ماذا تعرف عن تقنية النانو؟

مقدمة

في عام 1974 ظهر مصطلح تقنية النانو في محاضرة للبرفوسور الياباني Norio Taniguchi في جامعة طوكيو للعلوم و ذلك كمصطلح مرادف لوصف الالآت الدقيقة و التي كانت بمقياس الميكرو Micro-machines آن ذاك و لم يكن إستخدام هذا المصطلح لدلالة على تقنية مستقلة، و في عام 1986م بدأ أول أستخدام لمصطلح تقنية النانو "”Nanotechnology في الأوساط العلمية بعد ما نشر Eric Drexler كتابه الشهير بعنوان "محركات الإنشاء: عصر تقنية النانو القادم"، حيث أخذ بعد ذلك التاريخ هذا المصطلح بعدا أخرا ليشمل إلى جانب التعامل الصناعي مع الذرات و الجزيئات ( التي قد أهتم بها Eric Drexler في كتابه السابق) جميع أبعاد الأنتاج العلمي النظري و التجريبي للجسميات ذات الأبعاد الدقيقة و التي تتراوح أبعادها من 0.1 نانومتر (الأبعاد الذرية) الى 100 نانومتر.

التقانة النانوية (بالإنجليزية: Nanotechnology) أو تقانة الصغائر

هي دراسة ابتكار تقنيات و وسائل جديدة تقاس أبعادها بالنانومتر وهو جزء من الألف من الميكرومتر أي جزء من المليون من الميليمتر. عادة تتعامل التقانة النانوية مع قياسات بين 0.1 إلى 100 نانومتر أي تتعامل مع تجمعات ذرية تتراوح بين خمس ذرات إلى ألف ذرة. وهي أبعاد أقل كثيرا من أبعاد البكتيريا والخلية الحية . ولكنها حتى الأن لا تختص بعلم الأحياء بل تهتم بخواص المواد.

يستخدم بعض الكتاب الصحفيين أحيانا مصطلح (تقنية الصغائر للتعبير عن النانونية) رغم عدم دقته ، فهو لا يحدد مجاله في التقانة النانوية أو الميكرونية إضافة إلى التباس كلمة صغائر مع جسيم أو الدقائق Particles .

العلوم النانوية و التقنية النانوية إحدى مجالات علوم المواد و اتصالات هذه العلوم مع الفيزياء ، الهندسة الميكانيكية و الهندسة الحيوية و الهندسة الكيميائية تشكل تفرعات و اختصاصات فرعية متعددة ضمن هذه العلوم وجميعها يتعلق ببحث خواص المادة على هذا المستوى الصغير.

وكما جاء في مقال في جريدة (الحياة اللندنية) للكاتب (أحمد مغربي) تعرّف التقنية النانوية بأنها تطبيق علمي يتولى إنتاج الأشياء عبر تجميعها على المستوي الصغير من مكوناتها الأساسية، مثل ذرة و الجزيئات. وما دامت كل المواد المكونة من ذرات مرتصفة وفق تركيب معين ، فإننا نستطيع أن نستبدل ذرة عنصر ونرصف بدلها ذرة لعنصر آخر ، وهكذا نستطيع صنع شيء جديد ومن أي شيء تقريبا. وأحيانا تفاجئنا تلك المواد بخصائص جديدة لم نكن نعرفها من قبل ، مما يفتح مجالات جديدة لاستخدامها وتسخيرها لفائدة الإنسان ، كما حدث قبل ذلك باكتشاف الترانزيستور.

وتكمن صعوبة التقنية النانوية في مدى إمكانية السيطرة على الذرات بعد تجزئة الموادالمتكونة منها. فهي تحتاج بالتالي إلى أجهزة دقيقة جدا من جهة حجمها ومقاييسها وطرق رؤية الجزيئات تحت الفحص . كما أن صعوبة التوصل إلى قياس دقيق عند الوصول إلى مستوى الذرة يعد صعوبة أخرى تواجه هذا العلم الجديد الناشئ.

