معلومات عن علوم وتقنيات النانو تكنولوجى, NANOTechnology Report

معلومات عن علوم وتقنيات النانو تكنولوجى,   

NANO-Technology Report

مقدمة لعلوم و تقنيات النانو

النانو

النانو أصغر من أى شىء قد مرعليك من قبل تحت المجهر ، فهو تقريبا فى حجم الذرات و الجزيئات.

النانو كلمة مشتقة من أصل لاتينى Nanos و هى تعنى قزم , ومنها جاء المصطلح Nanotechnology.

1 نانومتر يعنى جزء من مليار من المتر ؛ أى 9- 10 من المتر. إنه من الصعب على أى إنسان أن يتخيل حجم النانومتر لذلك سنذكر لكم بعض الأمثلة التى ستمكنكم من تخيل الأمر:

إذا أفترضنا أن قطر البلية 1 نانومتر فيمكننا فى هذا الحين إعتبار قطر الكرة الأرضية يساوى 1 متر.

سُمك الورقة التى نكتب عليها يقدر بحوالى 100,000 نانومتر.

سُمك شعرة رأس الإنسان يتراوح بين 50,000 و 180,000 نانومتر.

قطر شريط الدنا DNA يقدر بـ 2.5 نانومتر ، و إذا كبرناها 1000 مرة سنصل إلى قطر الخلية البكتيرية (2.5 ميكرومتر) ، و إذا كبرناها 1000 مرة سنصل إلى قطر قطرة المطر (2.5 ملليمتر) . . . معنى هذا أن قطرة المطر تحوى مليار نانو متر.

قطر أنبوبة كربونية نانوية - أنبوبة مصنوعة من الكربون فى مستوى النانو - يقدر بحوالى 1 نانومتر ، و إذا قمنا بالتكبير 100,000 مرة سنصل لقطر شعرة فى رأس إنسان ، و إذا قمنا بالتكبير 100,000 مرة - مرة أخرى - سنصل إلى منزل بإتساع 10 أمتار.

