الوسم: نانوتكنولوجي

تعد تكنولوجيا النانو سبق علمي للقرن الحادي والعشرين سيقود العالم إلى ثورة صناعية جديدة تقدم الكثير من المنافع للإنسانية خاصة في مجالات تكنولوجيا الحاسب والطب وعلوم المواد (Material science) وذلك  في أبعاد نانوية، لذا سنتكلم عن الأنابيب النانوية الكربونية أو ما يعرف باسم النانوتيوب (Nanotube) الذي يأخذ حيزا كبيرا في مجال تكنولوجيا النانو.

في عام 1991 تم اكتشاف الأنبوب النانوي من قبل العالم الياباني Ijima Sumio  أثناء قيامه بدراسة النواتج الكربونية في عملية التفريغ الكهربائي بين قطبين من الكربون وذلك أثناء استخدامه الميكروسكوب الالكتروني الناقل (TEM Transmission Electron Microscope). لكن قبل البدء بدراسة الأنبوب النانوي، يجب علينا أن نتعرف على الكرة الكربونية أحادية الجدار التي سميت بـالفولورين (Fullerene).

في عام 1985م تمكن كروتو وسمالي (Kroto and Smalley) من اكتشاف الكرة الأحادية الطبقة المكونة من 60 ذرة كربون وكانت الأكثر استقرارا من بين الكرات الكربونية التي يزيد أو يقل عدد ذراتها عن الستينمحققة بذلك نظرية اويلر ((Euler’s theorem وبعد اكتشافها أطلق عليها اسم Buckminsterfullerene نسبة إلى المهندس المعماري  Buckminster Fuller وبعد ذلك سميت بالفولورين (Fullerene) (أنظر الشكل 1).

(أ)                                                        (ب)

شكل (1) :  (أ) الكرة الأحادية الطبقة أي الفولورين المكونة من 60 ذرة كربون.

(ب) أنبوب نانوي أحادي الجدار (SWCNT: Single Walled Carbon NanoTube).

بعد اكتشاف الفولورين بفترة قصيرة تم اكتشاف الأنبوب النانوي في الساج (soot) الكربوني الناتج عن القوس الكربوني في تجربة كروتو وسمالي. الصورة في الشكل (2) تبين الأنبوب النانوي الكربوني حيث أن كل خط داكن من الخطوط المتوازية هو أنبوب نانوي. وبشكل عام، يكون طول الأنبوب النانوي في حدود المايكرومتر أو أكثر أما قطره فيتراوح بين 1 إلى 2 نانومتر إذا كانت أحادية الجدار ويبلغ قطرها 30 نانومتر إذا كانت متعددة الجدار (MWCNT: Multi Walled Carbon Nanotube).

شكل (2) : الصورة المأخوذة بالمجهر الالكتروني الناقل (TEM) تبين حزمة (bundle) من الأنابيب النانوية.

يعتبر الكربون المكون الأساسي للجرافيت (Graphite) الذي بدوره يعتبر مكونا أساسيا للأنابيب النانوية الكربونية (Carbon Nanotube) التي هي موضوعنا الأساسي في هذا البحث؛ حيث أن صفيحة واحدة من الجرافيت والمسماة بالجرافين (Graphene)  هي التي تشكل الأنبوب النانوي الكربوني أحادي الجدار (SWCNT: Single Walled Carbon Nanotube) الذي سماكته ذرة كربون واحدة. إن التفاف (Rolling-up) صفيحة الجرافين وانحنائها انحناء موجبا أو سالبا يغير من الخصائص الإلكترونية للجرافين ليظهر هذا الإنحاء(curvature)  على شكل أسطوانة مغلقة الطرفين حيث أن بناء هذه الأسطوانة النانوية مكون من أشكال سداسية (hexagonal) ويتوزع على كل زاوية في الشكل السداسي ذرة كربون واحدة ويغلق طرفي الأسطوانة نصفا كرة(Caps) مكونا من أشكال سداسية وخماسية (Pentagon) وأن الشكل الخماسي ضروري لإغلاق الأنبوب النانوي بناءا على نظرية أويلر (Euler’s theorem)، ولإقفال التركيب الكروي يجب أن يحتوي هذا التركيب على 12 شكل خماسي من بين الأشكال السداسية المكونة له (أنظر الشكل (1) (أ)) .

شكل (3) : التفاف صفيحة الجرافين لتشكيل الأنبوب النانوي

إن الأنبوب النانوي أحادي الجدار (SWCNT) يتكون من طبقة واحدة من الجرافيت تسمى (Graphene) تدوّر على شكل اسطوانة. أما الأنبوب النانوي متعدد الجدار (MWCNT) فانه يتكون من عدة طبقاتمنالجرافين(Graphene) على شكل أسطوانات متداخلة متحدة المحور يفصل بين كل طبقة والتي تليها 0.34 نانومتر.

(أ)                                      (ب)

الشكل(4): (أ) الأنبوب النانوي أحادي الجدار(SWCNT)

 (ب)الأنبوب النانوي متعدد الجدار (MWCNT)

صفات الأنابيب النانوية

الأنابيب النانوية لها تهجين كربوني من نوع (sp²) فهي ليست كالدياموند (Diamond) الذي يملك تهجين كربوني (³sp) لها نفس تهجينالجرافيت ولكن انحنائها يعطيها خصائص ميكانيكية والكترونية جديدة تختلف عن الجرافيت فهي أكثر صلابة من الدياموند منها الموصل وشبه الموصل حيث أن موصليتها تعتمد على درجة التماثلية (Chairality) ونصف قطر الأنبوب.

شكل (5) :يبين صفيحة جرافين موضح عليها متجه التماثلية (Chiral Vector) والزوج (n،m).

إن عملية لف صفيحة الجرافين سيحدد تركيبة وخصائص الأنبوب النانوي المتكون. في الشكل (5) إن الزوج (n،m) يصف البناء الهندسي للأنبوب النانوي الكربوني وذلك من خلال متجه التماثل(Chiral Vector)  الذي سنسميه لاحقا بمتجه اللف (Rolling-up Vector). إن تلاقي الذرة الكربونية O بذرة كربونية أخرى A  (متجه اللف) عن طريق لف صفيحة الجرافين يؤدي إلى تشكل أسطوانة بحيث يكون متجه اللف عمودي على محور الأسطوانة و قطر الأسطوانة (قطر الأنبوب النانوي )هو طول متجه اللف مقسوما على π.

وتعتمد خصائص الأنبوب النانوي على زاوية التماثل ( θ Chiral Angle) التي تأخذ القيم من 0 إلى 30 درجة وبناءا على ذلك يتم تصنيف الأنبوب النانوي إلى ثلاثة أقسام: (أنظر الشكل (6))

1. θ=0° n=0 أو m=0 أنبوب نانوي غير متماثل من نوع المتدرج :Zigzag
2. θ=30° n= m أنبوب نانوي غير متماثل من نوع الكرسي (Armchair)
3. θ≠0° و θ≠30° m≠n أنبوب نانوي متماثل (Chiral).

شكل (6): يبين أشكال الأنابيب النانوية مختلفة التماثلية “Chairality“

إن البناء الهندسي ودرجة التماثل يحددان صفات الأنبوب النانوي الالكترونية. فالأنبوب النانوي من نوع المدرج (Zigzag) يكون شبه موصل (Semi-conductor) بينما نوع الكرسي (Armchair) فهو موصل والمتماثل (Chiral) يكون كذلك شبه موصل. بشكل عام يكون ثلث الناتج  من الأنابيب النانوية موصلا والباقي شبه موصل ولكن هناك صعوبة في فصلهما.

إنتاج الأنابيب النانوية

إن إنتاج الأنابيب النانوية لا يعتبر عملا صعبا فهناك عدة طرق لإنتاجها ولكن الطريقة الأسهل والأساسية لإنتاج هذه الأنابيب هي طريقة القوس الكهربائي البلازمي على طريقة كريتشمر هوفمان (Krätschmer Huffman) والتي اكتشفت في الأصل لإنتاج الكرات الكربونية المسماة بالفولورين (Fullerene) C₆₀ وما زالت هذه الطريقة تستخدم من أجل إنتاج كميات كبيرة نسبيا ذات جودة عالية من الأنابيب النانوية متعددة الطبقات (Multi-walled CarbonNanotube) وكذلك لإنتاج الفولورين.

