تكنولوجيا النانو تغيير حياة الإنسان نحو الأفضل

تكنولوجيا النانو تغيير حياة الإنسان نحو الأفضل


بدأ مصطلح (تقنية النانو) ينتشر، في مجال الصناعات الإلكترونية، المتصلة بالمعلوماتية. فلو تفحصنا البطاقات المستخدمة في الحواسيب اليوم، وخاصة الحواسيب المحمولة لوجدت أنها مضغوطة إلى درجة كبيرة، فالبطاقة التي لا يزيد سمكها على بضعة ملليمترات، تتكون في الحقيقة من خمس طبقات، أو لنقل رقاقات مضغوطة مع بعضها.
كما أننا لو تفحصنا الكبلات والمكثفات التي كان وزنها يقدر بالكيلوجرام، لوجدنا أن وزنها لا يتجاوز أجزاء الميللي جرام. فقد تضاءل الحجم، وتضاعفت القدرة وكل ذلك بفضل اختزال سُمك الكابلات وضغط حجم المكثفات والدارات، مما قصّر المسافات، التي تقطعها الإلكترونات، وأكسب الحواسيب، سرعة أكبر في تنفيذ العمليات.




تشير عبارة تكنولوجية النانو إلى التفاعلات بين المكونات الخلوية والجزيئية والمواد المهندسة وهي عادة مجموعات من الذرات والجزيئات والأجزاء الجزيئية عن المستوى البدائي الأول للبيولوجيا. وتكون هذه الأشياء الدقيقة بشكل عام ذات أبعاد تقل عن 100 نانومتر ويمكن أن تكون مفيدة بحد ذاتها أو كجزء من أجهزة أكبر تحتوي على أشياء دقيقة متعددة.



وعند المستوى الدقيق (النانو)، نجد أن الخواص الطبيعية والكيميائية والبيولوجية تختلف جوهرياً، وغالبا بشكل غير متوقع عن تلك المواد الكبيرة الموازية لها بسبب أن خواص الكمية الميكانيكية للتفاعلات الذرية يتم التأثير عليها بواسطة التغيرات في المواد على المستوى الدقيق. وفي الواقع أنه من خلال تصنيع أجهزة طبقا لمعيار النانومتر من الممكن السيطرة على الخصائص الجوهرية للمواد بما في ذلك درجة الانصهار والخواص المغنطيسية وحتى اللون بدون تغير التركيب الكيميائي لها.



من جهة أخرى فإن هناك العديد من الاستخدامات التي تخدم مجال الصناعات الإلكترونية مثل مجال صناعة الترانزستورات حيث بدأ مصنعو الترانزيستور في الوصول إلى الحدود الطبيعية لمدى صغر رقائق السيليكون والنحاس التي تصنع منها مثل هذه المواد، وقد ساعدت هذه التقنية هؤلاء العلماء للوصول إلى طريقة مبتكرة لتصنيع ترانزيستورات أصغر بكثير من الرقائق الحالية ليس من خلال تقليل حجم الرقائق الحالية ولكن من خلال تصنيعها من الجزيئات الفردية.
فقد ساعدت الأبحاث التي تم القيام بها بواسطة أربعة علماء يعملون في مركز الأبحاث التابع لوكالة الفضاء الأمريكية (ناسا) على تمهيد الطريق لبناء ترانزيستورات من الأنابيب الكربونية البالغة الصغر التي تم صنعها من طبقة واحدة من الذرات الكربونية يتم قياسها من خلال النانومتر (واحد نانومتر يعادل واحد على بليون من المتر).



واستنتج العلماء إمكانية تصنيع الترانزستورات من الأنابيب البالغة الصغر، وشملت اكتشافاتهم الغوارتيمية لتشكيل هذه التطبيقات، والتقنيات الجديدة لإرسال المعلومات، والمكونات الكربونية التي تعمل مثل المحطات الطرفية لمفتاح تشغيل الترانزيستور ووسائل استخدام سلاسل أنابيب النانو بالأنظمة الإلكترونية.




