شیمی سطح شاخه‌ای از شیمی است که به مطالعه واکنش‌های شیمیایی در سطوح مواد می‌پردازد. این رشته به‌طور عمده بر فرآیندها و پدیده‌هایی که در فصل مشترک بین دو فاز اتفاق می‌افتند، مانند فصل مشترک جامد-مایع، جامد-گاز، جامد-خلاء و مایع-گاز تمرکز دارد. شیمی سطح خواص فیزیکی و شیمیایی این فصل مشترک‌ها را بررسی می‌کند، از جمله جذب، واجذب، کاتالیز، خوردگی و تغییرات سطحی.
در اینجا برخی از جنبه‌های کلیدی شیمی سطح آمده است:
- جذب و دفع: جذب فرآیندی است که طی آن اتم‌ها، یون‌ها یا مولکولها از یک گاز، مایع یا جامد محلول به سطح می‌چسبند. دفع فرآیند معکوس است که در آن ذرات جذب‌شده سطح را ترک می‌کنند.
- کاتالیز: بسیاری از واکنش‌های سطحی ماهیت کاتالیستی دارند، به این معنی که یک ماده (کاتالیزور) سرعت واکنش را بدون مصرف شدن در فرآیند افزایش می‌دهد. کاتالیزورهای سطحی، مانند آن‌هایی که در کاتالیزورهای ناهمگن وجود دارند، در فرآیندهای صنعتی بسیار مهم هستند.
- انرژی سطح: انرژی مرتبط با اتم‌ها یا مولکولهای سطحی به دلیل نبود همسایگان اتمی، با انرژی مواد توده‌ای (bulk) متفاوت است که این امر بر فعالیت شیمیایی آنها تأثیر می‌گذارد.
- ساختار و مورفولوژی سطح: آرایش اتمی و توپولوژی سطح نقش مهمی در خواص شیمیایی آن دارد. تکنیک‌هایی مانند میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی (STM) و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) برای مطالعه این خواص استفاده می‌شوند.
- تغییرات سطحی: تغییر خواص سطحی از طریق تکنیک‌هایی مانند پوشش‌دهی، اچ‌کردن یا افزودن گروههای عاملی به سطح میتواند عملکرد مواد را برای کاربردهای خاص بهبود بخشد، مانند افزایش مقاومت در برابر خوردگی یا سازگاری زیستی.
- Self-Assembled Monolayers (SAMs): این‌ها لایه‌های تک مولکولی هستند که به‌صورت خودبه‌خودی روی سطوح سازمان‌دهی می‌شوند و اغلب برای ایجاد خواص سطحی خاص یا عملکردی کردن سطوح برای کاربردهای خاص استفاده می‌شوند.
نمایش یک ساختار SAM
شیمی سطح در زمینه‌های مختلفی از جمله علوم مواد، نانوتکنولوژی، علوم محیطی و توسعه حسگرها، کاتالیزورها و مواد پیشرفته بسیار مهم است. درک شیمی سطح به طراحی بهتر فرآیندهای صنعتی، توسعه مواد جدید و حل مسائل محیطی کمک می‌کند. فرآیندهای شیمی سطح برای تولید پوشش‌های ضد رسوب و تثبیت عناصر تشخیص بیولوژیکی در بسیاری از کاربردهای پزشکی- تجاری، از جمله زیست مواد ایمپلنت، جداسازی کروماتوگرافی، و حسگرهای زیستی قابل استفاده هستند.
سطوح در بسیاری از فرآیندهای شیمیایی و بیولوژیکی مهم در طبیعت و صنعت عمدتاً به دلیل واکنش‌پذیری شیمیایی بالا درگیر هستند. با این حال، درک فرآیندهای سطحی در مقیاس مولکولی، چالش برانگیز است. پیشرفت تکنیکهای مختلف سطح، موضوع اصلی در توسعه شیمی سطح مدرن است.
در طول دهه گذشته، مطالعه نانومواد به یک حوزه در شیمی سطح تبدیل شده است. کاربردهای پیشرفته نانومواد در پزشکی، الکترونیک، بیومواد، مواد شیمیایی و تولید انرژی تحت بررسی میباشد.