الفيديو التالى يمكنه توضيح هذا الأمر بشكل أفضل

		خلفية تاريخية فى عام 1959م صرح العالم الأمريكى ريتشارد فاينمان "Richard Feynman" فى محاضرة له بعنوان "هناك متسع كبير فى القاع" "There Is Plenty Of The Room At The Bottom" أنه يمكننا تسجيل كل محتويات العالم من المعارف و العلوم الموجودة بدائرة المعارف البريطانية المكونة من 24 مجلد ضخم على رأس دبوس. و قد أوضح أنه يمكننا تحقيق ذلك إذا وصلنا لتقنية تمكننا من كتابة كل كلمة بإستخدام 300 أو 400 ذرة من خلال ترتيب الذرات بجوار بعضها. و بهذا يكون فاينمان هو أول من فكر بتقنية فى مستوى صغير جداً جداً جداً لهذه الدرجة. و بالفعل بعد 40 عاما من هذا التاريخ تمكن العلماء من تحقيق المعجزة و كتابة محتويات دائرة المعارف البريطانية على رأس دبوس. وهذا الفيديو يوضح لنا هذه القصة الشيقة YouTube Video على الرغم من أن فاينمان هو أول من فكر فى هذا المستوى الدقيق إلا أنه لم يستخدم مصطلح "تقنية النانو" "Nanotechnology" ، بل إن الكلمة لم تستعمل فى هذا العصر إطلاقاً. ظهر مصطلح "تقنية النانو" "Nanotechnology" بعد محاضرة فاينمان بـ15 عاماً ؛ أى عام 1974م و ذلك على يد العالم اليابانى نوريو تانيجوتشى "Norio Taniguchi" ، وبهذا يكون تانيجوتشى صاحب هذا المصطلح و أول من أستخدمه. ما هو المميز فى مستوى النانو ؟؟ أكتشف العلماء أن كل المواد فى حجم النانو يكون لها خواص مختلفة تمام الإختلاف عن خصائصها وهى فى حجمها الطبيعى ، و هذا ينطبق على أى مادة فى الطبيعة ؛ فبعض المواد تكون أقوى ، بعضها الأخر يستطيع توصيل الحرارة بشكل أفضل ، أخرى تستطيع توصيل الكهرباء بصورة أفضل ، هناك مواد أخرى تختلف خواصها المغناطيسية و هى فى حجم النانو و غيرها الكثير. على سبيل المثال إذا تحدثنا عن مادة الكربون فى مستوى النانو ، فقد قمنا بتصنيع أنابيب كاربونية نانوية "Carbon Nanotubes" و التى لها العديد من الخواص الجديدة المدهشة فهى أقوى من الصلب بـ50 مرة بالإضافة لكونها خفبفة جدا. كيف يمكننا الحصول على المواد فى مستوى النانو ؟ هناك طريقتان يمكننا من خلالهما تحضير المواد فى مستوى النانو : طريقة "من القاع لأعلى" "Bottom-Up Technique" : فى هذه الطريقة - كما يتضح من إسمها - نقوم بتجميع الذرات و الجزيئات الصغيرة جداً بجوار بعضها البعض لنحصل على المواد فى مستوى النانو. طريقة "من القمة لأسفل" "Top-Down Technique" : و فى هذه الطريقة - على النقيض من الطريقة السابقة - يتم تحضير المواد فى مستوى النانو من مواد أكبر منها حجماً بكثير ، ثم نقوم بتكسير هذه المواد الكبيرة حتى نصل بها لمستوى النانو. هناك مصطلحان هامان ينبغى لنا أنا نفرق بينهما : علم النانو "Nano Science" : و هو العلم الذى يهتم بدراسة الخواص الجديدة للمواد فى مستوى النانو من خلال الأبحاث التى يقوم بها العلماء. تقنيات النانو "Nanotechnology" : و هو إستخدام الخواص الجديدة و التى عرفناها من علم النانو و تطبيقها فى مجالات العلم المختلفة للحصول على تقنيات جديدة. و بذلك نؤكد القاعدة القائلة: "العلم يأتى أولاً ثم التطبيق". التطبيقات : كما قلنا سابقا ان علوم النانو قد فتحت لنا الكثير من الآفاق و أعطتنا الكثير من الفرص لتطبيقات لا حصر لها فى مجالات عديدة كالطب ، الأحياء ، الطاقة ، الإلكترونيات ، الفضاء ، الصناعة ، و العديد و العديد من المجالات . . . اولا : - الطب : الإنسان الآلى النانوNanobots قرأنا فى قصص الخيال العلمى عن روبوتات صغيرة جدا تسبح فى الدم داخل جسم الإنسان تعالج الأنسجة التالفة ، تقتل و تحارب الجراثيم ، تعالج الأمراض ، و تقوم بتنظيف الجسم و تخليصه من المواد الضارة . بإستخدام تقنيات النانو تحول هذا الخيال إلى حقيقة ؛ ففى القريب العاجل سيتمكن العلماء من إبتكار إنسان آلى فى مستوى النانو يفعل كل هذا و أكثر داخل جسم الإنسان . . . بالطبع هناك عقبات تواجه العلماء للوصول لهذا الإنجاز ، لكنهم سيتمكنون من إيجاد الحلول و تحويل الخيال إلى واقع. فيديو تخيلى يوضح النانوبوت و هو يستبدل خلية عصبية YouTube Video أنظمة توصيل الدواء الذكية Smart Drug Delivery Systems عندما نتناول دواءاً ما فإنه لا يصل للعضو المريض مباشرة ، بل ينتشر فى جميع أجزاء الجسم أولاً ، ثم يتجه للعضو المراد علاجه مما يؤثر فى فاعلية الدواء و يقلل من فائدته ، كما أنه يسبب أعراض جانبية فى بقية أجزاء الجسم . . . و قد تمكن علم النانو من تصنيع أنظمة ذكية لتوصيل الدواء ؛ و ذلك عن طريق تصنيع جزيئات فى حجم النانو تحمل جزيئات الدواء و تنقلها إلى العضو المصاب مباشرة ً مما يزيد من فاعليته و يقلل من الأعراض الجانبية فى بقية أجزاء الجسم. نانو الذهبGold Nano Particles أكتشف العلماء بعض الخواص الجديدة للذهب فى مستوى النانو أفادت كثيراً فى مجال الطب خاصة فى عمليتى التشخيص و العلاج. من هذه الخواص أن جزيئات الذهب فى حجم النانو يكون لها ألوان مختلفة تختلف بإختلاف حجم الجزيئات و مدى إقترابها من بعضها البعض . فمثلا , يمكننا إعتبار أن أكبر حجم لجزيئات الذهب فى مستوى النانو يعطى لوناً أحمراً ، و الجزيئات الأقل حجماً تعطى لوناً أصفراً ، أما الجزيئات الصغيرة فتعطى لوناً أخضراً. وقد أستفدنا من هذه الخاصية فى عملية التشخيص ، فعند وضع هذه الجزيئات فى محلول به خلايا نجد أن الجزيئات الحمراء تلتصق بسطح الخلية من الخارج لأن حجمها الكبير يجعلها عاجزة عن المرور إلى داخل الخلية ، أما الجزيئات الصفراء فتعبر الغشاء الخلوى و تبقى فى السيتوبلازم ، بينما الجزيئات الخضراء الأصغر حجما ستدخل عضيات الخلية ، و بهذا نتمكن من صبغ الخلية بألوان مختلفة كما يتضح لنا فى الصورة التالية و قد وجد العلماء أيضا أن الذهب فى مستوى النانو له القدرة على إمتصاص الضوء و تحويله إلى طاقة حرارية. و قد تم الإستفادة من هذه الخاصية فى علاج السرطان ؛ من خلال حقن الورم بجزيئات نانو الذهب و التى نضعها داخل جزيئات خاصة تمكنه من دخول الخلايا السرطانية فقط دون الخلايا السليمة ، وبعد ذلك نسلط على الورم كمية معينة من الضوء ، فتمتصه جزيئات الذهب و تحوله إلى حرارة تكون كافية لقتل و تدمير الخلايا السرطانية دون الإضرار بالخلايا السليمة. و تعرف هذه التقنية بإسم "العلاج الإختيارى الضوء-حرارى" "Selective Photo-thermal Therapy" . و توضح الصورة التالية فأر تجارب لديه ورمان أحدهما تم علاجه بهذه التقنية و الأخر لم يتم علاجه ، و كما نلاحظ أن الورم المعالج قد ضمر و شفى .                                                                                                                 