ماذا تعني عبارة «نانو تكنولوجي»؟ وما هو هذا العلم الذي يتوقّع له أن يغزو العالم بتطبيقاته التي قاربت الخيال؟ وما اسم الكتاب الذي يتكلّم عن هذا العلم؟ وكيف شرح مؤلّفه فكرته؟ وما هي سلبيات ذلك على الكون؟ وهل من دول تدعم هذا العلم؟
يشتق مصطلح «نانو تكنولوجي» من النانومتر، وهو مقياس مقداره واحد من ألف من مليون من المتر، أي واحد على بليون من المتر، أو واحد من مليون من المليمتر. ويمثّل ذلك واحداً على ثمانين ألفاً من قطر شعرة واحدة. ونانو تعني باليونانية قزم و«نانو تكنولوجي» هو المقياس الذي يستخدمه العلماء عند قياس الذرة والالكترونيات التي تدور حول نواة الذرة وما إلى ذلك.
في عام 1986، وضع عالم الرياضيات الأميركي أريك دريكسلر، المؤسّس الفعلي لهذا العلم، كتاباً اسمه «محرّكات التكوين»، بسّط فيه الأفكار الأساس لعلم «نانو تكنولوجي». وعرض فيه أيضاً المخاطر الكبرى المرافقة له.
تتمثّل الفكرة الأساس في الكتاب بأن الكون كلّه مكوّن من ذرّات وجزيئيات، وأن لا بد من نشوء تكنولوجيا للسيطرة على هذه المكوّنات الأساس. وإذا عرفنا تركيب المواد، يمكن صناعة أي مادة، أو أي شيء، بواسطة وصف «مكوّناتها الذرية» ورصّها الواحدة إلى جانب الأخرى.
إن في كل صناعة «نانو تكنولوجي»، هناك ضرورة للسيطرة على الذرة الواحدة والجزيء الواحد، وذلك من خلال الراصف الذي هو عبارة عن إنسان آلي متناهي الصغر، لا يرى بالعين المجرّدة، ولا يزيد حجمه عن حجم ال?يروس أو البكتيريا. ويملك الراصف «أيدياً» تمكّنه من الامساك بالذرة أو الجزيء، ما يعطيه القدرة على تفكيك أي مادة إلى مكوّناتها الذرية الأصغر. ومثل كل روبوت، فإنه مزوّد بعقل إلكتروني أي كومبيوتر، يدير كل أعماله. ويتحكّم البشر بالرواصف عبر تحكّمهم بالكومبيوترات التي تدير الرواصف وبرامجها. ويمكن تخيّل راصف طبّي بحجم ال?يروس مبرمجاً لملاحقة البكتيريا التي تسبّب أمراضاً في الإنسان. ويمكن حقن مجموعة من تلك الرواصف، في دم مريض مهدّد بالتهاب عجز الطب عن علاجه، حيث تلاحق البكتيريا وتمزّقها.
ويمكن لهذه الرواصف أن تُبرمج، لتمسك بذرات معدنية لصنع مركبات فضاء بحجم الظفر. تلك المركبات مزوّدة بكومبيوترات وأجهزة اتصال مع الأرض، ولأنها مركبات فائقة الصغر، يمكن أن تستعمل أي مصدر للطاقة في الفضاء الخارجي، مثل الضوء أو حتى الذبذبات الصوتية، للانطلاق إلى مجرّات لا يحلم الإنسان بالوصول إليها.
ويتساءل دريكسلر في كتابه: هل أصبح ثقب الأوزون مهدّداً للأرض؟
لنرسل إليه الرواصف لإصلاحه. لكن ماذا لو حدث خلل ما لعمل الرواصف، أو بالأحرى كومبيوتراتها؟ عندها بدل إصلاح ثقب الأوزون، ربما زادت الرواصف في خرابه. ربما أزالت كل درع الأوزون الذي يقي الأرض من تدفّق الاشعاعات المميتة. ما الذي يحدث عندها؟ سوف يفنى كل ذي حياة على وجه الأرض وتنتهي حضارة الإنسان كلّها.
لقد تنبّأ العلماء بمستقبل واعد لهذه التقنية، التي بدأت بشكل حقيقي عام 1990، والتي باتت الدول الصناعية تضخ الملايين من الدولارات من أجل تطويرها، وقد وصل تمويل اليابان لدعم بحوث «الناتو تكنولوجي» لهذا العام إلى بليون دولار، أما في الولايات المتحدة فهناك 40000 عالم أميركي لديهم المقدرة على العمل في هذا المجال، وتقدّر الميزانية الأميركية المقدّمة لهذا العلم بتريليون دولار حتى عام 2015.
