مفالاتنا

تكنولوجيا النانو وأهم تطبيقاتها

Nanotechnology

منذ القدم ونحن نعيش في العالم الذي نراه و بالأبعاد المتاحة لنا، أصغر قليلا أو أكبر قليلا لا يزال الأمر واقعياً لحد ما. لكن التكنولوجيا اليوم وصلت أبعاداً خيالية فائقة الصغر لا يمكن تصورها.

تقنية النانو أو نانو تكنولوجي، و هي بعد متناهي في الصغر نجح العلماء و الباحثون في بلوغه. حيث وصل الأمر حدود تركيب مواد و ترتيبها وفق تدرج جزيئي مدروس يعطي للمواد خصائص و بنيات معينة تمكنها من الوصول لأقصى حدود استخدامها مع إيجاد حلول للمشاكل الحالية بالإستفادة من هذا العالم المصغر.

تكنولوجيا النانو

تتضمن تقنية النانو فهم المادة والتحكم فيها على نطاق نانومتري. يتعامل المقياس النانوي المزعوم بأبعاد تتراوح بين 1 و 100 نانومتر تقريبًا.

عندما نقول أن شيئًا ما بمقياس النانو، فإننا نعني أنه صغير جدًا. يبلغ حجم النانومتر الواحد، واحدًا من المليار من المتر. و هو أصغر بنحو 100.000 مرة من عرض شعرة الإنسان. يُطلق على صنع أشياء جديدة على هذا النطاق الصغير بشكل لا يصدق بـ "تقنية النانو"

على مقياس النانومتر، قد تظهر المواد خصائص غير عادية. عندما تقوم بتغيير ترتيب الجسيم، يمكن أن يتغير لونه، على سبيل المثال. ذلك لأنه في الجسيمات النانومترية، يعكس ترتيب الذرات الضوء بشكل مختلف. يمكن أن يظهر الذهب باللون الأحمر الداكن أو الأرجواني، بينما يمكن أن تظهر الفضة باللون الأصفر.

تقنية النانو ليست مجهرية. تقول المبادرة الوطنية لتقنية النانو: "إن تقنية النانو لا تعمل ببساطة في أبعاد أصغر من أي وقت مضى. بدلاً من ذلك، فإن العمل على المقياس النانوي يتيح للعلماء الاستفادة من الخصائص الفيزيائية والكيميائية والميكانيكية والبصرية الفريدة للمواد التي تحدث بشكل طبيعي على هذا النطاق."

أي يمكن للعلماء إنشاء بنية نانوية بأنفسهم، عن طريق إعادة ترتيب ذرات الجسم، كما يمكنهم صنع مادة نانوية جديدة بخصائص جديدة. على سبيل المثال، تكون أقوى أو أفتح أو مختلفة في اللون. 

يدرس العلماء هذه الخصائص لمجموعة من الاستخدامات، من تغيير المنتجات الاستهلاكية مثل الملابس، إلى إحداث ثورة في الطب ومعالجة القضايا البيئية.

اكتشاف النانو تكنولوجي

قد تكون تقنية النانو الحديثة جديدة تمامًا، لكن المواد النانومترية قد استخدمت لعدة قرون.

في وقت مبكر من القرن الرابع، اكتشف الفنانون الرومانيون أن إضافة الذهب والفضة إلى الزجاج خلقت تأثيرًا مذهلاً: ظهر الزجاج باللون الأخضر الفاتح عند إضاءته من الخارج، لكنه يتوهج باللون الأحمر عند إضاءته من الداخل. تم تعليق جزيئات الذهب والفضة النانوية في المحلول الزجاجي لتلوينه. أشهر مثال على هذه التقنية هو وعاء احتفالي، كأس Lycurgus.

كان الفنانون من الصين وغرب آسيا وأوروبا يستخدمون أيضًا جسيمات نانوية من الفضة والنحاس ، وهذه المرة في زجاج الفخار. أعطى هذا "بريقا" مميزا للسيراميك مثل البلاط والأوعية. 

أحد الأمثلة الأكثر شهرة لاستخدام المواد النانوية قبل العصر الحديث هو النوافذ الزجاجية الأوروبية في العصور الوسطى. مثل الرومان من قبلهم، عرف الحرفيون في العصور الوسطى أنه من خلال وضع كميات صغيرة متفاوتة من الذهب والفضة في الزجاج، يمكن أن ينتجوا ألوانًا حمراء وصفراء زاهية.

