كتبه/ علاء بكر
الحمد لله، والصلاة والسلام على رسول الله، أما بعد؛
فتُعَدُّ تقنية النانو تقنية المستقبل، وقد بدأت هذه التقنية الواعدة تَدْخُل بالفعل في مجالات عديدة في حياتنا، في الطب والصناعة والإلكترونيات والمجال العسكري؛ كما أنها تَحْمِل كثيرًا من الحلول لمشكلاتنا البيئية والصحية والتقنية.
ونظرًا لكون تقنية النانو حديثة نسبيًّا، فليس من السهل على كل الدول البراعة فيها؛ خاصة الدول الأقل تقدمًا والأضعف في الإمكانيات، فتوطين تقنية النانو في أي دولة يتطلب التركيز على مجالات محددة تتوافق مع خطط وأهداف التنمية الوطنية وتراعي الخبرات المتاحة لنقل هذه التقنية سواء داخل مؤسسات التعليم العالي والبحث العلمي أو في العمالة في القطاعات الإنتاجية والخدمية.
وتُستخدم كلمة (النانو) للدلالة على الجزء من المليار من وحدة القياس من الكتلة أو المسافة، والنانو يعادل طول خمس ذرات إذا وُضِعت الواحدة تلو الأخرى، بما يمثل واحدًا على مائة ألف من قطر شعرة الإنسان.
وقد كانت تقنية الميكرو هي التقنية المستخدمة في الأنظمة التقنية قبل ظهور تقنية النانو، حيث إن الميكرومتر هو مقياس طولي يساوي جزءًا من المليون من المتر. وقد استُخدمت الأجهزة الميكروية في عدد من الصناعات مثل طابعات الحبر النفاثة، ومجسات الضغط لقياس الهواء في إطارات السيارات والقافلات الضوئية المستخدمة في الاتصالات وفي إرسال المعلومات وغير ذلك. وقد أتاحت مادة السيليكون التي تُعَدُّ العصب الرئيس لصناعة الدوائر الإلكترونية المتكاملة العمر الطويل للأجهزة الميكروية لتعمل دون عطب.
واليوم تأتي تقنية النانو لتحل بديلًا عن الميكرو، حيث يمكن تصنيع الأجهزة الكهروميكانيكية والإلكترونية النانوية، وبالتالي تقليل حجم كل تلك الأجهزة المستخدمة بمقدار ألف مرة عن حجم أجهزة الميكرو، مما يؤدي إلى تغيير خصائص تلك الأجهزة إلى الأفضل، مما تُعَدُّ معه تقنية النانو أهم وأكبر الفتوحات العلمية التي توصل إليها الإنسان في العصر الحاضر، والتي تُعَقَّد عليها الآمال في تطوير مناحي الحياة والعيش معها بصورة أفضل.
علم النانو:
هو العلم الذي يتعامل مع المواد في مستواها الذري والجزيئي بمقياس لا يزيد عن 100 نانومتر، ويهتم باكتشاف ودراسة الخصائص المميزة لمواد النانو.
وقد ظهر مسمى تقنية النانو لأول مرة في السبعينيات عبر العالم الياباني في جامعة طوكيو البروفيسور نوريو تانيغوشي الذي ذكر أن تقنية النانو ترتكز على عمليات فصل واندماج وإعادة تشكيل المواد بواسطة ذرة واحدة أو جزيء، أي عمليات دقيقة للغاية تتم على مستوى الذرات والجزيئات بفصل أو ربط أو تغيير في المادة بمقدار ذرة واحدة أو جزيء واحد.
وجاءت كلمة النانوتكنولوجيا لتعني تقنية المواد المتناهية في الصغر، أو التقنية المجهرية أو تقنية المنمنمات. فهي التقنية التي تُعْطِينا القدرة على التحكم المباشر في المواد والأجهزة التي أبعادها تقل عن 100 نانومتر، وذلك بتصنيعها وبمراقبتها وقياس ودراسة خصائصها. ويقوم أساس عمل تقنية النانو على إعادة ترتيب الذرات لتصنيع جزيئات جديدة ذات مواصفات جديدة محددة ومخطط لها.