إننا عندما نريد إنتاج أنابيب نانوية متعددة الطبقات (MWCNT) أو كرة نانوية أحادية الطبقة (Fullerene)، نقوم باستخدام الجهاز المعد لذلك دون وجود مواد معدنية مساعدة (Metal Clusters ) بينما إذا أردنا إنتاج أنابيب نانوية أحادية الجدار (SWCNT) فنستخدم مواد مساعدة مثل الحديدFe  والنيكلNi  والكوبالتCo  والبلاتينPt (Single-Element Catalyst) أو مزيج من إثنين منهما (Binary-Element Catalysts) مثل الحديد والنيكلFeNi  معا أو البلاتين والكوبالت CoPt معا، ويكون الناتج على شكل حزم من الأنابيب النانوية كل حزمة تحتوي على الأقل على عشرين أنبوبا.

ويتم عملية وضع المزيج من المعادن بواسطة خلطها بالجرافيت ووضعها في المصعد الذي يكون على شكل قضيب كربوني، ويتم ثقب هذا القضيب الكربوني في محوره وحشوه بالمزيج المعدني والكربوني وذلك حسب نسب ومقادير معينة.(أنظر الشكل (9))

في القوس الكهربائي تصل درجة الحرارة إلى أكثر من°C3000 من أجل تبخير (Evaporation) ذرات الكربون إلى حالة البلازما (Plasma). وتتم بذلك عملية إنماء الأنبوب النانوي (Root Growth) حتى طول معين وذلك بواسطة  المواد المساعدة.

شكل (7) : ميكانيكية تشكيل إنماء (Root Growth)  الأنبوب النانوي أحادي الجدار

في الجهاز المبين في الشكل (8) ينتج أنابيب نانوية أحادية الجدار وثنائية الجدار. إن نوع الأنابيب النانوية يتحكم بها الضغط المطبق والغاز الخامل الموجود داخل المفاعل. الشكل يبين بناء المفاعل الذي ينتج الأنابيب النانوية الكربونية حيث أنه يتكون من قطبين (Electrodes) أحدهما على شكل قرص كربوني (Graphitic Disc) تترسب عليه المواد الناتجة وهو الأكبر حجما       ويفصله عن القطب الثاني الكربوني (Graphitic Rod) مسافة 1 مليمتر وخلال هذه العملية فإن القطب الثاني سوف يستهلك استهلاكا كاملا وتكون قيمة الفولتية المستخدمة من 50 إلى 60 فولت والتيار الكهربائي المطبق بين 50 إلى 120 أمبير، وضغط يصل إلى 500 (milli-Bar).

شكل (8): مخطط للجهاز الذي يتم فيه إنتاج الأنابيب النانوية أحادية ومتعددة الجدار  والفولورين (Krätschmer Generator )

ومن أجل دراسة صفات الأنابيب النانوية بعد إنتاجها يجب أن تتوفر لدينا بعض الأجهزة المساعدة مثل المجهر الالكتروني الماسح (SEM : Scanning Electron Microscope)    ويستخدم للدراسة السطحية (Surface Study) وكذلك المجهر الالكتروني الناقل للدراسة المورفولجية والمجهر الالكتروني الخارق (STM : Scanning Tunneling Microscope) لدراسة الموصلية. كذلك تستخدم أجهزة مساعدة أخرى ثانوية مثل جهاز حيود الأشعة السينية (XRD: X-Ray Diffraction) من أجل معرفة نسب وكمية العناصر المعدنية في عينة الأنابيب النانوية المنتجة أثناء تنظيفها وجهاز رامان (Raman) لقياس قطر الأنبوب النانوي بدقة وذلك من خلال قياس أنماط التنفس القطري (Radial Breathing Mode).

أهم التطبيقات

إن أهمية الأنابيب النانوية تكمن في تطبيقاتها المتعددة في مجال الإلكترونيات كتطبيق عند انتقاء أنبوب نانوي واحد بواسطة عملية الليثوغرافيذات الحزمة الالكترونية (Electron Beam Lithography) وذلك لاستخدامه في التكوين الأساسي للترانزستور والديود (Transistor and Diode) أو كمجموعة كبيرة من الأنابيب النانوية لتكوين مركبات من مواد نانوية (Nanocomposite) ناتجة عن مزج الأنابيب النانوية وتوزيعها داخل بعض المواد البولمرية لنحصل على مواد ذات خصائص فائقة كأن تكون فائقة في الصلابة أو فائقة في التوصيل الحراري أو الكهربائي.

وبما أن الأنبوب النانوي يتصف بخاصية نسبة المظهر الكبير (Large Aspect Ratio) أي نسبة طول الأنبوب النانوي إلى نصف قطره الذي يعتبر كبيرا جدا فيمكن الاستفادة من هذه الخاصية لصناعة موصلات وأنابيب طويلة جدا ورفيعة جدا.

شكل(9) : أحد التطبيقات الالكترونية بحيث أن صورة المجهر الالكتروني (STM)توضح ترانزستور من نوع CN-FET

تطبيق آخر يعتبر ذو أهمية كبيرة وذلك بالاستفادة من الخاصية الشعرية التي تتسم بها الأنابيب النانوية أحادية الجدار التي تلعب دورا مهما في نقل متتالي لذرات أو جزيئات وحيدة (Single File System) إلى مكان محدد إما بحركة انتشارية (Diffusion) أو بحركة قذفية (Ballistic). أي أن الأنبوب النانوي يمكن استخدامه كحامل ذري أو جزيئي(atomicand molecular Carrier) أو استخدامه حاملا وخازنا جيدا للغازات لكبر مساحة سطحه ووزنه الخفيف جدا ومثال على ذلك استخدام النانوتيوب كخلية وقود (Fuel cell) وكذلك في استخدامات واسعة في المجال الطبي مجالات أخرى متعددة.

تتم عملية تعبئة الأنبوب النانوي بمساعدة خاصية الأنابيب الشعرية (Capillarity). وذلك بعد فتح الأنبوب النانوي من طرفيه بواسطة عملية الأكسدة (Oxidation) ويمكن دخول المواد التي لها توتر سطحي (Surface Tension) أقل من 190 ملي نيوتن لكل متر. ولذلك يمكن ملء الأنبوب النانوي بطريقة كيميائية بواسطة وضع الأنابيب النانوية المغلقة في حامض النيتريك (HNO₃) ووجود نترات المعادن (Metal Nitrates) عن طريق الأكسدة الحمضية حيث أن هذا الحامض له توتر سطحي يساعد على إدخال أملاح المعادن (Dissolved Salts Metal) في داخل الأنبوب.

ويمكن ملء أنابيب نانوية  بالفولورين C₆₀ وتسمى بالبيبود (Peapod)  لأنها تشبه البازلاء حيث إن ذرات C₆₀ تمثل بحبوب البازلاء وأنبوب النانو بقشرة البازلاء (أنظر الشكل (10))

شكل (10) :صورة مرفولوجيةمأخوذة بالمجهر (TEM)  تبين  مكونات البيبود

شكل (11): الصورة المأخوذة بالمجهر الالكتروني الماسح (SEM) تبين حزم (bundles) من الأنابيب النانوية والبقع البيضاء تبين المجموعات المعدنية المتبقية  (Metal clusters)

شكل (12): الصورة المأخوذة بالمجهر الالكتروني الماسح (SEM) تبين حزم (Bundle) من الأنابيب النانوية وذلك بعد عملية التنظيف بالأكسدة والطرد المركزي ولا تظهرالبقع البيضاء أي المجموعات المعدنية المتبقية  (Metal Clusters)

شكل (13): الصورة المأخوذة بالمجهر الالكتروني الماسح (SEM) تبين حزم (Bundles) من الأنابيب النانوية ذلك بعد عملية التنظيف بالأكسدة والطرد المركزي و التكسير بواسطة الأمواج فوق الصوتية (Ultrasound) ولا تظهرالبقع البيضاء أي المجموعات المعدنية المتبقية  (Metal Clusters)

شكل (14): صور تبين مفاعل إنتاج الأنابيب النانوية (Nanotubes Reactor) .

