Nanotubes

موضوع: Nanotubes الخميس يوليو 01, 2010 11:03 am

بسم الله الرحمن الرحيم

مصطلح جديد برز إلى الأضواء ،وأصبح محط الاهتمام بشكل كبير خلال السنوات القليلة الماضية، ،هو "النانو تكنولوجي".
وتستخدم بعض الكتابات الصحفية العربية أحيانا مصطلح (تقنية الصغائر أو المنمنمات ) و يعتبرها العلماء أعظم ثورة صناعية تكنولوجية حدثت في تاريخ الانسانية ، متوقعين أن الأربعين عاما المقبلة سيحدث فيها تغيرات أكبر مما حدث في الأربعمائة عاماً الماضية.
وتكنولوجيا النانو تهتم بتصميم أجهزة ومعدات دقيقة جدا ومتناهيه في الصغر لعدد من الاستخدامات.

**تعريف بالمصطلح:

كلمة "نانوس" بالإغريقية تعني القزم الصغير، و مقياس النانو أو الـ”Nano Scale "هو أدق وحدة قياس مترية معروفة حتى الآن ، ويمثل واحد على المليار من المتر .
ولتقريب المعنى فإن حجم النانو أصغر بحوالي 80.000 مرة من قطر شعرة الانسان ، 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.
وهذا الطول يقترب من طول الفيروسات والحامض النووي وقطر الذرة،وتكنولوجيا النانو متخصصة في التعامل مع كل هذه الاشياء واهمها الذرة والحامض النووي.

تكنولوجيا النانو بطريقة مبسطة تعتمد على مسألتين،
الأولى:
بناء المواد بدقة من لبنات صغيرة، والحرص على مرحلة الصغر يؤدي الى مادة خالية من الشوائب ومستوى أعلى جدا من الجودة والتشغيل.
الثانية: أن خصائص المواد قد تتغير بصورة مدهشة عندما تتجزأ الى قطع أصغر وأصغر، وخصوصا عند الوصول الى مقياس النانو أو أقل، عندها قد تبدأ الحبيبات النانونية اظهار خصائص غير متوقعة ولم تعرف من قبل أى غير موجودة في خصائص المادة الأم.

وباستخدام تقنية النانويمكن دمج الصفات الفيزيائية والبيولوجية والكيميائية للمواد ليكون توظيفها ممكننا فى أى مجال، سواء في جسم الإنسان ، أوفي محرك الطائرة ، فمن الممكن توجيه وضع الذرات الداخلة في التفاعل بطريقة محددة وبالتالي فإن المواد الناتجة سوف تكون أكثر دقة وأكثر نقاوة من التصنيع بالطرق التقليدية ومن ثم توحيد نوعية المنتج وكذلك تقليل تكلفة الإنتاج وخفض الطاقة المستهلكة، وهناك أجهزة على مستوى النانو (Nanodevice) قادرة على توجيه الذرات ووضعها في مكانها الصحيح أثناء عملية التفاعل.

**أهمية تقنية النانو

يعتبر النانوتكنولوجي الجيل الخامس الذي ظهر في عالم الإلكترونيات الذي يمكن تصنيف ثوراته التكنولوجية على أساس انها مرت بعدة أجيال هى:

*الجيل الأول.. ويتمثل في استخدام المصباح الإلكتروني ( Lamp) بما فيه التلفزيون .

*الجيل الثاني.. ويتمثل في اكتشاف الترانزيستور ، وانتشار تطبيقاته الواسعة .

*الجيل الثالث.. من الإلكترونيات ويتمثل في استخدام الدارات التكاملية (IC ، Integrate Circuit ) وهي عبارة عن قطعة صغيرة جداً شكلت فى فترات ماضية قفزة هامة في تطور وتقليل حجم الدارات الالكترونية فقد قامت باختزال حجم العديد من الأجهزة ، ورفعت من كفاءتها وعددت من وظائفها .

*الجيل الرابع... ويتمثل في استخدام المعالجات الصغيرة( Microprocessor ) ، الذي أحدث ثورة هائلة في مجال الإلكترونيات بإنتاج الحاسبات الشخصية (Personal Computer) والرقائق الكومبيترية السيليكونية التي أحدثت تقدماً في العديد من المجالات العلمية والصناعية .