البديل الكربوني ومن إحدى المعايير المعروفة لتكنولوجية المعلومات هو قانون مور، الذي قام المؤسس الشريك في شركة انتل (جورودون مور) بوضعه، والذي ينص على أن عدد الترانزيستورات المتواجدة في بوصة مربعة واحدة بالدوائر المتكاملة سوف يتضاعف كل 18 شهر، إلا إن مصنعي الرقائق من المتوقع أن يصلوا قريبا إلى الحدود التقليدية للرقائق.
هذا وتتطلب تقنية التطوير الحالية لأشباه الموصلات تخفيض حجم ترانزستورات السيلكون أو ببساطة الإسراع في نظم الإرسال الحالية.
ومن غير المرجح أن يعمل هذا التوجه من الأعلى إلى الأسفل نحو نمنمة الترانزيستورات والليزر ذي الصمام الثنائي وهو مكونات البناء الجوهرية لنظم الكمبيوتر والاتصالات أن يتمكن من الوفاء بالطلب المتزايد على المعالجة والبث البالغ السرعة للمعلومات. حتى وإن تم تصنيع الرقائق بحجم صغير بشكل كاف، فإن هذه الدوائر الموضوعة بشكل مكثف بجانب بعضها البعض سوف تنبعث عنها حرارة شديدة يصعب تبريدها بشكل فعال.





وإذا استمر تخفيض حجم الرقائق، يتعين العثور على طريقة جديدة لتصنيعها، وبما أن الأنابيب الدقيقة تم اكتشافها في عام 1991، فقد قدمت نفسها كمرشح للخطوة القادمة في النمنمة أو التصغير الكبير في الحجم، وقد اهتم علماء الطبيعة بهذه الأنابيب بسبب خصائصها الإلكترونية حيث يمكنها العمل إما كمعادن أو أشباه موصلات.
وبصفتها معادن، يمكنها توصيل موجات بالغة الارتفاع بدون الانحلال والسخونة التي لا تزال تشكل مشاكل مع الأسلاك النحاسية، وبصفتها أشباه موصلات، يمكن استخدامها في الترانزيستورات الدقيقة العالية الأداء.





وعند استكشاف البدائل للطريقة التقليدية من أعلى إلى أسفل لتخفيض حجم ترانزستورات السيلكون، أدرك العلماء أن الأجهزة التي تعتمد على الأنابيب الدقيقة المنمنمة يمكن بناؤها من اسفل إلى أعلى من خلال الدقة الذرية. 

تعتبر الأجهزة الناتجة عن ذلك بواسطة العلماء الآخرين نوعا جديدا من الترانزيستورات. فترانزيستور الأنابيب المصغرة تقل بمقدار 60.000 مرة عن الترانزيستور التقليدي.
وقال سريفستافا الذي قام بالتركيز على جعل الأنابيب الدقيقة تعمل مثل مفاتيح التشغيل (يمكنك وضع المزيد من الترانزستورات في مساحة صغيرة)، ويضيف إن زيادة كثافة الترانزستورات تعمل في العادة على زيادة كثافة الطاقة التي تقوم ببث حرارة كبيرة تجعل الجهاز يحرق نفسه، إلا أن الهيكل الكربوني يحتاج لطاقة أقل ولذلك يمكن تشغيل الترانزيستور بحرارة وطاقة اقل.



ومن ناحية أخرى قام العلماء بدراسة مواد تكنولوجية التصغير المحتملة، نظرياً أو من خلال محاكاة الكمبيوتر، حيث اكتشفوا مميزات ومساوئ بناء مفاتيح التشغيل والترانزستورات المنمنمة باستخدام أنابيب كربونية دقيقة متنوعة الارتباط، وسلاسل ذرية مصنوعة من الذرات الفردية أو حتى جزيئات DNA إلا أن مساهمتهم الرئيسية تمثلت في تركيزهم على بناء الأجهزة الدقيقة، وقالوا انه إذا تعين على المطورين بناء أجهزة دقيقة من الأسفل إلى الأعلى، فإنهم سوف يكونون بحاجة لتوجهات جديدة تماما نحو التطوير.



