مخبر الكيمياء الفيزيائية للجزيئات الكلية

إن الاكتشاف المتزايد باستمرار لمواد جديدة وتطور طرق التحضير الحديثة يجعلان من تقنيات التحليل الفيزيائي-الكيميائي والكيمياء النظرية أدواتٍ لا غنى عنها وموثوقةً لدراسة هذه المواد في حالاتها المختلفة. ولإنجاز هذه الأعمال بنجاح، يُعدّ من الضروري تهيئة بيئة عمل متعددة التخصصات تجمع بين كفاءات من مجالات متنوعة (كيميائيي التحضير، والكيميائيين النظريين، والفيزيائيين-الكيميائيين، وفيزيائيي الميكانيكا الإحصائية، وخبراء المعلوماتية). وتُبرز الخبرة التي اكتسبها أعضاء المختبر والنتائج العديدة والمثمرة التي حققوها -والتي ترد تفاصيلها في الملحق من خلال المنشورات والمداخلات العلمية- آفاقاً واعدة لدراسة استقرار وخصائص الأنظمة الجزيئية الضخمة ذات الأهمية الدوائية أو البيولوجية أو التكنولوجية. كما أتاحت لنا تجربتنا هذه مراكمة خبرة واسعة، سواء فيما يتعلق باختيار استراتيجيات البحث أو على صعيد التكوين في مرحلة الدراسات العليا. يمكننا أن نذكر، على سبيل المثال، آليات فتح الحلقات، والتغيرات الهيكلية، وآليات انتقال البروتونات في جزيئات الكوليسترول وأسيتات الكوليستريل، أو الخصائص الإلكترونية والهيكلية الجزيئية لأنظمة معينة مثل الجزيئات النانوية وخصائصها الديناميكية الحرارية والهيكلية وخصائص النقل في الأطوار المكثفة، فضلاً عن خصائص الحساسية للضوء لدى بعض البوليمرات، ومركبات الكلاترات (clathrates) والجزيئات الحاصرة (host molecules)، وغيرها. وتتعدد محاور البحث هذه، مما أتاح لنا إدراك الأهمية الكبيرة التي تكتسيها في الوقت الراهن، سواء على الصعيد الطبي (جزيء الكوليسترول ومشتقاته)، أو التكنولوجي (البلورات، والجزيئات الحساسة للضوء، والمواد الخافضة للتوتر السطحي، وأنظمة الميسيلات)، أو الأساسي (بنية وتفاعلات الأنظمة فوق الجزيئية). وتفتح هذه الدراسات آفاقاً لمواضيع بحثية جديدة ومعاصرة -كما تشير الأدبيات العلمية- تساهم في تكوين الطلاب. كما تتيح لنا قوة تقنيات التحليل الفيزيائي والكيميائي وأدوات الحساب المتطورة إنجاز أعمال بحثية واسعة النطاق حول هذه المواد في وقت معقول. وسعياً منا لإثراء أعمال المجموعة البحثية وتنويع خيارات المواد المدروسة بما يتماشى مع متطلبات واهتمامات المجموعات البحثية الأكاديمية والصناعية التي نتعاون معها، فقد اخترنا طرح موضوع عام ينسجم مع خطتنا للتكوين في مرحلة ما بعد التدرج (الدراسات العليا) ومع الاهتمامات البحثية للمختبرات الشريكة؛ وبناءً على هذا الاختيار، تتحدد محاور البحث واستراتيجياته بشكل مباشر. ويرتكز البحث على التحكم في خصائص ووظائف الجزيئات الضخمة (الماكروموليكولات) من خلال معالجتها فيزيائياً وكيميائياً على مقياس النانو، حيث نسعى لتحقيق الأهداف النهائية المتمثلة في التحكم في الخصائص وتصنيع مواد ذات وظائف معدلة علمياً، وذلك عبر ثلاثة محاور رئيسية: التخليق (التحضير)، والتوصيف (تحديد الخصائص)، والنمذجة النظرية. يتم التركيز على إرساء علاقات بين بنية المواد الجديدة ووظائفها، سواء في كتلة المادة أو عند واجهاتها. وتعتمد عملية التخليق بشكل كبير على مفاهيم التجميع، سواء تم ذلك من خلال معالجة الذرات أو الجزيئات في الطور الغازي أو المكثف