النانوتكنولوجي وتطبيقاته

لايمكن تحديد عصر او حقبة معينة لبروز تقنية النانو، كما انه ليس من المعروف بداية استخدام الإنسان للمادة ذات الحجم النانوي، لكن من المعلوم أن أحد المقتنيات الزجاجية وهو كأس الملك الروماني لايكورجوس (Lycurgus) في القرن الرابع الميلادي الموجودة في المتحف البريطاني يحتوي على جسيمات ذهب وفضة نانوية، حيث يتغير لون الكأس من الأخضر إلى الأحمر الغامق 

 عندما يوضع فيه مصدر ضوئي.

 وكذلك تعتمد تقنية التصوير الفوتوغرافي منذ القرنين الثامن عشر والتاسع عشر الميلاديين على انتاج فيلم أو غشاء مصنوع من جسيمات فضية نانوية حساّسة للضوء. ولكن من الواضح ان من اوائل الناس الذين استخدموا هذه التقنية ( بدون ان يدركوا ماهيتها ) هم العرب والمسلمون حيث كانت السيوف الدمشقية المعروفة بالمتانة يدخل في تركيبها مواد نانوية تعطيها صلابة ميكانيكية، كما كان صانعوا الزجاج في العصور الوسطى يستخدمون حبيبات الذهب النانوية الغروية للتلوين. كما يمكن الاشارة الى ان كلمة النانو مشتقة من الكلمة الاغريقية ( dwarf ) والتي تعني جزء من البليون من الكل، ويعرَّف النانومتر بانه جزء من البليون من المتر، وجزء من الالف من الميكرومتر. ولتقريب هذا التعريف الى الواقع فان قطر شعرة الراس يساوي تقريبا 75000 نانومتر، وكذلك فان نانومتر واحد يساوي عشر ذرات هيدروجين مرصوفة بجانب بعضها البعض طوليا ( بمعنى ان قطر ذرة الهيدروجين يساوي 0,1 نانومتر)، كما ان حجم خلية الدم الحمراء يصل الى 2000 نانومتر، و يعتبر عالم النانو الحد الفاصل بين عالم الذرات والجزيئات وبين عالم الماكرو 

تتمثل تقنية النانو في توظيف التركيبات النانويه في أجهزة وأدوات ذات أبعاد نانوية، ومن المهم معرفة ان مقياس النانو صغيرٌ جدا جدا بحيث لايمكن بناء اشياء اصغر منه. وفي العصر الحديث ظهرت بحوث ودراسات عديدة حول مفهوم تقنية النانو وتصنيع موادها وتوظيفها في تطبيقات متفرقة وسنعرض هنا لبعض الاحداث المثيرة التي صنعت مسيرة هذه التقنية وجعلتها تقنية المستقبل. ففي عام 1959م تحدث العالم الفيزيائي المشهور ريتشارد فيمان الى الجمعية الفيزيائية الأمريكية في محاضرته الشهيرة بعنوان ( هناك مساحة واسعة في الاسفل ) قائلا بأن المادة عند مستويات النانو ( قبل استخدام هذا الاسم ) بعدد قليل من الذرات تتصرف بشكل مختلف عن حالتها عندما تكون بالحجم المحسوس، كما اشار الى امكانية تطوير طريقة لتحريك الذرات والجزيئات بشكل مستقل والوصول الى الحجم المطلوب، وعند هذه المستويات تتغير كثير من المفاهيم الفيزيائية، فمثلا تصبح الجاذبية اقل اهمية وبالمقابل تزداد اهمية التوتر السطحي وقوة تجاذب فاندر فالز. وقد توقَّع ان يكون للبحوث حول خصائص المادة عند مستويات النانو دورٌ جذريٌ في تغيير أنماط الحياة الانسانية. 