*الجيل الخامس.. ويتمثل فيما صار يعرف باسم النانوتكنولوجي nano technology

وعن طريق النانو تكنولوجي يمكن مواجهة الفيروسات وعلاج الامراض المستعصية مثل السرطان واجراء عمليات كبرى من دون جراحة عن طريق ادخال جهاز نانو صغير داخل عروق الانسان لتوسيع شرايين أو اصلاح مشاكل صحية. بل يمكن استخدام النانو لزراعة اعضاء بديلة لاعضاء الانسان المصابة او التي تم استئصالها ، حيث يمكن من خلال تكنولوجيا النانو التحكم في الحامض النووي لتحفيز الخلايا على انتاج بنكرياس جديد، او كلية، او نمو ثدي جديد بدلا من المستأصل في حالات سرطان الثدي, كما يمكن أن تستخدم تكنولوجيا النانو في مجال الصناعة بصورة مذهلة، وهو مايمكن ان يحقق مكاسب اقتصادية كبيرة للدول التي تستخدمها. والعديد من الدول بدأت تنتج منتجات صناعية باستخدام النانو, فهناك أحذية وشنط وملابس تم انتاجها بالنانو تتميز بسهولة التنظيف وعمرها اطول, تستخدم النانو ايضا في صناعة زجاج طارد للغبار وغيرها من الصناعات العديدة, بل ان الولايات المتحدة تستخدم تكنولوجيا النانو في طلاء الطائرات العسكرية حتى لا ترصدها الرادارات، ويمكننا ان نتخيل انه يمكن ان تقوم دولة بتنفيذ هجوم او حرب على دولة اخرى باستخدام النانوعن طريق اخفاء الجيش وطائراته ومعداته وصواريخ بطلاءات من النانو

وقياساً على ذلك تبشر تقنية النانو الواعدة قفزة 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 بأقل كلفة ممكنة ، ويشير المتخصصون الى إمكانية استخدام هذه التكنولوجيا فى صنع حواسيب خارقة الأداء يمكن وضعها على رؤوس الأقلام والدبابيس ، وأيضاً روبوتات نانوية طبية يمكن حقنها في الدم أو ابتلاعها لتعالج الجلطات الدموية و الأورام والأمراض المستعصية .

وتفسير ذلك فى أن معظم الخصائص الأساسية للمواد و الآلات كالتوصيل والصلابة ودرجة الانصهار تعتمد على الحجم بشكل لا مثيل له في أي مقياس آخر أكبر من النانو .

**بعض تطبيقات تكنولوجيا النانو

- في عالم الميكانيكا الهندسية حقق الباحثون نتائج مذهلة في مجال السيطرةعلى عمليات الاهتراء والصدأ والتآكل الميكانيكي والكيميائي، وكذلك في مجالات التغلب على الاحتكاك الميكانيكي حيث أنه سيتم الاستغناء عن موادالتزييت والتشحيم، وهذا ما يساعد على إطالة عمر الآلة وزيادة كفاءتها.

- 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 خاصيةالتلاؤم الأتوماتيكي مع ظروف الطقس وطبيعة الأرض والعوامل الخارجيةالأخرى.

- تمكن الباحثون الألمان من تخزين المعلومات في ذرات قليلة وقراءتها، وإذا ما استمر النجاح في هذاالاتجاه فإنه سيصبح قريباً من الممكن تخزين كل ما تم إنتاجه من الأدب العالمي على رقاقة بحجم الطابع البريدي، كما تمكن علماء ألمان أيضاً من اكتشاف وسيلة جديدة عن طريق النانو بغية حفظ المخطوطات القديمة وحمايتها من التلف وتأثيرالعوامل الخارجية.

-تستخدم تقنية النانو بصورة مكثفة في المجال الطبي والعلمي وتعد التطبيقات الطبية لهذه التكنولوجيا من أهم التطبيقات الواعدة على الإطلاق،فعلى سبيل المثال هناك الكثير من الأدوات المستخدمة في تقنية النانو في المجال الطبي ومنها:

· الأجهزة المجهرية الدقيقة والمطورة مثل المجهر الإلكتروني الماسح .

· المعدات المستخدمة في تصوير الخلايا والبكتيريا والفيروسات والوحدات الجزيئية.

· جزيئات الكربون حيث يتم تشكيلها لإنتاج مواد أقوى 100 مرة من الفولاذ على الرغم من أن وزنها سدس وزن الفولاذ وأكثر من النحاس من ناحية التوصيل ، ويمكن أن يستخدم بأمان في بعض التطبيقات الطبية مثل أنظمة إيصال الأدوية وتعتبر من أشهر الأمثلة في استخدام تقنية النانو في الطب مثل Nanotubes ، Fullerenes .

· الأجهزة الدقيقة التي تضم النظم الكهربائية الصغيرة (MEMS ) والتي تحتوي على أجزاء متحركة مصغره للعمليات الجراحية والأجهزة المنظمة لضربات القلب.

