بحث في تقنية النانو

بسم الله الرحمن الرحيم

إنّ الحمد لله، نحمده ونستعينه ونستغفره، ونعوذ بالله من شرور أنفسنا ومن سيئات أعمالنا، من يهده الله فلا مضل له، ومن يضلل فلا هادي له، وأشهد أن لا إله إلا الله وحده لا شريك له، وأشهد أن محمداً عبده ورسوله، صلوات الله وسلامه عليه وعلى آلة وصحبه.
أما بعد.
سوف أتحدث في بحثي هذا عن " تقنية النانو" وأتمنى ان يوفقني الله في بحثي المتواضع ..
والله ولي التوفيق


تـــــقـــنـــية الــــــنانـــــو
بعد صناعة المجاهر وتطويرها في عام 1930م، ظهرت العديد من القدرات التي استطاع العلم إضافتها إلى التقنية عن طريق صناعة الأجهزة الأقل حجمًا والأكثر قوة وكفاءة من الأحجام الأكبر، فتمكن المهندسون في بداية الأمر من صناعة قطع ولوحات إلكترونية تتعامل بوحدات الملي متر والتي يعبّر عنها من المتر ب(10^3) ولكن زادت الحاجة إلى لوحات وقطع إلكترونية أكثر تخصصًا ومصداقية، فكان ما تلا ذلك هو الميكرو، والذي يعبّر عنه بـ (10^6)، والذي كان يعتبر نقلة نوعية في عالم صناعة التقنية، فاستطاع العالم من طريقه إنتاج الهواتف الذكية والحواسيب الصغيرة ووحدات التخزين ذات الحجم الصغير، لكن لم يتوقف طمع العلم لهذا الحد بل فكّر في تجاوز ذلك مراحل متعددة فبدأ العمل على التقنية الأصغر والأكثر رسوخًا ودقة، وهي تقنية النانو الذي يعبر عنه من المتر بـ (10^9). تعتبر تقنية النانو من التقنيات التابعة لعلم المواد، وتتصل هذه التقنيات مع العلوم التالية: الفيزياء، الهندسة الكيميائية، الهندسة الحيوية، والهندسة الميكانيكية، وهو معلم متخصص ببحث المواد وإنتاجها في العالم الذري الصغير جدًا. تعتبر هذه التقنية هي أهم تطور تقني في القرن العشرين حيث ساهم في صناعة واختراع إلكترونيات السيليكون أو الترانزستور والمعامل الإلكتروني، وظهرت ما تسمى بالشرائح الصغيرة التي أدّت إلى ثورة تقنية في جميع المجالات: كالاتصالات، والحاسوب، والطب، وغيرها، فاختراع الشرائح الصغيرة بعد عام 1950م أدّى كأبسط تطبيق ومساعدة للتقنية في العالم الحديث أنّها أوجدت التلفاز الملون الذي لم يكن يعهد قبله إلّا تلفزيون الأبيض والأسود عالي الثمن جدًا، ممّا سهّل حصول الجميع على تلفاز ملون خاص به وبعائلته. في عالم الطب قدّمت تقنية النانو عملًا مدهشًا وبراقًا في إضافات مدهشة على ذلك العالم، فقام العلماء في الآونة الأخيرة بصناعة الروبوتات الصغيرة جدًا (المجهرية) وفقًا لتقنية النانو التي تستطيع الحركة في الشرايين الدموية وداخل الجسم، ممّا سيسمح لاحقًا لعلاج الجلطات الدموية عن طريق أسطول كامل من الروبوتات التي يتم حقنها للمنطقة المريضة أو ابتلاعها للعلاج الفوري للمريض عن طريقها. لنتخيل معا صغر النانو، فإنّ شعرة الإنسان تبلغ 50 ميكرو متر أي (50*10^6) أي أنّ الشعر الواحدة تمتلك في سماكتها 50 ألف نانو متر، وأصغر طول يمكن للإنسان رؤيته بالعين المجردة هو 10 آلاف نانو متر، والنانو متر الواحد هو عبارة عن اصطفاف 10 ذرات هيدروجين بجوار بعضها البعض، وممّا يميز المواد النانوية أنّها لا تتبع الحجم في موصليتها للكهرباء أو الحرارة، فعند توصيل الكهرباء في موصل نانوني فإنّه لا يتبع لقانون أوم الشهير في المقاومة الكهربية للأجسام الذي تربط معادلته بين التيار والجهد والمقاومة، ففي الموصلات النانوية يعتمد التوصيل الكهربائي على التدفق الإلكتروني فقط كالتدفق النهري كمثال، وبالتالي فإنّ الإلكترون يحتاج إلى المرور بعملية تدفقية داخل الموصل كما لو أنني أصف بعض الكرات خلف بعضها البعض في طريق، ويبدأ كل واحدة من الكرات بالتدفق والخروج من الطرف الآخر واحدة تلو الأخرى؛ وهذا يحدث بسبب صغر سماكة الموصل التي لا تسمح بوجود أكثر من الكترون فوق بعضهما البعض وبالتالي عدم وجود المجال الذي سيولد قانون أوم والمقاومة الكهربائية.

