تقنية النانو تخترق العجز التاريخي!
تقنية النانو تخترق العجز التاريخي!
تقنية النانو هي جزيئات متناهية الصغر "Nanotechnology"، لها أهمية كبيرة في وقتنا الراهن نظراً للتطورات السريعة التي طرأت في مختلف دول العالم نتيجة للبحث والتقصي والإبتكار والإختراع في مختلف المجالات العلمية والتطبيقية في التقنية الحيوية "Biotechnology" ، وتحتل تقنية النانو اليوم المجالات الأكثر أهمية وإثارة مثل الفيزياء، الكيمياء، الأحياء والهندسة ومجالات عديدة اخرى.
فقد فتحت الباب لثورات علمية في المستقبل القريب ستغير وجهة التقنية في العديد من التطبيقات. ويعود الإهتمام الواسع بهذه التقنية إلى الفترة الممتدة مابين 1996 إلى 1998 عندما قام مركز تقييم التقنية العالمي الامريكي " WTEC " بدراسة تقويمية لأبحاث النانو وأهميتها في الإبداع التقني. وخلصت الى التأكيد على أن لتقنية النانو مستقبلاً كبيرا في جميع المجالات الطبية والعسكرية والإلكترونية والمعلوماتية والبتروكيميائية والزراعية والحيوية وغيرها.
يعتمد مفهوم تقنية النانو على اعتبار أن الجسيمات التي يقل حجمها عن مائة نانومتر "النانومتر جزء من ألف مليون من المتر" تُعطي للمادة التي تدخل في تركيبها خصائص وسلوكيات جديدة. وهذا بسبب أن هذه الجسيمات تُبدي مفاهيم فيزيائية وكيميائية جديدة، مما يقود إلى سلوك جديد يعتمد على حجم الجسيمات.
1. تاريخ تقنية النانو
تقنية النانو لا يمكن ربطها بعصر معين أو حقبة زمنية خاصة، لكن حسب ماهو معلوم فان كأس الملك الروماني لايكورجوس "Lycurgus" في القرن الرابع ميلادي والذي يوجد في المتحف البريطاني يحتوي على جسيمات ذهب وفضة نانوية.
كما أن تقنية التصوير الفوتوغرافي قد اعتمدت منذ القرنين الثامن عشر والتاسع عشر على انتاج فيلم أو غشاء مصنوع من جسيمات فضية نانوية حساّسة للضوء. ومن الشعوب الأولى التي استخدمت هذه التقنية دون ان تدرك ماهيتها هم العرب حيث كانت السيوف الدمشقية المعروفة بالمتانة تعتمد في تركيبها على مواد نانوية تعطيها صلابة ميكانيكية.
كما استخدم صانعو الزجاج في العصور الوسطى حبيبات الذهب النانوية للتلوين. ويمكن الاشارة أيضا الى أصل الكلمة "النانو" مشتق من الكلمة الاغريقية "dwarf" والتي تعني جزء من البليون من الكل، ويعرَّف النانومتر بأنه جزء من البليون من المتر، وجزء من الالف من الميكرومتر.
ولتقريب هذا التعريف الى الواقع فان قطر شعرة الراس يساوي تقريبا 75000 نانومتر، وكذلك فان نانومتر واحد يساوي عشر ذرات هيدروجين مرصوفة بجانب بعضها البعض طوليا " بمعنى ان قطر ذرة الهيدروجين يساوي 0,1 نانومتر"، كما ان حجم خلية الدم الحمراء يصل الى 2000 نانومتر، و يعتبر عالم النانو الحد الفاصل بين عالم الذرات والجزيئات وبين عالم الماكرو.
ومن المهم معرفة ان مقياس النانو صغيرٌ جدا ولايمكن بناء اشياء اصغر منه. وفي العصر الحديث ظهرت بحوث ودراسات عديدة حول مفهوم تقنية النانو وتصنيع موادها وتوظيفها في عديد الميادين.