يعتبر الفيزيائي الأمريكي ريتشارد فاينمان والد تقنية النانو. قدم الأفكار والمفاهيم الكامنة وراء تكنولوجيا النانو في حديث عام 1959 بعنوان "هناك مساحة كبيرة في القاع". لم يستخدم فاينمان مصطلح "تقنية النانو"، لكنه وصف عملية يمكن للعلماء من خلالها التحكم في الذرات والجزيئات الفردية والتحكم فيها.

بدأت تقنية النانو الحديثة حقًا في عام 1981، عندما سمح مجهر المسح النفقي للعلماء والمهندسين برؤية الذرات الفردية ومعالجتها. فاز علماء شركة IBM Gerd Binnig و Heinrich Rohrer بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 1986 لاختراعهما مجهر مسح الأنفاق. يواصل مركز Binnig and Rohrer لتكنولوجيا النانو في زيورخ، سويسرا، البناء على عمل هؤلاء العلماء الرواد من خلال إجراء البحوث وتطوير تطبيقات جديدة لتقنية النانو. 

بحلول نهاية القرن العشرين، كانت العديد من الشركات والحكومات تستثمر في تكنولوجيا النانو. تم اكتشاف الاكتشافات الرئيسية في مجال التكنولوجيا النانوية، مثل الأنابيب النانوية الكربونية، خلال التسعينيات. بحلول أوائل عام 2000، تم استخدام المواد النانوية في المنتجات الاستهلاكية من المعدات الرياضية إلى الكاميرات الرقمية.

أين هي اليوم، هذا ما سنتطرق اليه في الأجزاء القادمة.

تصنيف المواد النانوية

المواد النانوية الطبيعية، كما يوحي الاسم هي تلك التي تحدث بشكل طبيعي في العالم. وتشمل هذه الجسيمات التي تشكل الرماد البركاني والدخان وحتى بعض الجزيئات في أجسامنا، مثل الهيموجلوبين في دمائنا. كذلك الألوان الرائعة لريش الطاووس هي نتيجة التباعد بين الهياكل النانومترية على سطحها.

المواد النانوية التي يصنعها الإنسان، هي تلك التي تحدث من الأشياء أو العمليات التي أنشأها الناس. ومن الأمثلة على ذلك العادم من محركات حرق الوقود الأحفوري وبعض أشكال التلوث. ولكن في حين أن بعضًا من هذه المواد عبارة عن مواد متناهية الصغر كعوادم المركبات. يعمل العلماء على إنشاء أمور مختلفة. وهذا ما يسمى بالمواد النانوية المنتجة عمدا.

أبرز تطبيقات تكنولوجيات النانو

تكنولوجيا النانو في الطب

استخدام تكنولوجيا النانو في الطب له بعض الاحتمالات المثيرة. يبقى البعض منها تخيلاً فقط، في حين أن البعض الآخر في مراحل مختلفة من الاختبار، أو يتم استخدامه فعليًا اليوم.

في الطب، تطبيقات تكنولوجيا النانو للجسيمات النانوية قيد التطوير حاليًا، بالإضافة لأبحاث مستقبلية تتضمن استخدام روبوتات نانوية مصغرة تعمل على إجراء إصلاحات على المستوى الخلوي (الطب النانوي).

يطمح العلماء لماهو أكثر، فاستخدام تقنية النانو في مجال الطب يمكن أن يحدث قفزة نوعية من ناحية الكشف عن الأضرار التي تلحق بجسم الإنسان والأمراض. مع امكانية معالجها في المستقبل. فالعديد من التقنيات التي كانت في الماضي القريب تصوراً أصبحت اليوم حقيقة.

توصيل الدواء

تم الكشف على أن الجسيمات النانوية تملك قدرة توصيل الأدوية، الحرارة، الضوء.... و غيرها من المواد إلى أنواع محددة من الخلايا (مثل الخلايا السرطانية). هذه أحد تطبيقات تكنولوجيا النانو الطبية الجاري العمل عليها حاليًا. بحيث تتمكن الجزيئات من الإنجذاب إلى الخلايا المريضة. مما يسمح بمعالجتها بصفة مباشرة. مما يقلل من نسب تلف الخلايا السليمة و أيضاً السماح بالكشف المبكر عن الأمراض.

يقوم باحثون في جامعة ولاية كارولينا الشمالية. بتطوير طريقة لتوصيل الخلايا الجذعية القلبية إلى أنسجة القلب التالفة. بحيث يعلقون الحويصلات النانوية التي تنجذب إلى إصابة الخلايا الجذعية لزيادة كمية الخلايا الجذعية التي يتم توصيلها إلى الأنسجة المصابة.

