تكنولوجيا النانو . . . مفهوم وتصورات

Nanotechnology

ماهو النانو ؟ تعريف 

النانومتر هو واحد على المليار من المتر ولكي نتخيل صغر النانو متر نذكر ما يلي، تبلغ سماكة الشعرة الواحدة للإنسان 50 ميكرومترا أي 50,000 نانو متر, وأصغر الأشياء التي يمكن للإنسان رؤيتها بالعين المجردة يبلغ عرضها حوالي 10,000 نانو متر ، وعندما تصطف عشر ذرات من الهيدروجين فإن طولها يبلغ نانو مترا واحدا إنه شئ دقيق للغاية. وقد يكون من المفيد أن نذكر التعريفات التالية:

مقياس النانو: يشمل الأبعاد التي يبلغ طولها نانومترا واحدا إلى 100 نانو متر.

علم النانو: هو دراسة المبادئ الأساسية للجزيئات والمركبات التي لا يتجاوز قياسها (100 نانو متر). بمعنى آخر، هو التحكم التام والدقيق في إنتاج المواد وذلك من خلال التحكم في تفاعل الجزيئات الداخلة في التفاعل وتوجيه هذه الجزيئات من خلال إنتاج مادة معينة وهذا النوع من التفاعل يعرف بالتصنيع الجزيئي، ووضع الذرات أثناء التفاعل في مكانها الصحيح أو المناسب، فمثلا لو تم توجيه وضع ذرات الكربون في الفحم عند إجراء التفاعل فإنه يمكن إنتاج الألماس، وكذلك لو تم توجيه وضع ذرات الرمل عند إجراء التفاعل يمكن إنتاج المواد المستخدمة في إنتاج شرائح الكمبيوتر.

ومن المعروف أن الطريقة التقليدية في تصنيع المواد الكيميائية المختلفة تتم بخلط مكونات التفاعل معا بدون الأخذ في الاعتبار اتجاه الذرات الداخلة في التفاعل وبالتالي فإن المادة الكيماوية الناتجة تكون خليطا من عدة مواد، أما باستخدام تقنية النانو فمن الممكن توجيه وضع الذرات الداخلة في التفاعل بتوجيه محدد وبالتالي فان المواد الناتجة سوف تكون أكثر دقة وأكثر نقاوة من التصنيع بالطرق التقليدية ومن ثم توحيد نوعية المنتج وكذلك تقليل تكلفة الإنتاج وخفض الطاقة المستهلكة، وهناك أجهزة على مستوى النانو (Nanodevice) قادرة على توجيه الذرات ووضعها في مكانها الصحيح أثناء عملية التفاعل. ويقدر د.ريتشارد سمالي الحائز على جائزة نوبل في تقنية النانو أن هذه التقنية سوف تساهم في كثير من المنتجات في مجال الزراعة والغذاء بقيمة 2 مليار دولار وسوف تزيد إلى 20 مليار بحول عام 2010م.

تقنية النانو: هو تطبيق لهذه العلوم وهندستها لإنتاج مخترعات مفيدة.

النانوتكنولوجي: هو الجيل الخامس الذي ظهر في عالم الإلكترونيات وقد سبقه

·         الجيل الأول: ويتمثل في استخدام المصباح الإلكتروني (Lamp) بما فيه التلفزيون .

·         الجيل الثاني: ويتمثل في اكتشاف الترانزيستور، وانتشار تطبيقاته الواسعة .

·     الجيل الثالث: ويتمثل في استخدام الدوائر التكاملية (Integrate Circuit _ IC) وهي عبارة عن قطعة صغيرة جداً شكلت قفزة هامة في تطور وتقليل حجم الدوائر الالكترونية.

·     الجيل الرابع: ويتمثل في استخدام  المعالجات الصغيرة (Microprocessor)، الذي أحدث ثورة هائلة في مجال الإلكترونيات بإنتاج الحاسبات الشخصية (Personal Computer) والرقائق الكومبيترية السيليكونية التي أحدثت تقدماً في العديد من المجالات العلمية والصناعية .

·         الجيل الخامس : ويتمثل فيما صار يعرف باسم النانو تكنولوجي (nano technology).