تحدث العالم الفيزيائي المشهور ريتشارد فيمان سنة 1959 الى الجمعية الفيزيائية الأمريكية في محاضرته الشهيرة بعنوان "هناك مساحة واسعة في الاسفل" قائلا بأن المادة عند مستويات النانو "قبل استخدام هذا الاسم" بعدد قليل من الذرات تتصرف بشكل مختلف عن حالتها عندما تكون بالحجم المحسوس.
كما اشار الى امكانية تطوير طريقة لتحريك الذرات والجزيئات بشكل مستقل والوصول الى الحجم المطلوب، وعند هذه المستويات تتغير كثير من المفاهيم الفيزيائية، فمثلا تصبح الجاذبية اقل اهمية وبالمقابل تزداد اهمية التوتر السطحي وقوة تجاذب فاندر فالز. وقد توقَّع ان يكون للبحوث حول خصائص المادة عند مستويات النانو دورٌ جذريٌ في تغيير أنماط الحياة الانسانية.
وقبل هذه المحاضرة، وبالرغم من وجود أبحاث قليلة على مواد بمستوى النانو، وإن كانت لم تُسمّ بهذا الإسم، فقد تمكَّن أهلير "Uhlir" عام 1956 من تسجيل مشاهداته للسيلكون الاسفنجي " porous silicon ".
وبعد ذلك بعدة سنوات تم الحصول على اشعاع مرئي من هذه المادة لأول مرة عام 1990 في الستينات تم تطوير سوائل مغناطيسية "ferrofluids"، تُصنّع من حبيبات بأبعاد نانوية ، كما اشتملت الاهتمامات البحثية في الستينات على ما يُسمى بالرنين البارامغناطيسي الالكتروني "EPR" لاكترونات التوصيل في جسيمات بأبعاد نانوية تُسمى وقتئذ بالعوالق أو الغروانيات "colloids"، اذ تُنتَج هذه الجسيمات بالفصل أو التحلُّل الحراري "heat decomposition".
وفي عام 1969 اقترح ليو ايساكي تصنيع تركيبات شبه موصلة بأحجام النانو ، وكذلك تصنيع شبيكات شبه موصلة مفرطة الصغر. وفي السبعينات أمكن التنبؤ بالخصائص التركيبية للفلزات النانوية كوجود أعداد سحرية عن طريق دراسات طيف الكتلة "mass spectroscopy" حيث تعتمد الخصائص على أبعاد العينة غير المتبلورة. كما تم تصنيع أول بئر كمي في بعدين في نفس الفترة بسماكة ذرية أحادية تلاها بعد ذلك تصنيع النقاط الكمية "quantum dots" ببعد صفري.
أما مصطلح " النانو" فقد برز سنة 1974 من خلال البروفيسور نوريو تانيقوشي ورقته العلمية، التي نشرت في مؤتمر الجمعية اليابانية للهندسة الدقيقة حيث قال "ان تقنية النانو ترتكز على عمليات فصل، اندماج، واعادة تشكيل المواد بواسطة ذرة واحدة او جزئية"، وفي نفس الفترة ظهرت مفاهيم علمية عديدة تتداولها الاوساط العلمية حول التحريك اليدوي لذرات بعض الفلزات عند مستوى النانو، ومفهوم النقاط الكمية، وامكانية وجود أوعية صغيرة جدا تستطيع تقييد الكترون وغير ذلك.
ومع اختراع العالمان جيرد بينج و هينريك روهر سنة1981 المجهر النفقي الماسح "STM" ، ازدادت البحوث المتعلقة بتصنيع ودراسة التركيبات النانوية للعديد من المواد. وقد حصل العالمان على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1986 على اختراعهما.
وبعد سنوات عدة تمكن العالم الفيزيائي دون ايجلر في معامل IBM من تحريك الذرات باستخدام جهاز الميكروسكوب النفقي الماسح، وفتح مجالا جديدا لإمكانية تجميع الذرات المفردة مع بعضها، وفي نفس الوقت تم اكتشاف الفلورينات بواسطة هارولد كروتو، ريتشارد سمالي و روبرت كيرل ، وهي عبارة عن جزيئات تتكون من 60 ذرة كربون تتجمع على شكل كرة قدم.
