تقنية نانوية

جزء من سلسلة مقالات عن
التقانة النانوية

التاريخ
التداعيات
الاستخدامات
المنظمات
في الروايات والثقافة الشعبية
قائمة المواضيع

الحقول الجزئية والمتعلقة

المواد النانوية
فولرينات
أنابيب الكربون النانوية
الجسيمات النانوية

الطب النانوي
علم السميات النانوي
Nanosensor

تجميع ذاتي جزيئي
Self-assembled monolayer
Supramolecular assembly
DNA nanotechnology

إلكترونيات نانوية
إلكترونيات جزيئية
دوائر كهربية نانوية
ليثوگرافيا نانوية

Scanning probe microscopy
مجهر القوة الذرية
Scanning tunneling microscope

تقنية نانوية جزيئية
Molecular assembler
روبوتات نانوية
Mechanosynthesis

 ع  ن  ت
Molecular gears.jpg

تقنية النانوية (بالإنجليزية: Nanotechnology) أو تقنية المنمنمات هي دراسة ابتكار تقنيات و وسائل جديدة تقاس أبعادها بالنانومتر وهو جزء من الألف من الميكرومتر أي جزء من المليون من الميليمتر. وكذلك التقنيات التي تقاس واحداتها بالـ "نانو ثانية"، وهو جزء من المليار من الثانية، مثل تقنيات الأقمار الصناعية والفلك والإتصالات. عادة تتعامل التقانة النانوية مع قياسات بين 0.1 إلى 100 نانومتر. و هذا التحديد بالقياس يقابله اتساع في طبيعة المواد المستخدمة فالتقانة النانوية فهي تتعامل مع أي ظواهر أو بنى على المستوى النانوي . مثل هذه الظواهر النانوية يمكن ان تتضمن تقييد كمومي quantum confinement التي تؤدي إلى ظواهر الكترومغناطيسية و بصرية جديدة للمادة التي تقع في الوسط بين الجزيئات النانوية و المادة الصلبة الضخمة . تتضمن الظواهر النانوية أيضا تأثير گيبس-تومسون - وهو انخفاض درجة انصهار مادة ما عندما يصبح قياسها نانويا ، اما عن البنى النانوية فأهمها الأنابيب النانوية الكربونية.

تستخدم بعض الكتابات الصحفية أحيانا مصطلح (تكنولوجيا الصغائر) رغم عدم دقته فهو لا يحدد مجاله في التقانة النانوية أو الميكروية إضافة إلى التباس كلمة صغائر مع الجسيمات و الدقائق Particles .

العلوم النانوية و التقانة النانوية احدى امتدادات علوم المواد و اتصالات هذه العلوم مع الفيزياء، الهندسة الميكانيكية، الهندسة الحيوية، والهندسة الكيميائية تشكل تفرعات و اختصاصات فرعية متعددة ضمن هذه العلوم .

وكما جاء في مقال في جريدة الحياة اللندنية للكاتب (أحمد مغربي) تعرّف التقنية النانوية بأنها تطبيق علمي يتولى إنتاج الأشياء عبر تجميعها من مكوناتها الأساسية، مثل الذرة والجزيء. وما دامت كل المواد المكونة من ذرات مرتصفة وفق تركيب معين، فإننا نستطيع أن نأخذ أي ذرة ونرصفها إلى جانب أخرى بطريقة مختلفة عما هي عليه في الأصل، وهكذا نستطيع صنع كل شيء ومن أي شيء تقريبا. وتكمن صعوبة التقنية النانوية في مدى إمكانية السيطرة على الذرات بعد تجزيء المواد المتكونة منها. كما أن صعوبة التوصل إلى قياس دقيق عند الوصول إلى مستوى الذرة يعد اعتراضًا آخر يواجه هذا العلم الجديد الناشئ.