وفي عام 1986 بدأ أول استخدام لمصطلح تقنية النانو في الأوساط العلمية بعدد من المحاضرات، وظهور بعض الكتب حول هذه التقنية، ولكن كانت تقنية النانو وتطبيقاتها وقتها مجرد فرضيات بعيدة في نظر الكثيرين عن الواقع التطبيقي والعملي. وخلال العشرين سنة الأخيرة استطاعت الأجهزة والتقنيات الحديثة أن تجعل من التعامل مع عالم الذرات ومع جسيمات النانو أمرًا ممكنًا من الناحية العملية.
من وجهة النظر الفيزيائية الإلكترونية:
تُعَدُّ تقنية النانو هي الجيل الخامس في عالم الإلكترونيات، إذ سبقها أربعة أجيال مهدت للمرحلة الراهنة، وهي:
الجيل الأول: المصباح الإلكتروني، ويدخل فيه التلفزيون.
الجيل الثاني: استخدام الترانزستور بتطبيقاته الواسعة.
الجيل الثالث: الدوائر المتكاملة، والتي كانت قفزة هائلة اختزلت حجم العديد من الأجهزة ورفعت كفاءتها وعددت من وظائفها.
الجيل الرابع: المعالجات الدقيقة، والتي أنتجت الحاسوب الشخصي والرقائق الحاسوبية السيليكونية.
الجيل الخامس: وهو الجيل الحالي، جيل الجزيئات المتناهية الصغر (المنمنمات)، والتقنية المجهرية الدقيقة، وتكنولوجيا النانو.
ومما لا شك فيه: أن تقنية النانو سوف تدفع بالبشرية نحو علم مذهل، فمن المتوقع لهذه التقنية إحداث سلسلة من الثورات والاكتشافات العلمية خلال العقود القليلة القادمة، وما سيرافقها من تغيير هائل في الكثير من ملامح الحياة في شتى المجالات، فتقنية النانو تقنية متشعبة، ويمكنها أن تقدم في كل يوم ابتكارات تغير وجه العالم وتصنع ما يشبه المعجزات في جميع فروع العلوم المختلفة.
ومن تلك المجالات التي سيكون لتقنية النانو فيها دورها في مجال التغذية؛ سواء على مستوى الزراعة أو الإنتاج الغذائي أو على مستوى حفظها والمحافظة على قيمتها الغذائية، حيث تعمل العديد من الشركات على تطوير مواد نانوية تؤثر في طعم وسلامة الأغذية وفوائدها الصحية. كما أمكن إضافة النانو كمادة في تصنيع عصائر الفواكه وكذلك الأجبان.
ومع أن جميع المواد التقليدية تُعَدُّ بمثابة خامات أولية تُستخدم في تخليق المواد النانوية، فإن المواد النانوية المخلقة منها لها خواص فيزيائية وكيميائية وميكانيكية مختلفة وفريدة عن المواد التقليدية، ويمكن تصنيع المواد النانوية على عدة أشكال بناءً على الاستخدام المقرر لهذه المواد.
من أهم خواص المواد النانوية التي حصلت عليها نتيجة اتساع مساحة سطحها الخارجي:
- زيادة درجة صلابة المواد الفلزية وزيادة مقاومتها للأحمال الواقعة عليها، وذلك كنتيجة لتصغير حجم حبيبات المادة وبالتالي وجود أعداد ضخمة من الذرات على أوجه سطحها الخارجي.
- القدرة على الحد من التلوث البيئي، حيث تعمل المواد النانوية كمحفزات تتفاعل بقوة مع الغازات السامة.
- خفض درجة انصهار المواد بتصغير أبعاد حبيباتها. فالذهب مثلًا في حجمه الطبيعي ينصهر عندما يصل إلى درجة حرارة 1064 مئوية، ولكن تقل درجة هذا الانصهار إلى 500 درجة مئوية بعد تصغير حبيبات الذهب إلى نحو 35 نانومتر.
- قدرة الخواص البصرية للمواد النانوية على صناعة شاشات تلفاز وحواسيب وهواتف نقالة عالية الجودة فائقة التباين ونقية الألوان.
- قدرتها الزائدة على توصيل التيار الكهربائي نتيجة تصغير أحجام حبيبات المواد إلى أقل من 10 نانومتر.