تقنيات التشخيص

باحثون معهد Worcester Polytechnic يستخدمون أجسامًا مضادة مرتبطة بأنابيب الكربون النانوية، في رقائق للكشف عن الخلايا السرطانية داخل مجرى الدم. ويرى الباحثون أن هذه الطريقة عملية و يمكن استخدامها في اختبارات بسيطة، كما يمكن أن توفر الكشف المبكر عن الخلايا السرطانية في الدم.

كما تتواجد تجارب أخرى يجري تطويرها تتمثل في اختبار للكشف المبكر عن تلف الكلى. تستخدم التجربة عصي الذهب النانوي وظيفي، لربطها بنوع البروتين الناتج عن الكلى التالفة. عندما يتراكم البروتين على nanorod يتغير لون nanorod. تم تصميم الاختبار ليتم إجراؤه بسرعة وبتكلفة زهيدة للكشف المبكر عن مشكلة.

العلاجات المضادة للبكتيريا

يعمل باحثون على تطوير تقنية تعمل على قتل البكتيريا باستخدام جزيئات الذهب النانوية وضوء الأشعة تحت الحمراء. هذه الطريقة 
قد تؤدي إلى تحسين من نظافة الأدوات في المستشفيات. كما يبحثون أيضاً في استخدام النقاط الكمومية لعلاج الالتهابات المقاومة للمضادات الحيوية.

علاج الجروح

لا تزال بعض البحوث تسعى لإنجاح تصنيع ضمادات تستخدم نبضات كهربائية على الجرح باستخدام الكهرباء التي الناتجة عن المولدات النانوية التي يرتديها المريض.

للتقليل من فقدان الدم لدى المرضى المصابين بنزيف داخلي.  يطور الباحثون جسيمات نانوية بوليمرية تعمل كصفائح دموية اصطناعية. حيث أظهرت الاختبارات المخبرية أن حقن هذه الصفائح الدموية الاصطناعية يقلل بشكل كبير من فقدان الدم.

إصلاح الخلايا

الروبوتات النانوية، أصبح ممكناً 
بالفعل برمجة آلات مصغرة لإصلاح خلايا مريضة محددة، تعمل بطريقة مماثلة لعمل الأجسام المضادة المتدخلة في عمليات الشفاء الطبيعية. أو بحقن موضعي لهذه الروبوتات في مكان الخلل لتسريع عملية الشفاء.

تكنولوجيا النانو في البيئة

ارتفاع أسعار المواد الخام والطاقة، إلى جانب زيادة الوعي البيئي للمستهلكين، هما المسؤولان عن تدفق المنتجات في السوق التي تعد بمزايا معينة لحماية البيئة والمناخ. تُظهر المواد النانوية خواصًا فيزيائية وكيميائية خاصة تجعلها مثيرة للاهتمام بالنسبة للمنتجات الجديدة الصديقة للبيئة.

ومن الأمثلة على ذلك زيادة متانة المواد ضد الإجهاد الميكانيكي أو العوامل الجوية، مما يساعد على زيادة العمر الإنتاجي للمنتج، الطلاءات المقاومة للأوساخ والماء القائمة على تكنولوجيا النانو لتقليل جهود التنظيف، مواد عازلة جديدة لتحسين كفاءة الطاقة في المباني، إضافة الجسيمات النانوية إلى مادة لتقليل الوزن وتوفير الطاقة أثناء النقل.

في مجال الصناعة الكيميائية، تعمل المواد النانوية بناءً على خصائصها التحفيزية الخاصة. من أجل تعزيز الكفاءة الطاقوية والموارد، كما يمكن للمواد النانوية أن تحل محل المواد الكيميائية المتسببة في مشاكل بيئية في مجالات معينة.

يتم وضع آمال كبيرة على المنتجات والعمليات المحسنة من الناحية التكنولوجية النانوية لإنتاج الطاقة وتخزينها. هي حاليًا في مرحلة التطوير ومن المقرر أن تساهم بشكل كبير في حماية المناخ وحل مشاكل الطاقة لدينا في المستقبل.

