موسوعة الإلكترونيات الحرة وتعليم البرمجيات.

مواضيع جديدة

الثلاثاء، 10 مارس 2020

تكنولوجيا النانو NanoTechnology


شرح تكنولوجيا النانو

استطاع الانسان التغلب على مشكلات عديده يواجها في تعامله مع الطبيعة، بواسطة تطويره لتكنولوجيا تعتمد على المعرفة العلمية التي جناها عبر العصور، حيث بدأ بتطوير وسائل بسيطة تحولت عبر الزمن الى أجهزة وتقنيات معقدة ومتناهيه بالصغر أصبحت عائدتها وفوائدها تبني الاقتصاد، وتؤثر على الفرد في أي دولة تتواجد فيها. وقد سخر الانسان أغلب الموارد الطبيعية من حوله لخدمته.

ولم يكتف الانسان بهذا الحد، وإنما سعى لتكون الحلول أكثر دقه وأكثر سرعة، فدرس الجزئيات الصغيرة والدقيقة التي من خلالها نستطيع أن نواكب عصراً سريع التقدم والتطور، والذي يعرف اليوم بعلم وتكنولوجيا النانو. ولكن من أين جاءت تكنولوجيا النانو؟ وكيف يمكن الاستفادة منها في حياتنا؟ وكيف يمكن توظيفها في حل مشكلاتنا الحياتية؟
سنقوم بهذا الشرح الوافي لتكنولوجيا النانو بعرض وشرح الأهداف التالية:
أولاً: التعرف الى تكنولوجيا النانو وتطويرها.
ثانياً: التعرف الى بعض مجالات تكنولوجيا النانو.

تقنية النانو

تمكن المجتمع العلمي من أن يصل الى تركيبات ومكونات دقيقه جداً للمادة، بل متناهيه في الصغر؛ ليتعرف على البنية الأساسية للمواد ويغير فيها، ومن خلال ذلك التطور استطاع أن يغيّر من خصائص المادة؛ ليحصل على مواد جديدة بخصائص فريدة، تخدم مصلحته في مجالات حياته المختلفة. وقد أطلق على هذا العالم الصغير اسم العالم النانوي Nano World، ولاحظ العلماء أن خصائص بعض المواد تتغير عند تصغيرها للحجم النانوي، وقد أطلق على هذا العالَم الصغير اسم العالم النانوي. ولاحظ العلماء أن خصائص بعض المواد تتغير عند تصغيرها للحجم النانوي، وقد استغل العلماء هذه الخصائص في انتاج مواد وأجهزه وادوات تخدم البشرية وهو ما أطلق عليه مصطلح النانو تكنولوجي، أي تقنيه النانو (المنمنات). فمن غير المعروف بداية استخدام الانسان للمادة ذات الحجم النانوي، لكن احدى المقتنيات الزجاجية الموجودة في المتحف البريطاني تؤكد أن صانعي الزجاج قبل حوالي ألفي عام استخدموا حبيبات الذهب النانوية الغروية للتلوين دون أن يدركوا ماهيتها، ولكن من الواضح ان من اوائل هذه التقنية الحضارة العربية الإسلامية، حيث كانت السيوف الدمشقية المعروفة بالمتانة يدخل في تركيبها مواد نانوية تعطيها صلابة ميكانيكيه، فما تكنولوجيا النانو؟ وما تطبيقاتها؟ وما هي مجالاتها؟

تعريف النانو

النانو: النانو مصطلح يوناني مشتق من الكلمة "نانوس" بمعنى القزم أو الصغير، ويستخدم هذا المصطلح كبادئه لوحدات القياس المعروفة كالمتر والغرام والثانية وغيرها حيث أن النانو تساوي واحد مقسوم على مليار من الشيء، أي يكافئ جزء من المليار من وحده القياس الأساسية.

يتضمن علم النانو العديد من المجالات المتعلقة بالطول والكتلة والزمن، وتقتصر تكنولوجيا النانو على قياس ابعاد الاجسام باستخدام وحده النانوميتر يساوي جزء من المليار من المتر الواحد يحتوي على مليار نانومتر، وقطر شعره الرأس يساوي تقريبا 80000 نانو متر، وطول خليه الدم الحمراء يصل الى 2000 نانو متر، بينما يبلغ قطر DNA نحو 2.5 نانومتر.

مبدأ عمل تكنولوجيا النانو

لا نقصد بتكنولوجيا النانو المقياس النانوي بحد ذاته، وإنما نقصد بها التقنية التي تتعامل مع جسيمات بهذا المقياس بهدف انتاج مواد وادوات واجهزه بكفاءة عالية، ولا يعني ذلك ان الادوات والأجهزة يكون حجمها في الحجم النانوي أيضاً، بل قد يدخل في تركيبها جسميات نانوية.
ولا ترجع أهمية هذه التكنولوجيا للحجم النانوي فقط، وانما الى تغير خصائص المواد عند تصغيرها للحجم النانوي ما بين (0 – 100) نانو متر، واكتسابها خصائص جديده ومميزه، ومن تلك الخصائص الزيادة في المساحة، حيث تزداد المساحة السطحية للمواد عند تصغيرها للحجم النانوي مما يزد من نشاطها الكيمائي، وذلك لأن التفاعلات الكيميائية تحدث عند السطح، تماماً كتقسيم قطعة من الكعك عدة أقسام ولاحظ كيف أن المساحة السطحية تزداد عند تصغير الحجم الناتتج عن التقطيع.

