هناك عاملان رئيسيان تسببا في تصرف المواد ذات البنية النانوية بشكل مختلف عن المواد ذات الأبعاد العادية: التأثيرات السطحية والتأثيرات الكمية. هذين العاملين من التفاعل الكيميائي للمواد، الميكانيكية والبصرية والكهربائية والمغناطيسية وغيرها، وبشكل عام جميع خواصها الفيزيائية والكيميائية تقع تحت تأثيرها، وهو ما سنبحثه أكثر.

• التأثيرات السطحية

النظر في الشكل 1. أولا، يتم تقسيم المكعب الأول إلى 8 أجزاء متساوية. إذا وضعنا هذه المكعبات الثمانية فوق بعضها البعض، فسيتم الحصول على نفس المكعب الأولي بنفس الحجم، ولكن الفرق مع الحالة الأولى هو مساحته. من خلال تقسيم المكعب إلى 8 أجزاء، تم إنشاء سلسلة من المستويات الجديدة التي لم تكن موجودة في البداية. في الخطوة الثانية، يتم تقسيم كل مكعب من المكعبات الثمانية التي تم الحصول عليها إلى 8 أجزاء أخرى. مرة أخرى، إذا وضعنا المكعبات الـ 64 التي تم الحصول عليها فوق بعضها البعض، فسيتم الحصول على نفس حجم المكعب الأولي، لكن المساحة زادت كثيرًا.

الشكل 1- المساحة تزداد كلما تقلصت.

في الفيزياء والكيمياء هناك فرق بين الذرات الموجودة على سطح الجسم والذرات الموجودة بداخله. الذرات الموجودة داخل المادة لها كامل طاقتها ولا تريد التفاعل بسبب كثرة عدد جيرانها (عدد الذرات حولها أكثر). لكن الذرات الموجودة على السطح قد يكون لها بعض الروابط غير الكاملة أو غير الكاملة لأنها مرتبطة بعدد أقل من الذرات، لذا فإن تفاعلها يكون أعلى من الذرات الموجودة داخل المادة، كما هو موضح في الشكل 2.

الشكل 2- الفرق بين الذرات الموجودة على سطح المادة وداخلها

كلما أصبحت أبعاد المادة أصغر وتصل إلى الأبعاد النانوية، فإن سطح المادة وبالتالي الذرات الموجودة على سطح المادة تزداد كثيراً ونتيجة لذلك تصبح المادة غير مستقرة للغاية. كما تعلمون، في الطبيعة، تميل جميع الكائنات الحية إلى أن تكون مستقرة ولها مستوى طاقة أقل. المادة التي وصلت إلى أبعاد نانوية، بسبب عدم استقرارها العالي، تميل إلى الاتجاه نحو الثبات بطرق مختلفة، مما يؤدي إلى تغير في خصائصها. إحدى هذه الطرق هي تغيير ترتيب الذرات. كما أوضحنا سابقًا، مع تغير طفيف في ترتيب الذرات (تغير في طول الرابطة أو زاوية الرابطة)، تتغير أيضًا خصائص المادة. فيما يلي، من أجل فهم أفضل، يتم تقديم أمثلة يمكن استخدامها لحساب الزيادة في عدد الذرات على السطح بمساعدة العلاقات.

يمكن تفسير سبب بعض التغييرات في خصائص المقياس النانوي عن طريق زيادة مساحة السطح بالنسبة للحجم. ومن هذه الظواهر انخفاض درجة حرارة الانصهار مع انخفاض الأبعاد. كما هو مبين في الشكل 3، فإن درجة حرارة نقطة انصهار 3 نانومتر من جزيئات الذهب النانوية أقل بأكثر من 300 درجة من درجة حرارة نقطة انصهار الذهب في الأبعاد العادية. وكما تعلم، عند درجة حرارة الانصهار يتم توفير كمية الطاقة الحرارية اللازمة للمادة لتكسير كامل الرابطة بين الذرات في الحالة الصلبة وتتحول المادة إلى سائل. عندما تصبح أبعاد المادة صغيرة وتصل إلى أبعاد النانو، يزداد عدد الروابط المكسورة بسبب زيادة مساحة السطح والذرات الموجودة على السطح. ولذلك، هناك حاجة إلى طاقة أقل لكسر جميع الروابط وتغيير المادة من الصلبة إلى السائلة، مما يؤدي إلى انخفاض درجة حرارة الانصهار.

الشكل 3- رسم تخطيطي لاعتماد مساحة السطح ونقطة الانصهار على قطر الجسيم في جزيء الذهب

• التأثيرات الكمومية

الكم يعني حرفيا منفصلة. في الفيزياء، تنقسم الكميات إلى مستمرة ومنفصلة (كمية). يمكن أن يكون للكميات المستمرة أي قيمة عددية، مثل طول الأشخاص ووزنهم، ولكن الكميات المنفصلة يمكن أن يكون لها قيم معينة فقط، مثل عدد الأشخاص في الفصل الدراسي. من الكميات الفيزيائية المستمرة، يمكننا أن نشير إلى السرعة، والطاقة الحركية، والقوة، والاحتكاك، وما إلى ذلك، ومن الكميات الفيزيائية المنفصلة، ​​يمكننا أن نشير إلى الشحنة الكهربائية، وهي مضاعف صحيح للشحنة الكهربائية للإلكترون (q=±) ني).