 
وبالرغم من وجود أبحاث قليلة على مواد بمستوى النانو، وإن كانت لم تُسمّى بهذا الإسم، فقد تمكَّن أهلير (Uhlir) عام 1956م من تسجيل مشاهداته للسيلكون الاسفنجي ( porous silicon ). وبعد ذلك بعدة سنوات تم الحصول على اشعاع مرئي من هذه المادة لأول مرة عام 1990م، حيث زاد الإهتمام بها بعدئذ. كما أمكن في الستينيات تطوير سوائل مغناطيسية (ferrofluids) حيث تُصنّع هذه السوائل من حبيبات أوجسيمات مغناطيسة بأبعاد نانوية ، كما اشتملت الاهتمامات البحثية في الستينيات على ما يُعرف بالرنين البارامغناطيسي الالكتروني (EPR) لاكترونات التوصيل في جسيمات بأبعاد نانوية تُسمى آنذاك بالعوالق أو الغروانيات (colloids) حيث تُنتَج هذه الجسيمات بالفصل أو التحلُّل الحراري (heat decomposition). وفي عام 1969م اقترح ليو ايساكي تصنيع تركيبات شبه موصلة بأحجام النانو ، وكذلك تصنيع شبيكات شبه موصلة مفرطة الصغر. وقد أمكن في السبعينات التنبؤ بالخصائص التركيبية للفلزات النانوية كوجود أعداد سحرية عن طريق دراسات طيف الكتلة (mass spectroscopy) حيث تعتمد الخصائص على أبعاد العينة غير المتبلورة. كما أمكن تصنيع أول بئر كمي(quantum well) في بعدين في نفس الفترة بسماكة ذرية أحادية تلاها بعد ذلك تصنيع النقاط الكمية (quantum dots) ببعد صفري والتي نضجت مع تطبيقاتها هذه الأيام 

.

وقد ظهر مسمَّى تقنية النانو عام1974م عبر تعريف البروفيسور نوريو تانيقوشي في ورقته العلمية المنشورة في مؤتمر الجمعية اليابانية للهندسة الدقيقة حيث قال ( ان تقنية النانو ترتكز على عمليات فصل، اندماج، واعادة تشكيل المواد بواسطة ذرة واحدة او جزيء )، وفي نفس الفترة ظهرت مفاهيم علمية عديدة تتداولها الاوساط العلمية حول التحريك اليدوي لذرات بعض الفلزات عند مستوى النانو، ومفهوم النقاط الكمية، وامكانية وجود اوعية صغيرة جدا تستطيع تقييد الكترون او اكثر. ومع اختراع المجهر النفقي الماسح ( Scanning Tunneling Microscope) STM بواسطة العالمان جيرد بينج و هينريك روهر عام 1981م ، وهو جهاز يقوم بتصوير الاجسام بحجم النانو، زادت البحوث المتعلقة بتصنيع ودراسة التركيبات النانوية للعديد من المواد. وقد حصل العالمان على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1986م بسبب هذا الاختراع. وبعد ذلك بعدة سنوات نجح العالم الفيزيائي دون ايجلر في معامل IBM في تحريك الذرات باستخدام جهاز الميكروسكوب النفقي الماسح ، مما فتح مجالا جديدا لإمكانية تجميع الذرات المفردة مع بعضها، وفي نفس الوقت تم اكتشاف الفلورينات بواسطة هارولد كروتو، ريتشارد سمالي و روبرت كيرل ، وهي عبارة عن جزيئات تتكون من 60 ذرة كربون تتجمع على شكل كرة قدم ( وقد حصلوا على جائزة نوبل في الكيمياء 1996م  .

وفي عام 1995 تمكَّن العالم الكيميائي منجي باوندي من تحضير حبيبات من شبه الموصلات الكادميوم/ الكبريت( او السلينيوم) اصغرها ذات قطر 3- 4 نانومتر.

  طرق تحضير العينات النانوية غير المتبلورة والمعتمدة على تقنيات الليزر، البلازما أو الحفر بشعاع الكتروني وغيرها 