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

النانو تكنولوجي

أنبوب نانوي لكاربون الدوار

لقد كان التطور التكنولوجي الهائل هو السمة الفريدة في القرن العشرين الذي ودعناه قبل بضع سنوات ، و قد أجمع الخبراء على أن أهم تطور تكنولوجي في النصف الأخير من القرن هو اختراع الكترونيات السيليكون ، فقد أدى تطويرها إلى ظهور ما يسمى بالشرائح الصغرية أو الـ(MicroChips) والتي أدت إلى ثورة تقنية في جميع المجالات كالاتصالات و الحوسبة والطب وغيرها . ففي عام 1950لم يوجد غير التلفاز الأبيض و الأسود ، كانت هناك فقط عشرة حواسيب في العالم أجمع ، ولم تكن هناك هواتف نقالة أو ساعات رقمية أو الانترنت ، كل هذه الاختراعات يعود الفضل فيها إلى الشرائح الصغرية و التي أدى ازدياد الطلب عليها إلى انخفاض أسعارها بشكل سهل دخولها في تصنيع جميع الالكترونيات الاستهلاكية اللتي تحيط بنا اليوم . و خلال السنوات القليلة الفائتة ، برز إلى الأضواء مصطلح جديد ألقى بثقله على العالم وأصبح محط الاهتمام بشكل كبير ، هذا المصطلح هو "تكنولوجيا النانو" . فهذه التقنية الواعدة تبشر بقفزة هائلة في جميع فروع العلوم والهندسة ، ويرى المتفائلون أنها ستلقي بظلالها على كافة مجالات الطب الحديث و الاقتصاد العالمي و العلاقات الدولية وحتى الحياة اليومية للفرد العادي فهي و بكل بساطة ستمكننا من صنع أي شيء نتخيله وذلك عن طريق صف جزيئات المادة إلى جانب بعضها البعض بشكل لا نتخيله وبأقل كلفة ممكنة ، فلنتخيل حواسيباً خارقة الأداء يمكن وضعها على رؤوس الأقلام والدبابيس ، ولنتخيل أسطولا من الروبوتات النانوية الطبية والتي يمكن لنا حقنها في الدم أو ابتلاعها لتعالج الجلطات الدموية و الأورام والأمراض المستعصية .

Buckminsterfullerene C60, also known as the buckyball, is the simplest of the carbon structures known as fullerenes. Members of the fullerene family are a major subject of research falling under the nanotechnology umbrella.

ماهو النانو ؟

يعني مصطلح نانو الجزء من المليار ؛ فالنانومتر هو واحد على المليار من المتر أو 10 لكي نتخيل صغر النانو متر نذكر مايلي ؛ تبلغ سماكة الشعرة الواحدة للإنسان 50 ميكرومترا أي 50,000 نانو متر, وأصغر الأشياء التي يمكن للإنسان رؤيتها بالعين المجردة يبلغ عرضها حوالي 10,000 نانو متر ، وعندما تصطف عشر ذرات من الهيدروجين فإن طولها يبلغ نانو مترا واحدا فياله من شيء دقيق للغاية. قد يكون من المفيد أن نذكر التعاريف التالية:

  • مقياس النانو: يشمل الأبعاد التي يبلغ طولها نانومترا واحدا إلى غاية الـ100 نانو متر
  • علم النانو: هو دراسة المبادئ الأساسية للجزيئات والمركبات التي لا يتجاوز قياسه الـ100 نانو متر.
  • تقنية النانو: هو تطبيق لهذه العلوم وهندستها لانتاج مخترعات مفيدة.
Image of reconstruction on a clean Au(100) surface, as visualized using scanning tunneling microscopy. The individual atoms composing the surface are visible.

لماذا هذه الضجة؟

الأمر الفريد في مقياس النانو أو الـ”Nano Scale” هو أن معظم الخصائص الأساسية للمواد و الآلات كالتوصيلية والصلابة ودرجة الانصهار تعتمد على الحجم (size dependant) بشكل لا مثيل له في أي مقياس آخر أكبر من النانو ، فعلى سبيل المثال السلك أو الموصل النانوي الحجم لا يتبع بالضرورة قانون أوم الذي تربط معادلته التيار والجهد والمقاومة !,فهو يعتمد على مبدأ تدفق الالكترونات في السلك كما تتدفق المياه في النهر ؛ فالالكترونات لا تستطيع المرور عبر سلك يبلغ عرضه ذرة واحدة بأن تمر عبره الكترونا بعد الآخر. إن أخذ مقياس الحجم بالاعتبار بالاضافة إلى المبادئ الأساسية للكيمياء والفيزياء والكهرباء هو المفتاح إلى فهم علم النانو الواسع.

