ماذا تعرف عن تكنولوجيا النانو؟

[Mary Naeem]

ماذا تعرف عن تكنولوجيا النانو؟

تكنولوجيا النانو هي واحدة من أكثر مجالات العلوم والتكنولوجيا إثارة وسريعة الحركة اليوم، فتخيل لو أنك خرجت من الحمام فقط لتكتشف أنك قد تقلصت في الغسيل بنحو 1500 مليون مرة، وإذا دخلت إلى غرفة المعيشة الخاصة بك، فإن ما تراه حولك لن يكون كراسي وطاولات وأجهزة كمبيوتر وعائلتك ولكن ذرات وجزيئات وبروتينات وخلايا، فقد تقلصت إلى مقياس النانو، فلن ترى الذرات التي يتكون منها كل شيء فحسب بل ستتمكن في الواقع من تحريكها، ولنفترض الآن أنك بدأت في لصق تلك الذرات معا بطرق جديدة مثيرة للإهتمام، فيمكنك بناء جميع أنواع المواد الرائعة، وكل شيء من الأدوية الجديدة إلى رقائق الكمبيوتر فائقة السرعة، وإن صنع أشياء جديدة على هذا النطاق الصغير بشكل لا يصدق يسمى بتقنية النانو.

ما هو حجم النانو ؟

نحن نعيش على مقياس متر و كيلومتر (آلاف الأمتار)، لذلك من الصعب جدا علينا أن نتخيل عالما صغيرا جدا بحيث لا يمكن رؤيته، ومن المحتمل أنك نظرت إلى صور مذهلة في كتب العلوم لأشياء مثل عث الغبار والذباب الذي تم تصويره بإستخدام المجاهر الإلكترونية، وتصنع هذه الأدوات العلمية القوية صورا مجهرية مما يعني عرضا بمقياس المليون من المتر، وتنظير النانو يتضمن تقليص الأشياء إلى مستوى جديد كليا، والنانو يعني المليار، وبالتالي فإن النانومتر هو جزء من المليار من المتر، وبعبارة أخرى، فإن مقياس النانو أصغر 1000 مرة من المقياس المجهري ومليار (1000 مليون) مرة أصغر من عالم الأمتار الذي نعيش فيه.

من علم النانو إلى تكنولوجيا النانو








هذا كله مثير للإهتمام ومثير للإعجاب، ولكن ما الفائدة منه؟ حياتنا لها بعض المعنى على مقياس الأمتار، ولكن من المستحيل التفكير في الوجود اليومي العادي على مقياس أصغر 1000 مرة من عين الذبابة، ولا يمكننا التفكير في مشاكل مثل الإيدز، أو فقر العالم، أو الإحتباس الحراري لأنها تفقد كل المعنى على مقياس النانو، ومع ذلك، فإن مقياس النانو هو العالم الذي تتحد فيه الذرات والجزيئات (الذرات مع بعضها البعض) والبروتينات والخلايا التي تحكم الجثم، وهو مكان يكتسب فيه العلم والتكنولوجيا معنى جديدا تماما.

من خلال تكبير مقياس النانو، يمكننا معرفة كيف تعمل بعض الأشياء المحيرة في عالمنا من خلال رؤية كيف تحدث الذرات والجزيئات، وربما كنت قد رأيت أن برامج التلفزيون الخادعة تعمل مع صور الأقمار الصناعية، حيث تبدأ مع صورة الأرض الخضراء والزرقاء والتكبير بسرعة كبيرة على نطاق متزايد حتى تحدق فجأة في الحديقة الخلفية لشخص ما، وتدرك أن الأرض خضراء لأنها مصنوعة من خليط من العشب الأخضر، واستمر في التكبير وسترى البلاستيدات الخضراء في العشب كبسولات خضراء داخل الخلايا النباتية التي تنتج الطاقة من ضوء الشمس.

وقم بتكبير المزيد وسترى في النهاية جزيئات مصنوعة من الكربون والهيدروجين والأكسجين تتفكك وإعادة تجميعها داخل البلاستيدات الخضراء، ولذا فإن مقياس النانو جيد لأنه يتيح لنا القيام بعلم النانو، فهو يساعدنا على فهم سبب حدوث الأشياء من خلال دراستها على أصغر نطاق ممكن، وبمجرد أن نفهم علم النانو يمكننا القيام ببعض تكنولوجيا النانو، فيمكننا وضع العلم موضع التنفيذ للمساعدة في حل مشاكلنا، وهذا ما تعنيه كلمة التكنولوجيا وكيف تختلف التكنولوجيا (العلوم التطبيقية) عن العلوم البحتة، والتي تدور حول دراسة الأشياء من أجلها.

