مواد النانوتكنولوجي

النانو تكنولوجي 

يقوم العلماء حالياً بتجارب لصنع  أدوات ضمن النطاق النانوي، وذلك وفقاً لنوعين من المقاربات: مقاربة التقسيم ومقاربة التجميع.

أ‌- مقاربة التقسيم

يبدأ التقنيون في عملية التقسيم مع جسم مادي فيقطعونه إلى قطع صغيرة. تستخدم عموماً هذه العملية اليوم لصنع رقاقات الكمبيوتر، وقد تم التوصل إلى صنع رقاقات كمبيوتر أرق من 100 نانومتر على الرغم من أن معظم الرقاقات التجارية سماكتها أكبر بكثير من ذلك. الرقاقات الأصغر والأسرع ستجعل الكمبيوترات قابلة لأن تكون أصغر وقادرة على إنجاز وظائف أكثر وبسرعة أكبر.

مقاربة التقسيم - والتي تدعى أحياناً بالبناء الميكروي أو النانوي - تستخدم تقنيات الطباعة الحجرية المتقدمة لصنع بنى بحجم رقاقات الكمبيوتر التجارية الحالية أو حتى أصغر منها. هذه التقنيات في الطباعة الحجرية المتقدمة تشمل نوعين: طباعة حجرية بصرية وطباعة حجرية الكترونية شعاعية.

حالياً يمكن أن تستخدم الطباعة البصرية لصنع تراكيب صغيرة بمقدار 100 نانومتر، وتبذل الجهود لصنع أدوات أصغر باستخدام هذه التقنية.
أما الطباعة الشعاعية الالكترونية فيمكنها صنع تراكيب أصغر تصل إلى 20 نانومتر ولكنها غير مناسبة للإنتاج لأنها مكلفة جداً.
وفي النهاية فإن هذه المقاربة في إنتاج التراكيب النانوية ليست فقط مرتفعة التكاليف ولكنها أيضاً مستحيلة تقنياً.
إن تجميع وتركيب رقاقات الكمبيوتر أو المواد الأخرى المجال النانوي غير عملي لسبب رئيسي. فعند قطع مادة ما بأسلوب تصميمي خاص؛ يجب أن تكون الأداة المستخدمة لإنجاز العمل تتمتع بأبعاد دقيقة أكثر من دقة أبعاد المادة المراد قطعها، وهكذا فإن هذه الأداة يجب أن يكون لها طرف قاطع أدق من أدق التفاصيل لكي تتمكن من القطع وفق الأبعاد المطلوبة، وهذا ما ليس متوفراً حالياً ويتطلب تكاليف باهظة للحصول عليه.

ب‌- مقاربة التجميع

كنتيجة لعقبات مقاربة التقسيم، أصبح العلماء مهتمين بشكل كبير بمقاربة أخرى لصنع بنى ضمن المجال النانوي تعرف بمقاربة التجميع.هذه المقاربة تستلزم التعامل الجيد مع الذرات والجزيئات لتشكل البنى أو التراكيب النانوية. وتجتنب مشكلة إيجاد طريقة أكثر دقة لتصغير المادة إلى الحجم النانوي. عوضاً عن ذلك فإن التراكيب النانوية ستكون مجمعة ذرة فوق ذرة وجزيء فوق جزيء تماماً كما يحدث في الطبيعة. لكن التجميع في هذا المجال له تحدياته الخاصة.