Space-filling model of the nanocar on a surface, using fullerenes as wheels.

ضآلة متناهية

فلنتخيل شيئا في متناول أيدينا ؛ على سبيل المثال مكعب طول ضلعه متر واحد ولنقطعه بأداة ما طولا وعرضا وارتفاعا ؛سيكون لدينا ثمانية مكعبات طول ضلع الواحد منها 50 سنتيمترا ، وبمقارنة هذه المكعبات بالمكعب الأصلي نجد أنها ستحمل جميع خصائصه كاللون الأصفر اللامع و النعومة وجودة التوصيل ودرجة الانصهار وغيرها من الخصائص ماعدا القيمة النقدية بالطبع ، ثم سنقوم بقطع واحد من هذه المكعبات إلى ثمانية مكعبات أخرى ، و سيصبح طول ضلع الواحد منها 25 سنتيمترا وستحمل نفس الخصائص بالطبع ، و سنقوم بتكرار هذه العملية عدة مرات وسيصغر المقياس في كل مرة من السنتيمتر إلى المليمتر وصولا إلى المايكرومتر, وبالاستعانة بمكبر مجهري وأداة قطع دقيقة سنجد أن الخواص ستبقى كما هي عليه وهذا واقع مجرب في الحياة العملية, فخصائص المادة على مقياس المايكرومتر فأكبر لاتعتمد على الحجم (Not size dependant) . عندما نستمر بالقطع سنصل إلى ما أسميناه سابقا مقياس النانو ، عند هذا الحجم ستتغير جميع خصائص المادة كلياً بم فيها اللون والخصائص الكيميائية ؛ وسبب هذا التغير يعود إلى طبيعة التفاعلات بين الذرات المكونة لعنصر الذهب ، ففي الحجم الكبير من الذهب لا توجد هذه التفاعلات في الغالب, ونستنتج من ذلك أن الذهب ذا الحجم النانوي سيقوم بعمل مغاير عن الذهب ذي الحجم الكبير!

Graphical representation of a rotaxane, useful as a molecular switch.

تطبيقات النانو تكنولوجي في المواد العازلة كهربيا

التعريف المناسب للمواد العازلة النانوية هي انها مواد عازلة تدمج بعض الجسيمات النانومترية لتحسين خصائص العزل للمادة الأساسية. الخصائص العازلة لهذه المواد يختلف الى حد ما عن المواد العازلة التي تدمج جسيمات مايكرومترية. السبب يرجع الى ان السطوح البينية بين المادة العازلة والجسيمات النانومترية تؤثر بشكل كبير على الخصائص العازلة للمادة ككل. السلوك العازل للمواد العازلة النانوية يتحدد بواسطة المناطق البينية أكثر مما يتحدد بواسطة حجم الجسيمات النانومترية نفسها.

This device transfers energy from nano-thin layers of quantum wells to nanocrystals above them, causing the nanocrystals to emit visible light.

تحديات تواجه النانو

عودة إلى موضوع الشرائح الصغرية ، قد يكون من المناسب أن نذكر القانونين التجريبين الذين وضعهما جوردون مور رئيس شركة انتل العالمية ليصف بهما التغير المذهل في الكترونيات الدوائر المتكاملة

فقانون مور الأول ينص على أن المساحة اللازمة لوضع الترانزيستور في شريحة يتضاءل بحوالي النصف كل 18 شهرا . هذا يعني أن المساحة التي كانت تتسع لترانزستور واحد فقط قبل 15 سنة يمكنها أن تحمل حوالي 1’000 ترانزستور في أيامنا هذه ، ويمكن توضيح القانون بالنظر إلى الرسم البياني التالي :