وفيما يلي بعض استنتاجات كل باحث من الباحثين الأربعة:
المطورون بحاجة لطريقة لصياغة شكل الأجهزة الدقيقة، وذلك لأن الطرق التقليدية لا يمكنها أن تصف كيفية تدفق التيار الكهربائي من خلال الجهاز الدقيق، وقام فريق الباحث انانترام بوضع غوارتيمية مبتكرة.
ركزت أبحاث الباحث نينج بشكل رئيسي على بث المعلومات حيث اكتشف أن نظام البث يمكن أن يعتمد على تسخين الإلكترونات في سلك دقيق لأشباه الموصلات بدلا عن تشغيل وإغلاق التيار الكهربائي.
بعد دراسة تكوين واستقرار وهيكل سلوك رد الفعل الإلكتروني للوصلات المختلفة في الأنابيب الدقيقة، قام سيرفستافا بابتكار سلسلة من الهياكل التي تعتمد تماما على الكربون والتي يمكن أن تؤدي كافة وظائف الأجهزة الثلاثية الطرق اللازمة لدوائر الكمبيوتر. قام ياماد بابتكار طريقة لصنع سلاسل ذرية لأشباه الموصلات خاصة بالتطبيقات الإلكترونية.



تكنولوجيا النانو والكمبيوتر

تتلخص فكرة استخدام تقنية النانو في إعادة ترتيب الذرات التي تتكون منها المواد في وضعها الصحيح، وكلما تغير الترتيب الذري للمادة كلما تغير الناتج منها إلى حد كبير. وبمعنى آخر فإنه يتم تصنيع المنتجات المصنعة من الذرات، وتعتمد خصائص هذه المنتجات على كيفية ترتيب هذه الذرات، فإذا قمنا بإعادة ترتيب الذرات في الفحم يمكننا الحصول على الماس، أما إذا قمنا بإعادة ترتيب الذرات في الرمل وأضفنا بعض العناصر القليلة يمكننا تصنيع رقائق الكمبيوتر. وإذا قمنا بإعادة ترتيب الذرات في الطين والماء والهواء يمكننا الحصول على البطاطس.
وما يعكف عليه العلم الآن أن يغير طريقة الترتيب بناء على النانو، من مادة إلى أخرى، وبحل هذا اللغز فإن ما كان يحلم به العلماء قبل قرون بتحويل المعادن الرخيصة إلى ذهب سيكون ممكنا، لكن الواقع أن الذهب سيفقد قيمته!!.




وتعتبر طرق التصنيع اليوم غير متقنة على مستوى الجزيئات. فالصب والطحن والجلخ وحتى الطباعة على الحجر تقوم بنقل الذرات في مجموعات ضخمة، مثل محاولة تصنيع أشياء من مكعبات الليجو أثناء ارتداء قفازات الملاكمة، وفي المستقبل، سوف تسمح لنا تكنولوجية التصغير أن نقوم بالتخلص من قفازات الملاكمة وان تقوم بترتيب مكونات البناء الجوهرية للطبيعة بسهولة وبدون تكلفة وفي معظم الأحيان حسبما تسمح به قوانين الطبيعة، وسوف يكون هذا الأمر حيوياً وهاماً إذا تعين علينا الاستمرار في ثورة مكونات الكمبيوتر لتمتد بعد القرن القادم، كما سوف تسمح بتصنيع جيل جديد تماما من المنتجات الأنظف والأقوى والأخف وزنا بل والأكثر دقة. ومن الجدير بالذكر أن كلمة (تكنولوجية التصغير) أو (نانو تكنولوجي) أصبحت شائعة إلى حد كبير ويتم استخدامها لوصف العديد من أنواع الأبحاث حيث تكون أبعاد المادة المصنعة اقل من 1.000 نانومتر، على سبيل المثال التحسينات المستمرة في الطباعة على الحجر نتج عنها عرض خطوط أقل من ميكرون واحد. ط

فالكثير من توجهات التحسن في قدرة وحدات ومكونات الكمبيوتر ظلت ثابتة خلال الـ 50 سنة الأخيرة وهناك اعتقاد شائع أن هذه التوجهات سوف تستمر على الأقل لعدة سنوات، وبعد ذلك سوف تصل الطباعة الحجرية إلى حدودها في ذلك الوقت.