متي ظهرت تقنية النانو؟

كان أول من أثار هذا التساؤل عالم الفيزياء ريتشاد فينمان (Richard Feynman) والذي أعلن عن ظهور تكنولوجيا حديثة في مهدها الأول في ذلك الوقت سميت بالنانو تكنولوجى وذلك منذ قرابة 4 عقود, ثم قام إريك دريكسلر (Eric Drexler) عام 1975 بصياغة مفهوم للنانو تكنولوجى, وبالرغم من التأخر في هذه التقنية مقارنة بالتقدم الهائل في علوم الكمبيوتر وغيرها من تكنولوجيا الاتصالات, إلا أن هذه التقنية عاودت الظهور بكثافة عالية مؤخراً منذ عام 1990م وهى البداية الحقيقية لعصر تكنولوجيا النانو.

تطبيقات النانو

يعتقد العلماء أن أهم مجالات استخدام النانو تكنولجي سيكون في إنتاج وتحويل الطاقة ويشمل ذلك إنتاج خلايا شمسية وخلايا الوقود الهيدروجيني، و في كل من الصناعات الإلكترونية، و الزراعة، والطب والصناعات الدوائية, وميكانيكا الإنتاج, و معالجة مياه الشرب, والبيئة, وغيره

الزراعة

تحتل الزراعة مركزا متقدما في قائمة استخدامات تكنولوجيا النانو فعن طريقها يمكن صنع أدوات تساعد على زيادة خصوبة التربة ورفع إنتاجية المحاصيل كما يمكن إنتاج أدوات صغيرة تستخدم في رش المخصبات الزراعية بمعدلات مقننة بعناية شديدة.

الصناعات الألكترونية

شركة (IBM) استطاعت إيجاد طريقة لاستخدام طرق التصنيع التجاريّ المستخدمة الآن في صنع أنظمة تحكّم في مجموعات من أسلاك صغيرة، وهو التطوّر الذي تأمل الشركة أن يؤدي إلى إيجاد شرائح ذاكرة للحاسب الآليّ ذات كثافة تبلغ أربعة أضعاف الكثافة الحاليّة. ومع أنّ كثافة الذاكرة تزداد الآن، إلا أنّها تزداد بمقدار ثابت (خطّيّ)، وهذه التقنيّة الجديدة ستسمح بالقفز تقنيّا إلى الأمام بعشرات السنين في لحظة واحدة، وستقلّص من تكاليف التصنيع بشكل كبير جدّا. وهذه  التقنية تمكنت من إيجاد نمط لنظام تحكّم يتكوّن من ثلاثة عناصر، يوضع أحدها على نهاية مجموعة من الأسلاك المتوازية ويقوم بإمداد الإلكترونيات، والعنصران المتبقيان يوضعان على جانبي المجموعة، ويقومان معا بتكوين مجالات كهربائيّة عبر مجموعة الأسلاك انتقائيّا، ويمكنهما إيقاف التيّار في كلّ الأسلاك، عدا سلك واحد مختار. ومجموعة الأسلاك التي استطاعت IBM استخدامها إلى الآن تتكوّن من أربعة أسلاك، ولكنّ المبدأ نفسه يمكن تطبيقه على ثمانية أسلاك. ووجود القدرة على انتقاء سلك معيّن تعني أنّه من الممكن إيجاد عناوين محدّدة للإشارات الكهربائيّة، العنصر المهمّ جدّا والرئيسيّ في تصميم وعمل الذاكرة العشوائيّة (RAM).

وفي تطوّر آخر لشركة (IBM) استطاع باحثون فيها (يوري فلاسوف ومارتن أوبويل وهيندريك هامان وشاري مكناب) من مركز تي جيه واتسون للأبحاث عن طريق برنامجها إبطاء وتخزين ومعالجة الضوء (Slowing, Storing and Processing Light) من الاقتراب أكثر من حلم استبدال الكهرباء بالضوء في إيصال سيل المعلومات بين أجزاء الدوائر. وهذا الأمر سيؤدّي إلى تطوّرات جذريّة في أداء الحاسب الآلي وكلّ الأنظمة الإلكترونيّة الأخرى والاستغناء تماما عن الأسلاك في الحاسوب، فالباحثون استطاعوا إبطاء سرعة الضوء إلى واحد على 300 من سرعته المعتادة عن طريق تمريره في قنوات من السليكون المصنّع بعناية بالغة، يسمّى موجّه موجات الكريستال ـ الفوتوني (Photonic Crystal Waveguide _ PCW) وهي شريحة رقيقة من السليكون «منقّطة» بمجموعات من الثقوب تكسر أو تغيّر من مسار الضوء المار بها. هذا التصميم للقنوات يسمح بتغيير سرعة الضوء عن طريق تمرير تيّار كهربائيّ لموجّه الموجات.