ما هو الجيد في مقياس النانو ؟

اتضح أن هناك بعض الأشياء المثيرة للإهتمام حول مقياس النانو، حيث تتصرف الكثير من المواد بشكل مختلف جدا في عالم الذرات والجزيئات، على سبيل المثال، يكون النحاس المعدني شفافا على مقياس النانو بينما يصبح الذهب الذي لا يتفاعل عادة نشطا كيميائيا للغاية، ويصبح الكربون الذي يكون ناعما جدًا في شكله المعتاد (الجرافيت) صعبا للغاية عندما يتم تعبئته بإحكام في ترتيب تنظير نانوي يسمى الأنبوب النانوي، وبمعنى آخر يمكن أن تحتوي المواد على خصائص فيزيائية مختلفة على مقياس النانو على الرغم من أنها لا تزال هي نفس المواد، وعلى مقياس النانو يسهل على الذرات والجزيئات التحرك بين بعضها البعض وبالتالي يمكن أن تكون الخصائص الكيميائية للمواد مختلفة أيضا، وتحتوي الجسيمات النانوية على مساحة سطحية أكثر تعرضا للجسيمات النانوية الأخرى لذا فهي جيدة جدا كمحفزات (المواد التي تسرع التفاعلات الكيميائية).

أحد أسباب هذه الإختلافات هو أن العوامل المختلفة تصبح مهمة على مقياس النانو، وفي عالمنا اليومي الجاذبية هي أهم قوة نواجهها، فهي تهيمن على كل شيء من حولنا من الطريقة التي يتدلى بها شعرنا حول رأسنا إلى الطريقة التي تحتوي فيها الأرض على مواسم مختلفة في أوقات مختلفة من العام، ولكن على مقياس النانو الجاذبية أقل أهمية بكثير من القوى الكهرومغناطيسية بين الذرات والجزيئات، وعوامل مثل الإهتزازات الحرارية (الطريقة التي تخزن بها الذرات والجزيئات الحرارة عن طريق الهزهزة) تصبح مهمة أيضا، بإختصار لعبة العلوم لها قواعد مختلفة عندما تلعبها على مقياس النانو.

كيف تعمل على مقياس النانو؟

يبلغ طول أصابعك ملايين النانومتر، لذا ليس من الجيد محاولة إلتقاط الذرات والجزيئات وتحريكها بيديك العاريتين، وسيكون ذلك مثل محاولة تناول العشاء مع شوكة بطول 300 كيلومتر (186 ميل)، ومن المثير للدهشة أن العلماء طوروا مجاهر إلكترونية تتيح لنا رؤية" الأشياء على مقياس النانو ومعالجتها أيضا، وتسمى مجاهر القوة الذرية (AFMs)، ومجاهر المسح الضوئي (SPMs)، ومجاهر مسح الأنفاق (STMs).

الفكرة الأساسية للمجهر الإلكتروني هي إستخدام شعاع من الإلكترونات لرؤية الأشياء الصغيرة جدا بحيث لا يمكن رؤيتها بإستخدام شعاع من الضوء، ويستخدم الميكروسكوب النانوي التأثيرات الإلكترونية والكمية لرؤية الأشياء الأصغر، كما أن لديه مسبارا صغيرا يمكن استخدامه لتحويل الذرات والجزيئات حولها وإعادة ترتيبها مثل كتل البناء الصغيرة، وفي عام 1989 استخدم باحث آي بي إم دون إيغلر مجهرا كهذا لتوضيح كلمة I-B-M عن طريق تحريك الذرات الفردية إلى موضعها، واستخدم علماء آخرون تقنيات مماثلة لرسم صور القيثارات النانوية والكتب وجميع أنواع الأشياء الأخرى، وهذه تمارين تافهة في الغالب مصممة لإبهار الناس بالطاقة النانوية، ولكن لديهم أيضا تطبيقات عملية مهمة، وهناك الكثير من الطرق الأخرى للعمل مع تقنية النانو بما في ذلك خلاصة الشعاع الجزيئي، وهي طريقة لتنمية طبقة واحدة من بلورات مفردة لذرات في كل مرة.

فيم تستخدم تكنولوجيا النانو ؟



ستحدث معظم فوائد تكنولوجيا النانو لعقود في المستقبل، ولكنها تساعد بالفعل على تحسين عالمنا بطرق عديدة مختلفة، ونميل إلى التفكير في تكنولوجيا النانو باعتبارها شيئا جديدا وغريبا، ربما لأن كلمة تكنولوجيا تعني ضمنيا اصطناعيا ومن صنع الإنسان، ولكن الحياة نفسها هي مثال على تكنولوجيا النانو من البروتينات والبكتيريا والفيروسات والخلايا التي تعمل جميعها على مقياس النانو.