- زيادة قوة وفاعلية قدرة المواد النانوية المغناطيسية نتيجة صغر حبيبات المادة وتضاعف وجود الذرات على أسطحها الخارجية.
- زيادة قدرة المواد النانوية البيولوجية لزيادة قدرتها على النفاذ واختراق الموانع والحواجز البيولوجية، وتحسين التلاؤم والتوافق البيولوجي، وهذا مما يسهل وصول العقاقير العلاجية والأغذية إلى خلايا معينة في الجسم، كما يمكن أيضًا تصنيع مركبات نانوية بأن نُضِيف للمواد خلال تصنيعها نسبة مئوية منخفضة لا تتعدى 5% من الجسيمات النانوية، وهي عبارة عن تجمع ذري أو جزيئي ميكروسكوبي يتراوح عددها من بضع ذرات أو جزيئات إلى مليون ذرة، مرتبطة ببعضها بشكل كروي تقريبًا بنصف قطر أقل من 100 نانومتر، ونتيجة لتلك الإضافة يظهر تحسن كبير في خصائص تلك المواد (المركبات).
ورغم وجود التعاريف الكثيرة لتكنولوجيا النانو وعدم الاتفاق على تعريف بعينه منها، شأنها في ذلك شأن العلوم الناشئة الأخرى، فإنه يمكن تعريف تكنولوجيا النانو: بأنها تداول أو ضبط أو موضعة أو قياس أو صوغ أو تصنيع مواد حجمها أقل من 100 نانومتر.
التطور التاريخي لتقنية النانو وأهم روادها:
في ديسمبر عام 1959، تحدث عالم الفيزياء الشهير ريتشارد فاينمان في محاضرة له في الجمعية الفيزيائية الأمريكية عن إمكانية التحكم في إعادة ترتيب الجزيئات والذرات في المادة في مقياس صغير، وعلى مقياس أصغر فأصغر، وبذلك يمكن بناء الآلات وإجراء عمليات لإنتاج أجسام على مستوى الجزيئات. وقد توقع أن يكون للبحوث حول خصائص المادة عند مستويات النانو دورًا أساسيًّا في تغيير الحياة الإنسانية. وهو وإن لم يشر إلى تقنية النانو بشكل مباشر، لكنه تحدث بشكل استشرافي عن مستقبل التقنية البشرية وملامح تلك التقنية التي ستمكن البشر مع تقدم العلوم من تصنيع آلات دقيقة.
عالم الرياضيات ريتشارد فاينمان:
- هو عالم فيزياء أمريكي شهير، عمل في أبحاث تطوير القنبلة الذرية في الأربعينيات من القرن العشرين الميلادي. نال جائزة نوبل في عام 1965. تنبأ في إحدى محاضراته بحدوث ثورة تكنولوجية وطفرة في تخليق مواد جديدة يتحكم الإنسان في ترتيب ذراتها لتصنيع أجهزة متناهية في الصغر لا تتعدى أحجامها حجم خلية بكتيرية أو فيروس، لكنها قادرة على تنفيذ الأعمال الدقيقة جدًّا، فكان له بذلك فضل أول من قام بالتفكير في تقنية النانو. وقد احتاج العلماء لأكثر من عشرين عامًا من العمل في جد ومشقة ليبرهنوا على صحة تلك الفرضية ثم تحويلها إلى حقيقة وواقع ملموس.
- في عام 1969، اقترح ليو إيساكي تصنيع تركيبات شبه موصلة بأحجام النانو، وتصنيع شبكات شبه موصلة مفرطة الصغر.
- في عام 1974، أطلق العالم الياباني نوريو تانيغوشي تسمية تقنية النانو على عمليات هندسة المواد الدقيقة في المستوى النانومتري. وفي عام 1979، ذكر تانيغوشي في ورقة علمية له منشورة في مؤتمر الجمعية اليابانية للهندسة الدقيقة تعريفه لتقنية النانو، وأنها ترتكز على فصل ودمج وإعادة تشكيل المواد بواسطة ذرة واحدة أو جزيء.
الباحث الياباني نوريو تانيغوشي:
- يُعَدُّ أول من أطلق مصطلح التقنية النانوية، وذلك عام 1974، ليعبر به عن وسائل وطرق تصنيع وعمليات تشغيل عناصر ميكانيكية وكهربائية بدقة عالية.
