حينما تتجمَّع ذرّات ضمن بُنية ثابتة يتكوّن جُزَيء. وتشابه طريقة البناء هذه الطريقة التي تُجمع بها أجزاء مختلفة من مجموعات ألعاب الأطفال. ومع أن عدد الأجزاء صغير فإنه يمكن بناء أي شيء تقريباً يمكن لبناء أن يتخيَّله ضمن إطار بضعة القيود الفيزيائية الأساسية المفروضة على طريقة تجميع الأجزاء. وتمتلك الطبيعة، ومعها التقنيون النانويون 91 ذرّة مختلفة لاستعمالها في البناء، جميعها كروي تقريباً، إلا أنها تختلف بأحجامها وبقابليتها للتأثير المتبادل مع الذرّات الأخرى والارتباط بها. وثمة الكثير من الجزيئات المختلفة مع التي تُعرَف الملايين منها والتي تُكتشف المئات منها أو تُصنع كل عام. يُري الشكل 3 - 1 جُزيئات تتكوّن من عدد من الذرّات بين 2 و21 ذرّة. وتزيد أقطار الجزيئات المكونة من 30 ذرّة أو أكثر على 1 نانومتر.

الشكل 3-1: نماذج لبعض الجزيئات الصغيرة الشائعة. تمثل الكرات البيضاء الهدروجين، وتمثل الغامقة الكربون والأكسجين

اقتبست الصورة بعد موافقة دار النشر من المصدر: Chemistry: The Central Science,9/e, by Brown

LeMay/Bursten, © Pearson Education Inc., Upper Saddle River, NJ.

ترتبط الذرات معاً لتكوّن الجُزيئات وثمة أنواع مختلفة من الروابط الكيميائية، إلا أنها جميعاً تحصل بسبب التأثيرات المتبادلة بين إلكترونات الذرّات أو الشوارد المشاركة وليس صعباً أن نرى أن الشاردة الموجبة سوف تتجاذب مع شارة سالبة، على سبيل المثال. وقد رأينا فعلاً قوة التجاذب وهي تعمل في قانون كولومب. وفي الواقع، هذا تماماً هو نوع التجاذب الذي يكون الروابط في ملح الطعام (كلور الصوديوم). وكسر وتكوين الروابط هما تفاعلان کیمیائيان. ونظراً إلى أن الإلكترونات هي المسؤولة عن الروابط، وأن التفاعلات الكيميائية هي مجرد تكوين أو تحطيم للروابط، فهذه الإلكترونات مسؤولة أيضاً عن الخواص الكيميائية للذرّات والجزيئات. فإذا غيَّرت الإلكترونات غيَّرت الخواص، وملح الطعام خيرُ مِثال على ذلك. فكل من الصوديوم والكلور وهما العنصران اللذان يكونان الملح، سام للإنسان إذا تناولهما منفردين أما إذا تناولهما مركبين معاً فهما آمنان ويُعطيان مذاقاً سائغاً.

والروابط هي مفتاح التقانة النانوية. فهي تجمع الذرات والشوارد معاً، ويمكن أن تعمل بذاتها عمل تجهيزات ميكانيكية من قبيل المفاصل والمحامل والأجزاء البنيوية للآلات النانوية المقاس. وفي حالة التجهيزات الميكروية وتلك التي هي أكبر منها، يقتصر دور الروابط على كونها وسائل لتكوين المواد وإحداث التفاعلات. أما في السلَّم النانوي، حيث تكون الجزيئات نفسها هي التجهيزات، فيمكن للروابط أن تكون أيضاً من مكونات التجهيزة.

لا توجد الجزيئات الصغيرة المنفردة عادة إلا على شكل أبخرة. وعندما تتكتل الجُزَيئات معاً، يمكن أن تكون ثمة تأثيرات متبادلة بينها وبين الذرات والشوارد والجُزَيئات الأخرى تماثل التأثيرات المتبادلة بين الذرّات بواسطة الشحنات الكهربائية ووفقاً لقانون كولومب. لذا، ومع أن جُزيء الماء المنفرد يكون غازاً عند درجة حرارة الغرفة مثلاً، فإنه يمكن للعدد الكبير من جزيئات الماء المتجمعة معاً أن تكوّن قطرة ماء، أي سائلاً. وحين تبريد ذلك السائل إلى ما دون درجة الصفر المئوية يصبح صلباً. ويتألف الماء الصلب والسائل والغازي في الحالات الثلاث من نفس الجزيء، لكن الجزيئات تكون مرزومة معاً بطرائق تختلف باختلاف الحالة.

ويسلك كثير من الجزيئات الأخرى سلوكاً مشابهاً. ويكون جُزَيء ثنائي أكسيد الكربون غازاً عادة، وعندما يتجمع عدد كبير من تلك الجزيئات معاً يتكون جليد جافٌ. لذا فإن بعض المواد الصلبة يمكن أن يتكون من جزيئات فقط. وتكون تلك الجزيئات صغيرة عادة ومكوّنة من عدد من الذرّات يقل عن المئة. أما الجُزيئات التي هي أكبر كثيراً، والتي تُسمّى البوليمرات، فهي مواد قائمة بذاتها، وتمثل مفتاحاً لعلم النانو.