ويجدر بالذكر أنّ الكثير من الباحثين في السابق استطاعوا إبطاء سرعة الضوء في ظروف مخبريّة، ولكنّ تحكّمهم في سرعة الضوء على شرائح سليكونيّة باستخدام وسائل تصنيعيّة تعتمد على النانو تكنولوجيا هو سابقة جديدة. وحجم هذا الجهاز الذي استطاع العلماء تصنيعه صغير جدّا، ويمكن استخدام المواد شبه الموصلة فيه المواد التي تُستخدم عادة في تصنيع الدوائر الكهربائيّة والقدرة على التحكّم بسرعة الضوء أو إبطائه في هذه الحالة تجعل بالإمكان لهذه التقنية أن تصنع الدوائر الضوئيّة (Optical Circuits) في غاية الصغر من حيث الحجم.

إن عدم القدرة على إيصال المعلومات في الدوائر الكهربائيّة هي أحد أكبر «الإختناقات المروريّة» التي يمرّ فيها مصمّمو الدوائر الكهربائيةّ. كما أن من المشاكل التي تواجه مصمّمي الدوائر الكهربائيّة، زيادة الناتج الحراريّ بسبب ازدياد مرور الإلكترونات في الدوائر الكهربائيّة، الأمر الذي قد يؤدّي إلى «احتراق» الدائرة بكاملها إن لم يتمّ تبريدها بشكل مدروس. وأحد أكبر المشاكل التي تشلّ تطوّر المعالجات والذاكرة في الحاسب الآليّ هي ظاهرة انتقال الإلكترونات من مسارها إلى مسار آخر عند تقليص حجم الدائرة الكهربائيّة. فالتقنيّات المستخدمة اليوم تعتمد تقنية 90 و65 و45 نانو متر في التصميم، ولكنّ المصمّمين يواجهون ظاهرة انتقال الإلكترونات من مسار ما إلى آخر بسبب التنافر الكهربائيّ بينها وبين إلكترونات أخرى قريبة.

هذه الظاهرة لم تكن موجودة من قبل لأنّ التقنيات المستخدمة حينها كانت تستخدم مسارات إلكترونيّة أكثر عرضا من المسارات المستخدمة الآن. ولكنّ نتائج أبحاث شركة (IBM) لن تحلّ هذه المشاكل فقط، بل ستتجاوزها لتنعدم من أساسها، إذ ستتغيّر قوانين الفيزياء في الدوائر لتصبح تعتمد على نظريّات وقوانين الضوء (كميّة أو موجيّة أو غيرها)، لتنعدم الآثار الحراريّة لمرور الإلكترونات في الأسلاك والدوائر الكهربائيّة، ولينعدم التنافر الإلكترونيّ. وسيصبح الضوء هو أساس توصيل المعلومات بين مكوّنات الحاسب الآليّ.

ولكي يتمّ كلّ ما تمّ ذكره، يجب أن تدعم المكوّنات هذه تحكّما كاملا بإشارات الضوء، وأن تكون تكلفة تصنيع آليّة هذا التحكّم زهيدة الثمن وحجمها صغيرا. وتم تقديم بعض الحلول لهذه المشكلة عن طريق استخدام موجّهات موجات الكريستال ـ الفوتونيّ، التي تحتوي على معامل انحراف للضوء عال بسبب وجود أنماط من مجموعات الثقوب فيها. فكلّما ازداد معامل الانحراف، قلّت سرعة الضوء الخارج منها. وبزيادة حرارة موجّهات موجات الكريستال ـ الفوتونيّ عن طريق تمرير تيّار كهربائيّ فيها، يتمّ تغيير معامل الانحراف، الأمر الذي يغيّر من سرعة الضوء الخارج من الثقوب، باستخدام قدرة كهربائيّة قليلة جدّا.