قانون مور الثاني يحمل أخبارا قد تكون غير مشجعة ؛ كنتيجة طبيعية للأول فهو يتنبأ بأن كلفة بناء خطوط تصنيع الشرائح تتزايد بمقدار الضعف كل 36 شهرا, و يمكن استيضاحه من خلال الرسم التالي:

إن مصنعي الشرائح قلقون بشأن ما سيحدث عندما تبدأ مصانعهم بتصنيع شرائح تحمل خصائصاً نانوية . ليس بسبب ازدياد التكلفة الهائل فحسب ، بل لأن خصائص المادة على مقياس النانو تتغير مع الحجم ، ولا يوجد هناك سبب محدد يجعلنا نصدق أن الشرائح ستعمل كما هو مطلوب منها ، إلا إذا تم اعتماد طرق جديدة ثورية لتصميم الشرائح المتكاملة .

في العام 2010 سوف تصبح جميع المبادئ الأساسية في صناعة الشرائح قابلة للتغيير و إعادة النظر فيها بمجرد أن نبدأ بالانتقال إلى الشرائح النانوية منذ أن وضع مور قانونيه التجريبيين ، إن إعادة تصميم و صناعة الشرائح لن تحتاج إلى التطوير فحسب ؛ بل ستحتاج إلى ثورة تتغير معها المفاهيم والتطلعات. هذه المعضلات استرعت انتباه عدد من كبرى الشركات و جعلتهم يبدؤون بإعادة حساباتهم وتسابقهم لحجز موقع استراتيجي في مستقبل الشرائح النانوية.

Typical AFM setup. A microfabricated cantilever with a sharp tip is deflected by features on a sample surface, much like in a phonograph but on a much smaller scale. A laser beam reflects off the backside of the cantilever into a set of photodetectors, allowing the deflection to be measured and assembled into an image of the surface.


بعض تطبيقات التكنولوجيا النانوية:

(1) تمكن علماء ألمانيون من اكتشاف وسيلة نانوية جديدة بغية حفظ المخطوطات القديمة وحمايتها من التلف و تأثير العوامل الخارجية.

(2) في عالم الميكانيك الهندسي حقق الباحثون نتائج مذهلة في مجال السيطرة على عمليات الاهتراء والصدأ والتآكل الميكانيكي والكيميائي، وكذلك في مجال التغلب على الاحتكاك الميكانيكي حيث أنه سيتم الاستغناء عن مواد التزييت والتشحيم، وهذا ما يساعد على إطالة عمر الآلة وزيادة كفاءتها.

(3) في مجال صناعة السيارات تم استخدام طرق ومواد نانوية جديدة في مجالات الطلاء والتغليف والعزل والمساهمة في تخفيف وزن السيارات وزيادة صلادتها وبالتالي تخفيض مصروفها من الوقود. وهناك العديد من الأبحاث في مجال تطوير وتصنيع عجلات السيارات والتي ستكون لها خاصية التلاؤم الأتوماتيكي مع ظروف الطقس وطبيعة الأرض والعوامل الخارجية الأخرى.

(4) تمكن الباحثون الألمان من تخزين المعلومات في ذرات قليلة وقراءتها، وإذا ما استمر النجاح في هذا الاتجاه فإنه سيصبح قريباً من الممكن تخزين كل ما تم إنتاجه من الأدب العالمي على رقاقة بحجم الطابع البريدي.


(5) لقد فتحت التكنولوجيا النانوية آفاقاً جديدة في المجال الطبي والجراحي،هناك دراسات عديدة من أجل تطوير روبوتات نانوية والتي يمكن إرسالها إلى الجسد للتعرف على الخلايا المريضة وترميمها وكذلك للتعرف على محرضات الأمراض ومعالجة الأمراض المستعصية والأورام الخبيثة.