A    غرفة مفاعل الأنابيب النانوية الكربونية Chamber of the Reactor

B    مهبط جرافيتي Graphitic Disc Cathode

C    مصعد جرافيتي مملوء بالمواد المساعدة    Graphitic Rod anode

D    منظر عام لمفاعل الأنابيب النانوية

شكل (15): صورة الدكتور واصف السخانية في مختبر النانوتيوب مع  مفاعل إنتاج الأنابيب النانوية (NanotubesReactor) .

المركز العلمي للترجمة في خبر علمي عاجل نشر في مجلة nature بتاريخ 16-5-2007 عن معهد Rensselaer للأبحاث متعدد التقنيات Rensselaer Polytechnic Institute حيث قام فريق من الباحثين بقيادة البروفسور Ramanath بتطور طريقة جديدة للصق مواد بعضها ببعض لم يكن من قبل أي إمكانية لذلك.  وتعمل هذه المادة من خلال تركيبة من سلسلة من الذرات تعمل على لصق طبقتن من مادتين مختلفتين، وبعد هذا الاكتشاف تطورا في مجال تطوير المواد الجديدة ولها تطبيقات صناعية كثيرة وخصوصاً إنها المادة الصمغية الوحيدة التي تستطيع تحمل درجات حرارة تصل إلى 700 درجة مئوية بل إنها تزداد قوة بزيادة درجة الحرارة.  ويصل سمك طبقة الصمغ النانوية الجديدة إلى نانومتر (ما يقارب جزء من البليون من المتر أي m10^-9) للصق مادتين مع بعضهما البعض وهذا السمك اصغر بـ 1000 مرة من أي نوع متوفر حالياً.

تعمل هذه المادة الصمغية من خلال سلسلة من الذرات تشكل ذرة الكربون الأساس لها مع ذرات من السليكون والأكسجين أو الكبريت.

في الشكل أعلاه شرح لفكرة عمل طبقة الصمغ النانوية في الربط بين طبقة من السليكون في الأسفل مع طبقة من النحاس في الأعلى.  وتتكون الطبقة الصمغية من ذرات السليكون باللون الأخضروذرات الكبريت باللون الأزرق وذرات الكربون باللون الأحمروذرات الهيدروجين باللون الأبيض. وتعمل الحرارة العالية على زيادة قوة الروابط الكيميائية بين الطبقة الصمغية وطبقة السليكون وطبقة النحاس.

ويروي الباحث إن اكتشافه لهذا المادة الصمغية جاء بمحض الصدفة عندما قام بوضع طبقة رقيقة جدا من مادة لم يحددها ما هي بين طبقتين رقيقتين من السليكون والنحاس وقام بتسخين المجموعة ليجد إن طبقتي السليكون والنحاس قد التحمتا مع بعضهما البعض، وبالفحص الدقيق لما حدث للطبقة في الوسط وجد إنها ازدادت صلابة وقوة بزيادة درجة الحرارة.  وهذا ما لم يتوقعه أن يحدث قبل قيامه بإجراء التجربة كما يقول الباحث Ramanath.  وبتكرار التجربة أكثر من 50 مرة ليتم التأكد من دقة النتائج التي توصل إليها فكانت تظهر نفس النتيجة هذا بالإضافة إلى إن المادة الصمغية استمرت في الازدياد في قوة صلابتها حتى عند درجة حرارة 700 درجة مئوية.

وهذه الخصائص الجديدة لهذه المادة النانوية تفتح المجال لتطبيقات جديدة مثل طلاء السطح الداخلي لمحرك الطائرة النفاثة أو لتربينات مولدات الطاقة الكهربية، هذا بالإضافة إلى استخدامها لتجميع شرائح الكمبيوتر والأجهزة الالكترونية وكذلك استخدامها كمادة حماية الشرائح الرقيقة.

هذا الخبر من مصدره الأصلي على الرابط

http://news.rpi.edu/update.do?artcenterkey=2154&setappvar=page(1)

وكتبت ملخصه لتوضيح كيف يساهم الفيزيائيون في تقدم التقنيات الصناعية بطريقة غير مباشرة وكيف يصل الفيزيائيون إلى الاكتشافات التقنية بالتجارب والأبحاث، وجاري تسجيل براءة اختراع لهذا الاكتشاف، ويقدر أن يكون ثمن هذه المادة منخفض جداً إذ يصل إلى 35$ لكل 100 جرام من المادة الصمغية النانوية.

معهد Rensselaer PolytechnicInstitute أسس في العام 1824 في ولاية نيويورك الأمريكية ويعتبر من أقدم المعاهد التقنية على مستوى العالم موقع المعهد

وشعارهم هو Why not change the worldلماذا لا نغير العالم؟لمعرفة لماذا وضعوا هذا الشعار؟ هذا هو رابط موقع المعهد http://www.rpi.edu/change/index.html أتمنى أن يكون في وطننا العربي مركز واحد يعمل بهذه الهمة تحت هذا الشعار.

المركز العلمي للترجمة نواف الزويمل المجرمون الذين يستخدمون الأسلحة النارية قد يجدون صعوبة أكبر في الفرار من العدالة في المستقبل، وذلك بفضل رصاصة جديدة عبقرية تعمل بتقنية متقدمة في بريطانيا.
البطاقات الصغيرة – قطرها فقط 30 ميكرون وغير مرئية بالعين المجردة – صممت لتغطى خراطيش المسدس.
إن بعض جسيمات النانو هذه تبقى على الخرطوشة حتى بعد إطلاق النار. هذا يجعلها من الممكن إقامة علاقة قوية بين مطلق النار والخرطوش بواسطة الطب الشرعي.
حتى الآن، من الصعب للغاية إقامة مثل هذه العلاقة بسبب الصعوبة في استرجاع البصمات أو كميات كبيرة من الحمض النووي من سطح الخرطوشة، اللامعة والملساء. إن تقنية النانو تختلف عن أي شيء سبق وان استخدم في اكتشاف المجرمين، ويمكن بالتالي أن يؤدي إلى إدانات وأدلة أكثر.
تتكون البطاقات من مكونات طبيعية وحبوب اللقاح، وهي المادة المتوفرة بالخواص اللاصقة الطبيعية ” ويقول البروفسور بول سيرمون من جامعة سيري التي دعمت هذا البحث. وأضاف “لقد حصلت على بصمة كيميائية فريدة بطلاء أكسيد التيتانيوم، وأكسيد الزركونيوم السليكا أو مزيج من أكاسيد أخرى.
بالإضافة لهذا الإنجاز قام الفريق أيضاً بتطوير طريقة حصر كميات كبيرة من الحامض النووي المفيدة بصورة شرعية على خراطيش السلاح. هذا السطح الخشن قادر على أن يحتفظ بخلايا الجلد الميتة من أصبع الإبهام الذي لمس الخرطوش في السلاح الناري.
ومن المزايا الأساسية أيضا انخفاض تكلفة اقتنائه – بطريقة فعالة حيث أن الحصول على مقدار كافي من الحمض النووي من خرطوش المسدس لم تكن متاحة من قبل. هذه التكنولوجيا قد تم تصميمها لتفادي الاضرار بالحمض النووي الذي قد يكون بسبب (1) ارتفاع درجات الحرارة المتولدة نتيجة أطلاق النار، و(2) عندما يُستخرج النحاس من الخرطوش.
إن تقنية النانو تقنيات استخلاص الحمض النووي يمكن أن تكون متاحة للاستخدام في غضون اقل من 12 شهرا. وقد تكون هناك أيضا مجالات آخري لتطبيقها، مثل الجرائم التي استخدمت فيها السكين في المستقبل.
وقال “نحن في الوقت الحاضر نركز على فهم المتطلبات الدقيقة للشرطة ومصنعي الخراطيش” وأضاف الأستاذ Sermon في تعليقه “لكن من الواضح أن العمل يمكن أن يقدم مساهمة قيمة ليس فقط للكشف عن سلاح الجريمة ولكن أيضا لردع المجرمين عن اللجوء إلى استخدام الأسلحة النارية في المقام الأول.”

New nanotechnology tagging system to help solve gun crime

http://www.physorg.com/news136808322.html

كرّمته الولايات المتحدة واجتذبته السعودية… الفيزيائي الفلسطيني منير نايفه رائد في النانو تكنولوجيا.

