تقنية النانو وتطبيقاتها
 |
| تقنية النانو |
تقنية النانو وتطبيقاتها the Nano technique
تعريف النانو : علم النانو هو دراسة المبادئ الأساسية للجزيئات والمركبات التي لا يتجاوز قياسه الـ 100 نانو متر، فالنانو هو أدق وحدة قياس مترية معروفة حتى الآن ، ويبلغ طوله واحد من بليون من المتر أي ما يعادل عشرة أضعاف وحدة القياس الذري المعروفة بالأنغستروم ، ويعرَّف النانومتر بأنه جزء من البليون من المتر، وجزء من الالف من الميكرومتر. ولتقريب هذا التعريف إلى الواقع فان قطر شعرة الرأس يساوي تقريبا 75000 نانومتر، كما ان حجم خلية الدم الحمراء يصل إلى 2000 نانومتر، و يعتبر عالم النانو الحد الفاصل بين عالم الذرات والجزيئات وبين عالم الماكرو.
ما هي تقنية النانو؟
المقصود بالنانو أو تقنية النانو هو العمل بالجزيئات متناهية الصغر وتعرف بتقنية الصغائر أي أصغر جزء من المادة يمكن التعامل معه، وتهتم هذه التقنية بالمواد التي يمكن قياسها بالمقياس الذري الجزيئي والتي تكون أبعادها بالنانومتر، والنانومتر هذا هو جزء من المليون من الميلمتر، وللتقريب أكثر فأن قطر شعرة الرأس الواحدة يبلغ نحو 75000 نانومتر.
تاريخ تكنولوجيا النانو :
كشفت أبحاث ماريان ريبولد وزملائها في جامعة درسدن الألمانية الغطاء عن سر السيف الدمشقي المشهور بقدرته الكبيرة على القطع ومتانته المذهلة ومرونته الكبيرة، فقد تبين لها أنه مصنوع من مواد مؤلفة بمقياس النانومتر، فأنابيب الكربون النانوية التي تعتبر من أقوى المواد المعروفة وذات المرونة ومقاومة الشد المرتفعة، أحاطت بالأسلاك النانوية من السمنتيت (Fe3C) وهو مركب قاس وقصف.
منذ آلاف السنين قصد البشر استخدام تقنية النانو. فعلى سبيل المثال أستخدم في صناعة الصلب والمطاط. كلها تمت اعتمادا على خصائص مجموعات ذرية نانوميترية في تشكيلات عشوائية.وتتميز عن الكيمياء في أنها لا تعتمد على الخواص الفردية للجزيئات.. الأولى إلى بعض المفاهيم المميزة في النانو تقنية(تسبيق لكن استخدام هذا الاسم) في عام 1867 كاتب جيمس ماكسويل عندما اقترحت فكرة تجربة صغيرة كيان يعرف ماكسويل للشيطان من معالجة الجزيئات الفردية. في عام 1920 أدخل ارفنغ لانجميور وكاثرين بلودغيت مفهوم نظام monolayer أي طبقة ذرية واحدة أو طبقة مادة يبلغ سمكها مقاييس الذرة. وحصل لانجميور على جائزة نوبل في الكيمياء لعمله.
ولأن النانومتر الواحد لا يمكن رؤيته بالعين المجردة باعتبار هذا الحجم أقل بكثير من حجم البكتيريا وحتى الذرة، غالبًا ما يتم التعامل مع مجموعة من الذرات تتراوح بين خمسة إلى ألف ذرة حتى يصل حجمها من 0.1 إلى 100 نانومتر.
حتى الآن تعتبر تقنية النانو في مرحلة بحث وتطور ومازالت تنفق الدول الكبرى مئات الملايين من الدولارات في البحوث العلمية على هذه التقنية. فحتى عام 2012 أنفقت الولايات المتحدة وحدها نحو 3.7 بليون دولار في البحوث التي تمت على هذه التقنية.
ولتعريف هذه التقنية باختصار أكثر فإنها تتولى دراسة ومعالجة المواد عبر تجميع الجزيئات المتناهية الصغر لهذه المواد ورصفها جنبًا لجنب بحيث يمكن استبدال عنصر مكان آخر مهما كان متناهي في الصغر.
وبذلك قد نحصل على مواد جديدة في حال استبدال عناصر مكان أخرى ويكون لهذه المواد خواص جديدة يمكن استعمالها فيما يفيد الإنسان والبشرية جمعاء.