أو على أسطح البلورات، أو عبر ترسيب العناقيد الذرية في تشكيلات ذات طوبولوجيا منظمة، أو من خلال التجميع الذاتي لوحدات بنائية أكبر حجماً ومُهيأة مسبقاً. وتخضع هذه المواد للتوصيف على المستويين الكلي (باستخدام قياس السعرات الحرارية وقياس الموصلية) والجزيئي، وذلك بالاستعانة بمجسات المسح (مثل مجهر المسح النفقي [STM]، ومجهر القوة الذرية [AFM]، ومجهر المسح الضوئي للمجال القريب [NSOM])، وتقنيات المطيافية (مثل الرنين المغناطيسي النووي [RMN]، ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه [FTIR]، والرنين المغناطيسي الإلكتروني [ESR]، ومطيافية رامان)، وتقنيات الحيود (باستخدام الأشعة السينية والنيوترونات). كما تؤدي عمليات النمذجة والحسابات الإلكترونية المتقدمة - التي يضطلع بها أعضاء برنامج "النظرية" - دوراً حيوياً في السعي لفهم العوامل التي تحدد خصائص المواد ووظائفها. تشمل المواضيع المدروسة ما يلي:
دراسة نظرية للخصائص الإلكترونية والبنيوية للهيدروكربونات متعددة الحلقات العطرية (PAHs)، ودراسة نظرية لتفاعلات الأوكسيران (الإيبوكسيدات) في وجود قاعدة، وتحديد حجم جزيئات الأسفلتين في نفط حاسي مسعود، ودراسة تأثير عوامل التنديف (flocculants) والمضافات ودرجة الحرارة باستخدام مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية (UV-Vis)، ودراسة فيزيائية كيميائية للأنظمة المختلطة المكونة من المركبات النفطية الجزائرية الثقيلة (الأسفلتين والراتنج).
- تحضير ودراسة فيزيائية كيميائية للمواد النانوية المركبة (nanocomposites) الموصلة للطاقة.
- تحضير وتوصيف بنيوي للمواد المركبة عن طريق التعديل الكيميائي للبوليمرات الطبيعية، ودراسة خصائصها الفيزيائية والكيميائية.
- تخليق وتوصيف المواد النانوية المركبة ذات المصدر الحيوي (biosourced)، ودراسة تطبيقاتها المحتملة.
- دراسة تجمّع (تكتل) الأسفلتين في النفط الخام بوجود الجسيمات النانوية.
- تخليق وتوصيف بنيوي للمواد النانوية المركبة المشتقة من بوليمرات ذات مصدر حيوي.
- نمذجة امتزاز الأسفلتين (المستخلص من النفط الجزائري) على الجسيمات النانوية.
- تخليق وتوصيف المواد النانوية المركبة المدعمة بمواد معدنية، ودراسة تطبيقاتها المحتملة.
- دراسة فيزيائية كيميائية للتفاعل بين الجزيئات المضيفة والضييفة (host-guest): تغليف المواد على المستوى الجزيئي.
- تخليق وتوصيف شبكات ثلاثية الأبعاد جديدة، ودراسة تطبيقاتها المحتملة.
- إزالة الجزيئات الكيميائية المعقدة: تطبيق ذلك على الأسفلتين والملوثات العضوية.
- دراسة الخصائص الإلكترونية للمواد الحساسة للضوء: تطبيق ذلك في مجال الخلايا الكهروضوئية.
- تخليق وتوصيف مواد بوليمرية ذات شبكات ثلاثية الأبعاد.
- التعديل الكيميائي للبوليمرات ذات المصدر الحيوي: يتم التعديل عن طريق التطعيم (grafting) أو تفاعلات الاستبدال أو إطالة السلسلة في البوليمر الطبيعي. تتيح لنا هذه التقنية تحسين الخصائص الفيزيائية والكيميائية للبوليمرات الطبيعية - مثل مقاومة الماء، والقدرة على تكوين الرغوة، وزيادة الليونة، والمقاومة الحرارية والميكانيكية - ومن ثم توسيع نطاق استخداماتها.
- تخليق وتطبيق البوليمرات مزدوجة الألفة (الأمفيفيلية) والهيدروجيل.