معنى كلمة نانو

في جميع المراجع المختصة نجد أن كلمة نانو nano هي كلمة إغريقية تعني القزم dwarf و التي يمكن أن تصف كل شيئ صغير و دقيق و من هنا يمكن أن نقول أن مصطلح nanotechnology يعني حرفيا "تقنية الصغائر" و أذا إستخدمنا كلمة نانو وصفا لكل الجسيمات الدقيقة و في هذه الحالة الجسيمات المتناهية في الصغر يمكن أن نصف هذه التقنية بأسم " تقنية النانو" و بداية من المهم أن نتعرف على ما تصفه هذه الكلمة كي نعرف المعنى الحقيقي لها، أن كلمة نانو أو مصطلح نانو يعني جزء واحد من مليار جزء من إي شيء، و بلغة الأرقام 10-9 من شيء ما، و علميا نجد أن كلمة نانو تعني جزء واحد من مليار جزء من المتر، و هذا يعني أننا عند تقسيم المتر الطوالي الواحد الى مليار جزء فإن الجزء الواحد من هذه الأجزاء يمثل نانو متر واحد، و لتقريب الصورة أكثر دعنا نأخذ شعرة رأس إنسان واحدة دقيقة السماكة و بعد النظر الى صغر قطرها و دقتها دعنا نفترض أن عرض قطر هذه الشعرة يساوي 60 ميكرومتر فإذا قمنا بتقسيم هذه الشعرة الدقيقة إلى 60000 مرة إي قسمناها إلى 60000 قسم فإن سماكة القسم الواحد من هذه الأقسام يعادل واحد نانومتر.

و لمزيد من الإضاح دعنا ندرس الشكل التالي و الذي فيه توضيح لمستويات مقاييس الأشياء و التي قسمت الى ثلاثة مستويات "مستوى المليمتر" و "مستوى الميكرومتر" و " مستوى النانومتر" و كذلك يوضح هذا الشكل وسائل رؤية الأشياء والتي تنقسم و بشكل عام الى ثلاثة و سائل " العين المجردة و المجاهر الصغيرة" و " مجاهر الميكرمتر" و " مجاهر النانومتر" كما أن الشكل يوضح القوانين الفيزيائية التي تحكم و تصف عالم هذه الأشياء حيث نجد أن هناك نوعين من الفيزياء، الفيزياء الكلاسيكية و التي تتعامل مع العالم الكبير و الذي تنتهي حدوده بالإقتراب من مستوى جسيمات النانو، و فيزياء الكم و التي تتعامل مع العالم الدقيق و الذي يبدأ من عالم جسيمات النانو و يمتد إلى عالم الذرات و النوى و إلى مادون ذلك. و في الشكل نجد بعض الجسيمات الدقيقة و يمكن من خلالها تقريب صورة إبعاد النانو فمثلا نجد أن طول كريات الدم الحمراء في الإنسان تتراوح ما بين 2000 nm إلى 5000 nm و متوسط طول جزيء DNA يبلغ حوالي 2.5 nm أما النانو المتر الواحد فيعادل المسافة التي تشغلها عشر ذرات هيدروجين جنب الى جنب.

النانو قديماً

يذكر في بعض المصادر أن تقنية النانو قد إستخدمت قديما و ذلك من قبل الحضارة الصينية و الحضارة الإغريقية و ذلك في صناعة الزجاج و لعل الإناء الإغريقي الشهير Lycurgus و الذي تميز بظاهرة مثيرة غير مفسرة حتى وقت قريب تتمثل في تغيّر لونه و ذلك وفقا لزاوية سقوط الضوء عليه فعندما ينفذ الضوء من هذا الإناء يأخذ اللون الوردي المتوهج “Pinkish” و عندما ينعكس الضوء من الإناء يأخذ اللون الأخضر المتوهج “Emerald” و قد تم تفسير هذه الظهار بعد أن تم إكتشاف جسيمات نانو ذهبية nano-gold كانت هي المسئولة عن التفاعل مع الضوء و من ثم إعادة بعثه بالونين السابقين، و في الحقيقة لا يمكن أن نقول أن هناك إستخدام لتقنية النانو في العصور الماضية و ذلك لأن هذه التقنية ما زالت تحت التطوير ففي بداية عام 1980م كان هناك إستشراف لمستقبل هذه التقنية و يعتبر عام 1990م هو بداية أبحاث هذه التقنية و كذلك تبلور مبادئ و مجالات هذه التقنية، أما ما يخص إستخدام الحضارات السابقة لجسيمات الذهب فقد كان من قبيل الصدفة، حيث كان إستخدام الذهب في صناعة الزجاج تطبيقا مشهورا في تلك الفترة خاصة في صناعة الأوعية الثمينة و النفيسة، فعلى كل حال لا يمكن أن نسمي ذلك إستخداما لتقنية النانو علما أن إستخدام جسيمات النانو في الصناعات هو من التطبيقات الحالية و من تطبيقات المدى القريب لهذه التقنية و هو من التطبيقات الأقل تعقيدا مع ملاحظة أن تصنيع جسيمات النانو نفسها هو من التطبيقات الأكثر تعقيدا لتقنية النانو خاصة إذا كان الهدف من تحضير و تصنيع هذه الجسيمات هو إستخدامها إستخداما متقدما.