في المدارس يتعلم الأطفال القليل حول هذه التحديات عندما يدرسون حركة الجزيئات الصغيرة العشوائية التي تُرى في الجسيمات الراكدة في السوائل - كالماء مثلاً -.
إن الجسيمات نفسها لا تتحرك ولكن جزيئات الماء المحيطة بها تكون في حركة متواصلة، وهذه الحركة تسبب تصادم الجزيئات عشوائياً، كما تبدي الذرات حركة عشوائية تبعاً لطاقتها الحركية.
إن درجة الحرارة وقوة الروابط تبقي الذرات في مكان يحدد الدرجة التي يمكن للذرات أن تتحرك فيها. حتى في المواد الصلبة عند درجة حرارة الغرفة وأنت جالس على الكرسي فإن ذرات الهواء من حولك تتحرك في عملية تدعى الانتشار. هذه القدرة على الحركة التي تتمتع بها الذرات تزداد عندما تتحول المادة من الحالة الصلبة إلى السائلة ومنها إلى الغازية.

إذا استطاع العلماء والمهندسون النجاح في التجميع ضمن المجال الذري فيجب أن يمتلكوا الوسيلة ( الموارد المالية ) ليتغلبوا على هذا النوع من السلوك. مثال واضح عن تحدٍّ حدث عام 1990 عندما قامت شركة IBM باستخدام فكرة مجس مجهري لتجميع ذرات الزينون الأحادية لتشكيل الأحرف IBM على سطح من النيكل.

لمنع الذرات من الحركة بعيداً عن مواقعها المحددة : تم تبريد سطح النيكل إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق (273,15- درجة مئوية أو 459,67- درجة فهرنهايت). عند درجة الحرارة هذه تمتلك الذرات طاقة حركية صغيرة جداً، ولكن تحقيق هذه الدرجة غير عملي وغير اقتصادي في عمل الأجهزة التجارية. وبالرغم من ذلك فإن قدرة العلماء على التعامل الجيد مع الذرات هي واحدة من أوائل الإشارات على أن مقاربة التجميع يمكن أن تنجح. وهي أيضاً تشير إلى نشوء التقنية النانوية كعلم تجريبي

بلورات النانو

هي كتل ذرية متراكمة حجمها اكبر من الجزيئات (تقريبا10 نانومتر) واقل من حجم المواد الكبيرة, ورغم تغير خواصها الفيزيائية والكيميائية بالمقارنة بالمواد الكبيرة الا انه يمكن التحكم بسطحها وحجمها بدقة عالية بالاضافة للتحكم في شحنة بلوراتها وتفكيك تركيبها البلوري وبنقطة انصهارها.
فالعالم الامريكي "بول أليفيزاتوس" نجح في تخليق بلورات النانو شبه الموصلة على شكل قضبان ثنائية الأبعاد, واوضح أن ثمة ضوءا مستقطبا على امتداد محور بلورات النانو ذات الشكل القضيبي على عكس الضوء الغير مستقطب المنبعث من بلورات النانو الكروية, ففي الأولى تكون فجوة الانبعاث والامتصاص كبيرة مقارنة بالثانية,فمن شأن ذلك قد يساهم في تطوير الصمامات الثنائية الباعثة للضوء و الخلايا الفولتية الضوئية.
إن تغير ظروف التخليق ومعدلات النمو لتصميم شكل البلورة سيكون له فائدة كبيرة في شتى التطبيقات وخاصة التطبيقات الصناعية الاليكترونية الأمر الذي يشكل تحدي كبير على صعيد الصناعة والاقتصاد وعلى صعيد البحث والتطبيق في المستقبل...

 