تضم قائمة العلماء العرب المتألقين في الولايات المتحدّة، مجموعة ممن تلقوا العلم فيها بسبب الهجرة القسرية، ونجحوا. ومن هؤلاء العلماء، يظهر الفلسطيني منير نايفه (64 سنة)، الذي ما زال مستمراً في عطائه. وحصّل دراسته الإبتدائية والثانوية في بلدته الشويكة، ثم انتقل الى مدارس البيرة ورام الله واربد. ونال البكالوريوس في الفيزياء من الجامعة الأميركية في بيروت (1968). واتبعها بالماجستير (1970)، قبل أن يسافر الى الولايات المتحدة اثر تلقيه منحة دكتوراه من جامعة ستانفورد (كاليفورنيا) للتخصص في الفيزياء الذرية والليزر. وسرعان ما أظهر اهتماماً بدراسة ذرّة الهيدروجين باستخدام أشعة الليزر. وفي لقائه مع «الحياة»، فسر هذا الاهتمام بقوله: «تشكّل ذرة الهيدروجين أصغر مكوّنات المادة. وتدخل في تفاعلات كيماوية لا حصر لها».

وبعد أن نال الدكتوراه (1974)، عمل مُدرّساً في جامعة «يال»، وباحثاً فيزيائياً في معمل «أوك ريدج» الشهير. كما درّس في جامعتي «كنتاكي» و«آلينوي» التي ما زال في صفوفها منذ العام 1980. ويرأس راهناً شركة «نانوساي أدفاندس تكنولوجي».

الكتابة بالذرّات

انطلق نايفه من أسئلة عالم الفيزياء الشهير ريتشارد فاينمان التي طرحها عام 1959 عن إمكان التحكّم بالذرّات بدل من استخدامها في صنع القنابل النووية. وفي مطالع الثمانينات من القرن الماضي، استطاع نايفه مع فريق في مختبرات «أوك ريدج» عزل ذرّة مفردة من الهيدروجين ورصدها. وبعد عقد من الزمن تمكن من ان يتلاعب بالذرات ويعيد ترتيبها ويتفنّن في رصفها على هيئة أشكال هندسية فوق سطوح مواد متنوعة. ووصف نايفه الأمر بأنه «الكتابة بالذرات». وأشهر ما رسمه قلب بداخله حرف «بي» p بقياس خمسة بالمليون من الملليمتر. واعتبره بعضهم دليلاً على ولع نايفه بالفيزياء. ورأه آخرون رمزاً لحبه لفلسطين.

أحدث عزل نايفه للذرّات وترتيبها على سطوح المواد، دهشة عارمة علمياً وإعلامياً. ومثلاً، نُشِرت الرسوم حينها، على غلاف مجلة «نيوساينتست» البريطانية. وأشارت «الموسوعة البريطانية» الى ان تقنية نايفه في عزل الذرّات ورصفها تشكّل سبقاً في علم الذرّة.

وأوضح نايفه لـ«الحياة» أن التجارب على الذرّة المُفردة «تساعد في الكشف عن تجمّعات ذرّية متدنية النشاط، كحال معاينة المفاعلات النووية للتأكد من عدم حدوث تسرب إشعاعي منها، ما يقي من حدوث كوارث في تلك المفاعلات». وقال: «تفيد مراقبة الذرّات المُفردة في معرفة أشياء مثل نشاط الشمس الذي يترافق مع إطلاق بعض الجسيمات الصغيرة من مُكوّنات الذرّة».

وتحدّث عن النانوتكنولوجي Nanotechnology وهو علم يتعامل مع المادة على مقياس النانو الذي يساوي واحداً من المليون من الملليمتر، ويستخدم لقياس الذرة والإلكترونات التي تدور حول نواتها. والمعلوم أيضاً أن لفظة «نانو» تعني القزم باليونانية.

ولفت إلى أن خصائص المادة عند مقياس النانو تختلف عن خصائصها التقليدية. وبيّن أنه قَطّعَ شرائح مادة السيلكون التي تستخدم في صنع الترانزستور ورقاقة الكومبيوتر، إلى أن وصل إلى مقياس النانو المُفرد، ما يعتبر أصغر حبيبة نانوية للسليكون. وأوضح أن هذه الحبيبات تتألق بألوان الطيف المرئي (أي الأحمر والأصفر والأخضر والأزرق) بحسب طول قطرها، عندما تتعرض للضوء فوق البنفسجي، على نقيض المادة الأم التي تتميّز بعتمتها. وأشادت مجلات علمية بالإنجاز الذي حفز جامعة «إلينوي» على مساعدة نايفه في تأسيس شركة «نانوساي أدفاندس تكنولوجيز» NanoSi Advanced Technologies  لتسويق حبيبات السيلكون النانوية التي صارت تستعمل بكثافة في الأجهزة الإلكترونية المتصلة بالإضاءة والطب ومعدات توليد الطاقة وغيرها.

وأدى هذا الإنجاز أيضاً إلى إدراج اسم نايفه في عداد رواد النانوتكنولوجي في كتاب عنهم للأميركي للمؤلف ستيفن ادوارد عنوانه: «إلى أين يأخذنا رواد النانوتكنولوجي؟».

وفي هذا السياق، أوضح نايفه أن تقنيات النانو تستعمل راهناً لزيادة كفاءة عمل رقاقات الكومبيوتر وزيادة سعة ذاكرته وخفض استهلاكه من الطاقة. كما تستخدم في تطوير الأسطوانات الرقمية المدمجة كي تتضاعف سعة تخزينها آلاف الأضعاف.

وأشار إلى ان الاختصاصيين في «معهد ماساتشوستس للتفنية» لفتوا، خلال «منتدى دافوس 2009» إلى علاقة النانوتكنولوجي بالرعاية الصحية، إذ توقعوا ظهوراً قريباً لأدوات إلكترونية نانوية تُحقن في الدورة الدموية لتعطي معلومات دقيقة عن الجسم وأنسجته وتراكيبه المختلفة.

ونبّه نايفه إلى استخدام النانوتكنولوجي في تحسين قدرة الخلايا الشمسية على تحويل الضوء إلى طاقة كهربائية، ما يعتبر جزءاً من بحوث الطاقة البديلة. وأوضح أن وضع حبيبات السليكون النانوية على سطح الكربون، يتيح لها أن تعمل على توليد الكهرباء من خلال أكسدة الايثانول والميثانول.

النانو للأطفال

ونشر نايفه قرابة 170 بحثاً علمياً. ونال 100 جائزة عن بحوثه في الفيزياء الذرية والجزيئيات وعلوم الليزر. وألّف 4 كتب، يُدَرّس أحدها في جامعات أميركية، إذ يتناول الكهرباء والمغناطيسية. وتتمحور كتبه الأخرى حول تقنية الليزر وتطبيقاتها. ويعكف على تأليف كتاب بعنوان «شرح العلوم والتكنولوجيا النانوية للطلاب»، ضمّنه قصصاً قصيرة للأطفال عن الموضوع عينه. وتعمل الدكتورة ابتسام العليان من «جامعة الملك سعود بن عبد العزيز» على ترجمة هذا الكتاب الأخير إلى اللغة العربية، أولاً بأول.

وسجّل نايفة 24 براءة اختراع في أميركا وأوروبا واليابان. واحتل مكانة مرموقة في موسوعات مثل «بريتانيكا» و«كتاب العالم» و«ماغرو هيل» وغيرها، إضافة إلى «المعجم الدولي للسير الذاتية» و«قائمة رجال الإنجازات الأميركيين».

ولعل من الطريف الإشارة الى أن أبناء نايفه الأربعة حذوا حذو أبيهم. فتخصص حسن (دكتوراه من «معهد ماساتشوستس للتقنية») في تطوير الترانزيستورات النانوية. ويعمل حالياً في شركة «آي بي أم» IBM الشهيرة للكومبيوتر في نيويورك. وتخصّص عماد (دكتوراه من جامعة ستانفورد) في تطوير ترانزيستورات نانوية من معدن الجرمانيوم. ويعمل في شركة «إنوفوتيف سيلكون». وكرّس أسامة (دكتوراه من «معهد ماساتشوستس للتقنية») جهوده لتطوير الذاكرة الرقمية نانوياً. ويعمل في المعهد الذي تخرج منه. وتخصّصت مها في تقنية النانو، وتعمل في بلدية دبي. والجدير بالذكر ان مجلة «فوربس- القسم العربي» أطلقت على هذه الظاهرة الفريدة لقب «عائلة الترانزيستورات».