المجالين الكبيرين في تقنية النانو

تصنف تقنية النانو الى مجالين كبيرين أولهما هي تقنية التصّغير “Top Down” و في هذه التقنية يتم تصغير الجسيمات و التركيبات الدقيقة الى جسيمات و تركيبات أدق و صولا الى جسيمات و تركيبات بمقياس النانو، و في هذه التقنية يتم تصنيع جسيمات النانو من جسيمات أكبر و ذلك بإستخدام النحت أو الطحن و التفتيت و غيرها من التقنيات كما هو الحال في الصناعات الإلكترونية الدقيقة. أما الصنف الثاني من تقنية النانو فهي تقنية البناء “Bottom Up” و فيهي يتم تحضير و تصنيع جسيمات و تركيبات النانو بإستخدام الذرات و الجزيئات المفردة و ذلك بالتحكم المباشر فيها، و توصف تقنية البناء “Bottom Up” هذه بتقنية بناء تركيبات النانو ذرة ذرة و هي من التطبيقات بعيدة المدى لتقنية النانو حيث ما زالت الأبحاث و الدرسات في هذا المجال في مراحلها الأولية.

تقنية التصّغير “Top Down” و تقنية البناء “Bottom Up” نموذجين لتقنية النانو في مجال تصنيع جسيمات و تركيبات النانو

جسيمات النانو

جسيمات النانو nano-particles أو مواد النانو nano-materials هي مصطلح يصف الجسيمات و المواد التي تقل أبعادها أو أحد أبعادها على الأقل عن 100 نانومتر، و هذا التعريف هو التعريف الأكثر قبولا في الأوساط العلمية، و جسيمات النانو يمكن أن توجد أو تصّنع في ثلاثة أبعاد فهناك الجسيمات ذات البعد الواحد one dimensions و من أمثلتها شرائح النانو nano- layers و الجسيمات ذات البعدين two dimensions و من أمثلتها أنابيب النانو nano-tubes و أسلاك النانو nano-wires و الجسيمات ثلاثية الأبعاد three dimensions و من أمثلتها النقاط الكمية quantum dots و بلورات النانو nano-crystalline و غيرها من الجسيمات،

ن المواد عندما تكون جسيمات نانو (أبعادها أقل من 100 نانومتر) فأنها تظهر و تعطي خصائص مغايرة و مختلفة تماما عن خصائصها عندما كانت في حالتها الإعتيادية و هذه الخصائص وهذه الظاهرة جعلت من جسيمات النانو "معجزة علمية جديدة" فلك أن تتخيل أن الخصائص المعروفة لدينا عن مادة ما سوف تختلف تماما عندما تكون هذه المادة جسيم نانو، فمثلا المواد العزلة تصبح موصلة عندما تكون جسيمات نانو و كذلك الموصلات تصبح عوازل عندما تصبح جسيمات نانو، و هكذا الكثير و الكثير من السلوكيات و الخصائص المبهرة، و التي سنتحدث عنها و عن أسباب حدوثها و ذلك في القسم الخاص بجسيمات النانو، أما هنا فإننا سنشير سريعا لبعض هذه الخصائص.

من الخصائص المميزة لجسيمات النانو القدرة على تغيير اللون و ذلك عندما يتغير حجم هذه الجسيمات و أشكالها، و هذه الظاهرة نجدها عند بعض العناصر مثل عنصر الذهب و كذلك عنصر الفضة، فإضافة للونيهما الذهبي و الفضي المعروفين لنا جيدا، نجد أن لون محلول الذهب يتغير من اللون الذهبي الى اللون البرتقالي فجأة و ذلك عندما يكون حجم جسيماته أقل من 100 نانومتر، و كذلك يصبح لون هذا المحلول أخضر عندما يقل حجم جسيمات الذهب عن 50 نانومتر مع ملاحظة أن جسيمات الذهب ذات شكل كروي nano-spheres

مستقبل تقنية النانو

ذكرنا سابقا إن تقنية النانو هي تقنية العصر القادم، فمن المتوقع أن تدخل هذه التقنية في الكثير من تطبيقاتنا الصناعية و الطبية و الزراعية و في مجال تقنية المياة و مكافحة التلوث و كذلك في مجال الطاقة، ففي المجال الطبي سيتمكن الأطباء بإذن الله من زيادة فاعلية التشخيص و العلاج و ذلك بإستخدام أجهزة النانو التي تستطيع السفر خلال الجسم و الوصول الى الأنسج و الخلايا المصابة و تقديم العلاج الكافي لها و كذلك فحصها لمعرفة مدى إستفادتها من العلاج، و في المجال الطبي إيضا ستتحسن طرق علاج الأمراض الخطيرة مثل أمراض السرطان فمن المتوقع أن تقنية النانو ستقدم الكثير من الحلول الطبية التي تتميز بدقتها و بعدم وجود جوانب سلبيها لها كما هو الحال مع طرق العلاج التقليدية.