ثانياً : - الأحياء : الأنف الفائق The Bionic Nose تستطيع أنف الإنسان التمييز ما بين 4000 إلى 10,000 رائحة مختلفة ، و ذلك عن طريق المستقبلات الموجودة بها ، حيث يوجد فى أنف الإنسان حوالى 100,000 مستقبل ترتبط بالجزيئات المسؤولة عن الروائح , ثم ترسل إشارات كهربية إلى المخ ليتعرف عليها و حينئذ يخبرنا طبيعة هذه الرائحة . . . و بإستخدام تقنيات النانو استطاع العلماء تصنيع أنف صناعى ، وذلك عن طريق تصنيع جزيئات فى حجم النانو تقوم بنفس وظيفة المستقبلات فى الأنف الطبيعى ؛ فهى ترتبط بالجزيئات المسؤولة عن الرائحة ، و ترسل إشارة إلى جهاز الكمبيوتر المتصل بها و الذى يقوم بدور المخ ، و حينئذ يستطيع الجهاز إخبارنا بنوع الرائحة التى نستفسر عنها. محاكاة الطبيعة Biomimetics محاكاة الطبيعة "Biomimetics" مصطلح يعنى التقليد ,النسخ ، أو التعلم من الطبيعة ؛ فقد وجد العلماء أن الطبيعة تمارس الكثير من مهامها فى حجم النانو. فعلى سبيل المثال : داخل جسم الإنسان الحمض النووى الديؤكسى ريبوزى DNA والإنزيمات والهرمونات جميعها فى حجم النانو و التى تقوم بالعمليات الحيويه التى تعتمد عليها حياة الإنسان ، وكذلك الحال فى العديد من الكائنات الحية الأخرى و لذلك أتخذ العلماء الطبيعة كمصدر إلهام لهم يتعلمون منها و يستفيدون مما تعلموه فى إيجاد تطبيقات صناعية مختلفة كما سيتضح لاحقاً . . . الفراشه الزرقاء Blue morpho Blue morpho نوع من الفراشات التى تتميز بلونها الأزرق الجميل الذى طالما أعتقد الجميع بأنه صبغه موجوده بجناحها ، ولكن المفاجأة أن جناح تلك الفراشه شفاف وليس به أى صبغات وأن هذا اللون الأزرق ناتج عن حيود الضوء. فقد وجد العلماء أن على جناح تلك الفراشه تعاريج صغيرة جدا فى مستوى النانو تسبب حيود الضوء وتعطى لجناحها هذا اللون الأزرق الخلاب. البرص Gecko كيف يستطيع البرص تسلق الحوائط و المشى عليها ضد الجاذبية دون أن يقع ؟ . . . أكتشف العلماء وجود بروزات فى حجم النانو على أصابع أقدام البرص تجعله يستطيع الإلتصاق بالحائط ، لكن بالقدر الكافى الذى يمكنه من التحرك بمرونة أيضاً . . . أستغل العلماء هذا الإكتشاف فى تصنيع روبوتات تحوى أقدامها على بروزات لاصقة فى حجم النانو تمكنها من السير على الحوائط ، و من المنتظر تطبيق هذا على الإنسان قريباً و سيكون لدينا الرجل العنكبوت Spiderman . فيديو عن الروبوت الذى يسير على الحائط YouTube Video ورقه نبات اللوتس Lotus leaf لاحظ العلماء شيئا غريبا بشأن ورقه نبات اللوتس وهو أن عند سقوط الأمطار عليها لا تبتل ، وأن جزيئات المطر تتجمع على سطحها وتسقط دون أن تمتصها الورقه، وعند فحص الورقة أكتشف العلماء وجود شعيرات دقيقه جدا فى مستوى النانو من ماده كارهه للماء Hydrophobic تقوم بحمل جزيئات الماء دون أن تمتصها. ومن هنا أستوحى العلماء الفكرة لصناعة أنسجه مقاومة للمياه والصبغات اعتماداً على نفس الفكرة , وذلك عن طريق معالجه الأقمشه بمواد كارهه للمياه فى مستوى النانو تجعلها غير قابله للصبغه ومقاومه للمياه كما يتضح بالصورة و الفيديو YouTube Video ثالثاُ :- الطاقة : الخلايا الشمسية وجسيمات الكم كما نعلم جميعاً أن الخلايا الشمسية هى من أفضل الطرق المستخدمه للحصول على طاقة كهربية ؛ ذلك لنظافتها ، وعدم استهلاكها لأى من المواد الغير متجددة مثل الزيت والفحم . فهى تأخذ طاقتها من الشمس وتحولها مباشرة الى طاقة كهربية ؛ فعندما تسقط أشعه الشمس بما تحوى من فوتونات على المواد المصنع منها الخلايا الشمسيه يحدث لها إثارة وتنبعث منها الكترونات هى التيار الكهربى. المواد التى يستخدمها العلماء حاليا فى صناعة ألواح الخلايا الشمسية تعطى الكتروناً واحدا لكل فوتون يسقط عليها ، ولكن باستخدام علوم النانو أكتشف العلماء أن جسيمات الكم " Quantum dots "- وهى جزيئات صغيرة فى مستوى النانو- عندما يسقط عليها فوتون واحد من أشعه الشمس ينبعث منها 3 إلكترونات. وبهذا يمكننا استخدامها فى الخلايا الشمسيه للحصول على طاقه كهربيه 3 مرات أكثر. بهذه الطريقه يمكننا تعميم استخدام الطاقة الشمسية والخلايا الشمسية