تواصل عربي ودولي

ولم تقتصر علوم نايفه وبحوثه وإنجازاته على الوسط العلمي الاميركي. وسعى الى تعزيز التعاون مع الجامعات ومراكز البحوث العربية، خصوصاً في الأردن وفلسطين والمملكة العربية السعودية. وقد أدى تعاونه مع «مدينة الملك عبد العزيز للعلوم والتكنولوجيا» و«جامعة الملك سعود» الى تسجيل براءات اختراع مشتركة في حقل النانو مع الولايات المتحدة الاميركية. وشارك علماء عرب في تلك الاختراعات منهم ليلى ابوحسان وزين اليماني وعبد الحسن المهنا وتركي آل سعود ومحمد الصالحي وابتسام العليان وحنان ملكاوي وعبد الله الضويان ومنصور لحوشان وعبد الرحمن الحوتان وسلمان الركيان.

وكشف نايفه انه يتعاون مع شركات أجنبية عملاقة مثل «داو كاميكال» الكورية (Daw Chamical) و«لوريال» الفرنسية لتحضير المواد الكيماوية بطرق نانوية، وبالتالي تنقيتها من المكوّنات المضرة.

وكذلك شكّل نواة أولى للوبي علمي عربي يضم شبكة من العلماء العرب المنتشرين في أميركا وأوروبا وكندا. ويعتبر هذا اللوبي محاولة جادة أولى لتنشيط الكفاءات العربية وتفعيلها، وتوثيق عرى التعاون في إطار الجامعات ومراكز البحوث التي يعملون فيها .

وإضافة إلى مهماته الجامعية، يعمل نايفه مستشاراً في «مركز النانو» في «جامعة الملك فهد» في الظهران وفي «معهد الملك عبد الله لعلوم النانو وتقنياته» في «جامعة الملك سعود».

وأخيراً، تحدث عن الصعوبات التي قد تعرقل مسيرة العالِم العربي في الغرب (خصوصاً الولايات المتحدة) أو تحد من نجاحه وشهرته، واصفاً إياها بـ«النادرة». واختتم كلامه قائلاً: «إذا كان لا بد من الاغتراب، فليكن في أميركا»، في إشارة إلى ما هيأت الولايات المتحدة له ولغيره من علوم وبحوث ومكانة أكاديمية وشهرة عالمية يعزّ مثيلها.

ريتشارد فاينمان في إحدى محاضراته الفيزيائية قال: “لا يوجد ما يدل على انه لا يمكن فهم إن الكائنات الحية كلها مكونة من ذرات وفقاً لقوانين الفيزياء، نحن عبارة عن أكوام من الذرات يعاد ترتيبها وربطها بطريقة صعبة ومحددة. ربما تسمح قوانين الفيزياء لعدد محدود من العمليات والتفاعلات ولكن هذا لا يعني بالفعل ان تقنية النانو تستطيع ان تطبق وتستنسخ كل ما في الطبيعة، فهناك بعض المشاكل التي بدأت تظهر مع تطور هذا العلم مثل الخلاف الذي دب بين العالمين دريكسلر و سمالي حول التكوينات الجزيئية المشهور بـ (The Sticky and The Thick Fingers)  والتي اقترحها سمالي ليبدأ النقاش حول معوقات وعقبات تقنية النانو.

على الرغم من ذلك فالهدف الرئيسي هو التلاعب بالذرات بكل الطرق الممكنة والتي لا تتعارض مع قوانين الفيزياء والاستفادة مما نستطيع الإجابة علية من الأسئلة التي تدور حول عالمنا الحي.

منذ أوائل القرن العشرين أصبح هناك اهتمامات كبيرة بدراسة القوانين الفيزيائية مع بعض التغييرات التي أدى بعضها إلى ابتكار نظريات جديدة مثل نظرية النسبية لأينشتاين. وعلى هذا الامتداد فتكنولوجيا النانو اهتمت بكيفية تغيّر قوانين الفيزياء عندما تتغير الأبعاد الفيزيائية وتصل إلى ما بين 1-100 نانومتر. والسؤال هنا هو هل القوانين الفيزيائية متناظرة عندما تتغيرا لأبعاد؟ الإجابة على هذا السؤال كانت بالنفي من قبل جاليليو في كتابة: “On Two New Sciences”.

ولكننا اليوم نعلم ان خصائص المواد تعتمد على أبعادها على أساس انها ذرية في الطبيعة. إذا فتغيير الأبعاد الفيزيائية للمواد ينتج عنة خصائص ومميزات قد تكون مختلفة تماماً عن خصائصها كأجسام كتلية ضخمة. هذه الخصائص مجتمعة تعطي إمكانيات كثيرة تخدم كثير من التطبيقات التي عجزت المواد الكتلية عن عملها، فعلى سبيل المثال القوانين الكلاسيكية لم تعد قادرة على التحكم في الأنظمة الفيزيائية النانوية ولكن يظهر هنا خليط من القوى الكهربية والمؤثرات الكمية المسئولة عن سلوكيات هذه الأنظمة.

ليس هناك من جدل أن المكان الأنسب لفهم هذه الأنظمة النانوية هو داخل الخلية الحية حيث أنها عبارة عن مصنع نانوى يتم التحكم بكل محتوياتها بواسطة هذة القوى والقوانين الحديثة ولذلك فهي تعتبر نقطة البداية للتعرف على خفايا هذا العلم. داخل الخلية يوجد تجمعات جزيئية وأجهزة استشعار ومحركات منها الصلب ومنها المرن تقوم بالنقل والتوصيل والحماية ومهام أخرى وتتراوح أبعادها مابين 0.2-200 نانومتر (شكل رقم1).       لذلك فالخلية الحية لا يجب دراستها على إنها جسيم حي فقط بل تشترك فيها بقية العلوم منها الفيزياء والكيمياء والطب للتعرف عليها واستنساخ وظائفها وفيما يلي سوف نتطرق لبعض هذه الوظائف وكيفية الاستفادة منها لبناء أنظمة نانوية مشابهة سواء كانت حيوية أو غير حيوية.

شكل (1)

مبادئ تقنية النانو في الطبيعة

المبدأ الأساسي هو بناء أنظمة نانوية تقوم بأداء وظائف محددة أو ما يسمى Nanomachines. قد طُوّر بواسطة علماء التقنية الحيوية يجدر بالذكر أن التكوين التصاعدي Bottom up من العليات الحيوية للبناء الذري والتلاعب بالذرات مثل عمل الإنزيمات. لذلك قام العلماء مثل (وايتسايدس) بتقسيم هذه العمليات إلى أربعة أقسام وهي:(1) الربط التساهمي المتتابع، (2) البلمرة التساهمية، (3) التنظيم الذاتي (4) التجميع الذاتي.

على الرغم من أن النهج المذكور هنا قد نجح بعض الشيء في تصميم وبناء جزيئات ذكية وبوليمرات شبيهة بالطبيعية إلا أن البناء الطبيعي يتفوق كثيراً في تصميم الأبعاد الثلاثية للجزيئات، باستخدام التكوين أو التجمع التلقائي Self-assembly.

هناك العديد من القوى والمؤثرات الفيزيائية التي تتحكم في عمليات التكوين التلقائي والتعرف التلقائي للجزيئات ومنها:

(أ) قوى التشتت:

شكل (2)                                               شكل (3)

هذه القوى هي نتيجة مباشرة لتفاعلات كهربية نانوية، فعند الأخذ في الاعتبار عدد من الذرات في نظام معين فإنه لا يكون فيها عدد متساوي من الشحنات الموجبة والسالبة أو لا تكون موزعة بالتساوي كما في جزيئات الماء. في هذه الحالة فإنه سوف يكون هناك قوى كهربية متخلفة والتي تؤثر حصيريا على الأنظمة النانوية حيث أنها تتلاشى في الأجسام الكتلية بسبب تعادل هذه القوى.

(ب) قوى التنافر:

هذه القوى هي التي تعمل على مواجهة قوى التشتت حسب مبدأ باولي، فإذا كانت قوى التشتت تساعد نوعاً ما على تفاعل الجزيئات فيما بينها فإن قوى التنافر تحاول منع هذه الجزيئات من التداخل مع بعضها البعض. هنالك بعض القوى الأخرى تنتج من تفاعلات الجزيئات مع بعضها مثل القوى الناتجة من النفور من الماء وكذلك الناتجة من الروابط الهيدروجينية. من الأمثلة على هذه القوى هو ما يحدث للبروتينات من طي (شكل 2) وكذلك ما يحدث لجميع الجزيئات الغنية بالكربون (شكل 3).