مجال الطب

تعد التطبيقات الطبية لتكنولوجيا النانو من أهم التطبيقات الواعدة على الإطلاق، فمن المحتمل الحصول على مركبات نانوية تدخل إلى جسم الإنسان وترصد مواقع الأمراض وتحقن الأدوية وتأمر الخلايا بإفراز الهرمونات المناسبة وترمم الأنسجة .كما يمكن لهذه المركبات الذكية أن تحقن الأنسولين داخل الخلايا بالجرعات المناسبة أو تدخل إلى الخلايا السرطانية لتفجرها من الداخل وتدعى عندئذ بالقنابل المنمنمة. أما أجهزة الإستشعار النانوية فباستطاعها أن تزرع في الدماغ لتمكن المصاب بالشلل الرباعي من السير.

وفى هذا الإطار قام معهد (Foresight Nanotech Institute) باستحداث (Nanocatalysis) والذي يسمح باستخدام الأنزيمات القادرة على أنتاج مواد كالأحماض (Acids) والتي تكفل سرعة حدوث تفاعلات كيميائية لازمة لاستمرار الخلايا حية, كذلك استخدام مايسمى (Dna Chip) رقاقة الحمض النووي التي تسمح بدراسة الجينات.

ويتوقع المراقبون أن تؤدي هذه التكنولوجيا الجديدة إلى ثورة غير مسبوقة للتصدي للكائنات الدقيقة حيث يعتمد النانو بيوتكس (Nanobiothics) وهو البديل الجديد للأنتي ييوتيك على الثقب الميكانيكي للخلايا المصابة بالجراثيم أو الفيروسات.

فالنانوبيوتكس هو ببتيد حلقي ذاتي التجمع، ومُخَلّق صنعياً، من الممكن له أن يتجمع على هيئة أنابيب نانوتيوب (Nanotubes) أو دبابيس نانوية متناهية في الصغر. فعند دخول ملايين من هذه الأنابيب اللزجة والمكونة من الببتيدات الحلقية داخل الجذر الهلامي للبكتريا فإنها تنجذب كيميائياً إلى بعضها البعض، و تجمع نفسها إلى أنابيب طويلة متنامية ومتجمعة ذاتياً تقوم بثقب الغشاء الخلوي ، وتعمل مجموعات الأنابيب المتجاورة هذه على فتح مسام أكبر في جدار الخلية البكتيرية ، وخلال دقائق معدودة تموت الخلية البكتيرية نتيجة لتشتيت الجهد الكهربائي الخارجي لغشائها, وهذا ما ينهي حياة الخلية عمليا وقد أظهرت هذه التقنية نجاحاً ملحوظاً في القضاء على كل من الجراثيم العنقودية الذهبية المعندة وعصيات القيح الأزرق وغيرها الكثير .ويتوقع العلماء أن تنجح تقنية النانو في القضاء على الفطريات أيضاً .

وعلى هذا نرى أن مبدأ النانوبيوتكس و النانوتوب يختلف تماماً عن طريقة عمل المضادات الحيوية والمطهرات وبذلك يصعب على هذه الكائنات أن تطور مناعة ذاتية أو مقاومة . وهي طريقة مختلفة تماماً عن طريقة عمل المضادّات الحيوية والمطهرات الكيماوية، ويتوقع أن تبدأ مثل هذه التجارب على البشر بعد حوالي 2 - 3سنوات من الآن ونجاح هذه الطريقة يوفر وبحسب منظمة الصحة العالمية مبلغ عشرة بلايين دولار سنوياّ وهي تكلفة معالجة الإصابات الناجمة عن العدوى بالبكتريا المقاومة للمضادات الحيوية

مجال الميكانيكا

يهدف المهندسون وعلماء الميكانيكا إلى تطوير أجزاء من محركات السيارات بالاعتماد على تكنولوجيا النانو بحيث تكون مضادة للحرارة و لا تتأثر بمقدار وزمن عملها, هذا وبالقدر الذي يجعلها قادرة على إعادة أنشاء نفسها بشكل تلقائي وبالتالي العمل دون توقف أو تلف سنوات أكثر الأمر الذى يعزز استخدامها في صناعة محركات المركبات الفضائية.