ويخشى بعض العلماء من استخدام مثل هذه التقنيات لأغراض لا إنسانية. وبحسب العالم نبيل جوي «هي تقنية مبيدة، عديدة المخاطر يمكن أن تؤدّي لظهور «جود الرمادي» وهو عبارة عن آلة متقدّمة تكنولوجياً، دقيقة الحجم، تستطيع أن تستنسخ نفسها، كما تفعل الكائنات الحيّة الدقيقة، وتتحوّل إلى جحافل من التجمّعات الآلية الصغيرة، تقتلع أي شيء في طريقها، وتبيد كل أشكال الحياة على وجه الأرض؛ ويتوقع المراقبون أن تُشغل تكنولوجيا الناتو سلسلة من الثورات الصناعية خلال العقدين القادمين حيث ستؤثر في الحياة بشكل كبير.
آخر صيحة في عالم الـ«نانو تكنولوجيا»: ابتكار آلة مجهرية للحفر والنحت الدقيق ثلاثية الأبعاد أسلوب مبتكر يعتمد على أشعة الليزر القصيرة الموجات والسريعة جدا لتنفيذ أعمال في منتهى الدقة
ابتكر باحثون في جامعة آن أربر في ولاية ميتشيغان في الولايات المتحدة, آلة مجهرية للحفر والتثقيب والنحت والقطع قادرة على العمل بشكل ثلاثي الابعاد في جميع المواد على أنواعها بدقة بالغة، مهما كانت درجة صلابتها. وهذه آخر صيحة من عالم الـ«نانو تكنولوجيا»(هندسة المنتجات المتناهية في الصغر).
ونشر باحثو ومهندسو هذه الجامعة تقريرا مسهبا في نشرة الاكاديمية القومية للعلوم الاميركية وصفوا فيه الجهاز الجديد الذي هو عبارة عن ليزر نبضي بسرعة «فيمتوثانية», أي بسرعة نبضة في كل جزء واحد من ألف تريليون جزء من الثانية, يتيح قطعا سريعا وعميقا بدقة بالغة في ما يتعلق بتقنيات الـ«نانو تكنولوجي». ويبدو ان مثل هذه القدرات الهائلة التي يؤمنها جهاز الليزر السريع جدا ذو الموجات المتناهية في القصر سيكون لها الاثر الكبير في الابحاث العلمية المتطورة جدا سواء في الاستخدامات العملية أو النظرية.
وفي الواقع لقد أراد الخبراء في مركز العلوم الضوئية السريعة في البداية, استخدام الليزر السريع جدا كأداة قوية لدراسة تراكيب الخلايا الحية, كما يقول الان هنت الاستاذ المساعد في دائرة الهندسة الطبية البيولوجية الذي اشار الى أن العلماء تمكنوا من دفع هذا العلم الجديد الى أكثر مما هو متوقع منه, والعثور في نهاية المطاف على استخدامات جديدة له, بدءا من الالكترونات المصغرة والدقيقة جدا وانتهاء بالسوائل الدقيقة ايضا. وأضاف هنت أن أحد المعضلات المحيرة في الـ«نانوتكنولوجيا» هو العثور على اسلوب فعال جدا ودقيق لتشييد الآلات الدقيقة جدا. وعلى سبيل المقارنة فقط فإن المقطع العرضي لشعرة الانسان يبلغ قياسه 100 الف نانومتر.
إن علوم الفيزياء الفريدة المنطوية عليها اشعة الليزر النبضية القصيرة جدا ذات الكثافة العالية تجعل من الممكن نحت أو قطع اشكال يبلغ عرضها 20 نانومترا كما يقول هنت. والسبب هو خاصية الضوء االقصير الموجات والنبضات وكيفية تعامله مع المادة التي يخترقها, خاصة لدى استخدام النبضات الفيمتوثانية التي هي بريق قصير من الضوء يدوم جزءا من كادريليون من الثانية.
وفي الواقع ليس ثمة أساليب أخرى سهلة لحفر ونحت تشكيلة مختلفة واسعة من المواد بشكل نانومتري. على ذلك يرد هنت بقوله ان الاسلوب الاقرب الى الليزر هذا السريع جدا هو الحفر بالحزمة الالكترونية, لكن الاسلوب الاخير هذا لا يتيح للحفر الى ما تحت السطح، أو داخل المادة.