كيف نتعلم من الأنظمة النانوية في الطبيعة:

هنا سوف نسرد بعض الأنظمة النانوية الطبيعية بشئ من التفصيل مع شرح عملها وإمكانية تطويرها أو تقليدها وإلى أي مدى توصل الباحثون إلى ما يطمحون للوصول إليه.

التجمعات النانوية Nanoassemblers

الرايبوسوم هو أشهر الأمثلة على هذا النوع فهو عبارة عن كيان معقد سوف يستغرق عدة سنوات للتعرف على تفاصيله البنائية (شكل4).  الرايبوسوم هو في الأساس عبارة عن آلة نانوية تحتوي على الكثير من الأسرار التي ربما تخدم ويعمل على بناء البروتينات التي لها تقنية النانو، حيث أنه يترجم البيانات المخزنة في (RNA)

حفظ البيانات وتشفيرها:

يوجد في الخلية جزئ حيوي هو المسئول عن حفظ الشفرة لبناء الأنظمة النانوية الحيوية داخل وهو عبارة عن نظام تخزين كثيف وفعال. الخلية والذي يعرف بالحمض النووي (DNA)

لذلك فإن هناك جهود عظيمة للاستفادة منها كأداة قوية في مجال علوم الكمبيوتر و العديد من الاستخدامات الأخرى.

أجهزة الاستشعار ومحولات الطاقة:

يوجد العديد من أنظمة الاستشعار ومحولات الطاقة في جسم الإنسان مثل المستقبلات الحيوية والمسئولة عن تحويل طاقة الفوتونات إلى إشارات البروتينية والمعروفة باسم أو بسين (Opsin) كهربية، كما أنها مسئولة عن مدى الرؤية في العين. هذا يعتبر مصدر إلهام وتحدي للتطبيقات المستقبلية المشتملة على أجهزة استشعار حيث أنه يمكن استخدام هذه الأنظمة بعد فصلها عن بيئتها الطبيعية.

من ناحية أخرى فإن التعرف التلقائي للجزيئات الغريبة عن الجسم والذي تقوم به بعض الجزيئات الحيوية كما في حاستي الشم والذوق يعتبر من الحقائق المذهلة التي ربما تكون قابلة للاستنساخ كأنظمة معزولة فما هي إلا عبارة عن بروتينات مستقبلة تتحد مع ما تتعرف عليه من جزيئات ثم تقوم بإرسال الإشارات العصبية إلى الدماغ ومن ثم تحليلها. يوجد اليوم دائرة بحثية واسعة لدراسة طرق عمل هذه الأنظمة وبناء أنظمة نانوية مشابهة تقوم بهذه المهام في أساط معزولة.

من الأمثلة على الكيفية التي يمكن أن تستخدم فيها تقنية النانو استشعار الأنظمة البيولوجية هو Otolith البلورية في استشعار الجاذبية الأرضية استخدام حاسة السمع.

في النباتات أيضاً هناك على سبيل المثال عملية التمثيل الضوئي والمعقدة جداً والتي يمكن التعلم منها في تحويل الطاقة الشمسية حيث أنه إلى الآن ومازال التطوير جاري في فعالية أشباه الموصلات لهذا الغرض. هنا تبدأ مهمة العاملين على تقنيات النانو لعمل تمثيل ضوئي اصطناعي محاكاةً لعمل النباتات، وفي هذا المجال فقد نجح البروفسور جراتزل هو وفريقه.

في تطوير نوع جديد من الخلايا الشمسية التي يقوم عملها على الصبغات الحساسة النانوية الواقعة بين الطبقات النانوية للسراميك.

وسائل إستكشافية:

قبل نصف قرن من الآن بعض العلماء مثل ريتشارد فاينمان قال بأنه إذا تمكنوا من معرفة ما يحدث داخل الخلية بالتفصيل فإنهم سيكونوا قادرين على التعلم منها واستخدامها. اليوم هذه الطرق والوسائل متوفرة وبالإمكان رصد كل ما يحدث داخل الخلايا الحية بكل سهولة والذي سمح للعلماء والباحثين تحليلها على المستوى الذري. يوجد العديد من الوسائل والتقنيات المتعددة الخصائص والمهام وسوف نقتصر على شرح بعض منها، فمن هذه التقنيات التي ظهرت مع ثورة تقنيات النانو ما يلي:

(1) مجهر المسح النفقي Scanning Tunnelling Microscope

شكل (5)

الذي يستخدم للكشفعن أسطح الترتيبات المكانية على الرغم من أنه قد لا يكون مناسب للمواد العازلة كهربياً، لذلك فإن استخدامه للبروتينات قد لا يعطي البيانات المطلوبة. شكل (5) يوضح ميكانيكية عمل هذا المجهر.

(2) مجهر القوى الذرية Atomic Force Microscope

والذي له استخدامات عديدة منها، قياس القوى الميكانيكية والكهربية بين جزيئات العينات والطرف المدبب للجسر الذي يستخدم في هذا المجهر والذي يبلغ قطر رأسه حوالي 5-20 نانومتر. هذا المجهر أثبت أنه قادر على الكشف عن الخصائص الخلوية وتفاعلاتها الداخلية بوضوح يصل إلى 0.1 نانومتر. هذه التقنية وطريقة عملها موضحة في الشكل (6،7).

شكل (6)                                            شكل (7)

(3) التصوير البلوري بالأشعة السينية X-Ray Crystallography

هذه التقنية تقوم بإعطاء أكثر معلومات يمكن الحصول عليها لتركيب وتنظيم الذرات حيث أن المعلومات الناتجة هي عبارة عن مخططات ثلاثية الأبعاد تعبر عن الكثافة الإليكترونية لذرات العينات ناتجة من حيود الأشعة السينية. شكل (8) يوضح عمل هذا الجهاز.

المستقبل والمعوقات:

كما ذكرنا مسبقاً أن التحدي الذي يواجه العلماء والباحثون في مجال تقنيات النانو ربما يكون الفهم الوافي لوظائف الأنظمة الحيوية الدقيقة والذي يمكن أن يساعد في بناء أنظمة نانوية بشرية الصنع لها نفس الوظائف التي يمكن استخدامها في عدد من التطبيقات المستقبلية. يدخل ضمن هذا المجال هندسة وتعديل الخلية وأغشيتها التي سوف ينتج عنها العديد من الإنجازات العلمية مثل بناء أعضاء حيوية كاملة وإصلاح التالف من هذه الأعضاء حيث يعتبر الجينوم أو المخزون الوراثي من أهم النقاط التي يركز عليها الباحثون.

على الرغم من الجهود المبذولة والعمل الدءوب للسعي وراء هذه الإنجازات إلا أن هناك العديد من العقبات التي يجب أن تأخذ في الحسبان مثل العمر الزمني القصير لهذه الأنظمة وكذلك الثغرات الموجودة في كيفية التحكم بها والتي يتدخل فيها عدد من العوامل مثل درجة الحرارة والحموضة والملوحة، وليس هناك إلا واحد من خيارين إما السيطرة على هذه الأنظمة في هذه البيئات أو استحداث أنظمة جديدة لها القدرة على مقاومة هذه العوامل.

وأخيراً فإن تكنولوجيا النانو الحيوية موجودة منذ خلق الإنسان وتعتبر كذلك الأنجح، ولذلك فإنه لابد من التعلم منها وتطبيقها على الأنظمة الحيوية وغير الحيوية. فالتطورات المستقبلية في التصميم والتلاعب بهذه الأنظمة سوف يجلب الكثير من التحديات لهذه التقنيات المتناهية في الصغر على الرغم من وجود بعض الوسائل المتناهية في الدقة والمذكور بعض منها أعلاه.