· ميكرو فلويديكس ((Microfluidics لإجراء اختبارات الحمض النووي.

· ميكرو ارايس ((Microarrays والتي تستخدم للكشف عن الكميات القلية للبكتريا المرضية.

**مراحل تطورالنانوتكنولوجي

تم إدخال مصطلح التكنولوجيا النانوية لأول مرة عام 1974 وذلك من قبل الباحث الياباني نوريو تانيجوشي عندما حاول بهذا المصطلح التعبير عن وسائل وطرق تصنيع وعمليات تشغيل عناصر ميكانيكية وكهربائية بدقة ميكروية عالية. أما البوابة إلى عالم الذرات فقد تم فتحها عام 1982 عن طريق الباحثين السويسريين جيرد بينيج وهاينريش رورير، حيث قاما بتطوير لميكروسكوب الأكثر دقة من أجل مراقبة الذرات وإمكانية التأثير بها وإزاحتها وبعدإنجازهما المشترك بأربع سنوات 1986 حصلا على جائزة نوبل. في عام 1991اكتشف 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.
وتنبأ العلماء بمستقبل واعد لهذه التقنية والتي أصبحت الدول الصناعية تضخ الملايين من الدولارات من أجل تطويرها ، فعلى سبيل المثال ، وصل تمويل اليابان لدعم بحوث النانوتكنولوجي إلى بليون دولار أما في الولايات المتحدة فهناك 40.000 عالم أمريكي لديهم المقدرة على العمل في هذا المجال ، وتقدّر الميزانية الأمريكية المقدمة لهذا العلم بتريليون دولار حتى عام 2015 .

**مستقبل تقنية النانو:

يعتبر العلماء النانو تكنولوجي هو لغة المستقبل، وهو أحد إبداعات مرحلة ما بعد الصناعة، حيث اعتمدت مرحلة الصناعة على فلسفة الإنتاج الضخم المبني على المعرفة، بينما الموجة الصناعية الجديدة تعتمد على الإبداع العلمي وإنتاج المعرفة نفسها، واستخدام أصغر الكائنات سواء في الزمن "الفمتوثانية" أو في الاحياء والبيولوجيا حيث تمت معرفة الشفرة السرية لتكوين الخلايا الحية، مما سهل استنساخ حيوانات، أو تطوير الطب. وأصبح ممكن بفضل النانو تكنولوجي زرع غواصة دقيقة لا يزيد حجمها على رأس دبوس مكونة من ألفي أو ثلاثة آلاف ذرة لمقاومة خلايا السرطان ووقف نموها، ويمكن لمثل هذه الغواصة أن تفتت حصوة في الكلى من دون متاعب، و يظل الجانب الأخطر هو إنتاج أسلحة غير مرئية ، فالطائرات الأميركية (الشبح) التي اختبرت لأول مرة في قصف العراق العام 1991 والتي لا يراها الرادار تعتمد على فكرة وضع جزيئات نانو اقرب ما تكون للورق الشفاف تمتص الموجات الكهرومغناطيسية التي تبثها الرادارات فتختفي من الشاشة بينما هي تمر فوق الهدف مباشرة.

وتبشر تقنيات النانو بثورة صناعية جديدة، يتوقع أن تدخل تطبيقاتها في ميادين أخرى بخلاف الطب والنواحى العسكرية مثل الزراعة والغذاء و تنقية الماء والبيئة والالكترونيات والكومبيوترات، ومن المتوقع أن تؤدي الى تصغير الأجهزة وتقليل سعرها واحتياجاتها من طاقات التشغيل، مما يؤدي الى تحديث مزيد من الأجهزة الالكترونية والألعاب الصغيرة، وأيضاً ستلتقي احتياجات في التطبيقات العسكرية والأمنية والاستكشافية في الفضاء القريب والبعيد.

ويشير العلماء الى أنه بواسطة تكنولوجيا النانو سيكون بالإمكان أن يحمل الإنسان سوبر كمبيوتر على معصم يده ، وستكون الحاسبات الخارقة الموجودة اليوم في مراكز الأبحاث ، أو في الجامعات الكبيرة مجرّد ساعة يد يحملها أي إنسان ، أى ستقوم هذه التكنولوجيا بصنع كل شيء، من الإبرة إلى الصاروخ ، ولكن بجودة تتفوق على كل ما صنع من قبل وبتكلفة ضئيلة جدا ، وبواسطة هذه التقنية العجيبة ستقوم ثيابنا بتنبيهنا عن صحتنا و عن عوامل البيئة ، وربما عن حالة الطقس ، وقد تختار لنا الملابس المناسبة لحالة الطقس .. بل وستنظّف نفسها دون أيّ مساعدة ، وستقوم بتدفئة أو تبريد الجسم حسب درجة الحرارة الخارجية ، وستتمكن المباني والآلات من إرسال إشارات لاسلكية عندما تحتاج إلى صيانة ، أو قد تستطيع إصلاح نفسها.