أما بالنسبة للأدوات التي تستخدم في التعامل مع هذه التقنية فأولها وأهمها “الميكروسكوب الأنبوبي الماسح” الذي يقوم بتصوير الأجسام التي تكون بحجم النانو، أُخترع عام 1981بواسطة العالمان الألمانيان بينج وروهر اللذان حصلا على جائزة نوبل في الفيزياء 1986 عن اختراعهما هذا.
علوم النانو وتقنية النانو :
علوم النانو وتقنية النانو إحدى مجالات علوم المواد واتصالات هذه العلوم مع الفيزياء، الهندسة الميكانيكية والهندسة الحيوية والهندسة الكيميائية تشكل تفرعات واختصاصات فرعية متعددة ضمن هذه العلوم وجميعها يتعلق ببحث خواص المادة على هذا المستوى الصغير.
جاء في مقال في جريدة الحياة اللندنية للكاتب (أحمد مغربي) تعرّف تقنية النانو بأنها تطبيق علمي يتولى إنتاج الأشياء عبر تجميعها على المستوي الصغير من مكوناتها الأساسية، مثل الذرّة والجزيئات. 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 تقنية النانو 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. بالإضافة ما يزال هناك جدل ومخاوف من تأثيرات تقنية النانو، وضرورة ضبطها.
تطبيقات تقنية النانو
1- تطبيقات تقنية النانو الطبية
لقد ساعد التطور الحديث في تقنيات النانو على تغيير القواعد الطبية المتبعة في منع الأمراض وتشخيصها وعلاجها وأصبحنا نعيش عصر التقنية الطبية النانوية، حيث تقدم تقنية النانو، على سبيل المثال، طرقاً جديدة لحاملات الدواء داخل جسم الإنسان (تسمى حاملات نانوية ذات أحجام تصل إلى مقياس النانو) تكون قادرة على استهداف خلايا مختلفة في الجسم.
ويمكن بواسطة هذه التقنية تصوير خلايا الجسم بسهولة كما لو أننا نأخذ لها صورة عادية، كذلك يمكن التحكم بتلك الخلايا وتشكيلها بأشكال مختلفة.
تستخدم أنواع كثيرة من الجسيمات النانوية في التطبيقات الطبية بحيث تعمل كحاملات للدواء أو أدوات للتصوير داخل الجسم، وحاليا تستخدم أنواع مختلفة من جسيمات الليبوزوم النانوية المصنعة كأنظمة توصيل للعقارات المضادة للسرطان واللقاحات، كما تستخدم جسيمات الذهب النانوية في أجهزة الاختبار المنزلي للكشف عن الحمل.
تستخدم الأسلاك النانوية كمجسَّات حيوية نانوية وذلك لحساسيتها العالية وحجمها النانوي، حيث يتم طلاء هذه الأسلاك النانوية بأجسام مضادة مصنَعة بحيث أنها تلتصق فقط بالجزيئات الحيوية (DNA)، أو البروتينات، أو الجسيمات البيولوجية الأخرى الموجودة داخل الجسم، وليس غيرها من الجزيئات الأخرى، وعندما ترتبط هذه البروتينات أو غيرها بالأسلاك النانوية المطلية فسوف تتغير توصيليتها، وبذلك يمكن استخدام هذا المجس الحيوي النانوي في اكتشاف عدد كبير من الأمراض في مراحلها الأولية، وذلك بإدخال أعداد كبيرة من الأسلاك النانوية داخل الجسم يتم طلائها بأجسام مضادة مختلفة، تمثل مجسَّات مختلفة.
كذلك تستخدم الأغلفة النانوية المطلية بالذهب لتدمير الخلايا السرطانية، ويبلغ طول هذه الأغلفة النانوية حوالي 120 نانومتر وهذا أصغر من حجم خلية السرطان بمقدار 170 مرة، وعند حقن هذه الأغلفة النانوية داخل الجسم فإنها تلتصق تلقائياً بالخلايا السرطانية, ومن ثم يتم تعريض تلك الخلايا لأشعة ليزر تحت الأحمر والتي تعمل على تسخين الذهب ورفع درجة حرارته مما يؤدي إلى احتراق تلك الخلايا وموتها، وتمتاز هذه الطريقة بالدقة والموضعية نظراً لصغر الأغلفة النانوية بالنسبة للخلايا وتركُزها بالخلايا المريضة فقط مما يجعل الخلايا السليمة بعيدة عن مخاطر الآثار الجانبية.