فقد وُجدت منذ منتصف الثمانينيات. كما ان المفهوم الفيزيائي للتقييد الكمي الالكتروني ( quantum confinement ) قد بدأ في أوائل الثمانينيات ايضا. وقد سُجّلت أول قياسات على تكميم التوصيلية في نهاية الثمانينيات وأمكن تصنيع أول ترانزيستور وحيد الإلكترون (single electron transistor). وفي عام 1991م تمكن البروفيسور سوميو ليجيما من جامعة ميجي باليابان من اكتشاف أنابيب الكربون النانويه، وهي عبارة عن انابيب اسطوانية مجوَّفة قطرها بضعة نانومتر ومصنوعة من شرائح الجرافيت. وبعد ذلك تم اكتشاف ترانزستور أنابيب الكربون النانوية عام 1988م، حيث يصنّع على صورتين احداها معدني والأخرى شبه موصله. ويستخدم هذا الترانزستور في جعل الالكترونات تتردد جيئة وذهابا عبر الكترودين . وتكمن اهمية هذا الترانزستور ليس فقط في حجمه النانوي ولكن ايضا بانخفاض استهلاكه للطاقة وانخفاض الحرارة المنبعثة منه .وفي عام 2000 تمكَّن العالم الفيزيائي المسلم منير نايفه من اكتشاف وتصنيع عائلة من حبيبات السليكون اصغرها ذات قطر 1 نانومتر وتتكون من 29 ذرة سليكون سطحها على شكل الفولورينات الكربونية الا ان داخلها غير فارغ وتتوسطها ذرة واحدة منفردة. هذه الحبيبات عند تعريضها لضوء فوق بنفسجي فانها تعطي الوانا مختلفة (حسب قطرها) تتراوح بين الازرق والاخضر والاحمر.

أما التجمُّع الذاتي (self-assembly) للجزيئات، أو ربطها تلقائياً مع سطوح فلزية فقد أصبح في الوقت الحاضر ممكناً لتكوين صف من الجزئيات على سطحٍ ما كالذهب وغيره.

وفي عام 2000م أعلنت أمريكا ( مبادرة تقنية النانو الوطنية  ( NNI، والتي جعلت تقنية النانو تقنية إستراتيجية وطنية وفتحت مجال الدعم الحكومي الكبير لهذه التقنية في جميع المجالات الصناعية والعلمية والجامعية. وتلا ذلك قيام اليابان عام 2002 بإنشاء مركز متخصص للباحثين في تقنية النانو وذلك بتوفير جميع الأجهزة المتخصصة ودعم الباحثين وتشجيعهم وتبادل المعلومات فيما بينهم.

وبحسب العالم كريلمان فإن علم النانو يقوم بتوحيد وضم جميع أنواع العلوم باحتمالات لاحدّ لها ولا يمكن التنبؤ بنتائجها.

وتهدف هذه التقنية إلى صنع مواد قابلة للاستخدام في كافة المجالات المعرفية سواء كانت كيميائية أو فيزيائية أو بيولوجية أو صناعية تقنية متقدمة. وتقنية النانو تعد ثورة صناعية قادمة سوف تحول المفاهيم المعرفية والصناعية إلى شيء أشبه بالخيال عند مقارنتها بمفاهيم الواقع الحالي. وسوف تخدم كافة أغراض المعرفة البشرية ويعول كثيراً على هذه التقنية في الاستخدامات الطبية المتقدمة والكشف عن أمراض السرطان في مراحل مبكرة جداً، وكذلك الصناعات الإلكترونية المتقدمة في أكثر من مجال.

 

استخدامات قريبة المدى لتكنولوجيا النانو :

 

1.   في التشخيص الطبي والعلاج.
2.   تجميع الطاقة الشمسية والاستفادة منها (photovoltaic).
3.   مركبات تحتوي على أنابيب نانوية
4.    في صناعة الدهانات والتغليف
5.    نماذج جديدة لذاكرة الكمبيوتر والدوائر الالكترونية المتكاملة . حيث أن هناك استخدامات ممكنة لأنابيب الكربون النانوية   (Carbon Nanotubes ) في:
6.   ثنائيات الوصلة والترانزستورات .
7.   مكبرات الإشارة في أجهزة الجوال.
8. زيادة صلابة المكونات .

