لنانوتكنولوجي .. الانطلاقة والمسيرة!
بالطبع تردد على أسماعنا في السنوات الأخيرة المنصرمة مصطلح (النانوتكنولوجي-Nanotechnology) أو تقنية النانو «الجزيئات متناهية الصغر»، ولكن ماهي هذه التقنية بالتحديد، ولما كانت ولا زالت تنال هذا الاهتمام في شتى المجالات الصحية، والزراعية، والصناعية، والبيئية وكذلك إنتاج الطاقة؟
إلى ماذا يشير مصطلح النانوتكنولوجي تحديدًا؟
يُطلق مصطلح النانوتكنولوجي على كل مايتعلق بالجزيئات متناهية الصغر، والتي -قياسيًا- يتراوح طولها مابين (1- 100 نانومتر)، يشمل هذا العلم دراسة هذه الجزئيات متناهية الصغر علميًا وهندسيًا وأيضًا تطبيقاتها في التكنولوجيا الحديثة. لا يقتصرعلم النانو (Nanoscience) وتطبيقاته على علم الكيمياء فقط بل يمتد إلى فروع العلوم المختلفة مثل الأحياء والفيزياء والهندسة وعلم المواد.
ولكن.. كيف نشأ النانوتكنولوجي أو تقنية النانو؟
العجيب أن هذا العلم تمت الإشارة إليه قبل قرن كامل من اعتماد تسميته كمصطلح علمي ألا وهو النانوتكنولوجي، حيث بدأ ذلك في عام 1959م في محاضرة أُلقيت باجتماع الجمعية الفيزيائية الأميركية في (معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا-California Institute of Technology)، حين وصف العالم الفيزيائي (ريتشارد فينمان-Richard Feynman) عملية يمكن من خلالها التحكم في بنية الذرات والجزيئات عند تكوين المواد المختلفة كوحدات منفردة، بمعني أنه يمكن ترتيب الذرات أو الجزيئات عند تكوين مادة كيميائية بالشكل المرغوب فيه من أجل تحسين خواص المادة النهائية مقارنة بالطرق العادية لتكوين هذه المواد.
خلال القرن التالي، اعتمد (نوريو تانيجوشي-Norio Taniguchi) مصطلح النانوتكنولوجي خلال استكشافه عمل الماكينات فائقة الدقة «ultraprecision machining». ولكن يمكن أن نعتبر البداية الفعلية لعلم النانو في عام 1981م، حيث تم تطوير مجهر المسح النفقي « scanning tunneling microscope»، والذي يبلغ قوة تكبيره حوالي مئة مليون مرة (109)؛ مما يمكننا من الفحص الدقيق لأسطح المواد على المستوى الذري.
هل تستطيع أن تتخيل هذا العالم المتناهي الصغر؟ .. لنحاول!
في البداية، فإن النانومتر«Nanometer» يمثل جزء من بليون جزء من المتر (المتر = 109 نانومتر)، مما يعني أنه لا يمكن رؤية الجزيئات عند هذا المستوى بالعين المجردة. يسهل تخيل هذه المواد النانومترية إذا قمنا بمقارنة طولها بأطوال المواد المختلفة من حولنا. مثلًا، يمثل سمك ورقة من جريدة حوالي 100 ألف نانومتر أما سمك شعرة من جسم الإنسان يترواح من 80 ألف إلى 100 ألف نانومتر، بينما يصل قُطر ذرة واحدة من الذهب إلى 0.33 نانومتر تقريبًا، وهو أيضًامقدار ما ينموه ظفر الإنسان في الثانية الواحدة. ..
ولكن كيف يمكننا الإبحار في دراسة الذرات والتحكم فيها؟
قبل أن نستطيع ذلك، يجب أن نرى ذرات المواد المختلفة أولًا؛ هذه الذرات الموجودة يتكون منها كل شيء مثل أطعمتنا، وملابسنا، وبيوتنا، وحتي أجسامنا. بالطبع يعد استخدام المجهر هو حل هذه المشكلة، ولكن قطعًا لا يمكنك ذلك باستخدام المجهر العادي المتواجد في مدرستك أو معمل البيولوجي في الجامعة. تم اختراع مجهر المسح النفقي، ومجهر الطاقة الذرية، والمجهر الإلكتروني منذ حوالي 30 سنة لجعل هذه المهمة ممكنة، وهذا يدل على مدى حداثة هذا العلم. مع توفر هذه التقنيات الحديثة أصبح من السهل دراسة المواد على مستوى الذرات والتحكم بها.
أولًا: مجهر المسح النفقي.