البلورات الكمية

وهي نوع من انواع بلورات النانو شبه موصلة تقوم بحبس الالكترونات في مساحات صغيرة تحتوي على وحدة شحنة واحدة وتنبعث منها الوان ضوئية متباينة حسب حجمها ومستويات الطاقة الخاصة بها ويعتبر تغير اللون المرتبط بتغير حجم الجسيم خاصية تنفرد بها تكنولوجيا النانو,,, وبالاضافة الى البلورات الكمية هناك الاسلاك الكمية و الابار الكمية, تقوم البلورات الكمية بتقييد حركة الالكترونات داخل أبعاد يمكن اهمالها على عكس الاسلاك والابار الكمية. حيث يتيح هذا التقييد قياس مستويات الطاقة والشحنات الكهربية,, كما تتسم البلورات الكمية بأهمية بالغة للتطبيقات البصرية وتمثل هذه البلورات البت الكمي للمعالجة الكمية للمعلومات مثل وحدات البت بالكمبيوتر باستثناء انها تكون عند مستوى النانو.
وممكن الاعتماد على تالق البلورات الكمية للكشف عن الاورام عن طريق التنظير الطيفي التالقي اثناء اجراء العمليات الجراحية.
وممكن ان تستخدم هذه البلورات كمجسات او مسابير وعائية لتصوير الاوعية ونقل الدواء اليها.
اسلاك السيلكون النانونية
نجح الاستاذ تشارلز ليبر في جامعة هارفارد في تصميم اسلاك السيلكون عند مستوى النانو التي تتمتع بامكانية تشغيلها وايقافها في وجود فيروس واحد بشكل كهربي, فعند اتحاد فيروس ما باحد المستقبلات فانه يرسل شحنة كهربية تدل على وجوده وبوجود مثل هذه المجسات النانوية فسيتمكن الاطباء من اكتشاف العدوى الفيروسية في المراحل المبكرة من المرض.

الطبقة البلورية النانونية

اعتمد اثنان من العلماء هما جينيفر ويست وريبكا دريزيك الأستاذان في جامعة رايس على جسيمات متناهية الصغر من البلورات الزجاجية المغطاة بطبقة من الذهب أطلقا عليها اسم الطبقات البلورية النانونية وذلك في تطوير عملية اكتشاف الأنسجة التالفة وعلاجها.
حيث أن نوعا جديدا من عقاقير علاج الاورام السرطانية قد ظهر نتيجة استخدام تلك الطبقات البلورية النانونية المتناهية الصغر والتي تتحرك داخل الأوعية المسامية للورم ثم تستقر بها حيث تتميز الأوعية الدموية التي تمد الورم بالمواد المغذية بوجود فتحات صغيرة تتيح للطبقات البلورية اختراقها والاقتراب من الورم, تسمى هذه العملية بطريقة النفاذية والاحتباس المعززين EPRاضافة الى هذا تلتحم الطبقات البلورية النانونية بالاجسام المضادة لمحاربة البروتينات السرطانيةوالتي تعرف اختصارا او العلامات البيولوجية للمرض الامر الذي يزيد الدقة العلاجية على المستوى الخلوي.
EPS حيث تستطيع الطبقات البلورية النانونية الوصول للورم باحدى الوسيلتين؛اما باستخدام الجسم المضاد او طريقة

طبقات البلورية النانونية واندمال الأنسجة

نظرا لان الطبقات البلورية النانوية قد صممت بحيث تمتص الاشعة تحت الحمراء دون رفع درجة حرارة الانسجة المحيطة السليمة,,يدرس العلماء كيفية استخدام هذه الاشعة في عملية اندمال الانسجة دون حدوث تلف للانسجة المجاورة,,وقد نجح احد المعاهد العلمية في توظيف هذه الطريقة على عينة من الفئران حيث تم وضع الطبقات البلورية النانوية في اللحام البروتيني ودهنه على الانسجة(الاورام) ثم سلطت الاشعة تحت الحمراء وكانت النتيجة التئام الانسجة تماما.
تتميز مواد النانو بأهمية كبيرة في العلاج البروتيني والجيني وفي علاج اصابات العظام وفي العقاقير نظرا لان حجمها متناهي الصغر يتيح لها اختراق العديد من البيئات البيولوجية ويوفر لها خصائص مهمة عند مستوى النانو. هذا غير أن مساحة سطحها الكبيرة تتفاعل مع الانظمة المعقدة لاكتشاف الامراض وتلف الانسجة والتعامل معها.