زیست سازگاری نانوذرات و توانایی آنها جهت ورود به سلول و در نهایت رسیدن به سلول هدف در اهداف بالینی از اهمیت زیادی برخوردار است. طی 15 سال اخیر استفاده از نانوذرات در درمان سرطان رشد قابل توجهی داشته است که علت، توانایی آنها در انتقال دارو و سازههای تصویر برداری به طور مستقیم به سلولهای توموری از طریق استفاده از اهداف مولکولی میباشد. آگاهی از ویژگیهای سطحی نانوذرات یک راه موثر در کنترل برهمکنشهای آنها با سیستم بیولوژیک میباشد.
اگرچه فرآیند جذب سلولی نانوذرات و اثرات سمی آنها بر عملکرد زیستی موجب محدودیت‌هایی در مطالعات بالینی شده است. ویژگیهای فیزیکی-شیمیایی نانوذرات شامل ترکیبات سطحی، بار سطحی، سایز و شکل به عنوان یک عامل مهم و موثر بر سازگاری زیستی و کارایی جذب سلولی شناخته شده است. از آنجاییکه این امکان تغییر ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی نانوذرات وجود دارد، میتوان از این طریق وضعیت نانوذرات را در محیط بیولوژیک بهبود بخشید.
تغییرات شیمیایی سطح نانوذرات یک فرآیند مرحله به مرحله میباشد که نیازمند تعیین ویژگیهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی در هر مرحله میباشد. بنابراین داشتن دانش در زمینهی ساختارهای سطحی نانوذرات و نحوهی تغییرات آن جهت بدست آوردن سازگاری زیستی بالا، سمیت کم و جذب سلولی موثر در زمینهی تشخیص و درمان از اهمیت زیادی برخوردار است. تغییرات سطحی نانوذرات به واسطهی اتصال مولکولهای متفاوتی صورت میگیرد تا اینکه نانوذره مورد نظر به هدف خود برسد.
در سالهای اخیر، استفاده از نانوذراتی عملکردی در nanomedicine رو به افزایش است. تغییرات سطحی نانوذرات از مولکولهای سادهای مثل پلی اتیلن گلایکول (PEG) شروع شده تا به لیگاندهای پیچیده و اختصاصی رسیده است که هدف همه کاهش سمیت، کاهش پاکسازی توسط ماکروفاژها و عدم ایجاد پاسخ ایمنی علیه آنها میباشد. روشهای تغییرات سطحی نانوذرات با شناسایی اهداف اختصاصی در سلولها تکامل یافتهتر شد. امکان شناسایی ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی نانوذرات در کنار دانش حاصل از بیولوژی سرطان موجب شد تا از nanoplatformها در درمان و تشخیص سرطان استفاده شود. جذب و سازگاری زیستی دو موضوع مهم در استفاده از nanoplatformها در کاربردهای بالینی میباشد و غلبه بر مشکلات مربوط به این دو جنبه هدف اول در توسعه نانوذرات میباشد. به همین علت، مطالعهی سمیت و جذب سلولی اولین قدم در بررسی بیولوژیکی نانوذرات است.
تغییر سطح نانوذرات یک ابزار قدرتمند در بهبود جذب و سازگاری زیستی میباشد. مطالعات نشان داده‌اند که conjugation مولکولها به سطح نانوذرات میتواند به طور موثری هم در مطالعات درون‌تنی (invivo) و هم برون‌تنی (invitro) سازگاری زیستی را افزایش دهد. علت آن تغییر بار سطحی و غیرفعالسازی گروههای شیمیایی عملکردی موثر بر پایداری غشاء سلول میباشد. به علاوه افزودن مولکولهای خاص میتواند جذب فعال و غیرفعال نانوذره را افزایش دهد، سمیت را کاهش دهد و اجازه درمان و تشخیص بسیار دقیق را بدهد.
تهیه تنظیم:
غزاله محجوب
مهسا سبزی خباز