أصبحت تقنية النانو في طليعة المجالات الأكثر أهمية وإثارة في الفيزياء، الكيمياء، الأحياء والهندسة ومجالات عديدة أخرى. فقد أعطت أملاً كبيراً لثورات علمية في المستقبل القريب ستغير وجهة التقنية في العديد من التطبيقات. لذا فمن المهم إعطاء فكرة عامة وموجزة لغير المختصين عن هذه التقنية. ويعود الاهتمام الواسع بتقنية النانو إلي الفترة ما بين 1996 إلي 1998م عندما قام مركز تقييم التقنية العالمي الأمريكي (WTEC) بدراسة تقويمية لأبحاث النانو وأهميتها في الإبداع التقني. وخلصت الدراسة إلى نقاط من أهمها أن لتقنية النانو مستقبلاً عظيماً في جميع المجالات الطبية والعسكرية والمعلوماتية والإلكترونية والحاسوبية والبتروكيميائية والزراعية والحيوية وغيرها، وأن تقنية النانو متعددة الخلفيات فهي تعتمد على مبادئ الفيزياء والكيمياء والهندسة الكهربائية والكيميائية وغيرها إضافة لتخصص الأحياء والصيدلة. ولذا فإن الباحثين في مجال ما لابد أن يتواصلوا مع الآخرين في مجالات أخرى من أجل الحصول على خلفية عريضة عن تقنية النانو ومشاركة فعالة في هذا المجال المثير. كما أن المدراء الفنيين وداعمي هذه الأبحاث لابد من أن يَلمُّوا بإيجاز عن عموم هذه المجالات.
يعتمد مفهوم تقنية النانو على اعتبار أن الجسيمات التي يقل حجمها عن مائة نانومتر (النانومتر هو جزء من ألف مليون من المتر) تُعطي للمادة التي تدخل في تركيبها خصائص وسلوكيات جديدة. وهذا بسبب أن هذه الجسيمات (والتي هي أصغر من الأطوال المميَزة المصاحبة لبعض الظواهر) تُبدي مفاهيم فيزيائية وكيميائية جديدة مما يقود إلي سلوك جديد يعتمد على حجم الجسيمات. فقد لوحظ، كمثال لذلك، أن التركيب الإلكتروني، التوصيلية، التفاعلية، درجة الانصهار والخصائص الميكانيكية للمادة تتغير كلها عندما يقل حجم الجسيمات عن قيمة حرجة من الحجم، حيث كلما اقترب حجم المادة من الأبعاد الذرية كلما خضعت المادة لقوانين ميكانيكا الكم بدلاً من قوانين الفيزياء التقليدية. إن اعتماد سلوك المادة على حجمها يمكننا من التحكم بهندسة خواصها، وبناءً عليه فقد استنتج الباحثون أن لهذا المفهوم آثاراً تقنية عظيمة تشمل مجالات تقنية واسعة ومتنوعة تشمل إنتاج مواد خفيفة وقوية، اختزال زمن توصيل الدواء النانوي إلى الجهاز الدوري البشري، زيادة حجم استيعاب الأشرطة المغناطيسية وصناعة مفاتيح حاسوب سريعة ... الخ ...  وبشكل عام فإن تقنية النانو هي تلك التي تتعامل مع تراكيب متعددة من المواد ذات أبعاد من رتبة النانومتر.