 

التأثيرات المستقبلية للتقنية النانوية

من المتوقع أن يكون للتقنية النانوية تأثيرات متنوعة على الاقتصاد والمجتمع والبيئة والأمن القومي.
في عام 2000، بدأت مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية العمل مع المبادرة الوطنية الأمريكية للتقنية النانوية لتوجيه الآثار الممكنة للتقنية النانوية واقتراح الطرق لتخفيض وتقليل النتائج غير المرغوب بها.
على سبيل المثال ,فإن تطورات التقنية النانوية قد تؤدي إلى نقص في بعض الوظائف، كما هو الحال عندما قضى تطور السيارات على العديد من وسائل النقل المعتمدة على الدواب و أدى إلى فقدان العديد لوظائفهم.
إن المنتجات المعتمدة على التقنية النانوية ستؤدي حتماً إلى نتائج مشابهة في بعض الصناعات المعاصرة. ومن الأمثلة على المهن المهددة بالانقراض هي الأعمال في الصناعة التقليدية للتلفزيونات. إن تلفزيونات الإصدار الحقلي المعتمدة على التقنية النانوية أو شاشات التلفاز المسطحة ذات البلورات السائلة ستجعل هذه الأعمال مهملة. تبشر هذه الأنواع الجديدة من التلفزيونات بتحسين جذري في نوعية الصورة .
فمثلاً، في التلفزيونات الجديدة فإن كل بكسل (عنصر صورة) مؤلف من رأس حاد يبعث الالكترونات بسرعة عالية عبر فجوة صغيرة داخل وميض أحمر أو أخضر أو أزرق .إن البيكسلات تكون أكثر سطوعاً بعكس شاشات ال LCD التقليدية التي تفقد سطوعها في ضوء الشمس .
إن تلفزيونات الإصدار الحقلي تحتفظ بوضوحها في سطوع ضوء الشمس وهي تستخدم طاقة أقل بكثير من التلفزيونات العادية ويمكن أن تكون مصنعة بشكل رفيع جداً ( أقل من المليميتر ) ورغم ذلك فإن الأجهزة التجارية الحالية ستكون أضخم قليلاًمن أجل الاستقرار و الثبات التركيبي و قوة البنية .
ادعت شركة سامسونك  أنها ستطلق الموديل التجاري الأول المعتمد على أنابيب الكربون النانوية القاذفة في أوائل 2004