استخدامات بعيدة المدى لتكنولوجيا النانو :

 

1. أنظمة تخزين البيانات بسعات هائلة جدا .  
2.  رقائق لتخزين الفيديو قد تصل إلى 1000 ساعة.
3.  عمل ألواح بلاستيكية تستخدم في البناء تكون رقيقة وخفيفة جدا للنوافذ ولكنها ذات صلابة عالية

ويتوقع المراقبون أن تُشعل تكنولوجيا النانو سلسلة من الثورات الصناعية خلال العقدين القادمين والتي ستؤثر على حياتنا بشكل كبير.ويشير البعض إلى أن تقنية النانو ستصبح في القريب أكبر من الإنترنت وابعد مدى منه وستجلب ثورة هائلة جديدة محطمة الكثير من الثروات المالية القديمة تهز كل ما هو قائم من أعمال في كوكبنا.

ومن الرواد العرب في هذه التقنية العالم العربي البروفسور منير نايفة في جامعة الينوى الأميركية حيث يقوم حاليا بتأسيس شركة متخصصة بصناعة أجهزة نانوية وتطبيقات متناهية الصغر. ويرئس نايفة شبكة العلماء والتكنولوجيين العرب في الخارج.

 

استطاع البروفسور نايفة أن يحرك الذرات المنفردة ورسم بواسطة الذرات صورة تمثل القلب والحرف الانجليزي (P) كأصغر حرف في تاريخ الخط وبعرض خمسة بالمليون من المليمتر، والتي تناقلتها وكالات الأنباء واختارتها صورة لغلاف المجلة البريطانية العلمية الشهيرة «نيوساينتست»New Scientist ، عدد 7 مارس (آذار  1992)

في القريب العاجل، سيكون بمقدور الطبيب في أي قرية نائية في العالم الثالث وضع نقطة دم من المريض على قطعة بلاستيك صغيرة وبعد دقائق معدودة سينتهي الفحص الطبي الشامل بما في ذلك اختبارات الدم مثل تحليل الأمراض الخطيرة كالملاريا والإيدز واضطرابات الهرمونات وحتى السرطان.

هذه القطعة من البلاستيك تسمى معمل الشريحة وهو أحد المنتجات الثورية والنتائج المتطورة من أبحاث النانو تكنولوجي التي ستحول حياة المليارات البعيدين عن المدنية.

تطبيقات النانو قام الباحثون في مركز جونيت لأخلاقيات الأبحاث بجامعة تورونتو ونشر بمجلة بلوس ميدسين بسؤال لجنة مكونة من 63 خبيرا لتحديد أهم عشرة تطبيقات للنانو تكنولوجي تحتاجها البشرية وخاصة الدول النامية في مجالات المياه والزراعة والصحة والطاقة والبيئة في السنوات العشر القادمة.

تطبيقات النانو تكنولوجي من حيث تأثيرها على التنمية،  يمكن ترتيبها   على النحو التالي :

1.   تخزين الطاقة وإنتاجها وتحويلها.
2. تحسين الإنتاج الزراعي.
3. معالجة مياه الشرب.
4.   تشخيص الأمراض ومتابعتها.
5.  تسليم الأدوية.
6.  معالجة الطعام وتخزينه.
7.   معالجة تلوث الهواء.
8.   البناء.
9.  مراقبة الصحة.
10.  مقاومة الآفات والحشرات.

لقد أثبتت الدراسة توافق الأهداف من النانو تكنولوجي مع أهداف التنمية الدولية التي حددتها الأمم المتحدة في الألفية الثالثة.
ففي عام 2000م، تعهدت جميع الدول الأعضاء في الأمم المتحدة وعددها 189 بالوصول إلى 8 أهداف لدعم التنمية الإنسانية وتشجيع الاستقرار الاقتصادي والاجتماعي حتى 2015م.  

إن تطبيقات النانو تكنولوجي لها تأثير كبير في تحسين أحوال معيشة الكثير من الناس في العالم الثالث. وبالتأكيد فإن العلوم والتكنولوجيا لن يكفيا وحدهما لإيجاد الحلول السحرية لحل جميع مشكلات الدول النامية ولكنها عوامل أساسية في التنمية. النانو تكنولوجي هي مجال حديث وسوف يعطي حلولا جذرية وغير تقليدية بل وغير مكلفة لكثير من المشكلات المزمنة في العالم النامي .