تتمتع كل مادة من حولنا ببنية طاقة فريدة، ويختلف هيكل الطاقة للمواد المختلفة عن بعضها البعض. يتكون هيكل الطاقة للذرات من مستويات طاقة، ولكن هيكل الطاقة للمواد العيانية والعادية يكون على شكل نطاقات طاقة، كما هو موضح في الشكل 4. في الذرات المختلفة تختلف المسافة بين المستويات عن بعضها البعض، وفي المواد العادية يختلف عرض نطاقات الطاقة وعرض المنطقة المحرمة (فجوة الطاقة) عن بعضهما البعض.

الشكل 4- هيكل الطاقة للذرات والمواد العادية

تعتمد العديد من خصائص المواد على بنية الطاقة الخاصة بها، ومع تغير بنية الطاقة تتغير الخصائص أيضًا. على سبيل المثال، لصنع الثنائيات، عادة ما يتم إدخال ذرات الشوائب في مواد أشباه الموصلات العادية. يؤدي دخول ذرات الشوائب إلى الهيكل إلى تغيير بنية الطاقة وتقليل فجوة الطاقة، مما يؤدي إلى تغييرات في الخواص الكهربائية.

في الفيزياء الموجودة بالأبعاد العادية وتعرف بالفيزياء الكلاسيكية (نفس الفيزياء التي ندرسها في المدرسة الثانوية)، الطاقة ومعظم الكميات لها قيم مستمرة ويمكن أن يكون لها أي قيمة، على سبيل المثال، يمكن للطاقة الحركية للإنسان المتحرك تكون 1، 1/5، 2/7 أو أي كمية أخرى من الجول. لنفترض الآن أننا نريد قطع مادة عادية بأبعاد معينة وإحضارها إلى أبعاد نانوية. عندما يتم تقليل مادة ما، يتم تقليل ذراتها بالفعل. عندما تنفصل الذرة عن المادة، ينفصل مستوى الطاقة المقابل أيضًا عن بنية النطاق. تحت بُعد معين (عادةً أقل من 100 نانومتر)، يتناقص عدد الذرات ومستويات الطاقة كثيرًا بحيث تصبح نطاقات الطاقة مستويات طاقة مرة أخرى. إذن، بالتقلص والوصول إلى أبعاد نانوية، بالإضافة إلى الزيادة الهائلة في مساحة السطح مقارنة بالحجم، فإن الشيء الثاني الذي يحدث هو انفصال نطاقات الطاقة ويصبح توازن الطاقة. الآن، كمية مثل طاقة الإلكترون لا يمكن أن يكون لها أي قيمة ويجب أن تكون طاقتها مساوية لمستويات الطاقة. ولذلك فإن الفيزياء الصحيحة في هذه الأبعاد (الأبعاد النانوية) والأبعاد التي تحتها، أي الأبعاد الجزيئية والذرية، تسمى فيزياء الكم أو الفيزياء المنفصلة. يوضح الشكل 5 كيفية تحويل الشريط إلى محاذاة.

الشكل 5- أ- هيكل الطاقة لمادة طبيعية على شكل نطاق طاقة، ب- هيكل الطاقة للجسيمات النانوية الكبيرة (بين 80 و 100 نانومتر) و ج- هيكل الطاقة للجسيمات النانوية الكبيرة (بين 80 و 100 نانومتر) )

بعض التغيرات في خصائص الأبعاد النانوية، مثل زيادة امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية أو تغير اللون، يمكن تبريرها من خلال فصل مستويات الطاقة.

الشكل 6-أ) صورة TEM لجسيمات الكادميسلينيد النانوية و ب) جسيمات الكادميسلينيد النانوية في محلول تحت الضوء فوق البنفسجي

في بعض النماذج، نظرًا لمستويات الطاقة المنفصلة للجسيمات النانوية مثل الذرات، تُسمى الجسيمات النانوية أيضًا بالذرات الاصطناعية أو الذرات الفائقة. ووفقا لهذه النماذج، وعلى عكس ما يبدو، فإن تفاعل الجسيمات النانوية لا يرتبط بحجمها. لأنه كلما قل حجم المواد زادت مساحة سطحها وكلما زادت مساحة السطح زادت الروابط المكسورة، لذلك يبدو أن التفاعلية تتناسب مع الحجم. بينما تعتمد التفاعلية على عدد الإلكترونات. تتصرف الجسيمات النانوية أيضًا مثل الذرات، أي إذا كان توازن الطاقة النهائي ممتلئًا، يكون تفاعل الجسيمات النانوية قليلًا، وإذا كان توازن الطاقة النهائي فارغًا، تزداد التفاعلية