مولدات النانو الحيوية، عبارة عن أجهزة كهروكيميائية نانوية تقوم بتوليد قدرة كهربية من جلوكوز الدم في الجسم ومن ثم تستخدم هذه القدرة في تشغيل أجهزة نانوية أخرى مزروعة داخل جسم الإنسان مثل أجهزة ضبط النبض أو روبوتات حقن السكر النانوية.
ومن التطبيقات الطبية الواعدة لتقنية النانو هي استخدام ألياف البوليمر النانوية لإجراء الجراحات الترقيعية للأوعية الدموية وقد تم حديثاً زراعة أجهزة ترقيعية مصنوعة من ألياف البروتين النانوية في الجهاز العصبي المركزي للإنسان، كذلك تستخدم ألياف البوليمر النانوية في علاج الحروق والجروح وتدخل في صناعة المستحضرات التجميلية.
عند حقن جسيمات سلينيد الكادميوم النانوية (النقاط الكمية) داخل الجسم فإنها تتجمَع داخل الخلايا السرطانية بشكل انتقائي وفي حالة تعريض المنطقة المستهدفة لضوء فوق بنفسجي فإن الجسيمات تُضيء مما يساعد في تحديد موقع الخلايا الخبيثة وإزالتها بدقة.
يتم التفكير الآن بتصنيع أجهزة نانوية ذات خصائص ميكانيكية وكهربية تحل بديلاً عن خلايا الدم الحمراء وتقوم بجميع وظائفها، كما أن تقنية النانو تقدم الآن بديلاً لقطع الغيار البشرية بكفاءة تكون قريبة من الأصلية، حيث تُجرى البحوث الآن باستبدال بعض الأعضاء التي تؤدي وظائف حركية، كاعظام والعضلات والمفاصل بأعضاء نانوية تقوم بنفس المهمة.
تستخدم الجسيمات النانوية المصنَعة من العناصر الأرضية النادرة لإزالة الفوسفات في الدم عند المرضى المصابين بفرط الفوسفاتية في الدم.
تلعب تقنية النانو دوراً كبيراً في تحسين هندسة الأنسجة الحية وعلاج الخلايا وذلك يشمل استخدام خلايا حية أو مركبات طبيعية أو مصنَعة يتم زراعتها داخل الجسم الحي.
ويقوم بعض الباحثين الآن بمحاولات تجريبية يتم فيها استخدام كبسولات سيلكون نانوية تعمل على وقف نظام الجسم المناعي من التعرف على الخلايا الغريبة حيث تقوم هذه الكبسولات بحجب الأجسام المضادة الناتجة من نظام الجسم المناعي بينما يتم إطلاق كمية كافية من الأنسولين المحمول بواسطة الكبسولات النانوية في الدم.
كما أن الأدوات الجراحية أصبحت الآن هدفاً للتطوير والتحسين باستخدام تقنية النانو، حيث أمكن تصميم مبضع جراحي يعتمد على مادة الألماس النانوية والذي يقطع بدقة متناهية خلال كرة العين. ومن المتوقع في المستقبل القريب أن تُقدم تقنية النانو حلولاً ناجحة لتصحيح التلف الناتج في الأجهزة السمعية والبصرية والحسية في الإنسان وذلك بزراعة أجهزة نانوية دقيقة داخل الجسم، فعلى سبيل المثال، يعمل الباحثون الآن على زراعة غشاء نانوي في شبكية الأعمى لتحسين النظر لديه.
2- تطبيقات تقنية النانو في الاتصالات والكمبيوتر
يتم الآن تصنيع ألياف نانوية بصرية تكون قادرة على إرسال المعلومات والمكالمات مباشرة بدون الحاجة إلى تحويلها من ضوء إلى كهرباء وبالتالي تزداد سرعة النقل إلى حوالي 100 ضعف، كذلك يمكن صناعة ليزرات نانوية مما يجعل أجهزة الاتصالات المستخدمة صغيرة الحجم جداً. كذلك تستخدم الألياف النانوية كقافلات ضوئية في البلورات السائلة في الاتصالات الضوئية. كما أن أنابيب الكربون النانوية تستخدم في صنع ترانزستور الأثر المجالي والقافلات في الكمبيوترات مما يؤدي إلى أن زمن القفل سيكون سريعاً جداً بمقدار 410 أسرع من المركبات العادية.