المراجع:

1. Donald Voet،Judith G. Voet،Biochemistry (John Wiley & Sons،1995).
2. Mark Ratner،Daniel Ratner،Nanotechnology،a gentle introduction to
3. the next big (Prentice Hall،2002)
4. Richard Feynman،The Feynman Lectures on Physics (Addison-
5. Wesley Publishing Company،1977 paperback edition)
6. www.nanonet.go.jp
7. www.rcsb.org
8. Robert Kelsall،Ian Hamley،Mark Geoghegan،Nanoscale Science and Technology (Wiley،2005)

تمكن باحثون بريطانيون من تحقيق إنجاز كبير في مجال صناعة الترانزستورات، بعد أن أثبت تجارب علمية أجروها مؤخراً، إمكانية تصنيع ترانزستورات متناهية الصغر، تعد الأصغر على الإطلاق، ما يبشر بإحداث ثورة هائلة في عالم الاتصالات مستقبلاً. ونجح فريق ضم كل من البروفيسور” أندريه جييم”، والدكتور “كوستيا نوفوسيلوف”، الباحثان من مدرسة الفيزياء وعلم الفلك من جامعة مانشستر، في إثبات إمكانية تصميم دارات الكترونية تتألف من ترانزستورات متناهية الصغر، مصنعة من مادة الجرافين، تعادل سماكة الواحد منها قطر ذرة واحدة، في حين يصل عرضه إلى مسافة يكافئ طولها قطر عشر ذرات.

وكان البروفيسور “جييم” وزملائه اكتشفوا قبل نحو أربع سنوات مادة الجرافين التي تعادل في سماكتها قطر ذرة واحدة، لتستقطب بعد ذلك اهتمام الباحثين والمختصين في مجال الفيزياء وعلوم المادة.

وبحسب ما أوضح الباحثون، يواجه العلماء حالياً مشكلة كبيرة في إيجاد المادة المناسبة، عند تصنيع الترانزستورات التي يقل قطرها عن 10 نانوميتر، حيث تندر المواد التي تتمتع بثباتية مناسبة لإنجاح هذا الأمر، إذ أن أشباه الموصلات مثل السيليكون، تتعرض للأكسدة والتحلل عند استخدامها في تصميم ترانزستورات بهذا الحجم.

وأثبتت تجارب فريق مانشستر إمكانية استخدام الجرافين، لتصميم ترانزستورات متناهية الصغر، فهو يحافظ على ثباتية عالية، وقدرة جيدة على التوصيل في تلك الحالات، حتى لو لم يتجاوز عرض الترانزستور المصنع منه النانومتر الواحد.

ومن وجهة نظر الفريق، تتمتع ترانزستورات الجرافين المتناهية الصغر- والتي لا يتجاوز قطر الواحد منها 10نانومتر- بأداء الجيد، وهو ما يتوقع أن تفشل موصلات السيليكون في تحقيقه.

ويشير البروفيسور ” جييم “، إلى التحديات التي تواجه فريق البحث، حيث لا توجد تقنية محددة تضمن “قطع” الجرافين بدقة، لابتكار هذا الحجم من الترانزستورات، لذا فهم سيعولون على الحظ بعض الشيء.

إلا أن “جييم” يبدو متفائلاً في نفس الوقت، إذ سبق أن واجه المختصون في صناعة ترانزستورات السيليكون، تحديات مشابهة منذ سنوات، ولكنهم تغلبوا عليها ونجحوا في تحقيق هدفهم المنشود.

لعل تعبير “سيارة ورقية” الذي يُطلقه بعض محبي السيارات القديمة التي تتميز بصلابتها وقوتها، على معظم السيارات الحديثة، خاصة الخفيفة منها، سيصبح قريباً واقعاً حقيقياً، بعد أن توصل العلماء إلى نوع من الورق، سيشكل ثورة صناعية تشمل العديد من المنتجات، بدءاً من الطائرات حتى الشاشات التلفزيونية.

النوع الجديد من الورق، يُطلق عليه اسم  Buckypaper، ويشبه إلى حد كبير ورق “الكربون”، إلا أن اسمه ومظهره الضعيف لا يعكسان حقيقة قوة الصلابة التي يتميز بها، حيث أن ورقة واحدة منه تُعد أخف بنحو عشر مرات من لوح بنفس الحجم من الصلب، إلا أن قوة تحملها تفوق مثيلتها بنحو 500 مرة، في حالة ضم عدة أوراق منه إلى بعضها البعض.

كما أن هذا النوع من الورق “شديد الصلابة” يتميز بأنه موصل جيد للكهرباء، مثل النحاس والسليكون وكثير من المعادن الأخرى، كما أنه مقاوم للحرارة كالحديد والسبائك النحاسية، وفقاً لنتائج دراسات مشتركة بين عدد من الجامعات في ولاية فلوريدا الأمريكية.

 وقال الباحث بجامعة “رايس”، وودي آدامز: “كل هذه الأمور هي ما يحتاجه كثير من الناس المعنيين بالتكنولوجيات الدقيقة (النانوتكنولوجي)، والذين يعملون من أجلها كهدف مقدس لأبحاثهم وتجاربهم العلمية.” وتبشر هذه الفكرة بأن مستقبلا كبيرا في انتظار الصناعات التي ستقوم علىBuckypaper  ومشتقاته، التي يمكن أن تستخدم في صنع اسطوانات دقيقة جداً، المعروفة كاسطوانات الكربون، على مدى السنوات المقبلة.

ويتم تصنيع ورق Buckypaper من جزيئات دقيقة جداً من الكربون، تتميز بشكلها الدائري، ويقل سمكها عن شعر الإنسان بحوالي 50 ألف مرة.

ونظراً للخواص المميزة لتلك المادة، التي ما زالت تحت الدراسة، من حيث خفة وزنها، وقدرتها على توصيل الكهرباء، فإنه من المتوقع أن تكون مناسبة لكثير من الصناعات، من بينها الطائرات والسيارات، بالإضافة إلى أجهزة حواسب فائقة القوة والدقة، وشاشات تلفزيونية بمواصفات أكثر تطويراً، والعديد من المنتجات الأخرى.

ولكن تكلفة إنتاج هذا النوع من الورق ما زالت مرتفعة جداً مقارنة بالبدائل الأخرى المتاحة حالياً، إلا أن الباحثين يعملون على تطوير تقنيات لتقليل كلفة إنتاج هذا الورق بكميات صناعية.

المواد ذات المقياس النانوي والتأثير النانوي توجد في الطبيعة في كل مكان حولنا. أسرار الطبيعة للبناء من المقياس النانوي تنتج عمليات وآلية يأمل العلماء في تقليدها. قام الباحثون سابقاً بنسخ البنية النانوية لأوراق نبات زهرة اللوتس لإنتاج سطوح مضادة للماء  تستخدم اليوم لعمل ملابس مضادة للتلطخ، لإنتاج أنسجة أخرى، ومواد أخرى، بينما قام آخرون بتقليد قوة ومرونة نسيج العنكبوت، الذي عزز طبيعياً بالبلورات النانوية.

إن كثيراً من الوظائف المهمة في حياة الكائنات الحية تحدث وفق المقياس النانوي، إن أجسامنا وأجسام جميع الحيوانات تستخدم مواد طبيعية ذات مقياس نانوي، مثل البروتينات والجزيئات الأخرى، للتحكم بالعديد من أنظمة وعمليات أجسامنا. إن بروتين نموذجي مثل الهيموجلوبين، والذي يحمل الأكسجين خلال مجرى الدم يبلغ قطره 5 نانومتر، أو 5 أجزاء من البليون من المتر.

المواد النانوية تحيط بنا من كل جانب، في دخان النار، الرماد البركاني، رذاذ البحر، كما في المنتجات الناشئة عن عمليات الاحتراق. إن بعض هذه المواد وضعت في الاستخدام منذ قرون. إن مادة مثل الذهب (النانوي)، استخدمت في الزجاج المصبوغ والخزف منذ القرن العاشر، ولكن تطلب 10 قرون أخرى قبل أن تتطور المجاهير عالية القدرة والمعدات الدقيقة لكي تسمح للمواد النانوية بأن تتخيل وتستدعى.

ما هو السلوك النانوي؟

في المقياس النانوي، تتصرف الأجسام بشكل مختلف تماماً عن تصرفها في المقاييس الأكبر،  الذهب في المقياس الكبير على سبيل المثال موصل ممتاز للحرارة والكهرباء، ولكن ليس للضوء. لكن جسيمات الذهب النانوية المبنية بشكل مناسب، تبدأ بامتصاص الضوء وبإمكانها تحويل ذلك الضوء إلى حرارة، حرارة كافية. في الحقيقة، هذا يجعلها تعمل كمشرط حراري مصغر يمكن من خلاله قتل الخلايا غير المرغوبة في الجسم، مثل الخلايا السرطانية.