المواد النانوية

قد تكون تكنولوجيا النانو تستخدم بالفعل، فربما ترتدي بنطالا بتكنولوجيا النانو، أو تمشي على سجادة بتكنولوجيا النانو، أو تنام على أوراق بتقنية النانو، أو تنقل أمتعة بنفس التقنية النانونية إلى المطار، وكل هذه المنتجات مصنوعة من الأقمشة المطلية بألياف النانو وهذه الألياف السطحية الصغيرة صغيرة جدا لدرجة أن الأوساخ لا يمكنها إختراقها، مما يعني بقاء الطبقات العميقة من المواد نظيفة، وتستخدم بعض العلامات التجارية لواقيات الشمس تقنية النانو بطريقة مماثلة، فهي تغطي بشرتك بطبقة من ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي أو أكسيد الزنك التي تحجب أشعة الشمس فوق البنفسجية الضارة، وتظهر الطلاء النانوي أيضا على مصدات السيارات المقاومة للخدش والإجراءات المضادة للإنزلاق في الشاحنات والحافلات، والدهانات المقاومة للتآكل، وضمادات الجروح.

تعد الأنابيب النانوية الكربونية من بين أكثر المواد النانوية إثارة، وهذه الجزيئات الكربونية على شكل قضيب يبلغ عرضها نانومتر واحد تقريبا، وعلى الرغم من أنها مجوفة إلا أن هيكلها المكتظ يجعلها قوية بشكل لا يصدق ويمكن أن تنمو إلى ألياف من أي طول تقريبا، وقد اقترح علماء وكالة ناسا مؤخرا أن الأنابيب النانوية الكربونية يمكن استخدامها لصنع مصعد ضخم يمتد على طول الطريق من الأرض إلى الفضاء، ويمكن نقل المعدات والأشخاص ببطء إلى أعلى وأسفل (سلم الكربون إلى النجوم)، مما يوفر الحاجة إلى رحلات صاروخية باهظة الثمن.

رقائق النانو






أحد أشكال تكنولوجيا النانو التي نستخدمها جميعا هي الإلكترونيات الدقيقة، ويشير الجزء الصغير من تلك الكلمة إلى أن رقائق الكمبيوتر تعمل على المقياس الميكروسكوبي، ولكن منذ صياغة مصطلحات مثل الرقائق الدقيقة في السبعينيات وجد المهندسون الإلكترونيون طرقا لتعبئة المزيد من مفاتيح الترانزستور في دوائر متكاملة لجعل أجهزة الكمبيوتر أصغر وأسرع وأرخص من أي وقت مضى، وهذه الزيادة المستمرة في قوة الحوسبة تتم باسم قانون مور، وستضمن تكنولوجيا النانو استمرارها في المستقبل.

ويبلغ عرض الترانزستورات اليومية في أوائل القرن الحادي والعشرين عرضا يتراوح من 100 إلى 200 نانومتر، ولكن التجارب المتطورة تعمل بالفعل على تطوير أجهزة أصغر بكثير، وفي عام 1998 صنع العلماء ترانزستورا من أنبوب نانو كربون واحد، ولا يقتصر استخدام الرقائق داخل أجهزة الكمبيوتر على تقنية النانو، فتتحول الشاشات الموجودة على كل شيء من أجهزة الأي باد والهواتف المحمولة إلى أجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة التلفزيون ذات الشاشات المسطحة إلى الثنائيات العضوية الباعثة للضوء (OLED) والمصنوعة من البلاستيك.

آلات النانو






أحد أكثر المجالات إثارة في تقنية النانو هي إمكانية بناء آلات صغيرة بشكل لا يصدق، أشياء مثل التروس أو المفاتيح الكهربائية أو المضخات أو المحركات من الذرات الفردية، ويمكن تحويل الآلات النانوية إلى روبوتات نانوية (تسمى أحيانا روبوتات نانوية) يمكن حقنها في أجسامنا لإجراء إصلاحات أو إرسالها إلى بيئات خطرة أو خطيرة، وربما لتنظيف محطات الطاقة النووية المهجورة، كما هو الحال في كثير من الأحيان تقود الطبيعة البشر هنا، ولقد وجد العلماء بالفعل العديد من الأمثلة على الآلات النانوية في العالم الطبيعي، على سبيل المثال يمكن لبكتيريا شائعة تسمى إيشيرشيا كولاي أن تبني لنفسها ذيلا صغيرا لتكنولوجيا النانو تتدحرج مثل نوع من المروحة لجعلها أقرب إلى الطعام، ويعرف صنع الآلات النانوية أيضا بإسم التصنيع الجزيئي وتكنولوجيا النانو الجزيئية (MNT).