والإستفادة من مزاياها المتعددة. رابعاُ :- الإلكترونيات : حاسبات آلية أكثر قوة و فاعلية لكى نتوصل الى حاسب آلى سريع وأكثر فاعلية لا بد من التوصل إلى ترانزيستور صغير جداً ، حيث كلما قل حجم الترانزيستور زادت فاعلية الجهاز. لقد تمكن العلماء من تصغير حجم الترانزيستور حتى وصل فى عصرنا هذا الى حجم النانو ، وبهذا نجد أن أجهزه الحاسب الآلى أصبحت أكثر فاعلية , أقوى وأسرع أداءاً. أقوى مجهر فى العالم جميعنا يعلم أن المجهر الضوئى هو تقريبا أول مجهر أستخدمه العلماء فى تجاربهم ، وقد كان يعتمد على الضوء فقط ، كما أن قوة تكبيره محدوده للغايه. ومع تطور العلم واحتياج العلماء إلى قدرات تكبير أعلى تمكنوا من إكتشاف المجهر الإلكترونى ، والذى يعتمد على شعاع الإلكترونات لكنه أيضا لم يكف احتياجاتهم. الأن وباستخدام علوم النانو وتطبيقاته تمكنوا من الوصول الى أقوى مجهر فى العالم. هذا المجهر لايعتمد على الضوء أو الإلكترونات ولكن يعتمد على الإحساس فهو يستشعر الذرات من خلال مجس رفيع جداً جداً- يشبه الإبرة تقريباً- وفى قمته أنبوبة كربونيه نانويه - قطرها لا يتعدى بضعه ذرات - تتحسس ذرات تلك المادة وتنقل لنا صورتها. كما أن لهذا المجهر قوة تكبير فائقه تمكننا من رؤية شريط الـ DNA والذرات المنفردة . ولمزيد من الجودة تم توصيل المجس بحاسب آلى يمثل لنا الأبعاد الثلاثيه للذرات 3D-modeling لنراها بوضوح. YouTube Video وقد سمى هذا المجهر بمجهر القوى الذريةAtomic force microscopeوذلك لأنه يتمكن من الأحساس بالأشياء من خلال القوى الذرية بين الذرات. خامسا : - الفضاء : Space Elevator المصعد الفضائى ماذا عن مصعد ينقلنا الى الفضاء بضغطة زر . . . هذا ليس مستحيلا ً . . . ولكن لتحقيق تلك التقنية يلزمنا فقط سلك طويل جدا - قد يصل طوله إلى 1000 ميل تقريبا - كما يشترط أن يكون ذلك السلك قوى للغاية. الطريق الوحيد لتصنيع سلك بهذه الخصائص هو استخدام الكربون فى مستوى النانو والتى صنعنا منها الأنبوبة الكربونية النانوية "Carbon nanotube" ذات الخصائص المبهرة التى ستمكننا فى القريب العاجل من صناعة ذلك المصعد الفضائى. سادساً :- الصناعة : الأنابيب الكربونية النانوية CNTs هى عبارة عن أنابيب دقيقه جداً مصنوعة من ذرات الكربون قطرها لا يتعدى 2 نانوميتر ، وبالرغم من ذلك لها خصائص مذهلة ؛ منها أنها أقوى من الصلب بحوالى 50 مرة ، كما أنها خفيفة للغاية. تلك الأنابيب تستطيع أيضاً توصيل الحرارة والتيار الكهربى. وكل ذلك يرجع الى تلاحم ذرات الكربون مع بعضها البعض بقوة دون أى كسر فى تلك الانابيب. هذه الأنابيب بخواصها الرائعه فتحت لنا مجالات واسعة فى الصناعة ؛ فقد تم استخدامها بالفعل فى تصنيع بعض الأدوات الرياضيه كمضرب التنس والدراجة ومستلزمات الجولف ، كما أنها تستخدم فى صناعة السيارات كبديل للصلب. و قد علق العلماء أمالا ً كبيرة على الأنابيب الكربونية النانوية فى صناعه المصعد الفضائى. خاتمة : كما رأينا فى هذه المقالة أن علوم و تقنيات النانو لها الكثير و الكثير من التطبيقات الرائعة فى شتى المجالات ، لذلك ينبغى علينا توجيه البحث العلمى فى عالمنا العربى نحو علوم النانو و تقنياتها لضمان مكانة متقدمة وسط الأمم ، فهذا العلم ما زال طفلا يحبو فى بداياته . . . نرجو من الله عز وجل أن ينفعنا بما علمنا و أن يستفيد القراء من هذه المقالة . . . و الله الموفق ،،، فيديو عن الموضوع قام به المؤلفان فى مؤتمر عن النانوتيكنولوجى بكلية الصيدلة جامعة الإسكندرية : YouTube Video الجزء الأول YouTube Video الجزء الثانى