كذلك من أهداف صانعي الكمبيوترات في الوقت الحاضر زيادة عدد القافلات في الشرائح الإلكترونية، وحيث أن أنابيب الكربون النانوية ذات قطر 2 نانومتر لها مقاومة منخفضة جداً وبالتالي تحمل تياراً كبيراً فإنه يمكن استخدامها كتوصيلات داخلية في القافلات بديلاً عن أسلاك النحاس العادية، ونتيجة للتوصيلية العالية لأنابيب الكربون النانوية فإنها يمكن أن تعمل كحمَّام حراري لتبديد الحرارة بعيداً عن الشريحة الإلكترونية، كذلك يمكن تصنيع كمبيوترات المستقبل من شبكة أنابيب كربون نانوية متوازية موضوعة على قاعدة معينة.
3- تطبيقات عامة لتقنية النانو
يتم في الوقت الحاضر تصنيع أنواع معينة من الثياب يدخل في تركيبها جسيمات نانوية مثل جسيمات السليكون، وتمتاز هذه الثياب بأنها مقاومة للرائحة والأصباغ.
كذلك تستخدم بعض المواد البلورية النانوية الجيلاتينية كمواد عازلة تُطلى بها سطوح المباني والمكاتب للتخفيف من الحرارة. وبالإضافة إلى ذلك فإن بعض المواد النانوية مثل كربيد التنجستن وكربيد التانتاليوم تمتاز بصلابتها العالية مقارنة بالمواد العادية، لذلك فهي تدخل في صناعة بعض أدوات القطع والحفر.
وكما هو معروف فإن دقة تحليل شاشات العرض التليفزيونية تعتمد بشكل كبير على مادة الفوسفور التي تكون على شكل نقاط صغرة جداً تسمى بكسل، وعند استخدام المواد الفوسفورية النانوية مثل، سلينيد الزنك، كبريتيد الزنك، وكبريتيد الكادميوم في تصنيع شاشات العرض فإن دقة تحليلها وصفائها سوف تتحسن كثيراً، بالإضافة إلى تخفيض تكلفة الإنتاج. لقد استطاعت شركة سامسونج الكورية من إنتاج شاشات عرض مسطحة باستخدام الانبعاث الإلكتروني الناتج من أنابيب الكربون النانوية، كذلك نجحت شركة يابانية من إنتاج مصابيح الأنابيب المفرغة تعتمد على الانبعاث الإلكتروني من الأنابيب الكربونية النانوية وتمتاز هذه المصابيح مقارنة بالعادية بأنها أكثر لمعاناً وكفاءة وتعيش لفترات أطول.
لقد وُجد أن بعض المواد البلورية النانوية (مواد العناصر الأرضية النادرة) تُظهر خصائص مغناطيسية غير طبيعية ولهذه الخاصية تطبيقات عديدة، في الغواصات، مبدِّلات السيارات، مولدات القدرة الكهربية الأرضية، محركات السفن، أجهزة التحليل الرنيني المغناطيسي في الطب.
تقدم تقنية النانو من خلال استخدام، الجسيمات النانوية وأنابيب الكربون النانوية، طرقا رخيصة وفعالة في عمليات تحلية وتنقية المياه مما يجعل الحصول على مياه نقية للشرب في الدول الفقيرة أمراً سهلاً، بالإضافة إلى ذلك، تستخدم جسيمات الفضة النانوية في مرشحات الهواء للتخلص من الروائح غير المرغوبة وقتل الجراثيم. وقد وُجد أن استخدام مثل هذه المرشحات النانوية يؤدي إلى قتل 99% من فيروسات الإنفلونزا العالقة في الهواء. ومن التطبيقات المستقبلية لأنابيب الكربون استخدامها في صناعة مرشحات الهواء، حيث يمكن بواسطتها التخلص من غاز ثاني أكسيد الكربون الناتج من انبعاثات محطات توليد الكهرباء.
تُجرى الأبحاث حالياً في إمكانية استخدام الجسيمات النانوية لعمل طلاء ذكي لتحديد الأهداف في المجالات العسكرية أو في المركبات للأغراض الأمنية، كذلك تصنيع كمبيوترات ذات قدرات عالية لعمليات التشفير وفك التشفير. وتقدِّم الملابس العسكرية التي تُصنَع من المواد النانوية حلاً مناسباً للوقاية من أحوال الطقس السيئة ومن المخاطر الكيميائية والنووية والبيولوجية التي قد تواجه الجنود في الحروب.
كما أن المركبات البلاستيكية المُطعَّمة بأنابيب الكربون النانوية لا تنفِّذ الطاقة الكهرومغناطيسية، لأنها موصِّل جيد للكهرباء، ولذلك فهي تُستخدم كمواد واقية من الإشعاع الكهرومغناطيسي، ويُستفاد منها عسكرياً في حماية الأجهزة الإلكترونية وأجهزة الاتصال في أرض المعركة من الإشعاعات التي تصدر من القنابل وغيرها.