وعلى الرغم من أن تقنية النانو حديثة نسبياً، فإن وجود أجهزة تعمل بهذا المفهوم وتراكيب ذات أبعاد نانوية ليس بالأمر الجديد، والواقع أن وجودها يعود إلي عمر الأرض وبدء الحياة فيها، حيث من المعروف أن الأنظمة البيولوجية في الجسم الحي تقوم بتصنيع بعض الاجهزة الصغيرة جداً والتي تصل إلي حدود مقياس النانو، فالخلايا الحية تعد مثالاً مهما لتقنية النانو الطبيعية، حيث تُعد الخلية مستودعاً لعدد كبير من الآلات البيولوجية  بحجم النانو ويتم تصنيع البروتينات داخلها على شكل خطوط مجتمعة بحجم النانو تسمى ليبوزومات ثم يتم تشكيلها بواسطة جهاز نانوي آخر يسمى جولجي، بل إن الإنزيمات هي بنفسها تعد آلة نانوية تقوم بفصل الجزيئات أو جمعها حسب حاجة الخلية، وبالتالي فيمكن للآلات النانوية المصنعة أن تتفاعل معها وتؤدي الهدف المنشود مثل تحليل محتويات الخلية، إيصال الدواء إليها أو إبادتها عندما تصبح مؤذية.
كما أنه ليس من المعروف بداية استخدام الإنسان للمادة ذات الحجم النانوي، لكن من المعلوم أن أحد المقتنيات الزجاجية وهو كأس الملك الروماني لايكورجوس (Lycurgus) في القرن الرابع الميلادي الموجودة في المتحف البريطاني يحتوي على جسيمات ذهب وفضة نانوية، حيث يتغير لون الكأس من الأخضر إلى الأحمر الغامق عندما يوضع فيه مصدر ضوئي. وكذلك تعتمد تقنية التصوير الفوتوغرافي منذ القرنين الثامن عشر والتاسع عشر الميلاديين على إنتاج فيلم أو غشاء مصنوع من جسيمات فضية نانوية حساسة للضوء.
لقد حظيت تقنية النانو في الوقت الحاضر بالاهتمام الكبير نظراً لما أبدته من تطبيقات واعدة وكثيرة شملت المجالات الطبية، العسكرية، الاتصالات، الالكترونية، الحاسوبية، البيتروكيميائية، الزراعية والحيوية .....الخ، وأدى ذلك إلي دعم عالمي سخي واسع لأبحاث النانو في السنوات الأخيرة. وقد أعلنت الولايات المتحدة عام 2000م مبادرة "تقنية النانو الوطنية NNI" التي جعلت تقنية النانو تقنية استراتيجية وطنية وفتحت مجال الدعم الحكومي الكبير لهذه التقنية في جميع المجالات الصناعية والعلمية والجامعية، وبدأت بمبادرة الرئيس كلنتون برصد 422 مليون دولار عام 2001م لأبحاث تقنية النانو، تلاها رصد 849 مليون دولار عام 2003 م، وتلا ذلك قيام اليابان عام 2002م بإنشاء مركز متخصص للباحثين في تقنية النانو وذلك بتوفير جميع الأجهزة المتخصصة ودعم الباحثين وتشجيعهم وتبادل المعلومات فيما بينهم، كما خصصت 900 مليون دولار سنوياً لهذا الغرض ولمدة 5 سنوات بدءاً من عام 2005م، وقدر الإنفاق العالمي على أبحاث النانو عام 2003م بأربعة ملايين دولار، وخصصت كوريا ما يزيد على بليون دولار لتقنية النانو خلال خطة عشرية تنتهي عام 2010م بحيث تسعى لتكون إحدى خمس دول رائدة عالمياً في هذا المجال بنهاية الخطة، كما قدر إنفاق الحكومة الصينية مبلغ 280 مليون دولار على تقنية النانو خلال الفترة 2001 – 2005م، أما اهتمامها بالكوادر فقد بلغ عدد المشتغلين بهذه التقنية في الصين 4500 متخصص في العام 2005م، 30% منهم يحملون الدكتوراه أو أعلى و40% منهم يحملون شهادة الماجستير أو ما يعادلها.
وعلى الرغم من جميع ما ذُكِر فإن هنالك العديد من الصعوبات التي تحتاج للمزيد من البحث، من أهمها إمكانية الوصول إلي طرق رخيصة وعملية لتحضير مواد نانوية مختلفة بشكل تجاري لاستخدامها في التطبيقات المختلفة، كما أن هناك صعوبة أخرى وهي التواصل بين مفهوم عالم النانو الحديث وعالم الماكرو المستخدم حاليا في تصنيع الأجهزة الإلكترونية.