**انتقادات ومخاوف

عند كل تطور علمي او تكنولوجي ،تبرز انتقادات وتنتشر مخاوف . كما حدث في الثوره الصناعيه الاولى ،وعند اختراع الكمبيوتر والهندسه الوراثيه وغيرها... وتتركز الانتقادات هنا على عنصرين :
الاول هو ان النانو جزيئات صغيره جدا إلى حد التي يمكنها التسلل وراء جهاز المناعه في الجسم البشري ، وبأمكانها ايضا ان تنسل من خلال غشاء خلايا الجلد والرئه ، وماهو أكثر اثاره للقلق ان بأمكانها ان تتخطى حاجز دم الدماغ . وفي سنة 1997 م اظهرت دراسه في جامعة اكسفورد ان نانو جزيئات ثاني اوكسيد التيتانيوم الموجوده في المراهم المضاده للشمس اصابت الحمض النووي DNAللجلد بالضرر. كما اظهرت دراسه لمركز جونسون للفضاء والتابع لناسا ان نانو انابيب الكربون هي أكثر ضررا من غبار الكوارتز الذي يسبب مرض مميت يحدث في اماكن العمل - وثاني المخاوف هي ان يصبح النانو ذاتي التكاثر،أي يشبه التكاثر الموجود في الحياه الطبيعيه فيمكنه ان يتكاثر بلا حدود ويسيطر على كل شيء في الكره الارضيه ... وقد بدأت منظمات البيئه والصحه العالميه تنظم المؤتمرات لبحث هذه المخاطر ومحاولة التقليل منها .

والثانى هو الهاجس الأمني الذى يشكل أولوية من حيث الاهتمامات الإستراتيجية. فالجانب السيء لتكنولوجيا النانو قد يستغل لتصنيع أسلحة نانومترية غير تقليدية, صغيرة الحجم, و ذكية تستطيع التعرف إلى ضحاياها من خلال المادة الوراثية, فتكون بذلك "سلاحا إثنيا" فتاكا. حيث أن سهولة تصنيع مثل هذه المواد التي لا تحتاج إلى المنشآت الضخمة ، كما هو الحال في الأسلحة غير التقليدية المعروفة..ويرد العلماء على هذه الهواجس بقولهم " لا أحد يمكنه الوقوف في وجه هذا التطور الكبير ، ولكن يجب محاولة تقليص السلبيات".

ويشار الى 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.

**أين يقف العرب من العالم تجاه تطبيق هذه التكنولوجيا

خلال العقدين الأخيرين خطت الدول الصناعية أشواطا هامّة في هذا المجال. فلقد وظّفت أكبر14 دولة صناعيّة 5,5 مليار دولارا سنة 2003. وحالياً تتصدّر مؤسسات عالمية ثلاث البحوث حول النانوتكنولوجيا: الأولى مقرّها لوس أنجلس والثانية في اليابان والثالثة في فرنسا وبالتحديد في جرونوبل .
.وتأمل أوروبا في خلق مجمع صناعي مختصّ في المواد النانوية. ففي سنة 2003 وظّفت 700 مليون يورو للبحوث المتعلّقة بالنانوتكنولوجيا وفي نفس الوقت تموّل اللجنة الأوروبية المختصّة البحوث حول الرقائق البيولوجية Biopuces التي تستعمل لدراسة الصبغيات.وتراهن مؤسسة العلوم القومية الأمريكية على أن يتطور سوق المنتجات النانوية ليبلغ ترليون دولارا (1000 مليار دولار) بحلول سنة 2015. وجدير بالذكر ان نحو 40 الف عالم أميركي يعملون في هذا القطاع .

ويتجه العالم الى إنشاء مدن تكنولوجية متكاملة من أجل البحث وتطبيق هذه التكنولوجيا الواعدة ففى الهند أقامت الحكومة "وادي التكنولوجيا"الذي يدر عليها سنوياً عشرين مليار دولار جراء بيع الإنتاج المعرفي إلى أميركا، وهي البرامج التي يتوصل إليها العلماء الهنود داخل وادي التكنولوجيا المربوط بشبكة مايكروسوفت. وأيضاً تايوان تنتج حاليا ما يعادل عشرة مليارات دولار، وسيصل إنتاجها إلى تريليون دولار من النانو تكنولوجي في غضون العقد المقبل.