في معظم "المنتجات الاستهلاكية النانوية" المتاحة تجاريًا، لا تعتبر حماية البيئة الهدف الأساسي. لا تساعد المنسوجات التي تحتوي على الفضة النانوية لمكافحة رائحة العرق، ولا نوادي الجولف المستقرة بشكل خاص مع الأنابيب النانوية الكربونية، على حماية البيئة. غالبًا ما يعد المصنعون بمثل هذه المزايا، لكن عادةً دون تقديم الأدلة ذات الصلة. تشمل الأمثلة طلاء الأسطح ذاتية التنظيف أو المنسوجات المزودة بحماية من البقع، حيث يتم الإعلان عنها على أنها تقلل من جهد التنظيف وبالتالي توفير الطاقة والمياه وعوامل التنظيف.

غالبًا ما يتم التركيز على الإمكانات المستدامة حيث تتوجه بنا تكنولوجيا النانو. لكن هذا عادة ما يعكس توقعات لا أساس لها. يتطلب تحديد التأثيرات الفعلية للمنتج على البيئة، سواء كانت إيجابية أو سلبية بفحص دورة حياته بأكملها بدءًا من إنتاج المواد الخام وحتى التخلص منها في نهاية دورة الحياة.

كقاعدة عامة، تفشل أوصاف الفوائد البيئية في مراعاة كمية الموارد والطاقة المستهلكة في إنتاج المنتجات.

تكنولوجيا النانو في التغذية

النظام الغذائي الصحي لا غنى عنه حرفيًا للحفاظ على حياة صحية. ومع ذلك، فإنه دائمًا ما يمثل الوصول إلى مصادر غذائية موثوقة ومستدامة والحفاظ على الطعام طازجًا لفترة أطول والحصول على أقصى الفوائد منها بسبب مشاكل العالم الحديث مع زيادة عدد السكان والصناعات والتكنولوجيا. 

لذلك كانت هناك حاجة ماسة إلى حلول مبتكرة لتوفير غذاء عالي الجودة. و عليه يعد استخدام تقنية النانو أمرًا مهمًا للغاية وتعتبر تقنية تمكينية للمساهمة في تكنولوجيا الغذاء. في الوقت الحالي، تطورت تكنولوجيا النانو بشكل أكبر إلى صناعة الأغذية. كمجالات إنتاج الأغذية ومعالجتها وحفظها وتعبئتها وأمانها واستشعارها وتوصيل المغذيات والأغذية الوظيفية وما إلى ذلك. 

هناك مجموعة متنوعة من النظم النانوية بما في ذلك النقاط الكمية والجسيمات النانوية والألياف النانوية والكبسولات النانوية أو المستحلبات النانوية. التي تم تصميمها لتأخذ دور تطوير أساليب أفضل لتحسين نوعية وكمية الغذاء. 

مشتقات الجرافين هي فئة من أحد هذه الأنظمة النانوية التي خضعت للتحقيق مؤخرًا لتخدم في صناعة التغذية. أثبتت الدراسات الحديثة أنه من الممكن الحصول على فوائد إضافية من استخدام مثل هذه النظم النانوية في مجال الغذاء.

لكن تبقى دائمًا مسألة نقاش للتعامل مع العيوب المحتملة لمثل هذه الأنظمة لأن التكنولوجيا مثلما تجلب الحلول فهي تأتي ببعض المشكلات أيضاً. وبالتالي، فإن التقليل من هذه اآثار الجانبية هو قضية أخرى. لذا سنركز حديثنا على استخدام تقنية النانو في مجال التغذية مع مناقشة مزاياها والنتائج والحلول المحتملة.

كذلك ستؤثر تقنية النانو على صناعة الأغذية، من طريقة زراعة الأغذية وإنتاجها ومعالجتها إلى التعبئة والتغليف والنقل والاستهلاك. تعمل الشركات على تطوير مواد متناهية الصغر من شأنها أن تحدث فرقًا ليس فقط في مذاق الطعام، ولكن أيضًا في سلامة الغذاء، والفوائد الصحية للطعام. نذكر بعضاً من ذلك: 

المكملات الغذائية

في صناعة الأغذية، غالبًا ما توجد تقنيات النانو في المكملات الغذائية.

تعد تقنية النانو واعدة لأنها قد تسمح بإعادة تكوين المكونات من خلال الاستفادة من الجسيمات النانوية التي يمكن امتصاصها بسرعة أكبر في الجسم. هذا يمكن أن يوفر العناصر الغذائية الصحية للجسم بشكل أكثر كفاءة مع السماح للمكونات غير المرغوب فيها بالمرور.

