرن الحادي والعشرين، سيتم استبدال 40% من المواد الفولاذية والمعدنية المستخدمة في السيارات بمواد خفيفة الوزن وعالية القوة. وهذا يمكن أن يوفر 40% من البنزين، ويقلل ثاني أكسيد الكربون، ويقلل الانبعاثات بنسبة 40%. هذا كل شيء. ومن الممكن أن يؤدي عنصر واحد إلى تحقيق فوائد اجتماعية بقيمة 100 مليار دولار أمريكي للولايات المتحدة كل عام. وبالإضافة إلى ذلك، هناك مواد وظيفية مختلفة. يتمتع الزجاج بشفافية جيدة ولكنه ثقيل. نحن نستخدم النانومتر لتحسينه وجعله أخف وزنا. هذه المادة ليس لها خصائص ميكانيكية فحسب، بل لها أيضًا وظائف أخرى، بما في ذلك تغير لون الضوء وتخزينه. تعكس مختلف الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء وامتصاص الضوء والتخزين وغيرها من الوظائف. (6) تكنولوجيا النانو تحول الصناعات التقليدية: بالنسبة للصين، تعد حاليا أفضل فرصة لتكنولوجيا النانو لدخول الصناعات التقليدية والجمع بين تكنولوجيا النانو والتكنولوجيات في مختلف المجالات. الأول هو صناعة الأجهزة المنزلية، والصناعات الخفيفة، والصناعات الإلكترونية. تعمل مجموعة Hefei Meiling Group على تطوير ثلاجات نانو منذ عام 1996. إن ختم باب الثلاجة المغناطيسي القابل للطي PVC خالٍ من العفن ويستخدم طلاء مضاد للبكتيريا. وعاء الفاكهة بالداخل مصنوع من مواد نانوية. يمكن أن يؤدي تطوير الصناعات الخفيفة والإلكترونيات والأجهزة المنزلية إلى دفع تطوير الطلاءات والمواد والإلكترونيات. تطوير صناعات مثل الأجهزة الأصلية؛ تليها المنسوجات. الألياف من صنع الإنسان هي اتجاه تطوير صناعات الألياف الكيماوية والنسيج.

تكنولوجيا النانو والمواد النانوية هي تقنيات عالية التقنية تحظى بتقدير كبير في العالم اليوم، كما أنها أساس جميع التقنيات عالية التقنية. وعلى الرغم من أنه لا تزال هناك العديد من القضايا التقنية التي تحتاج إلى مزيد من الدراسة، مثل حجم الجسيمات النانوية، والتوزيع، والتحكم في التشكل؛ السيطرة على التكتلات وتشتتها؛ خصائص السطح وتعديل سطح الجسيمات النانوية؛ النظرية الأساسية للمواد النانوية، وما إلى ذلك، أظهرت بالفعل حيوية قوية. وتوقع تقرير بحثي نشرته المفوضية الأوروبية عام 1995 أن يصبح تطوير تكنولوجيا النانو ثاني أكبر صناعة صناعية في العالم بعد صناعة الرقائق خلال السنوات العشر القادمة. من المرجح أن تكون الاختراقات في السوق في مجالات المعلومات والإلكترونيات الدقيقة والطب والبيئة وغيرها من المجالات. تتمتع بلادنا بوفرة المواد الخام وسوق واسعة لتطوير المواد النانوية، وسيكون لتطبيق المواد النانوية مستقبل مشرق.

3. تحليل حجم جسيمات المواد النانوية

مع التطبيق الواسع النطاق للمواد النانوية في صناعات التكنولوجيا الفائقة والدفاع الوطني والطب وغيرها من المجالات، سوف تتطور تكنولوجيا قياس الجسيمات في اتجاه حدود القياس المنخفضة، ونطاقات القياس الواسعة، ودقة القياس العالية والدقة، والاستنساخ الجيد. ولذلك، فإن متطلبات تكنولوجيا قياس الجسيمات أصبحت أعلى وأعلى. بالنظر إلى طرق وتقنيات قياس الجسيمات المختلفة، من أجل التكيف مع المتطلبات الأعلى لتحليل حجم الجسيمات، ستكون طرق تحليل حجم الجسيمات مثل طريقة تشتت الضوء وطريقة القياس القائمة على الحركة البراونية للجسيمات وقياس الطيف الكتلي أكثر كمالا وأكثر استخداما على نطاق واسع. من أجل تلبية احتياجات تطوير تكنولوجيا النانو، أصبحت طريقة تحليل حجم الجسيمات للمواد النانوية تدريجيا جزءا هاما من تحليل حجم الجسيمات. في الوقت الحاضر، الطرق المناسبة لتحليل حجم الجسيمات للمواد النانوية هي بشكل أساسي تحليل حجم الجسيمات المتناثرة للضوء الديناميكي بالليزر والتحليل الطيفي لارتباط الفوتون، والذي يمكنه قياس الحد الأدنى لحجم الجسيمات وهو 20 نانومتر و1 نانومتر.