بعض المواد الأخرى يمكن أن تصيح أقوى بشكل ملاحظ عندما تبنى على مقياس نانوي. على سبيل المثال، فأنابيب الكربون النانوية التي يبلغ قطرها 0.00001 من قطر شعر الإنسان، قوية بشكل لا يصدق. إنها تستخدم في صناعة الدراجات الهوائية،  مضارب لعبة البيسبول، وبعض أجزاء السيارات في وقتنا الحالي. بعض العلماء يفكرون بإمكانية جميع أنابيب الكربون النانوية مع البلاستيك لصناعة مركب أخف بكثير من الفولاذ، وبنفس الوقت أكثر قوة منه. تخيل كيف يمكن توفير الطاقة إذا استبدلنا بعض المعادن المستخدمة في صناعة السيارة بمثل هذا المركب! إن أنابيب الكربون النانوية موصلة للحرارة والكهرباء أفضل من أي معدن، لذا يمكن استخدامها لحماية الطائرات من ضربات البرق، كما يمكن استخدمها في دوائر الكمبيوتر الكهربائية.

 المساحة السطحية:

المواد ذات المقياس النانوي تمتلك أيضاً مساحات سطحية أكبر بكثير من أحجام متشابهة لمواد ذات مقياس أكبر، وهذا يعني  توفر مساحة أكبر للتفاعلات مع المواد التي حولها.

ما هي أهمية المساحة السطحية؟

بمقارنة قطعة من اللبان (العلكة) مضغت على شكل حشوة مع شد هذه العلكة على شكل صفيحة رقيقة قدر الإمكان، السطح، أو المساحة المرئية الخارجية، أكبر بكثير للقطعة المشدودة منها للقطعة الممضوغة، إن العلكة الممدودة من المرجح أن تجف وتصبح هشة أسرع من تلك الممضوغة وذلك لأنها (الممدودة) لها تماس سطحي أكبر مع الهواء الذي يتحرك حولها.

كم هو صغر النانومتر؟

يحدد النانومتر بجزء من بليون من المتر. كم هو صغر ذلك؟ هذه بعض الطرق للتفكير حول ذلك:

إن صفحة من الورق يبلغ سمكها 100.000 نانومتر.

الشعرة الشقراء يبلغ قطرها على الأرجح 15.000 إلى 50.000 نانومتر، لكن الشعرة السوداء من المرجح أن يكون قطرها من 50.000 إلى 180.000 نانومتر

هناك 25.400.000 نانومتر في الإنش الواحد.

النانومتر يعادل 1 من مليون من المليمتر.

شاهد على هذا الرابط مقياس الأشياء، وثلاثة أمثلة على المقياس النانوي

Source

http://www.nano.gov/html/facts/whatIsNano.html

What is Nanotechnology?

 

توصل فريق بحثي بريطاني إلى اختراع زجاج غريب ينظف نفسه بمجرد تعرضه لأشعة الشمس، دون الحاجة إلى استخدام “الماسحات”، وقد حصل هذا الاختراع على جائزة الابتكار التي تمنحها الأكاديمية الملكية البريطانية للهندسة لتشجيع الابتكارات التكنولوجية والهندسية.

والزجاج المبتكر يدخل في تركيبه مادة “بلكينجتون أكتيف” المغطى بطبقة رقيقة للغاية من أكسيد ميكروكرستالين التيتانيوم والذي يستجيب لضوء النهار، وهذا التفاعل يفصل الأقذار عن الزجاج، وهذا الابتكار هو أحد أربعة ابتكارات وصلت إلى نهائيات جائزة ماكروبرت الهندسية.

وقال الدكتور كيفين ساندرسون أحد أفراد الفريق الذي عمل على تطوير زجاج أكتيف في مركز أبحاث بيلكينجتون: “بلكينجتون أكتيف قائم على ثاني أكسيد التيتانيوم، وهي مادة تستخدم في المواد الغذائية ومعجون الأسنان، وكريمات البشرة المانعة لأشعة الشمس”، واستطرد: “ولكنها في العادة مادة على شكل مسحوق، مما يؤدي إلى حجب الرؤية إذا ما وضعت على الزجاج، لذلك استخدمنا طبقة رقيقة من هذه المادة، سمكها 15 نانومتر، وبذلك يبدو الزجاج طبيعياً تماما”.

وعلى الرغم من أن هذه التكنولوجيا ليست تكنولوجيا التفاعلات المتناهية في الدقة، إلا أن التغطية الخاصة للزجاج، والتفاعلات الكيميائية التي تحدث، تجري على مستوى دقيق للغاية “واحد على ألف مليون من المتر”، وطبقة ثاني أكسيد التيتانيوم التي تغطي الزجاج لها صفتان تميزانها، فهي أولا تمتص أشعة الشمس، الأشعة فوق البنفسجية، وخلال هذه العملية، تتفاعل الطبقة العازلة مع الأوساخ العضوية بحيث تفتتها.

أما ميزتها الثانية فهي أن الطبقة العازلة تؤدي إلى جعل الزجاج أكثر جاذبية للمياه، وهو ما يعني أن الماء عندما يلامس سطح الزجاج، ينجذب إلى بعضه فيتحول إلى ما يشبه الشريحة بدلاً من أن يتحول إلى قطرات، ونظراً لتواصل تأثير الحافز الضوئي، فإن الزجاج يجف نظيفاً.

أحدث منافس لهيمنة الآي بود POD على سوق الموسيقى الرقميّة هو مكعب موبي بلو mobi BLU DAH-1500 في أوروبا وآسيا وmobi BLU DAH-1500i في الولايات المتحدة الأميركيّة، ولديه ما ليس لدى جوهرة آبل Apple: الحجم الصغير مع الطاقة التخزينيّة العالية، فحجمه يشبه حجم مكعب الثلج بأبعاد 24x24x24 مليمترا، ووزنه هو 18 غراما (الآي بود نانو POD Nano وزنه 43 غراما). ويبلغ حجمه من الصغر ما يجعله مناسبا لأن يوضع في جيب القميص أو كقلادة على الرقبة. وينافس مكعب موبي بلو الآي بود والكثير غيره من المشغلات في مجالات كثيرة. فهو موجود بستة ألوان (أزرق وأسود وفضيّ وأحمر وبرتقاليّ وزهريّ) وفي سعتين: 512 ميغابايت و1 غيغابايت (1024 ميغابايت) أو ما يساوي 500 أغنية. وبه أيضا مستقبل للراديو على موجات الإف إمFM مع إمكانيّة تخزين تردّدات 20 محطة، ويمكنه تسجيل الأصوات البشريّة (مناسب للصحافيين وفي الاجتماعات) أو الراديو، ويوجد به أيضا خمسة أوضاع لموزعات الصوت Equalizer ويمكنه أيضا العمل كوحدة ذاكرة متنقلة USB Drive للحاسب الآلي، وبطاريته المدمجة التي يمكن إعادة شحنها تعمل ما بين 8 و10 ساعات متواصلة.

أمّا شاشته فهي تتكون من دايودات (صمامات ثنائية) مشعّة عضويّة Organic Light Emitting Diodes (OLED) صغيرة، وبه ساعة ويمكن تحميل برمجيّات جديدة له من الإنترنت وتعديل برمجيّته بسهولة. أيضا به دعم لتقنيّة واو WOW للصوتيّات (هذه التقنية تعطي صوتا مجسما ثلاثيّ الأبعاد مع تضخيم صوت الباس Bass عن طريق سماعتين اثنتين فقط، والفرق بين الصوت الخارج عن طريق هذه التقنية وذلك عن طريق تقنية الستيريو كبير جدا ويجب سماعه لتقدير روعته) ويستطيع تشغيل ملفات الموسيقى المضغوطة بنوعيّ إم بي 3MP3 ودبيليو إم إيه WMA وكلّ الملفات التي يمكن شراؤها من الإنترنت المحميّة بدي آر إم DRM. ويمكن عمل عدد لا نهائيّ من المجلدات Folders لتنظيم الموسيقى بداخل الجهاز.