فإذا تعين علينا الاستمرار في هذه التوجهات يجب أن نقوم بتطوير تكنولوجية تصنيع جيدة تسمح لنا ببناء أنظمة كمبيوتر بشكل غير مكلف بواسطة كميات من العناصر المنطقية التي تكون جزيئية في كل من الحجم والدقة، ومرتبطة ببعضها البعض من خلال أنماط معقدة وبالغة الحساسية. وسوف تسمح تكنولوجية التصغير بالقيام بذلك. ويمكننا استخدام مصطلح (تكنولوجية التصغير الجزيئية) أو (التصنيع الجزيئي) بدلا عن (النانو تكنولوجي) ولكن أيًّا كان المصطلح الذي نقوم باستخدامه، فإنه يتعين عليه أن يسمح لنا بان نقوم بشكل جوهري بوضع كل ذرة في المكان الصحيح، وان نجعل كل هيكل متناسق مع قوانين الطبيعة التي يمكن أن نحددها بالتفاصيل الجزيئية، مع عدم تجاوز تكاليف التصنيع بشكل بالغ لتكلفة المواد الخام والطاقة المطلوبة.




ومن الواضح أننا سوف نكون سعداء بأي طريقة تحقق بشكل متزامن أول ثلاثة أهداف، إلا أنه يبدو انه من الصعوبة استخدام بعض أنماط التركيب المكاني (أي وضع أجزاء الجزيئات الصحيحة في المكان الصحيح) وبعض أشكال النسخ المتطابقة الذاتية (لتقليل التكلفة). وتنطوي الحاجة للحصول على التجميع المكاني على الاهتمام بالآليات الجزيئية (أي الأجهزة الآلية التي تكون جزيئيه من حيث حجمها ودقتها). ومن المحتمل أن تقوم هذه الآليات المكانية على النطاق الجزيئي بإعادة تجميع النسخ البالغة الصغر من الأجزاء المقابلة لها الميكروسكوبية. ويتم استخدام التجميع المكاني بشكل متكرر في التصنيع الميكروسكوبي اليوم مع ربط كلتا يديك خلف ظهرك! ففكرة السيطرة على وضع الذرات الفردية والجزيئات لا تزال حديثة، إلا انه يتعين علينا أن نستخدم على المستوى الجزيئي المفهوم الذي بين فعاليته على المستوى الميكروسكوبي، ونجعل الأجزاء تذهب إلى المكان الذي نريد منها الذهاب إليه.




وينجم عن شرط التكلفة المنخفضة اهتمام بأنظمة تصنيع النسخ المتطابقة ذاتياً، حيث يمكن لهذه النظم القيام بعمل نسخ عن نفسها وتصنيع منتجات مفيدة. فإذا أمكننا تصميم وبناء هذا النظام، فإن تكلفة تصنيع هذا النظام وتكاليف تصنيع الأنظمة المشابهة والمنتجات التي تعمل على إنتاجها (بافتراض قدرتها على إنتاج نسخ عن نفسها في بيئة غير مكلفة بشكل معقول) سوف تكون منخفضة للغاية.

تكنولوجية IBM للتصغير

تهدف أبحاث شركة IBM في مجال تكنولوجية التصغير إلى تصميم مكونات وهياكل ذرية جديدة على المستوى الجزيئي لتحسين تكنولوجيات المعلومات، بالإضافة إلى اكتشاف وفهم أساسها العلمي. ومن خلال ريادة تطوير تكنولوجية التصغير أو النانو، استطاع علماء شركة IBM وضع دراسات لهذه التكنولوجيات على مستوى النانو أو التكنولوجية القزمية. وعلى وجه التحديد، فإن الأنابيب الكربونية المصغرة ومسبار الفحص الذي تم إنتاجه من ميكروسكوب الطاقة الذرية يقدم وعداً بتمكين تحسين الدوائر ووسائل تخزين البيانات.


ويؤدي البحث في جزيئات النانو إلى تطبيقات في الطب الطبيعي بالإضافة إلى التخزين على القرص الصلب للكمبيوتر.
ومما يذكر أن الأبحاث في مجال تخزين المعلومات بواسطة تكنولوجية النانو الميكانيكية، مثل مشروع شركة IBM الذي يطلق عليه MILLIPEDE سوف تستمر في زيادة احتمالات زيادة كثافة التخزين الهوائي.




علم لا يزال في المهد

وتستخدم تقنية (النانو) الخصائص الفيزيائية المعروفة للذرات والجزيئات لصناعة أجهزة ومعدات جديدة ذات سمات غير عادية وعند إحكام قبضة العلماء على جوانب هذا العلم الخارق يصبح في حكم المؤكد تحقيق إنجازات تفوق ما حققته البشرية منذ ظهورها على الأرض قبل ملايين السنين. ويقول الخبراء أن تقنية النانو تعد البشرية بثورة علمية هائلة قد تتغير معها ملامح الحياة في جميع النواحي الصحية والتعليمية والمالية.. الخ، بما يجعل الحياة أفضل، ويساعد في التخلص من الأمراض المستعصية التي يعاني منها الناس على مدى قرون طويلة.
كذلك ستعمل النانو على تحسين أساليب الإنتاج الزراعي والصناعي وتخفض التكاليف على نحو غير مسبوق مما يعني مزيدا من الراحة ونهاية المتاعب لإنسان العصر.