وفي عام 1995 تمكَّن العالم الكيميائي منجي باوندي من تحضير حبيبات من شبه الموصلات الكادميوم/ الكبريت" او السلينيوم" اصغرها ذات قطر 3- 4 نانومتر.
أما طرق تحضير العينات النانوية غير المتبلورة والمعتمدة على تقنيات الليزر، البلازما أو الحفر بشعاع الكتروني وغيرها فقد وُجدت منذ منتصف الثمانينات. كما ان المفهوم الفيزيائي للتقييد الكمي الالكتروني " quantum confinement " قد بدأ في أوائل الثمانينات ايضا.
وقد سُجّلت أول قياسات على تكميم التوصيلية في نهاية الثمانينات وأمكن تصنيع أول ترانزيستور وحيد الإلكترون "single electron transistor". وفي عام 1991 تمكن البروفيسور سوميو ليجيما من جامعة ميجي باليابان من اكتشاف أنابيب الكربون النانويه، وهي عبارة عن انابيب اسطوانية مجوَّفة قطرها بضعة نانومتر ومصنوعة من شرائح الجرافيت. وبعد ذلك تم اكتشاف ترانزستور أنابيب الكربون النانوية عام 198.
وفي عام 2000 تمكَّن عالم الفيزياء منير نايفه من اكتشاف وتصنيع عائلة من حبيبات السليكون اصغرها ذات قطر 1 نانومتر وتتكون من 29 ذرة سليكون سطحها على شكل الفولورينات الكربونية الا ان داخلها غير فارغ وتتوسطها ذرة واحدة منفردة.
وفي العام ذاته أعلنت أمريكا " مبادرة تقنية النانو الوطنية " NNI""، والتي جعلت تقنية النانو تقنية إستراتيجية وطنية وفتحت مجال الدعم الحكومي الكبير لهذه التقنية في جميع المجالات الصناعية والعلمية والجامعية. وتلتها في ذلك اليابان التي أنشأت مركزا متخصصا للباحثين في تقنية النانو مع توفير جميع الأجهزة المتخصصة ودعم الباحثين وتشجيعهم وتبادل المعلومات فيما بينهم.
"النانو" من علاج الأمراض الى الفضاء
تقنية النانو التي يجري تطويرها في الوقت الراهن للاستخدام في العديد من الصناعات، يمكن ان تكون ذات فائدة كبيرة للتطبيقات الفضائية ومهمات الاستكشاف لذلك تنفق الناسا عليها أكثر من 40 مليون دولار سنويا. وتهدف أبحاث تقنية النانو الحالية الى خلق مواد قابلة للاستخدام، ومعدات وشبكات من كتل تستخدم في البناء يصل عرضها الى واحد الى مائة نانوميتر.
وقد قال ميا ميابان مدير مركز تقنية النانو في مركز اميس للابحاث التابع لناسا في هذا الشأن "لقد تحقق تقدم مؤكد في هذا المجال" بالمقارنة بالابحاث الرئيسية التي كانت تجرى قبل خمسة او ستة اعوام. واضاف "لقد بدأنا التوصل الى بعض الاستنباطات".
فقد تم تصنيع مجس كيميائي محكم باستخدام انابيب نانو كربونية. ومثل هذا الجهاز مثالي للاستخدام في مهام ناسا المتعلقة بكيمياء الفضاء. كما تم تصميم جهاز لقياس الموجات باستخدام تقنية النانو، وهو جهاز اداؤه اعلى بكثير من الاجهزة التجارية المتوفرة بينما يستخدم طاقة اقل كما انه اخف واصغر حجما.
واضاف "ان هذه التقنية ستكون ذات تأثير على جميع المجالات". وذكر ميابان ان على ناسا ان تنظر نظرة بعيدة المدى فيما يتعلق بقدرات تقنية النانو التي يمكن ان تكون فعالة في القمر والمريخ والخطط الخاصة بفترة تتراوح ما بين 10 الى 15 سنة".