، وحتى اليوم، ما زالت منتجاتها قيد التجريب .
من الممكن أن تكون الخسائر المحتملة الأخرى في الأعمال هي أمناء الصناديق في الأسواق التجارية في حال استبدلوا بالكومبيوترات ذات الأفلام الرقيقة المرنة المعتمدة على التقنية النانوية والتي تكون موضوعة في أغلفة المنتجات البلاستيكية، وبذلك يمكن معرفة قيمتها كلها دفعة واحدة .وبذلك يمكن لزبائن الأسواق التجارية ببساطة تمرير عرباتهم عبر بوابة كشف بشكل مشابه تماماً لأنظمة الأمن المغناطيسي الموجودة عند مخارج المحلات اليوم.
وهكذا ورغم أي تحول في التقنية النانوية فإنه من المتوقع أن توجد التقنية النانوية العديد من الأعمال الجديدة .ويمكن أن تصبح الآثار الاجتماعية كبيرة من التحسن المعتمد على التقنية النانوية في العناية بصحة الإنسان.
ونتيجة تحسن التقنية النانوية فإن زيادة عشرة أعوام في عمر الإنسان هو شيء متوقع في الولايات المتحدة الأمريكية وسيكون لذلك أثر هام على الأمن الاجتماعي و ترتيبات التقاعد.
وفي مجالات التقنية الحيوية و الوراثية : تمتلك سبل تطور أساسية في التقنية النانوية مضموناً أخلاقياً. ويمكن أن يكون للمواد النانوية آثار بيئية عكسية، لذلك؛ لابد من وجود تنظيم مناسب في الموقع لتقليل أية آثار مؤذية، ولأن المواد النانوية غير مرئية للعين المجردة فلا بد من اتخاذ حيطة إضافية لتجنب إطلاق هذه الجسيمات في المحيط .
تشير بعض الدراسات التمهيدية إلى خواص مسرطنة (إمكانية التسبب بالسرطان) للأنابيب الكربونية النانوية .
ورغم أن هذه الدراسات تحتاج للتأكيد فإن العديد من العلماء يعتقدون أنه من الحكمة اتخاذ الإجراءات لمنع أية مخاطرة محتملة يمكن أن تسببها هذه التراكيب النانوية. لكن الأكثرية الضخمة من المنتجات المعتمدة على التقنية النانوية ستحتوي على مواد نانوية متاخمة لمواد أو عناصر أخرى أكثر من المواد النانوية محدودة الحجم ذات الحركة الحرة، وعند ذلك لن تصنف و كأنها مخاطرة.
وفي الوقت نفسه، فإنه من المتوقع أن يكون لانتشار التقنية النانوية فوائد بيئية كتقليل انبعاث ملوثات الهواء ومنظفات قنوات نقل النفط. وتعطي مناطق السطح الواسعة في المواد النانوية قدرة هامة على امتصاص مواد كيميائية متعددة.
فقد استخدم الباحثون الآن وفي المخبر الوطني لشمال غربي المحيط الهادي في ريتشلاند في واشنطن (و هو جزء من قسم الولايات المتحدة للطاقة ) قالباً نفوذاً من السيليكا مع طبقة فعالة خاصة لإزالة الرصاص والزئبق من إمدادات الماء.
أخيراً، يمكن أن يكون للتقنية النانوية في الأمن الوطني والتي يمكنها تحسين القوى العسكرية والسماح برقابة أفضل للسلام وتحقيق المعاهدات.
يمكن أن تطور الجهود مع أجهزة التقنية النانوية لمنع إنتاج الأسلحة النووية أو للكشف عن وجود أسلحة كيميائية و بيولوجية.
 

تنقية المياه وتكنولوجيا النانو

مع ازدياد سرعة تطور الانسان في القطاعات الصناعية والتكنولوجية التي تتطلب المزيد من مصادر الطاقة تزداد مشاكل التلوث البيئي نتيجة لتزايد المخلفات بجميع اشكالها مؤدية لكارثة التلوث الكيميائي حيث تتفاقم الصعوبات والتعقيدات للتخلص من الملوثات او بصورة ادق للحد منها الأمر الذي يقف عنده العلماء عاجزين عن التصرف.
ومما يدعو للتفاؤل ان تصميم ومعالجة المواد على مستوى النانو يوفر فرصة كبيرة للعلماء لتطوير بعض الاستراتجيات لحماية البيئة من التلوث,,وانتاج مصادر طاقة نظيفة واستغلال الطاقة على النحو الامثل وحل مشكلة تلوث المياه وغيرها من المشاكل البيئية

فلقد نجح المركز البيولوجي والبيئي لتكنولوجيا النانو في انتاج غشاء متفاعل من اكسيد الحديد الخزفي المعروف باسم ferroxane  الذي يستخدم لازالة الملوثات والمخلفات العضوية من الماء وتنقيته.و باستخدام اكسيد الالمونيوم الخزفي المتناهي يمكن تغير سمك الغشاء وحجم المسام والقابلية للنفاذ        alumoxane  .

كما أن الاستعانة بالمواد المحفزة النانوية عند معالجة المياه التي تتميز بمساحة سطحية كبيرة لتحتك بالمواد المتفاعلة بصورة أكثر كفاءة من المواد الضخمة, حيث تستخدم هذه المواد في حالات معينة حيث تتم معالجة المياة الجوفية الملوثة بالفعل.

منقول للافاده 

المصدر

http://eng.kufauniv.com/nano/nano10.html