الألياف النانوية من البولي أنيلين

البلمرة التأكسدية الكيميائية

إضافةً إلى ذلك، البلمرة التأكسدية الكيميائية طريقة تقليدية وشائعة الاستخدام لبلمرة الأنيلين بكميات كبيرة. عند مزج الأنيلين مع عامل مؤكسد في محلول حمضي، تحدث عملية البلمرة. أهم عامل يجب التحكم فيه في هذه الطريقة لتصنيع ألياف البولي أنيلين النانوية هو سيطرة التكوين المتجانس على التكوين غير المتجانس. يُشير التكوين المتجانس إلى تكوّن النوى تلقائيًا في المحلول، بينما يُشير التكوين غير المتجانس إلى نمو النوى على جزيئات أخرى. في المراحل المبكرة من هذه البلمرة، تتشكل الألياف النانوية فقط لعدم وجود نوى غير متجانسة متاحة للتكوين غير المتجانس. مع ذلك، إذا تُرك التفاعل دون تحكم، سيبدأ التكوين غير المتجانس بالسيطرة، حيث سينمو البولي أنيلين بشكل تفضيلي على الجزيئات الموجودة، مما يؤدي إلى تكتل لا رجعة فيه. يمكن جعل التفاعل يفضل التكوين المتجانس للنوى في جميع مراحله عن طريق زيادة سرعة التفاعل ودرجة حرارته، والسماح للتفاعل بالاستمرار دون تحريك.

من جانب آخر، يمكن التحكم في قطر ألياف البولي أنيلين النانوية بهذه الطريقة عن طريق اختيار الحمض. ينتج حمض الهيدروكلوريك أليافًا نانوية بقطر يبلغ قرابة 30 نانومتر، بينما ينتج حمض الكافورسلفونيك وحمض البيركلوريك قطرًا يبلغ 50 نانومتر و120 على التوالي. في ظل طرق التخليق التقليدية، لا تُظهر مشتقات البولي أنيلين، مثل تلك المُستبدلة بمجموعات ألكيل وفلورو، شكلاً ليفيًا محددًا، إلا أنه في وجود قليل الوحدات من الأنيلين، يُمكن تخليق ألياف نانوية من بعض المشتقات. في حين أن بيروكسيديسلفات الأمونيوم (APS) هو المؤكسد الأكثر شيوعًا، إلا أنه يُمكن استخدام مؤكسدات أخرى متنوعة. تُشير إحدى الدراسات إلى استخدام بيودات البوتاسيوم (KH( IO3 ) 2 ) كمؤكسد، حيث تدّعي أنه يُؤدي إلى ألياف نانوية من البولي أنيلين أطول، وذات بلورية أعلى، وموصلية كهربائية أعلى.

التخليق البيني

من جانب آخر، في عملية التخليق البيني، تحدث عملية البلمرة عند السطح الفاصل بين طبقة مائية وطبقة عضوية. يتضمن التفاعل النموذجي محلولًا مائيًا من الحمض والمؤكسد مع طبقة عضوية من الأنيلين. يُهيئ هذا التفاعل السطح البيني اللازم لحدوث البلمرة. مع تقدم عملية البلمرة، تنتشر ألياف البولي أنيلين النانوية في الطبقة المائية، تاركةً السطح البيني. يمنع هذا النمو الزائد على الأسلاك الموجودة، مما يسمح باستمرار التكوين المتجانس للنوى. يمكن ضبط ظروف التخليق البيني، مثل نوع الحمض والمؤكسد المستعملين.

المحركات المتجانسة

وعلى صعيد آخر، استُخدمت ألياف البولي أنيلين النانوية في صناعة المحركات المتجانسة. ويُعزى استخدامها في هذا التطبيق إلى قابليتها للحام الوميضي. عند تعرضها للضوء، يحوّل البولي أنيلين الطاقة الممتصة مباشرةً إلى حرارة. في غشاء البولي أنيلين، تتوزع الحرارة في جميع أنحاء البوليمر. أما في ألياف البولي أنيلين النانوية، فتُحتبس الحرارة داخل الألياف الفردية. لذلك، إذا كانت شدة الضوء كافية، فإنها ستؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الألياف النانوية بسرعة، مما يتسبب في التحامها أو احتراقها. مع شدة وميض متوسطة، تنصهر الألياف النانوية بسرعة لتشكيل غشاء أملس. باستخدام قناع، يمكن إجراء لحامات بأنماط محددة باستخدام هذه التقنية. في عينة سميكة بما يكفي من الألياف النانوية، يتم لحام الجانب المعرض للوميض فقط، مما يُنشئ غشاءً غير متماثل حيث يبقى أحد الجانبين سليمًا كألياف نانوية بينما يتم ربط الجانب الآخر بشكل فعال نتيجةً للحام. تُظهر هذه الأغشية غير المتماثلة استجابةً سريعةً وعكسيةً في وجود الأحماض والقواعد، على شكل انحناء والتواء. تشمل مزايا أغشية ألياف البولي أنيلين النانوية غير المتماثلة مقارنةً بالمحركات الأخرى سهولة التصنيع، ودرجة الانحناء الكبيرة، وإمكانية تشكيلها، وعدم انفصال الطبقات. يمكن استخدام هذه المحركات في تطوير الملاقط الدقيقة، والصمامات الدقيقة، والعضلات الاصطناعية، والمستشعرات الكيميائية، وهياكل المحركات ذات الأنماط المحددة.