وكان ميابان قد قاد ورشة التحدي العظيم لمبادرة تقنية النانو في بالو التو بكاليفورنيا وقد جمعت هذه المبادرة التي تمت تحت رعاية ناسا خبراء في 6 مجالات من المرجح ان تلعب فيها تقنية النانو دورا في جهود الفضاء وهي:
* مواد نانو: انابيب كاربونية نانو، مواد خفيفة يمكن ان تحدث ثورة في تصميم السيارات بسبب قوتها وقدرتها على توصيل الكهرباء والحرارة.
* نانو روبوت: المرحلة المقبلة في عمليات التصغير يمكن ان تؤدي الى تصنيع محركات او روبوتات ميكروسكوبية للمساعدة في دراسة الخلايا والنظم البيولوجية، بالاضافة الى الالياف.
* عربات ميكرو: عربات متناهية في الصغر يمكن تطويرها لابحاث الفضاء العميق، والمدارات والمناخ او استكشاف الاسطح المتحركة.
* مجسات نانو: مجسات متناهية في الصغر ولاسلكية وسريعة وفي غاية الحساسية، يمكن وضعها مع المجسات الالكترونية والكيميائية او البصرية لاستخدامها في المهام العلمية، ولاسيما في التحليل الفوري وعمليات الروبوت.
* يمكن ادماج تقنية النانو في شبكات بشرية مثل اجهزة الرعاية وشبكات المراقبة البيئية.
* ادارة الاوضاع الصحية لرواد الفضاء: يمكن لرواد الفضاء في رحلات طويلة استخدام تقنية النانو لمواجهة الاوضاع المناخية ذات الاشعاعات المرتفعة وتصنيع اجهزة رقابة طبية ومعدات للعلاج، والمساعدة في خفض او التغلب على الضغوط والتوتر الناشئ عن رحلات الفضاء الطويلة. ويمكن تحقيق ذلك عن طريقتين. الاولى هي تصنيع المواد النانو التي يمكن استخدامها للتغلب على اختراق الأشعة الكونية للسفن. والطريقة الاخرى هي المجسات النانو لتحديد مستويات الأشعة.
درجات التقدم
أوضح سكوت مايز رئيس معهد فورسايت في بالو التو بولاية كاليفورنيا "اعتقد انه على المدى القصير سنشاهد زيادة تدريجية في التقدم". واضاف مايز "لا تتوقعوا قفزات هائلة في تقنية النانو في الوقت الراهن، بل زيادات تدريجية ـ التي بدأت تظهر بالفعل في مجالات المجسات، والمنتجات التجارية من مستحضرات التجميل الى المعدات الرياضية.
وذكر ان معهد فورسايت يفحص في الوقت الراهن كيف يمكن لتقنية النانو مواجهة مجموعة من التحديات التي تواجه البشرية اليوم. ومن بين قائمة اهم 10 موضوعات بالاضافة الى مواجهة الامراض المعدية وعلاج السرطان، وتوفير المياه النظيفة للجميع. وقال انه من الصعب القول ان تطبيقا معينا اكثر اهمية من التطبيقات الاخرى.
كما أصبحت معظم المواد الغذائية تحتوي على مواد طبيعية أمكن في الوقت الراهن إستناداً إلى هذه التقنية قياسها بالنانومتر ومنها على سبيل المثال بعض المواد البروتينية والتي يتراوح حجمها بين 1 و 10 نانومتر.
وعليه فإن إستخدام تقنية النانو لإعادة ترتيب الجزيئات والذرات أدى إلى نتائج باهرة في مجال الصناعات الغذائية وفي العديد من المنتجات الطبية والصيدلانية ، حيث تم تبعا لذلك استنباط العديد من المنتجات الغذائية والطبية الدقيقة والبالغة الأهمية في الميزان الغذائي والطبي بالإضافة إلى ذلك فإن شرائح السليكون المستندة على هذه التقنية والمستخدمة للكشف عن التلوث الكيميائي والميكروبي في المنتجات الغذائية والمرشحات الحيوية "Biofilters" متناهية الصغر والمستخدمة في معالجة وتنقية المياه تعد ثورة حديثة ومذهلة من ثورات هذه التقنية.