يتم طلاء الثلاجات من الداخل بجسيمات الفضة النانوية مما يساعد على قتل الجراثيم الدقيقة جداً وبالتالي يؤدي إلى المحافظة على الغذاء طازجاً لمدة طويلة، كذلك تُطلى الغسالات بتلك الجسيمات لكي تساعد على غسيل الملابس بشكل تام.
تدخل المركِّبات النانوية البلاستيكية في صناعة السيارات حيث تستخدم في بعض الأجزاء المقاومة للصدمات في السيارات وذلك لكونها قوية وخفيفة ومقاومة للصدأ.
وحيث أن الأسلاك والأنابيب النانوية تُغير من مقاومتها الكهربية عندما تتعرض للغازات القلوية والهالوجينات وغيرها، فقد تم تصنيع مجسّات كيميائية لاستخدامها في المجالات التالية، الكشف عن تسربات الغازات، المراقبة الطبية، مراقبة الأخطار البيئية والصناعية، وتسعى الشركات حالياً في طرح مجسّات نانوية ذات حجم صغير وحساسية عالية واقتصادية في استهلاك القدرة الكهربية.
يمكن استخدام الأنابيب الكربونية النانوية في تقنية البطاريات حيث يتم تخزين الليثيوم، الذي يعتبر ناقل للشحنة في البطارية، داخل الأنابيب. وكذلك تستخدم في خلايا الوقود لتخزين الهيدروجين. وبالإضافة إلى ذلك فإن ترانزستور الأثر المجالي المصنوع من أنابيب الكربون شبه الموصلة قد أثبتت فاعليته ككاشف حساس لعدد من الغازات المختلفة.
وهناك تطبيقات عامة أخرى لتقنية النانو، منها تصنيع الثنائيات العضوية الباعثة للضوء والتي تستخدم في شاشات العرض، الأفلام والخلايا الكهروضوئية والتي تُحول الضوء إلى كهرباء، الشبابيك المطلية المقاومة للخدش والتي تنظف نفسها بواسطة الأشعة فوق البنفسجية، تصنيع ملابس ذكية تنظم درجة الحرارة وتقيس النبض والتنفس، تصنيع طلاء يحتوي على جسيمات نانوية يمنع الصدأ، تصنيع زجاج لوني - حراري يعمل على التحكم بكمية الضوء النافذ، تصنيع بطاريات وقود مصنعة من أنابيب الكربون النانوية لاستخدامها في الأجهزة الكهربائية والسيارات.
مستقبل تقنية النانو
كل الدراسات والبحوث وبتأكيد كبار العلماء في هذا المجال تشير إلى مستقبل مبهر لتقنية النانو وفي كل المجالات سواء الفضاء والطب والميكانيكا والطاقة وباقي فروع العلم، حيث يتوقع العلماء أن تُحل الكثير من المشاكل التي تواجه البشرية اليوم بفضل هذه التقنية في المستقبل.
وعلى سبيل المثال لا الحصر يفكر علماء الفضاء اليوم وباستخدام هذه التقنية بمفهوم المصاعد الفضائية.
ووفق النموذج الذي مازال قيد الدراسة، فأن هذا المصعد ينطلق من منصة عائمة على خط الاستواء وموصولة في الفضاء من الجانب الآخر، وبمصعد كهربائي يتحرك على كابل بين الأرض والفضاء.
وقد تستخدم هذه المصاعد لنقل الصواريخ والمحطات الفضائية وباقي العدد التي تستخدم في الفضاء لنقلها من الأرض إلى الفضاء وبالعكس، إضافة للرحلات الفضائية قليلة التكلفة.
هذا كان تعريف بسيط بمفهوم النانو وتقنيته وأبرز استخداماته التي توصلت لها البشرية حتى الآن. وآمل أن تكون قد حصلت على معرفة ولو بسيطة عن هذا المفهوم الذي بفضله تتغير حياتنا البشرية إلى شكل آخر لم يكن بالحسبان من قبل، سواء على الصعيد الطبي أو التقني حيث أقرب إلى حياتنا اليومية، أو على الأصعدة الأخرى التي تغير وجه الحياة الأرض مع كل اكتشاف جديد.
المصادر : جامعة الملك سعود ، ويكيبيديا ، مجلتك
ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
يمكنكم من أدناه تحميل
تعليقات