و هناك الكثير من التطبيقات و التي يمكن تقسيمها الى تطبيقات في المدى القصير و من أمثلتها ما هو موجود حاليا قيد الإستخدام و كذلك بعض التطبيقات الطبية لهذه التقنية و معالجة المياة و مكافحة التلوث و هناك تطبيقات في المدى المتوسط مثل التطبيقات الصناعية و الزراعية و الإلكترونيات، و هناك تطبيقات في المدى البعيد مثل بناء أجهزة النانو و ذلك بإستخدام الذرات و الجزيئات و كذلك تصنيع جسيمات النانو "ذرة ذرة" كما يقال، و هذه التطبيقات هي ذروة هذه التقنية و هي الأمد الأبعد لها و الذي قد لا يكون قريب المنال فما زال أمام الباحثين الكثير من العمل في مجال تطوير أجهزتهم و تقنياتهم و قدراتهم لتعامل مع هذه التقنية و كذلك أمامهم الكثير من البحث و الدراسة لكشف المزيد و المزيد من خصائص و مميزات جسيمات النانو و كذلك مركباتها.

تحديات تواجه النانو

قد يكون من المناسب أن نذكر القانونين التجريبين الذين وضعهما جوردون مور رئيس شركة إنتل العالمية ليصف بهما التغير المذهل في إلكترونيات الدوائر المتكاملة .

فقانون مور الأول ينص على أن المساحة اللازمة لوضع الترانزيستور في شريحة يتضاءل بحوالي النصف كل 18 شهرا . هذا يعني أن المساحة التي كانت تتسع لترانزستور واحد فقط قبل 15 سنة يمكنها أن تحمل حوالي 1’000 ترانزستور في أيامنا هذه
قانون مور الثاني يحمل أخبارا قد تكون غير مشجعة ؛ كنتيجة طبيعية للأول فهو يتنبأ بأن كلفة بناء خطوط تصنيع الشرائح تتزايد بمقدار الضعف كل 36 شهرا.

إن مصنعي الشرائح قلقون بشأن ما سيحدث عندما تبدأ مصانعهم بتصنيع شرائح تحمل خصائصاً نانوية . ليس بسبب ازدياد التكلفة الهائل فحسب ، بل لأن خصائص المادة على مقياس النانو تتغير مع الحجم ، ولا يوجد هناك سبب محدد يجعلنا نصدق أن الشرائح ستعمل كما هو مطلوب منها ، إلا إذا تم اعتماد طرق جديدة ثورية لتصميم الشرائح المتكاملة . في العام 2010 سوف تصبح جميع المبادئ الأساسية في صناعة الشرائح قابلة للتغيير و إعادة النظر فيها بمجرد أن نبدأ بالانتقال إلى الشرائح النانوية منذ أن وضع مور قانونيه التجريبيين ، إن إعادة تصميم و صناعة الشرائح لن تحتاج إلى التطوير فحسب ؛ بل ستحتاج إلى ثورة تتغير معها المفاهيم والتطلعات. هذه المعضلات استرعت انتباه عدد من كبرى الشركات و جعلتهم يبدؤون بإعادة حساباتهم وتسابقهم لحجز موقع استراتيجي في مستقبل الشرائح النانوية.

و أخيرا على علماء النانو و كذلك الباحثين في هذا المجال الحذر من الجوانب السلبية لهذه التقنية فالحاجة كبيرة لمزيد من البحث و الدراسة لتحديد مخاطر هذه التقنية و خاصة تحديد مخاطر جسيمات النانو فو كذلك الطرق العلمية الصحيحة لتعامل مع هذه التقنية و مع موادها و منتجاتها،

مصادر مختلفة

» تخيلوا ماذا يمكن أن تقدم لنا تقنية النانو!!!!!!
» ماذا تعرف عن الأندروفين ؟!
» ماذا تعرف عن برج بيزا المائل ؟؟؟؟؟؟