تم اختراعه في عام 1986م على يد العالمان جيرد بينيج و هينريش روثر (Gerd Binig and Heinrich Rohrer) اللذان حصلا على جائزة نوبل في الفيزياء عن هذا الاختراع، ولقد استطاعا بهذا الاختراع تقديم خدمة للعلماء من رؤية الذرات والتحكم بها فيما يخدم علم النانو.
ثانيًا: مجهر الطاقة الذرية.
طوره جيرد بينيج مع كالفن كوات وكريستوفر جيربر (Calvin Quate and Christoph Gerber) في عام 1986م. وظيفة هذا المجهر هو جمع معلومات عن سطح المادة عن طريق تحسسها بمجس ميكانيكي.
ثالثاً: المجهر الإلكتروني.
استطاع العالمان الألمانيان إيرنيست روسكا وماكس نول (Ernst Ruska and Max Knoll ) تقديم المجهر الإلكتروني لأول مرة في عام 1930م. بالطبع يمكننا أن نستشف من اسم المجهر أنه يتسطيع تكبير الأشياء حتى مليون مرة عن طريق إسقاط شعاع إلكتروني على سطح المادة المرادة، مقارنة بتكبير 1500 مرة فقط في المجهر الضوئي العادي.
ولكن لماذا نرغب في التحكم في ذرات المواد المختلفة؟
كما ذكرنا، نحن نرغب بإضافة خواص مميزة للمواد المتواجدة على سطح هذا الكوكب لنجعلها أكثر صلابة، وأخف وزنًا، وأكثر نشاطًا في التفاعلات الكيميائية إلى جانب العديد من الخواص الأخرى التي يسعى العلماء للوصول إليها. لكن قبل الولوج في تفاصيل أكثر يجب معرفة أن المواد النانومترية قد تتواجد في الطبيعة بدون أي تدخل إنساني مثل: الدخان المنبعث من النيران، والغبار البركاني، ورذاذ مياه البحر، إضافة إلى عوادم السيارات والأدخنة المنبعثة عند لحام المعادن أيضًا.
تسمية المواد النانومترية ترتبط بأبعادها!
تتكون المواد النانومترية في أشكال عديدة وبأبعاد مختلفة مثل جسيمات أو أنابيب أو أسلاك أو أغطية رقيقة أو أغشية وهكذا، ويُسمي المنتج النهائي طبقا لذلك. على سبيل المثال، إذا سمعنا عن أنابيب الكربون النانومترية (carbon nanotubes) فهذا يعني أنها مكونة من ذرات الكربون التي لايتعدى قطرها بضعة نانومترات، ولكن قد يمتد طولها إلى ماهو أبعد من ذلك (مئات النانومترات أو أكثر). بالمثل فإن تكونت المادة على هيئة أغشية (Nanofilms) فهذا يعني أن سمك المادة في نطاق المقياس النانومتري ولكن طولها وعرضها قد يكفي لتغطية أسطح شاسعة.
المحاولات الأولية لتكوين مواد نانومترية
كان تصميم لوجو لشركة IBM في عام 1989م من أولى هذه المحاولات، حيث قام الباحثان دون إيجلر (Don Eigler) وفريقه البحثي بالتحكم في ذرات عنصر الزينون (Xe) وتحريكها لتكوين اللوجو على سطح من النحاس كما هو موضح في (شكل 2).
في محاولة مشابهة لكتابة أحرف بشكل متناهي الصغر، استطاع الباحثون بجامعة ستانفورد الأمريكية في عام (1991م) كتابة الحروف (SU) الذي يرمز إلى جامعة ستانفورد (Stanford University). استخدم العلماء مجهر المسح النفقي لترتيب جزيئات أول أكسيد الكربون (carbon monoxide) على سطح من النحاس في لوحة ثنائية الأبعاد ولكتابة الأحرف بشكل دقيق تم تسليط شعاع إلكتروني مباشرة إلى السطح النحاسي لتكوين الأحرف. هذه العملية يمكن تبسيطها إذا تخيلنا سطح النحاس كبركة من المياه ويُلقى بها بعض الحجارة التي تحول السطح إلى موجات متتابعة مماثل لما تفعله جزيئات أول أكسيد الكربون الملقاة على سطح النحاس (شكل 3). بالطبع إذا ما تكونت الفجوات الناتجة عن هذ الموجات بشكل صحيح على السطح، سيتمكن الشعاع الإلكتروني من استهداف المكان الأمثل لكتابة الأحرف المطلوبة. عُرفت هذه الطريقة لاحقًا ب (Electronic Quantum Holography) وهو نوع من أنواع التصوير المُجسَّم باستخدام الإلكترونات.
 مكتوب بترتيب دقيق لذرات الزينون على سطح من النحاس.

Items