وقد أشار الباحثون إلى أن بعض البلدان النامية أطلقت مبادرات خاصة لاستخدام النانو تكنولوجي لضمان قوة اقتصادها ومثال ذلك الهند التي خصصت 20 مليون دولار من خلال وزارة العلوم والتكنولوجيا لأبحاث النانو تكنولوجي في الأعوام من 2004م إلى 2009م.

 يعتمد مفهوم تقنية النانو على اعتبار أن الجسيمات التي يقل حجمها عن مائة نانومتر (النانومتر جزء من الف مليون من المتر) تُعطي للمادة التي تدخل في تركيبها خصائص وسلوكيات جديدة. وهذا بسبب أن هذه الجسيمات (والتي هي أصغر من الأطوال المميِّزة المصاحبة لبعض الظواهر) تُبدي مفاهيم فيزيائية وكيميائية جديدة، مما يقود إلى سلوك جديد يعتمد على حجم الجسيمات. وقد لوحظ،كمثال لذلك، أن كلاًّ من التركيب الإلكتروني، التوصيلية، التفاعلية، درجة الانصهار والخصائص الميكانيكية للمادة تتغير كلها عندما يقل حجم الجسيمات عن قيمة حرجة من الحجم. حيث كلما اقترب حجم المادة من الأبعاد الذرية كلما خضعت المادة لقوانين ميكانيكا الكم بدلاً من قوانين الفيزياء التقليدية. إن اعتماد سلوك المادة على حجمها يمكننا من التحكم بهندسة خواصها، وبناءً عليه فقد استنتج الباحثون أن لهذا المفهوم آثاراً تقنية عظيمة تضم مجالات تقنية واسعة ومتنوعة تشمل إنتاج مواد خفيفة وقوية ، إختزال زمن توصيل الدواء النانوي إلى الجهاز الدوري البشري، زيادة حجم استيعاب الأشرطة المغناطيسية وصناعة مفاتيح حاسوب سريعة... الخ. وبشكلٍ عام فإن تقنية النانو هي تلك التي تتعامل مع تراكيب متعددة من المواد ذات أبعاد من رتبة النانومتر.

وعلى الرغم من أن تقنية النانو حديثة نسبياً ، فإن وجود أجهزة تعمل بهذا المفهوم وتراكيب ذات أبعاد نانوية ليس بالأمر الجديد، والواقع أن وجودها يعود إلى عمر الأرض وبدء الحياة فيها. حيث من المعروف ان الأنظمة البيولوجية في الجسم الحي تقوم بتصنيع بعض الاجهزة الصغيرة جدا والتي تصل الى حدود مقياس النانو. فالخلايا الحية تعد مثالا مهما لتقنية النانو الطبيعية، حيث تُعد الخلية مستودعا لعدد كبير من الآلات البيولوجية بحجم النانو ويتم تصنيع البروتينات داخلها على شكل خطوط مجتمعة بحجم النانو تسمى ريبوزومات ثم يتم تشكيلها بواسطة جهاز نانوي آخر يسمى جولجي. بل ان الانزيمات هي بنفسها تعد آلة نانوية تقوم بفصل الجزيئات او جمعها حسب حاجة الخليه. وبالتالي فيمكن للآلات النانوية المصنعة ان تتفاعل معها وتؤدي الهدف المنشود مثل تحليل محتويات الخلية ، ايصال الدواء اليها او ابادتها عندما تصبح مؤذية.
وعلى الرغم من جميع ماذُكر فإن هنالك العديد من الصعوبات التي تحتاج للمزيد من البحث ، من أهمها إمكانية الوصول إلى طرق رخيصة وعملية لتحضير مواد نانوية مختلفة بشكل تجاري لاستخدامها في التطبيقات المختلفة. كما أن هناك صعوبة أخرى وهي التواصل بين مفهوم عالم النانو الحديث وعالم الماكرو المستخدم حاليا في تصنيع الاجهزة الالكترونية.

وتعد التطبيقات الطبية لتكنولوجيا النانو من أهم التطبيقات 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 أوتدخل إلى الخلايا السرطانية لتفجرها من الداخل و تدعى عندئذ بالقنابل المنمنمة والتي استطاعت أن تطيل عمر الفئران من 43 يوم إلى 300 يوم

منقول للافاده

المصدر

 http://eng.kufauniv.com/nano/nano9.html