وروسيا ليست بعيدة عن هذا المجال، فقد تمكنت من إنتاج رادار بحجم كف اليد يستطيع التعامل مع طائرات الشبح، كما وضعت موسكو خطة لضرب الأقمار الاصطناعية التي تعتمد عليها الطائرات الأميركية "الشبح" في توجيه صواريخها ضد الأهداف الأرضية.
أما إسرائيل فأسست مركزين مهمين هما معهد أبحاث النانو بتكلفة قدرها 88 مليون دولار، ومعهد إسرائيل التكنولوجي في مدينة حيفا، برأسمال قدره 134 مليون دولار، وحشدت فيه 200 عالم من كل التخصصات.

العالم العربي

بالرغم من محاولة كلا من السعودية والكويت اللحاق بعالم التكنولوجيا الحديثة والإهتمام بالنانو بصفة خاصة، حيث يعتبرهما المتخصصون من أكثر الدول العربية تقدما في مجال تقنية النانو فكلاهما اصدرا قرار بالدخول إلى عالم النانو عن طريق إقامة مشروعات عملاقة فى هذا الميدان ، وتعد السعودية أول دولة في المنطقة تدعم إدراج هذه التقنيات الحديثة في التخصصات الطبية والهندسية والعلمية..

ويلاحظ أن غالبية الدول العربية الأخرى لم تتخذ نفس الخطوات الكبيرة تجاه الإهتمام المناسب بهذه النوعية من التكنولوجيا القادرة على حل كثير من المشكلات التى تواجه العديد من هذه الدول فى المجالات الصناعية والطبية والزراعية. ويرجع ذلك الى أن البحث العلمي في الوطن العربي يعانى من ضعف الإنفاق والإهتمام مما أدى الى شبه غياب عربى في انتاج التكنولوجيا المعلوماتية والبيولوجية ، وتشير دراسات الى أن عدد العلماء والمهندسين العاملين في الدول العربية يمثل 371 لكل مليون من السكان، وهو اقل بكثير من المعدل العالمي البالغ 979 لكل مليون.

**محمد النشائي .. مصرى له اكتشافات فى النانو

محمد صلاح الدين النشائي ،عالم مصري ،درس الهندسة المدنية ، و تخرج من جامعة هانوفر الألمانية في عام 1968 ، ثم نال الماجستير والدكتوراه في الميكانيكا التطبيقية من جامعة لندن . أدخل تعديلا على نظـرية النسبية من خلال ما يسمى بـ«نظرية توحيد القوى التي تتعامل مع الذرات النووية المسؤولة عن الاندماج والانشطار، والقوى الكهرومغناطيسية وقوى الجاذبية»، وقد احدثت اكتشافاته في علم «النانوتكنولوجيا» التي تقع في المنطقة المحصورة بين العلوم الذرية والعلوم الكيميائية اهتماماً واسعاً، وسارعت وكالة «ناسا» الى استخدام تطبيقاته.

وباختصار يمكن القول ان النشائي يملك نظرية خاصة لقياس العلاقة بين الزمان والمكان ، وهو معروف عالميا بأنه اشهر عالم في القرن الحادي والعشرين.

وقد أحدثت أبحاث النشائى ثورة في مجالات العلوم بما فيها العلوم الذرية وعلوم النانوتكنولوجي ويعتبر النشائى أن اسرائيل تعد أكثر دولة متقدمة في العالم بالنسبة الى حجمها، والصين من أكثر الدول المتقدمة في هذا المجال، وكذلك الهند على الرغم من الفقر الموجود فيها .
ويؤكد النشائى إن مصر لديها كفاءات كثيرة جدا، مشيراً الى وجود تشريع في مجلس الشعب المصري حول البدء في تكنولوجيا النانو .
كما اقترح النشائى إنشاء مؤسسة علمية في مصر تستقطب خبرات أولادها العلماء في الخارج، ليدعموا التقدم التكنولوجي في وطنهم وتطبيق تكنولوجيا النانو، مشيرا إلي أن مصر بدأت منذ أكثر من 12 عاما في الحديث عن تكنولوجيا النانو،حيث تعتبر مصر من الدول المؤهلة لدخول ثورة النانو لأنها لا تتطلب رؤوس أموال ضخمة نسبيا ، وفى نفس الوقت تشكل فائدة عظيمة للاقتصاد القومي.