- العالمان جيرد بينيغ وهاينريش روهرر، هما من قاما في عام 1981 باختراع المجهر النفقي الماسح، مما ساعد على ازدياد البحوث المتعلقة بتصنيع ودراسة التركيبات النانوية للعديد من المواد. وقد حصل العالمان معًا على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1986 على اختراعهما هذا.
- والمجهر النفقي الماسح جهاز يقوم بتصوير الأجسام التي بحجم النانو، مما زاد من البحوث المتعلقة بتصنيع ودراسة التركيبات النانوية للعديد من المواد. ومن ثم بعد ذلك بعدة سنوات استطاع العالم الفيزيائي إيغلز من تحريك الذرات باستخدام المجهر النفقي الماسح، مما فتح مجالًا جديدًا لإمكانية تجميع الذرات المفردة مع بعضها.
- في عام 1985، تم اكتشاف الفلورينات عن طريق هارولد كروتو وريتشارد سمالي وروبرت كيرل، والفلورينات عبارة عن جزيئات تتكون من 60 ذرة كربون تتجمع على شكل كرة، وقد حصلوا على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1996.
العالم المهندس إريك دريكسلر:
- مهندس أمريكي، ولد في أوكلاند بكاليفورنيا في إبريل 1955، يُعَدُّ رائد تكنولوجيا النانو، خاصة في مجال الهندسة على المستوى الجزيئي. اشتهر في السبعينيات والثمانينيات. وهو أول من حصل على درجة الدكتوراه في تقنية النانو الجزيئية، وذلك من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. يُنسب إليه صياغة مفهوم تقنية النانو الجزيئية التي تتضمن هندسة المادة على المستوى الذري والجزيئي. نشر كتابه (محركات التكوين) في عام 1986 الذي يُعَدُّ البداية الحقيقية لعلم النانو؛ لذا يُعتبر المؤسس لعلم النانو، شرح في كتابه كيف يمكن للآلات الدقيقة التي تعمل على المستوى الجزيئي أن تبني الأشياء ذرة بذرة، وكيف يمكن لهذه الآلات أن تُستخدم في مختلف التطبيقات من الروبوتات الطبية إلى تنقية الهواء. لُقِّبَ بعراب تقنية النانو، لكونه أول من طرح مفهوم تقنية النانو الجزيئية وتأثيرها المحتمل على الحضارة الإنسانية.
- في عام 1991، اكتشف العالم الياباني سوميو إيجيما أنابيب الكربون النانوية. وترجع أهميتها نظرًا لتركيبها المتماثل وخصائصها المثيرة، واستخداماتها الواسعة في التطبيقات الصناعية والعلمية وفي الأجهزة الإلكترونية الدقيقة والأجهزة الطبية الحيوية، حيث إن لهذه الأنابيب خصائص غير عادية من حيث الصلابة وتوصيل الكهرباء، وغير ذلك.
- في عام 1993، تمكن العالم دونالد بيثون من رصد نانوتيوب مكونة من طبقة واحدة، ويبلغ قطر الأنبوب الواحد منها 12 نانومتر. بعدها انطلق العلماء في مجال النانوتيوب، وهي الأنابيب في مقياس النانو، حيث رصد فريق من علماء الصين أصغر نانوتيوب في العالم ويصل قطره إلى 0.5 نانومتر.
- في عام 1995، تمكن العالم الكيميائي منجي باوندي من تحضير حبيبات من أشباه الموصلات (الكادميوم / الكبريت) ذات قطر 3 – 4 نانومتر.
- في عام 2000، تمكن العالم الفيزيائي العربي الأصل منير نايفة من تصنيع عائلة من حبيبات السيليكون، أصغرها ذات قطر واحد نانومتر، وتتكون من 29 ذرة سيليكون، وتعطي هذه الحبيبات عند تعرضها للضوء فوق البنفسجي ألوانًا مختلفة بحسب قطرها.