إن الحفر الضوئي المستخدم الآن في إنتاج الرقاقات أو الشرائح الالكترونية الكومبيوترية يستخدم الآن على نطاق واسع للعديد من أعمال الحفر, ولكنه من الصعب عليه بلوغ القياسات النانومترية والعمل على مستواها, كما تتطلب ايضا مواد معينة, ولا يمكنها العمل على سطح واحد من هذه المادة, مما يعني أن الاقنية المحفورة على رقاقة ما على سبيل المثال لا يمكنها ان تتقاطع من دون أن تختلط بعضها بالبعض الآخر. وهذا ما يعرض المصممين الى عثرات كبيرة في أعمالهم.
بيد ان هنت يقول ان الخاصية الفيزيائية الفريدة للنبضات الفيمتوثانية تتيح الحفر على الابعاد الثلاثة. «أي لو كانت هناك ثلاث اقنية أو أخاديد محفورة على سطح ما فإنه يمكن وصل الاخدودين الخارجيين من دون الدخول عبر الاخدود الوسطي», ويضيف هنت, «أي يمكننا أن نتوجه صعودا ونزولا كما يمكننا ان نحفر اشكالا منحنية على شكل U من دون ان نتقيد بأن يكون ذلك على مستوى واحد أو سطح واحد». أي ان درجة التعقيد التي يمكن تحقيقها هي درجة كبيرة جدا.
كيف تعمل النانوتكنولوجي؟
في القرن العشرين بلغت مساحة شركة هنري فورد لتصنيع السيارات حوالي 8000 متر مربع في ولاية ميتشيغن الأمريكية. استخدمت كل هذه المساحة لتصنيع السيارات على مسار طويل طوله 144 كيلومتر ليتخصص كل جزء من هذا المسار في مرحلة من مراحل تصنيع وتجميع السيارات. واعتبر هذا المصنع من اكثر مصانع السيارات كفاءة، حيث كان يمتلك أكبر مساحة مخصصة للعمل.
ترس ذري يمثل Nanogears
عصر التلفزيون والكمبيوتر والطائرة من أهم مظاهر التطور في القرن العشرين ولكن عصر النانوتكنولوجيا هو المستقبل الذي ينتظرنا بكل ما يحمل من تكنولوجيا لها ميزاتها ومخاطرها.
إن النانوتكنولوجيا هو اسم كبير يخفي في طياته العديد من مواضيع البحث العلمي التي تتعامل مع الأجسام التي بحجم النانومتر (النانومتر هو جزء من البليون متر اي ان النانومتر هو 1/1000,000,000 متر)، في هذه المقالة من تفسيرات فيزيائية سوف نلقي الضوء على هذه التكنولوجيا الجديدة.
ما هي التكنولوجيا النانوية
في هذه الصورة نلاحظ وجود ترس لجزء من محرك نانوتكنولوجي بحجم حبيبة غبار وفوقه حشرة وهذا يوضح أن العلماء يستطيعون صنع آلات صغيرة بصغر حبيبة الغبار! (حجم حبيبة الغبار يوازي حجم ربع نقطة عادية على الصفحة) هذا المثال جزء فقط مما يمكن لهذه التكنولوجيا أن تحقق.
أصل مصطلح التكنولوجيا النانوية أو النانوتكنولوجي
تم إدخال مصطلح التكنولوجيا النانوية لأول مرة عام 1974 وذلك من قبل الباحث الياباني نوريو تانيغوشي عندما حاول بهذا المصطلح التعبير عن وسائل وسطرق تصنيع وعمليات تشغيل عناصر ميكانيكية وكهربائية بدقة ميكروية عالية. أما البوابة إلى عالم الذرات فقد تم فتحها عام 1982 عن طريق الباحثين السويسريين جيرد بينيغ وهاينريش رورير، حيث قاما بتطوير الميكروسكوب الأكثر دقة من أجل مراقبة الذرات وإمكانية التأثير بها وإزاحتها وبعد إنجازهما المشترك بأربع سنوات 1986 حصلا على جائزة نوبل. في عام 1991 اكتشف الباحث الياباني سوميو ليجيما الأنابيب النانوية المؤلفة فقط من شبكة من الذرات الكربونية وبالقياس تم الحصول على مقاومة شد أعلى من مقاومة شد الفولاذ بعشرة مرات وأكثر قساوة واستقراراً من الماس بمرتين على الأقل. إن الطلب على المنتجات النانوية آخذاً بالازدياد والنمو، ففي عام 2001 بلغ معدل الإنفاق العالمي على المجال النانوي حوالي 54 مليار يورو، هذا وتشير التوقعات بأن هذا المبلغ سوف يتضاعف أربعة مرات حتى عام 2010.