ومن المهم الإشارة هنا إلي أن المملكة العربية السعودية قد أدركت أهمية هذه التقنية وتطبيقاتها المستقبلية وقد تُوِّج هذا الاهتمام بتبرع خادم الحرمين الشريفين الملك عبدالله بن عبدالعزيز بمبلغ 30 مليون ريال تُخصص لدعم بحوث تقنية النانو في المملكة ومواكبة التطورات العالمية في هذا المجال


أصبحت تقنية النانو في طليعة المجالات الأكثر أهمية وإثارة في الفيزياء، الكيمياء، الأحياء والهندسة ومجالات عديدة أخرى. فقد أعطت أملاً كبيراً لثورات علمية في المستقبل القريب ستغير وجهة التقنية في العديد من التطبيقات. لذا فمن المهم إعطاء فكرة عامة وموجزة لغير المختصين عن هذه التقنية. ويعود الاهتمام الواسع بتقنية النانو إلى الفترة ما بين 1996 إلى 1998م عندما قام مركز تقييم التقنية العالمي الأمريكي (WTEC) بدراسة تقويمية لأبحاث النانو وأهميتها في الإبداع التقني. وخلصت الدراسة إلى نقاط من أهمها أن لتقنية النانو مستقبلاً عظيماً في جميع المجالات الطبية والعسكرية والمعلوماتية والإلكترونية والحاسوبية والبتروكيميائية والزراعية والحيوية وغيرها، وأن تقنية النانو متعددة الخلفيات فهي تعتمد على مبادئ الفيزياء والكيمياء والهندسة الكهربائية والكيميائية وغيرها إضافة لتخصص الأحياء والصيدلة. ولذا فإن الباحثين في مجال ما لابد أن يتواصلوا مع الآخرين في مجالات أخرى من أجل الحصول على خلفية عريضة عن تقنية النانو ومشاركة فعالة في هذا المجال المثير. كما أن المدراء الفنيين وداعمي هذه الأبحاث لابد من أن يَلمُّوا بإيجاز عن عموم هذه المجالات.
يعتمد مفهوم تقنية النانو على اعتبار أن الجسيمات التي يقل حجمها عن مائة نانومتر (النانومتر هو جزء من ألف مليون من المتر) تُعطي للمادة التي تدخل في تركيبها خصائص وسلوكيات جديدة. وهذا بسبب أن هذه الجسيمات (والتي هي أصغر من الأطوال المميَزة المصاحبة لبعض الظواهر) تُبدي مفاهيم فيزيائية وكيميائية جديدة مما يقود إلي سلوك جديد يعتمد على حجم الجسيمات. فقد لوحظ، كمثال لذلك، أن التركيب الإلكتروني، التوصيلية، التفاعلية، درجة الانصهار والخصائص الميكانيكية للمادة تتغير كلها عندما يقل حجم الجسيمات عن قيمة حرجة من الحجم، حيث كلما اقترب حجم المادة من الأبعاد الذرية كلما خضعت المادة لقوانين ميكانيكا الكم بدلاً من قوانين الفيزياء التقليدية. إن اعتماد سلوك المادة على حجمها يمكننا من التحكم بهندسة خواصها، وبناءً عليه فقد استنتج الباحثون أن لهذا المفهوم آثاراً تقنية عظيمة تشمل مجالات تقنية واسعة ومتنوعة تشمل إنتاج مواد خفيفة وقوية، اختزال زمن توصيل الدواء النانوي إلي الجهاز الدوري البشري، زيادة حجم استيعاب الأشرطة المغناطيسية وصناعة مفاتيح حاسوب سريعة ... الخ ...  وبشكل عام فإن تقنية النانو هي تلك التي تتعامل مع تراكيب متعددة من المواد ذات أبعاد من رتبة النانومتر.
وعلى الرغم من أن تقنية النانو حديثة نسبياً، فإن وجود أجهزة تعمل بهذا المفهوم وتراكيب ذات أبعاد نانوية ليس بالأمر الجديد، والواقع أن وجودها يعود إلي عمر الأرض وبدء الحياة فيها، حيث من المعروف أن الأنظمة البيولوجية في الجسم الحي تقوم بتصنيع بعض الاجهزة الصغيرة جداً والتي تصل إلي حدود مقياس النانو، فالخلايا الحية تعد مثالاً مهما لتقنية النانو الطبيعية، حيث تُعد الخلية مستودعاً لعدد كبير من الآلات البيولوجية  بحجم النانو ويتم تصنيع البروتينات داخلها على شكل خطوط مجتمعة بحجم النانو تسمى ليبوزومات ثم يتم تشكيلها بواسطة جهاز نانوي آخر يسمى جولجي، بل إن الإنزيمات هي بنفسها تعد آلة نانوية تقوم بفصل الجزيئات أو جمعها حسب حاجة الخلية، وبالتالي فيمكن للآلات النانوية المصنعة أن تتفاعل معها وتؤدي الهدف المنشود مثل تحليل محتويات الخلية، إيصال الدواء إليها أو إبادتها عندما تصبح مؤذية.
