عندما يتعلق الأمر بالمواد المتقدمة، يُعدّ السيليكون بلا شك موضوعًا ساخنًا. السيليكون مادة بوليمرية تحتوي على السيليكون والكربون والهيدروجين والأكسجين. يختلف اختلافًا كبيرًا عن مواد السيليكون غير العضوية، ويُظهر أداءً ممتازًا في العديد من المجالات. دعونا نلقي نظرة أعمق على خصائص السيليكون، وعملية اكتشافه، واتجاهات تطبيقه.
الفرق بين السيليكون والسيليكون غير العضوي:
أولاً، هناك اختلافات واضحة في التركيب الكيميائي بين السيليكون والسيليكون غير العضوي. السيليكون مادة بوليمرية تتكون من السيليكون والكربون والهيدروجين والأكسجين وعناصر أخرى، بينما يشير السيليكون غير العضوي بشكل رئيسي إلى المركبات غير العضوية المكونة من السيليكون والأكسجين، مثل ثاني أكسيد السيليكون (SiO2). يمنحه تركيبه الكربوني مرونة وليونة، مما يجعله أكثر مرونة في الاستخدام. بفضل خصائص التركيب الجزيئي للسيليكون، أي أن طاقة رابطة Si-O (444 جول/مول) أعلى من طاقة رابطة CC (339 جول/مول)، تتمتع مواد السيليكون بمقاومة حرارية أعلى من مركبات البوليمر العضوية العامة.
اكتشاف السيليكون:
يعود اكتشاف السيليكون إلى أوائل القرن العشرين. في بداياته، نجح العلماء في تصنيعه بإضافة مجموعات عضوية إلى مركبات السيليكون. وقد فتح هذا الاكتشاف آفاقًا جديدة لمواد السيليكون، ومهد الطريق لتطبيقاته الواسعة في الصناعة والعلوم. وقد شهد تصنيع السيليكون وتحسينه تقدمًا ملحوظًا خلال العقود القليلة الماضية، مما عزز الابتكار والتطوير المستمر لهذه المادة.
السيليكونات الشائعة:
السيليكونات فئة من مركبات البوليمرات شائعة الاستخدام في الطبيعة وفي التركيب الصناعي، وتشمل أشكالًا وهياكل متنوعة. فيما يلي بعض الأمثلة الشائعة على السيليكونات:
بولي دايميثيل سيلوكسان (PDMS): يُعدّ PDMS إلاستومرًا سيليكونيًا نموذجيًا، يُستخدم عادةً في مطاط السيليكون. يتميز بمرونة ممتازة وثبات عالٍ في درجات الحرارة، ويُستخدم على نطاق واسع في تحضير المنتجات المطاطية، والأجهزة الطبية، ومواد التشحيم، وغيرها.
زيت السيليكون: زيت السيليكون مركب سيليكون خطي يتميز بتوتر سطحي منخفض ومقاومته العالية لدرجات الحرارة العالية. يُستخدم عادةً في مواد التشحيم، ومنتجات العناية بالبشرة، والأجهزة الطبية، وغيرها من المجالات.
راتنج السيليكون: راتنج السيليكون مادة بوليمرية مكونة من مجموعات حمض السيليك، تتميز بمقاومة ممتازة للحرارة وخصائص عزل كهربائي. يُستخدم على نطاق واسع في الطلاءات، والمواد اللاصقة، والتغليف الإلكتروني، وغيرها.
مطاط السيليكون: مطاط السيليكون مادة سيليكونية شبيهة بالمطاط، تتميز بمقاومة عالية لدرجات الحرارة والعوامل الجوية، وعزل كهربائي، وخصائص أخرى. يُستخدم على نطاق واسع في حلقات الختم، وأغلفة حماية الكابلات، وغيرها من المجالات.
تُظهر هذه الأمثلة تنوع السيليكونات. فهي تلعب دورًا هامًا في مختلف المجالات، ولها تطبيقات واسعة النطاق، من الصناعة إلى الحياة اليومية. وهذا يعكس أيضًا تنوع خصائص السيليكونات كمواد عالية الأداء.
مزايا الأداء
بالمقارنة مع مركبات سلسلة الكربون العادية، يتميز السيلوكسان العضوي (بولي دايميثيل السيلوكسان، PDMS) بمزايا أداء فريدة، مما يجعله يُظهر أداءً ممتازًا في العديد من التطبيقات. فيما يلي بعض مزايا أداء السيلوكسان العضوي مقارنةً بمركبات سلسلة الكربون العادية:
مقاومة درجات الحرارة العالية: يتميز السيلوكسان العضوي بمقاومة ممتازة لدرجات الحرارة العالية. بفضل بنية روابط السيليكون والأكسجين، يبقى السيلوكسان العضوي مستقرًا في درجات الحرارة العالية، ويصعب تحلله، مما يُتيح مزايا استخدامه في بيئات ذات درجات حرارة عالية. في المقابل، قد تتحلل العديد من مركبات سلسلة الكربون الشائعة أو تفقد خصائصها عند درجات الحرارة العالية.