صلاحية الغذاء

سيستفيد المنتجون والتجار والمجتمع ككل من الأساليب التي تلغي الحاجة إلى التخلص من المنتجات التي لا تزال جيدة بسبب تواريخ انتهاء الصلاحية. تتمثل إحدى السبل في دمج مستشعرات تكنولوجيا النانو في أغذية محكمة الغلق أو عبوات صيدلانية توفر معلومات مرئية عن حالة المحتوى أو نضارته أو حتى حالة المنتج، مع الإشارة إلى ما إذا كان قد تم تخزينه في درجة الحرارة المناسبة. أو في حالة تلفها، وما إلى ذلك.

تغليف الطعام

تستخدم تقنية النانو أيضًا في بعض عبوات الطعام والحاويات على وجه الخصوص. كما تستخدم أيضاً جزيئات الفضة النانوية لخصائصها المضادة للبكتيريا.

تكنولوجيا النانو و الصناعة

يمكن تطبيق تقنية النانو والمواد النانوية في جميع أنواع القطاعات الصناعية. سنذكر بعضاً منها فيما يلي:

إلكترونيات

تقترب الأنابيب النانوية الكربونية من استبدال السيليكون كمواد لصنع رقاقات وأجهزة أصغر حجمًا وأسرع وأكثر كفاءة، بالإضافة إلى أسلاك نانوية كمومية أخف وزنًا وأكثر توصيلًا وأقوى. تجعل خصائص الجرافين منه مرشحًا مثاليًا لتطوير شاشات اللمس المرنة.

كذلك الترانسيتورات المصغرة العامل بتقنية النانو، التي أقامت ثورة تقنية في مجال الإعلام الآلي و المعالجات خاصة (قانون مور و سرعة المعالج). فخفضت من حجمها، و زادت سرعتاها بأضعاف كبيرة. مما أنتج ما نراه اليوم من حواسيب خارقة و هواتف محمولة مصغرة تدخل جيوبنا.

طاقة

يتيح شبه الموصل الجديد الذي طورته جامعة كيوتو. إمكانية تصنيع الألواح الشمسية التي تضاعف كمية ضوء الشمس المحولة إلى كهرباء. تعمل تقنية النانو أيضًا على خفض التكاليف، وإنتاج توربينات رياح أقوى وأخف وزنًا، وتحسين كفاءة الوقود، وبفضل العزل الحراري لبعض المكونات النانوية، يمكنها توفير الطاقة.

الغزل والنسيج

تتيح تقنية النانو تطوير أقمشة ذكية لا تترك بقعًا ولا تتجعد، بالإضافة إلى مواد أقوى وأخف وزنًا وأكثر متانة لصنع خوذات الدراجات النارية أو المعدات الرياضية.

عيوب تقنية النانو

حتى نلغي الكمال و يكتمل مقالنا، يجب أن نتطرق الى الجانب السلبي للتكنولوجيا، فيما يلي بعض النقاط المختصرة:

  • إحدى عيوب هذا العلم وتطوره التكنولوجي الصارخ، هو احتمال فقدان الوظائف في الزراعة التقليدية والصناعة التحويلية ( لمعلوما أكثر حول الوظائف الصامدة مستقبلاً "وظائف سيتنامى عليها الطلب في 10 سنوات القادمة") .
  • التقدم المستمر لتقنية النانو يمكن أن يؤدي أيضًا إلى انهيار بعض الأسواق. نتيجة انخفاض قيمة النفط. بسبب القدرة على تطوير مصادر بديلة للطاقة أكثر كفاءة ولن تتطلب استخدام الوقود الأحفوري بالشكل الحالي. 
  • بما أنه يمكننا إنتاج منتجات على المستوى الجزيئي، فإن الألماس والمعادن النفيسة يمكن أن تفقد أيضًا قيمتها. نظراً لامكانية إنتاجها بكميات كبيرة.
  • يمكن إضافة فعالية أكبر إلى الأسلحة و خاصة الذرية منها بجعلها أكثر قوة وأكثر تدميراً. كما سيصبح الوصول إليها أكثر سهولة باستخدامها.
  • بما أن هذه الجسيمات صغيرة جدًا، يمكن أن تنشأ مشاكل نادرة في الواقع عن استنشاق هذه الجسيمات الدقيقة، تمامًا مثل المشاكل التي يواجهها الشخص من استنشاق جزيئات الدقيقة.
  • حالياً، تقنية النانو باهظة الثمن ويمكن أن تكلف مشاريعها الكثير من المال. كذلك من الصعب أيضًا تصنيعها، وهذا ما يفسر على الأرجح سبب ارتفاع تكلفة المنتجات المصنوعة بتقنية النانو.

المصدر

1    2    3    4    5    6    7

تعليقات
ليست هناك تعليقات
إرسال تعليق