كما أنه ليس من المعروف بداية استخدام الإنسان للمادة ذات الحجم النانوي، لكن من المعلوم أن أحد المقتنيات الزجاجية وهو كأس الملك الروماني لايكورجوس (Lycurgus) في القرن الرابع الميلادي الموجودة في المتحف البريطاني يحتوي على جسيمات ذهب وفضة نانوية، حيث يتغير لون الكأس من الأخضر إلى الأحمر الغامق عندما يوضع فيه مصدر ضوئي. وكذلك تعتمد تقنية التصوير الفوتوغرافي منذ القرنين الثامن عشر والتاسع عشر الميلاديين على إنتاج فيلم أو غشاء مصنوع من جسيمات فضية نانوية حساسة للضوء.
لقد حظيت تقنية النانو في الوقت الحاضر بالاهتمام الكبير نظراً لما أبدته من تطبيقات واعدة وكثيرة شملت المجالات الطبية، العسكرية، الاتصالات، الالكترونية، الحاسوبية، البيتروكيميائية، الزراعية والحيوية .....الخ، وأدى ذلك إلي دعم عالمي سخي واسع لأبحاث النانو في السنوات الأخيرة. وقد أعلنت الولايات المتحدة عام 2000م مبادرة "تقنية النانو الوطنية NNI" التي جعلت تقنية النانو تقنية استراتيجية وطنية وفتحت مجال الدعم الحكومي الكبير لهذه التقنية في جميع المجالات الصناعية والعلمية والجامعية، وبدأت بمبادرة الرئيس كلنتون برصد 422 مليون دولار عام 2001م لأبحاث تقنية النانو، تلاها رصد 849 مليون دولار عام 2003 م، وتلا ذلك قيام اليابان عام 2002م بإنشاء مركز متخصص للباحثين في تقنية النانو وذلك بتوفير جميع الأجهزة المتخصصة ودعم الباحثين وتشجيعهم وتبادل المعلومات فيما بينهم، كما خصصت 900 مليون دولار سنوياً لهذا الغرض ولمدة 5 سنوات بدءاً من عام 2005م، وقدر الإنفاق العالمي على أبحاث النانو عام 2003م بأربعة ملايين دولار، وخصصت كوريا ما يزيد على بليون دولار لتقنية النانو خلال خطة عشرية تنتهي عام 2010م بحيث تسعى لتكون إحدى خمس دول رائدة عالمياً في هذا المجال بنهاية الخطة، كما قدر إنفاق الحكومة الصينية مبلغ 280 مليون دولار على تقنية النانو خلال الفترة 2001 – 2005م، أما اهتمامها بالكوادر فقد بلغ عدد المشتغلين بهذه التقنية في الصين 4500 متخصص في العام 2005م، 30% منهم يحملون الدكتوراه أو أعلى و40% منهم يحملون شهادة الماجستير أو ما يعادلها.
وعلى الرغم من جميع ما ذُكِر فإن هنالك العديد من الصعوبات التي تحتاج للمزيد من البحث، من أهمها إمكانية الوصول إلي طرق رخيصة وعملية لتحضير مواد نانوية مختلفة بشكل تجاري لاستخدامها في التطبيقات المختلفة، كما أن هناك صعوبة أخرى وهي التواصل بين مفهوم عالم النانو الحديث وعالم الماكرو المستخدم حاليا في تصنيع الأجهزة الإلكترونية.
ومن المهم الإشارة هنا إلي أن المملكة العربية السعودية قد أدركت أهمية هذه التقنية وتطبيقاتها المستقبلية وقد تُوِّج هذا الاهتمام بتبرع خادم الحرمين الشريفين الملك عبدالله بن عبدالعزيز بمبلغ 30 مليون ريال تُخصص لدعم بحوث تقنية النانو في المملكة ومواكبة التطورات العالمية في هذا المجال



الخاتمة:
وفي النهاية لا أملك إلا أن أقول إنني قد عرضت رأيي وأدليت بفكرتي في هذا
الموضوع لعلي أكون قد وفقت في كتابته والتعبير عنه وأخيراً ما أنا إلا بشر
قد أخطئ وقد أصيب فإن كنت قد أخطأت فأرجو مسامحتي وإن كنت فد أصبت فهذا كل
ما أرجوه من الله عز وجل

إعداد الطالبتين: الاء-نجود
بالصف:2/1ع