توتر سطحي منخفض: يتميز السيلوكسان العضوي بتوتر سطحي منخفض، مما يجعله يتميز بقابلية ترطيب جيدة وقدرة على التشحيم. هذه الخاصية تجعل زيت السيليكون (أحد أنواع السيلوكسان العضوي) يُستخدم على نطاق واسع في مواد التشحيم، ومنتجات العناية بالبشرة، والأجهزة الطبية.
المرونة والليونة: يمنح التركيب الجزيئي للسيليكون العضوي مرونةً ومرونة جيدتين، مما يجعله خيارًا مثاليًا لتحضير المطاط والمواد المرنة. هذا يجعل مطاط السيليكون فعالًا في تحضير حلقات الختم، والمكونات المرنة، وغيرها.
العزل الكهربائي: يتميز السيلوكسان العضوي بخصائص عزل كهربائي ممتازة، مما يجعله مستخدمًا على نطاق واسع في مجال الإلكترونيات. ويُستخدم راتنج السيليكون (أحد أنواع السيلوكسان) بكثرة في مواد تغليف الإلكترونيات لتوفير العزل الكهربائي وحماية المكونات الإلكترونية.
التوافق الحيوي: يتميز السيلوكسان العضوي بتوافقه العالي مع الأنسجة الحيوية، ولذلك يُستخدم على نطاق واسع في الأجهزة الطبية والمجالات الطبية الحيوية. على سبيل المثال، يُستخدم مطاط السيليكون بكثرة لتحضير السيليكون الطبي للأعضاء الاصطناعية والقسطرات الطبية، وغيرها.
الاستقرار الكيميائي: تتميز السيلوكسانات العضوية بثبات كيميائي عالٍ ومقاومة ممتازة للتآكل للعديد من المواد الكيميائية. هذا يسمح بتوسيع نطاق استخدامها في الصناعات الكيميائية، مثل تحضير الخزانات الكيميائية والأنابيب ومواد الختم.
بشكل عام، تمتلك السيلوكسانات العضوية خصائص أكثر تنوعًا من مركبات سلسلة الكربون العادية، مما يمكنها من لعب دور مهم في العديد من المجالات مثل التشحيم والختم والطب والإلكترونيات.
طريقة تحضير مونومرات السيليكون العضوي
الطريقة المباشرة: تصنيع مواد السيليكون العضوي عن طريق تفاعل السيليكون مباشرة مع المركبات العضوية.
الطريقة غير المباشرة: تحضير السيليكون العضوي من خلال التكسير والبلمرة والتفاعلات الأخرى لمركبات السيليكون.
طريقة البلمرة بالتحلل المائي: تحضير السيليكون العضوي عن طريق البلمرة بالتحلل المائي للسيلانول أو كحول السيلان.
طريقة البلمرة المتدرجة: تصنيع مواد السيليكون العضوي ذات خصائص محددة عن طريق البلمرة المتدرجة.
اتجاه سوق السيليكون العضوي
زيادة الطلب في مجالات التكنولوجيا العالية: مع التطور السريع للصناعات ذات التكنولوجيا العالية، يتزايد الطلب على السيليكون العضوي ذو الخصائص الممتازة مثل مقاومة درجات الحرارة العالية ومقاومة التآكل والعزل الكهربائي.
توسع سوق الأجهزة الطبية: يستمر تطبيق السيليكون في تصنيع الأجهزة الطبية في التوسع، وعند دمجه مع التوافق الحيوي، فإنه يجلب إمكانيات جديدة لمجال الأجهزة الطبية.
التنمية المستدامة: إن تحسين الوعي البيئي يعزز البحث في طرق التحضير الخضراء للمواد السيليكونية، مثل السيليكون القابل للتحلل الحيوي، لتحقيق تنمية أكثر استدامة.
استكشاف مجالات تطبيقية جديدة: تستمر مجالات تطبيقية جديدة في الظهور، مثل الإلكترونيات المرنة، والأجهزة البصرية الإلكترونية، وما إلى ذلك، لتعزيز الابتكار وتوسيع سوق السيليكون.
اتجاه التنمية المستقبلية والتحديات
البحث والتطوير للسيليكون الوظيفي:استجابة لاحتياجات الصناعات المختلفة، سوف يولي السيليكون المزيد من الاهتمام لتطوير الوظائف في المستقبل، مثل طلاءات السيليكون الوظيفية، بما في ذلك الخصائص الخاصة مثل الخصائص المضادة للبكتيريا والتوصيل.
البحث عن السيليكون القابل للتحلل الحيوي:مع تحسن الوعي البيئي، فإن البحث في المواد السيليكونية القابلة للتحلل الحيوي سوف يصبح اتجاهًا مهمًا للتنمية.
تطبيق السيليكون النانوي:باستخدام تقنية النانو، يتم إجراء البحوث حول تحضير وتطبيق السيليكون النانوي لتوسيع نطاق تطبيقه في المجالات ذات التكنولوجيا العالية.
اخضرار طرق التحضير:بالنسبة لطرق تحضير السيليكون، سيتم إيلاء المزيد من الاهتمام للطرق التقنية الخضراء والصديقة للبيئة في المستقبل لتقليل التأثير على البيئة.
وقت النشر: ١٥ يوليو ٢٠٢٤