هذا وتشهد المختبرات في الوقت الراهن سباقاً محموماً بين الباحثين يهدف لوضع مخطط تفصيلي عام يوضح وظائف (طرق عمل البروتينات في إطارها الكيميائي فيما يهتم الفيزيائيون بدراسة هياكل هذه المواد وخصائصها الوظيفية وذلك بهدف تركيب البروتينات بنسخ صناعة ذات خصائص جديدة وبجزيئات أكبر وأكثر تعقيداً ويحصر الباحثون مهامهم في الوقت الحالي في تصميم روبوت ضئيل الحجم قادر على تحريك الجزيئات وذلك حتى يكون ممكنا لها مضاعفة ذاتها بشكل آلي دون تدخل العوامل الخارجية. وفيما يتعلق بجسم الإنسان يتوقع أن تعمل تقنية النانو على مكافحة أمراض الجسم وإعادة إنتاج الخلايا الميتة ومضاعفتها والقيام بدور الشرطي في الجسم لحماية الأجهزة لتدعيم جهاز المناعة لدى الإنسان.





تكنولوجيا المنمنمات..ثورة صناعية ثانية


لقد كان هناك تساؤل يثار منذ فترة بعيدة عن التطورات التي يمكن أن تحدث في مجال التصنيع إذا ما تمكن الإنسان من السيطرة على الذرة بشكل جيد والاستفادة منها كما ينبغي عن طريق تحريكها؟ وكان أول من أثار هذا التساؤل عالم الفيزياء ريتشارد فينمان حيث تساءل عن (ماذا سيحدث إذا أصبح بمقدور العلماء ترتيب الذرات بالطريقة التي يريدونها؟).

جاء ذلك في إطار إعلانه عن ظهور تقنية حديثة في مهدها الأول في ذلك الوقت، سميت بالتقنية النانوية أو النانوتكنولوجيا (Nanotechnology) . ولقد مضى على إعلان (فينمان) ما يربو على أربعة عقود من الزمان حتى الآن، وبالرغم من أن التطور في هذه التقنية قد تأخر نسبياً بالمقارنة بالتقدم المطرد في علوم الكمبيوتر مثلا، لكن هذه التقنية عاودت الظهور بكثافة عالية مؤخراً، على هيئة مبتكرات وتقارير علمية في كثير من المطبوعات العلمية العالمية.




لكن هناك ثمة اتفاقا على أن عام 1990م هو البداية الحقيقية لعصر التقنية النانوية، ففي ذلك العام، تمكن الباحثون في مختبر فرعي لإحدى شركات الإلكترونات العالمية العملاقة من صنع أصغر إعلان في العالم، حيث استخدموا 35 ذرة من عنصر الزينون في كتابة اسم الشركة ذي الحروف الثلاثة على واجهة مقر فرعها بالعاصمة السويسرية! ويتنبأ العلماء بمستقبل واعد لهذه التقنية، التي باتت الدول الصناعية في أوروبا واليابان والولايات المتحدة تضخ إليها ملايين الدولارات من أجل تطويرها.

والولايات المتحدة وحدها التزمت هذا العام بتخصيص أكثر من 497 مليون دولار للتقنية النانوية واستخداماتها، كما أن شركات الكمبيوتر الكبرى المهتمة بالبحث العلمي، مثل (هيوليد باكارد) و(آي بي إم) و(ثري إم) تقوم بتخصيص ما يصل إلى ثلث المبالغ المخصصة للبحوث العلمية على التقنية النانوية.

وقد ظهرت عدة تقارير علمية دفعة واحدة، واحتلت أبحاث النانوتكنولوجي باباً كاملاً في مجلة العلم الأمريكية (ساينس) في تشرين الثاني نوفمبرِ (2000م)، ثم تلاها عدة تقارير في مطبوعات علمية أخرى كمجلة الطبيعة (نيتشر).