مجال البيئة

أحدثت تكنولوجيا النانو تقدم هائل في تكنولوجيا الإنتاج الأنظف ممثلة في تخفيض النفايات الصناعية ومن ثم التخلص من التلوث الصناعي وتحسين كفاءة استخدام الموارد الاقتصادية المتاحة , كذا العمل على أنتاج منتجات بلاستيكية وزيتية نانونية مقاومة للحرارة.

وفى هذا الإطار تقوم شركة هايبر بلاستيكس أو البلاستيك المهجن بإضافة مواد مصنعة عن طريق تكنولوجيا نانونية لمواد تمتد من مزيتات المحركات النفاثة وحتى ألواح الدوائر الكهربائية في القوارب وأحواض حمامات السباحة, كذلك تقوم كل من شركتى (دوبونت) بصناعة ألياف توصل الكهرباء وتستخدم في صناعة الثياب الذي يتشكل لونها وفقا لطلب مرتديها, و(نانوفيز تكنولوجى) التي تقوم ببيع جسيمات مثل أكسيد الزنك مصنعة باستخدام تكنولوجيا النانو لصناعة شتى المنتجات من التغليف الصناعي إلى مستحضرات التجميل.

بعض التطبيقات الحالية

الطائرات الأميركية "ستيلث" (الشبح) التي اختبرت لأول مرة في قصف العراق العام 1991 والتي لا يراها الرادار تعتمد على فكرة وضع جزيئات نانو اقرب ما تكون للورق الشفاف تمتص الموجات الكهرومغناطيسية التي تبثها الرادارات فتختفي من الشاشة بينما هي تمر فوق الهدف مباشرة.

وروسيا ليست بعيدة عن هذا المجال، فقد تمكنت من إنتاج رادار بحجم كف اليد يستطيع التعامل مع طائرات الشبح، كما وضعت موسكو خطة لضرب الأقمار الاصطناعية التي تعتمد عليها الطائرات الأميركية "الشبح" في توجيه صواريخها ضد الأهداف الأرضية.

 الأكثر من ذلك هو التوصل إلى تكنولوجيا دقيقة وصغيرة للغاية في صناعة ملابس ترطب الجسم في الصيف وتبعث نوعا من الهواء اللطيف، بينما يسخن هذا الهواء في الشتاء ويمنح الإنسان دفئاً.

تمكن عالم ألماني من اختراع ملابس لا تبتل بالماء.

وقبل سنتين تمكن فريق علمي من صنع كبسولة يمكن تناولها عن طريق الفم تضم مختبر صغير للتحاليل البيولوجية قد ابتلعه رائد فضاء أثناء رحلته إلى محطة الفضاء الدولية التي استمرت أسبوعين بهدف قياس أثر انعدام الجاذبية والعيش في الفضاء الكوني على جسم الإنسان.

أما اليابانيون فرصدوا مليار دولار هذا العام فقط بعد أن نجحوا في نحت ثور يعتبر أصغر منحوتة في العالم بحيث يمكن وضع ثلاثين من أقرانه في حيز لا يزيد قطره على قطر النقطة، وكان الهدف إنتاج مركبة دقيقة تستعمل في الجراحة الروبوتية أو الخلوية أو إدخال كاميرا في دم المريض لتصوير الجزيئات المصابة، كما يمكن استعمالها في تفجير الخلايا السرطانية في ما يعرف بـ"القنابل المنمنمة". والواقع أن العالم الألماني فيتمان الحاصل على جائزة نوبل كان أول من طرح سؤالا عما يمكن أن يحدث في حالة سيطرة الإنسان على الذرة الواحدة وتحريكها بحرية وسهولة.

 ختاماً

هذه هي تكنولوجيا المستقبل والنانو تكنولوجي، هو أحد إبداعات مرحلة ما بعد الصناعة، حيث اعتمدت مرحلة الصناعة على فلسفة الإنتاج الضخم المبني على المعرفة، بينما الموجة الصناعية الجديدة تعتمد على الإبداع العلمي وإنتاج المعرفة نفسها، واستخدام أصغر الكائنات سواء في الزمن "الفمتوثانية" أو في الأحياء والبيولوجيا حيث تمت معرفة الشفرة السرية لتكوين الخلايا الحية، ما سهل استنساخ حيوانات، أو تطوير الطب.