كما تجب الإشارة هنا إلى الثورة الصناعية الغذائية والتي تمخض عنها إنتاج مغلفات بلاستيكية مخلوطة مع بعض مركبات النانو وذلك لإنتاج تلك الأغلفة ذات القدرة العالية على حفظ المنتجات الغذائية وتحملها للدرجات العالية من الحرارة بالإضافة إلى قدرتها على عدم تسرب السوائل والغازات.
قدمت تلك التقنية أيضاً العديد من الفوائد المختلفة للإنسان وفي مقدمتها الجوانب الصحية ، ومنه على سبيل المثال تقنية النانو في مجال العلاج الطبيعي والكيميائي لأمراض السرطان المختلفة "Human Cancer Therapy" وأيضاً مجالات الكشف عن الطفرات الوراثية "Genetical Mutants".
ثورة علمية في الطب
تبرز أهم الأبحاث التي أجريت في العالم عام 2008 أبحاث النانو تكنولوجي والتي يتوقع لها العلماء أن تغير الكثير من الأساليب والطرق العلمية المختلفة في كثير من
المجالات ... ومن أهمها ما قام به العالم المصري – الأمريكي الدكتور شاكر موسى رئيس مركز بحوث التطور الصيدلي بكليتي طب وصيدلة " ألبني " بنيويورك حيث قاد فريقا علميا للتوصل للمواد المنشطة لتكوين أوعية دموية جديدة واستكمال نضوجها والحيلولة دون اضمحلالها كما يحدث لها طبيعيا في الجسم ، وهذا يمثل ثورة مستقبلية في علاج تصلب وانسداد الشرايين .
ونجح الباحثون المصريون في اكتشاف الخواص المغناطيسية لجسيمات ذات أبعاد نانو مترية ثم تحضيرها من جزئيات الكوبالت بطريقة سهلة لتحل محل مواد قديمة في التصنيع بكفاءة أعلى وتكلفة أقل ، وهي تدخل في مجال تصنيع الأقمار الصناعية وأجهزة المحمول.
كما احتلت تكنولوجيا الجينات والتحاليل الجديدة للتنبؤ بحدوث جلطات القلب والدماغ والكشف السريع عن الأمراض الوراثية في الأطفال جانبا من أبحاث العلماء ومنها ما أكده الدكتور محمد شعراوي أستاذ التحاليل الطبية بجامعة القاهرة من امكان تفعيل الجرعات العلاجية للدواء بالنسبة لكل مريض عن طريق تحديد التنوع الجيني باستخدام تكنولوجيا النانو ، وذلك في اطار ما يسمى بالطب الشخصي الذي يعد أحدث ثورة لتحسين الرعاية الطبية لمرضى التنوع الوراثي للأفراد .
خصوصا في الأدوية الخطيرة مثل أدوية القلب ومضادات التجلط وأدوية الصرع والسرطان.
وقد ظهرت في السنوات الأخيرة العديد من الدراسات العالمية المختلفة التي تؤكد على الدور الكبير لهذه التقنية ، مما دعى بعض العلماء على وضع بعض التصورات الخاصة لبعض التعريفات في مجال أجيال تقنية النانو "Nanotechnology Generations".
ومن ضمن التعاريف الأخرى لهذا العلم أنه المهندس الفعلي لأنظمة الوظائف عند الميزان الجزئي الدقيق ، وهو مايفسر ذلك على انه القدرة الفعلية لبناء الجزيئات الدقيقة من الاسفل إلى الأعلى باستخدام المعدات والتقنيات الدقيقة والتي تم تطويرها في الوقت الراهن لإنتاج منتجات عالية الفعالية والكفاءة ، كما تمت الإشارة لهذه التقنية أيضاً على أساس أنها تقنية الهدف العام "General Purpose Technology".