البناء باستخدام الذرات
مجموعة تروس ذرية تستخدم في تصنيع الآلات الناتوية
تعتمد التكنولوجيا النانوية على التشبيك والتنسيق بين العلوم البيولوجية والفيزيائية والكيميائية والميكانيكية والإلكترونية وعلم المواد وتقنية المعلومات وذلك من أجل دراسة الهياكل البنائية للمادة الحية واللاحية، وكما حدث في القرن العشرين من تبدل في حياة الشعوب كنتيجة لثورة المعلومات والاتصالات بدأت علائم تبدل جذري جديد بالظهور بفعل التطور الهائل في مجال التكنولوجيا النانوية والبيولوجية والنانوبيولوجية والميكروية والبصرية.
هناك ثلاثة مراحل للوصول إلى مواد واجهزة والات مصنعة بالتكنولوجيا النانوية هي:
(1) العلماء عليهم ان يتمكنوا من التأثير والتحكم بكل ذرة من الذرات المكون للمادة، وهذا يعني تطوير طريقة للامساك بالذرة وتحريكها إلى المكان المطلوب، وفي الحقيقة تمكنت شركة IBM في العام 1990 من كتابة اسم الشركة على بواسطة ترتيب 35 ذرة من ذرات عنصر الزينون على سطح بلورة من النيكل واستخدموا علماء شركة IBM في ذلك جهاز الميكروسكوب الذري atomic force microscopy
صورة تحت الميكروسكوب الالكتروني لكلمة كتبت بذرات الزينون
(2) المرحلة الثانية وهي تطوير ألات نانويةتسمى المجمع assembler، تبرمج مسبقاً لتتحكم في الذرات والجزيئات،وحيث أن مجمع واحد يحتاج إلى الاف السنين ليصنع مادة من نوع واحد من الذرات لذلك فإن المطلوب هو ملايين من هذه المجمعات تعمل مع بعضها البعض لتصنع جهاز أو ألة أو مادة.
(3) ليتمكن العلماء من تطوير ملايين المجمعات فإن أجهزة نانوية تسمى المستنسخات replicators تكون مبرمجة لتبني هذه المجمعات.
نستنتج مما سبق أن التكنولجيا النانوية تحتاج إلى بلايين من المستنسخات لبناء البلايين من المجمعات وهذه لن يزيد حجمها عن مكعب بحجم 1 ميليمتر مكعب والتي بدورها تتحكم في الذرات.
هذا كله لن يرى بالعين المجردة وهذا يعني أن أيدي عاملة من نوع جديد بانتظارنا!
بعض تطبيقات التكنولوجيا النانوية
(3) تمكن علماء ألمانيون من اكتشاف وسيلة نانوية جديدة بغية حفظ المخطوطات القديمة وحمايتها من التلف وتأثير العوامل الخارجية.
(4) 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.
(5) 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.
(6) 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.
(7) 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.
إن الأمثلة التي تم طرحها فيما سبق لا تشكل سوى غيض من فيض تطبيقات التكنولوجيا النانوية والتي بدأت برسم ملامح المستقبل القادم. وما زالت تتسرب من وقت لآخر، معلومات عن مشروعات طموحة تجري في بعض مراكز البحوث بالعالم، منها فكرة لبناء محركات في
تعريف النانو تكنولوجي :
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 شيئ دقيق للغاية.
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
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 وأداةقطع 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 معين ، ففي الحجم الكبير من الذهب مثلا لا توجد هذه التفاعلات في الغالب, ونستنتج من ذلك أن الذهب ذا الحجم النانوي سيقوم بعمل مغاير عن الذهب ذي الحجم الكبير
تطبيقات النانو تكنولوجي
يمكن من خلال تقنية النانو تكنولوجي صنع سفينة فضائية في حجم الذرة يمكنها الإبحار في جسد الإنسان لإجراء عملية جراحية والخروج من دون جراحة ، كما تستطيع الدخول في صناعات الموجات الكهرومغناطيسية التي تتمكن بمجرد تلامسها بالجسم على اخفائه 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.
تكنولوجيا النانو في الطب:
قنابل نانوية لتفجير الخلايا السرطانية طور علماء من مركز السرطان (ميموريان كيتيرنج) الأمريكي قنابل مجهرية ذكية تخترق الخلايا السرطانية، وتفجرها من الداخل. استخدم العلماء بقيادة (ديفيد شينبيرج) التقنية النانوية في إنتاج القنابل المنمنمة، ومن ثَم استخدامها في قتل الخلايا السرطانية في فئران المختبر. وعمل العلماء على تحرير ذرات مشعة من مادة (أكتينيوم 225) ترتبط بنوع من الأجسام المضادة من (قفص جزيئي)، ونجحت هذه الذرات في اختراق الخلايا السرطانية ومن ثم في قتلها.
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.