تفاعلات الخلط السريع

ومن ناحية أخرى، يمكن كذلك تصنيع ألياف البولي أنيلين النانوية من خلال تفاعلات الخلط السريع. تهدف هذه الطريقة إلى منع النمو المفرط الذي قد يُؤثر سلبًا على طبيعة الألياف النانوية للبوليمر، وذلك بإيقاف عملية البلمرة فور تكوّن الألياف النانوية. ويتحقق ذلك من خلال الخلط السريع للمونومر، الأنيلين، ومحلول المُحفِّز. في بداية التفاعل، يُستهلك المُحفِّز بسرعة وينفد تمامًا عند تكوّن الألياف النانوية. وبدون وجود المُحفِّز، يتوقف تصنيع البولي أنيلين.

التطبيقات

توليف

وفي هذا السياق، تشمل طرق بلمرة ألياف البولي أنيلين النانوية المذكورة في الأدبيات العلمية بشكل أساسي البلمرة التأكسدية الكيميائية، والتخليق البيني، وطرق الخلط السريع. وتشمل الطرق الأخرى الأقل شيوعًا زرع الألياف النانوية، والتخليق الكهربائي، والغزل الكهربائي، وبلمرة التشكيل المسبق في محاليل أنيلين مخففة.

أجهزة الذاكرة الرقمية

ومن ناحية أخرى، أظهرت الأبحاث إمكانية استخدام ألياف البولي أنيلين النانوية في تصنيع أجهزة ذاكرة رقمية بلاستيكية غير متطايرة عند تزيينها بجزيئات نانوية من معادن مختلفة، مثل الذهب. تُنمّى جزيئات الذهب النانوية داخل ألياف البولي أنيلين النانوية غير المُطعّمة باستخدام تفاعل أكسدة-اختزال. يُوضع غشاء بلاستيكي مُركّب بين قطبين كهربائيين، ويُستعمل جهد خارجي لبرمجة حالتي التشغيل والإيقاف. يُعتقد أن آلية التبديل ناتجة عن تفاعل بين ألياف البولي أنيلين النانوية وجزيئات الذهب النانوية، حيث تنتقل الشحنة من ألياف البولي أنيلين إلى جزيئات الذهب النانوية بفعل مجال كهربائي مُستحث. وقد تبيّن أن التبديل بين حالتي التشغيل والإيقاف سريع، حيث لا تتجاوز مدة التبديل 25 نانوثانية. يستمر الاحتفاظ بالبيانات في هذه الأجهزة البسيطة لعدة أيام بعد البرمجة، كما اُثبتتإمكانية إجراء دورات الكتابة والقراءة والمسح.

تطبيقات الاستشعار الكيميائي

وفي هذا السياق، قدمجرى تحضير ستشعرات الرطوبة باستخدام ألياف نانوية من البولي أنيلين. وقد حُضرت هذه المستشعرات من خلال الغزل الكهربائي لمحلول ثنائي ميثيل فورماميد من ألياف نانوية من البولي أنيلين، وبولي (فينيل بوتيرال) (PVB)، وبولي (أكسيد الإيثيلين) (PEO). وقد أظهرت هذه المستشعرات حساسية عالية، مع تغيرات في المقاومة تصل إلى ثلاثة أضعاف. علاوة على ذلك، أظهرت المستشعرات خطية استشعار جيدة، واستجابة سريعة، وتخلفًا هستيريًا صغيرًا، وقابلية تكرار جيدة.

بوليمر نانوي

من جانب آخر، يمكن توسيع نطاق الأهداف الحساسة بإضافة مواد إلى ألياف البولي أنيلين النانوية. تقترح إحدى الدراسات استخدام مركبات ألياف البولي أنيلين النانوية مع أملاح معدنية للكشف عن كبريتيد الهيدروجين.

انظر كذلك

من جهة ثانية، في دراسة أخرى، زُينت ألياف البولي أنيلين النانوية بجزيئات الذهب النانوية للكشف عن مركبات الكبريت المتطايرة في هواء الزفير البشري. يمكن استخدام هذه المجسات في تحليلات مختلفة للزفير، وكذلك في تشخيص الأمراض التي تُصدر غازات كريهة الرائحة كعلامات حيوية.

وفي هذا السياق، تُظهر دراسة أخرى إمكانات ألياف البولي أنيلين النانوية كمستشعرات لغاز ثاني أكسيد النيتروجين. يعمل غاز ثاني أكسيد النيتروجين كعامل مؤكسد قوي لشكل الإيميرالدين من ألياف البولي أنيلين النانوية، مما يتسبب في تغيرات في المقاومة تتجاوز ثلاثة أضعاف عند تركيز 100 جزء في المليون.

كذلك، تقترح إحدى الدراسات تصنيع مستشعرات غاز الهيدروجين باستخدام ألياف البولي أنيلين النانوية. وتُظهر الدراسة أن ألياف البولي أنيلين النانوية، سواءً المُطعّمة أو غير المُطعّمة، يُمكن استخدامها للكشف عن غاز الهيدروجين من خلال تغيرات المقاومة، إلا أن الألياف غير المُطعّمة كانت أكثر استقرارًا وأفضل قابلية للتكرار.

من جهة ثانية، أثبتت ألياف البولي أنيلين النانوية نجاحًا باهرًا كمستشعرات كيميائية، إذ تفوقت على أغشية البولي أنيلين التقليدية في الكثير من الاختبارات. يُعزى هذا التفوق إلى مساحة سطحها الكبيرة، ومساميتها، وقطرها الصغير، مما يُحسّن انتشار المواد عبر الألياف النانوية. تعمل مستشعرات ألياف البولي أنيلين النانوية من خلال تغيير المقاومة. يوضع غشاء ألياف البولي أنيلين النانوية على قطب كهربائي، حيث يمر تيار كهربائي. تتغير مقاومة القطب عند تفاعل المادة المستهدفة مع الغشاء، مما يسمح بالكشف عنها.