الدكتور منير نايفة:
- عالم ذري من أصل فلسطيني. ولد في ديسمبر عام 1945 بقرية شويكة بجوار طولكرم. نجح في تحريك الذرات منفردة ذرة بذرة. وهو يعمل على تأسيس فرع جديد في علم الكيمياء يُدعى كيمياء الذرة المنفردة، وهو علم يمهد لطفرة طبية تُساهم في علاج العديد من الأمراض التي عجز العلم أمامها طويلًا، حيث يتيح هذا الإنجاز بناء أجهزة ومعدات مجهرية لا يزيد حجمها عن عدة ذرات بما يمكننا من إدخالها في جسم الإنسان وتسير داخل الشرايين لتصل إلى أعضاء الإنسان الداخلية. وللنايفة ما يزيد عن 130 مقالًا وبحثًا علميًّا، كما شارك مع آخرين في إعداد وتأليف العديد من الكتب عن علوم الليزر والكهربية والمغناطيسية، لذا دُوِّن اسمه في العديد من موسوعات العلماء والمشاهير الأمريكيين في العالم.
- في عام 2000، أعلنت أمريكا مبادرة تقنية النانو الوطنية لجعل تقنية النانو تقنية وطنية إستراتيجية، وفتح المجال لدعمها في جميع المجالات العلمية والجامعية والصناعية.
- في عام 2002، أُنشئ في اليابان مركز متخصص للباحثين في تقنية النانو، تم فيه توفير جميع الأجهزة المتخصصة اللازمة لهم.
- في عام 2004، بدأت مرحلة التطبيقات الصناعية لتقنية النانو، حيث استُخدمت المواد النانوية في صناعة المطاط الماليزي، وكانت النتائج مذهلة إذ قفزت الخصائص الميكانيكية للمطاط من 12 إلى 20 ضعفًا بإضافة أجزاء بسيطة من المواد النانوية.
- في عام 2008، منح الرئيس الأمريكي جورج بوش العالم الدكتور مصطفى السيد قلادة العلوم الوطنية الأمريكية، تقديرًا لجهوده في استخدام تقنية النانو في علاج مرض السرطان بواسطة مركبات الذهب الدقيقة.
الدكتور مصطفى السيد:
عالم كيمياء من أصل مصري، ولد في عام 1933 في مدينة أبو كبير بمحافظة الشرقية. حصل على جائزة الملك فيصل العالمية للعلوم عام 1990. وحصل على العديد من الجوائز الأكاديمية العلمية من مؤسسات العلوم الأمريكية المختلفة. ومُنح أيضًا زمالة أكاديمية علوم وفنون السينما الأمريكية، وعضوية الجمعية الأمريكية لعلوم الطبيعة، والجمعية الأمريكية لتقدم العلوم، وأكاديمية العالم الثالث للعلوم. وقد تركزت أبحاثه حول استخدام تقنية النانو في مجال الطب، خاصة أبحاث علاج مرض السرطان. وهو أول مصري وعربي يحصل على قلادة العلوم الوطنية الأمريكية، والتي تُعَدُّ أعلى وسام أمريكي في العلوم، وذلك لإنجازاته في مجال تكنولوجيا النانو وتطبيقها باستخدام مركبات الذهب الدقيقة في علاج مرض السرطان.
الدكتور سامي بن سعيد بن علي حبيب:
هو مدير مركز التميز البحثي في تقنية النانو بجامعة الملك عبد العزيز بالمملكة العربية السعودية، وأحد رواد تقنية النانو الأوائل بالمملكة. استطاع أن ينقل أفكاره عن هندسة الطيران إلى علم النانو. بدأ اهتمامه بتقنيات النانو في عام 1998 من خلال أبحاثه عن المواد المركبة لاستخدامات منشآت الطيران والمركبات الطائرة. وقد قام بالكثير من الأبحاث في هذا المجال، منها أبحاث في الأنابيب الكربونية النانوية. له العديد من الدراسات والمقالات عن طبيعة تقنية النانو وتطورها، وعن التحديات التي ستواجه تقنيات النانو، كما أن له ورقة علمية عن تقنيات النانو للعالم النامي، وأخرى عن تطبيقات النانو في مجال الطب. وهو مؤسس الجمعية السعودية لتقنيات النانو، والمدير المؤسس لمركز التقنيات متناهية الصغر (النانو) بجامعة الملك عبد العزيز بالسعودية.
وللحديث بقية -إن شاء الله-.