(6)يمكن من خلال تقنية النانو تكنولوجي صنع سفينة فضائية في حجم الذرة يمكنها الإبحار في جسد الإنسان لإجراء عملية جراحية والخروج من دون جراحة ، و قد ورد في بعض البرامج التسجيلية أنه يمكن صناعة خلايا أقوى 200 مرة من خلايا الدم و يمكنك من خلالها حقن جسم الإنسان بـ 10 % من دمه بهذه الخلايا فتمكنه من العدو لمدة 15 دقيقة بدون تنفس !!


(7)كما تستطيع هذه التكنولوجيا الدخول في صناعات الموجات الكهرومغناطيسية التي تتمكن بمجرد ملامستها للجسم على إخفائه مثل الطائرة أو السيارة ومن ثم لا يراها الرادار ويعلن اختفاءها . كما تتمكن من صنع سيارة في حجم الحشرة وطائرة في حجم البعوضة وزجاج طارد للأتربة وغير موصل للحرارة وأيضا صناعة الأقمشة التي لا يخترقها الماء بالرغم من سهولة خروج العرق منها.

(8) وأنشأت شركة كرافت Kraft المتخصصة في الأغذية السنة الماضية اتحاد الأقسام البحوث العلمية لاختراع مشروبات مبرمجه . فقريبا يمكننا شراء مشروب لا لون له ولا طعم يتضمن نانو جزيئات للون والطعم عندما نضعه في المكروييف على تردد معين يصبح عندنا عصير ليمون وعلى تردد آخر يصبح هو نفسه شراب التفاح ، وهكذا.

(9)وسيكون بإمكاننا إطلاق جيش من الرواصف غير المرئية لتتجول في بيتنا على السجاد والرفوف والأوعية محوله الوسخ والغبار إلى ذرات يمكن إعادة تركيبها إلى محارم وصابون وأي شيء آخر بحاجه إليه " .


(10)أعلنت شركة نوكيا عن فكرة جوال جديد يدعى مورف Morph الذي تم تصميمه وتطويره مع جامعة كامبريدج . ترتكز فكرة هذا الجوال على تقنية النانو وينقسم إلى جزأين : — الجزء الأول هي سماعات يمكن وضعها على الأذن أو تثبيتها على الجوال كسماعات مكبرة. — الجزء الثاني هو الجوال نفسه والذي يستخدم تقنية النانو لتوفير شاشة بخاصية اللمس وفي نفس الوقت مرنة وشفافة . — ومن خصائص الجوال المرونة بحيث يمكنه التمدد على شكل شاشة كبيرة لأغراض التصفح أو مشاهدة الوسائط ، أو التقلص إلى حجم إصبع الحلوى عند استخدامه في المكالمات العادية . — —

  • وقد بينت نوكيا أن الأبحاث تسير لاستخدام هذه التقنية لجعل الجوال ينظف نفسه من بصمات الأصابع التي تشوه شاشة اللمس . كما هو واضح أن جوال مورف لازال قيد التصميم والتطوير لكن نوكيا أكدت أنها بصدد إضافة بعض خصائصه إلى منتجاتها خلال السبع أعوام القادمة .



انظر أيضا

قراءة إضافية

  • David M. Berube 2006. Nano-hype: The Truth Behind the Nanotechnology Buzz. Prometheus Books. ISBN 1-59102-351-3
  • Jones, Richard A. L. (2004). Soft Machines. Oxford University Press, Oxford, United Kingdom. ISBN 0198528558. 
  • Akhlesh Lakhtakia (ed) (2004). The Handbook of Nanotechnology. Nanometer Structures: Theory, Modeling, and Simulation. SPIE Press, Bellingham, WA, USA. ISBN 0-8194-5186-X. 
  • Fei Wang & Akhlesh Lakhtakia (eds) (2006). Selected Papers on Nanotechnology -- Theory & Modeling (Milestone Volume 182). SPIE Press, Bellingham, WA, USA. ISBN 0-8194-6354-X. 

وصلات خارجية

For external links to companies and institutions involved in nanotechnology, please see List of nanotechnology organizations.
هناك كتاب ، Nanotechnology، في معرفة الكتب.


المصادر