مثال عملي على تكنولوجيا النانو

تخيل أن لديك مكعب طول ضلعه 1 سم، أي أن مساحة سطحه الواحد هو 1×1 = 1 سم مربع. الآن مساحة سطحه الكلية (للأوجه الستة) هي 1 × 6 = 6 سم مربع.
عند تصغيره للحصول على مكعب طول ضلعه 0.5 سم فانه يعطي 8 مكعبات، لكل مكعب 6 أوجه، لتكون مساحة اوجه مكعبات الثمانية تساوي 0.5 × 0.5 × 6 × 8 = 12 سم مربع. أي أنه عند تقسيم المكعب الرئيسي الى مكعبات طول ضلعها نصف طول ضلع المكعب الرئيسي تضاعفت المساحة السطحية الى الضعف.

خصائص وميزات تكنولوجيا النانو

تتغير خصائص بعض المواد عند تصغيرها الى الحجم النانوي ومن هذه الخصائص ما يلي:

1- الخصائص الكهربائية

 تصبح بعض المواد الموصلة أفضل للكهرباء والحرارة مثل الذهب والفضة.

2- الخصائص الفيزيائية

تصبح بعض المواد أكثر قوة ومتانه، مثل الكربون الذي تتغير خصائصه عند ضغطه ويتحول الى الماس القاسي.

3- الخصائص الضوئية

بعض المواد تصبح لها القدرة على عكس الضوء بشكل أفضل، أو امتصاصه. وبعضها تصبح لها القدرة على تغير لونها بتغيير حجمها. مثل انتاج خلايا شمسيه أكثر فاعليه لإنتاج الكهرباء.

4- الخصائص المغناطيسية

تعتمد قوه المغناطيس اعتمادا كليا على مقاييس ابعاد حبيبات المادة المصنوع منها المغناطيس، وكلما صغرت تلك الحبيبات وتزايدت مساحة اسطحها الخارجية، ازدادت مساحة أسطحها الخارجية، ازدادت قوة وفعالية المغناطيس وشدته.

5- الخصائص الحرارية

كلما قل حجم الجسيم قلت درجه حرارة اذابته أو صهره. وقد استغل العلماء هذه الخصائص في إنتاج مواد وأجهزة وأدوات تخدم البشرية.

مجالات وتطبيقات تكنولوجيا النانو

بدأ مصطلح تكنولوجيا النانو ينتشر في العديد من مجالات الحياة اليومية، وما نلمسه بشكل واضح هو سيطرة تكنولوجيا النانو في مجال الصناعات الإلكترونية، وخاصة الهواتف النقالة والحواسيب، وهنالك تطبيقات لتكنولوجيا النانو في مختلف المجالات منها:

1- المجال الطبي

تستخدم العمليات الجراحية المعقدة في علاج الأورام السرطانية والتي قد تكون نسبة نجاحها ضعيفة، ومع تطور تكنولوجيا النانو أصبح بالإمكان استخدام جسيمات الذهب النانوية والتي تتميز بقدرتها على امتصاص الضوء وتحويله الى حرارة، حيث يتم حقن الورم بها مما يعمل على تدمير الخلية المصابة دون تأثير على الخلايا المجاورة.

بعض تطبيقات تكنولوجيا النانو في المجال الطبي

أ - ابتكار أجهزه على مستوى النانو Nano Devices تستطيع أن تدخل الخلية أو النواه بالتحديد في موقع معين، حيث تقوم هذه الأجهزة بنقل مركبات الى داخل الخلية أو النواة.
ب - استخدام جسميات نانوية لتوصيل العقاقير الى الخلايا المطلوبة، وبذلك تفادي التأثيرات الجانبية الضارة التي تنتج عن الأدوية التقليدية.
ج - ابتكار مواد جديده من أنابيب الكربون النانوية مطعمه بمواد نانوية عضويه وغير عضوية مثل ذرات الفضة، تستطيع القضاء على البكتيريا، وعلاج الأورام السرطانية.
د - استخدام تركيبات نانوية للمساعدة على ترميم الأنسجة مثل الجلد، الغضروف، العظام، ومساعدة المرضى على تجديد أعضائهم.
ه - تغليف بعض العقاقير في عبوات نانوية تتحكم في إطلاق الأدوية بطرق متطورة.
و - تحسين سرعه وقوه الاختبارات الطبية الحيوية، مثل الاختبارات المستخدمة في تحرير عينات صغيره من المواد للبحث عن تتابعات جينيه معينه.
ز - استخدامات قذائف نانوية مكونه من خرزات مغلقه بالذهب وربطها بمضادات ترتبط بالخلايا المرضية، بحيث تعمل على تسخين القذائف النانونية بالقدر الكافي مما يؤدي الى تخريب الخلايا السرطانية دون التأثير على الخلايا المجاورة. وما زالت الأبحاث مستمرة في هذا المجال لأهميته.

2- مجال الإلكترونيات والأجهزة الكهربائية

تنتشر في الآونة الأخيرة الحواسيب اللوحية والهواتف النقالة التي تعمل بشاشات اللمس، وكذلك المعالجات متعددة الأنوية Multicore Processors والتي وصلت الى معالجات رباعيه وثمانية الأنوية بل وأكثر من ذلك، مما يسهل ويسرع عملها، وكذلك تغليفها بمواد نانوية لجعلها مقاومة للماء، فلو تفحصنا الكابلات والمكثفات لوجدنا وزنها لا يتجاوز اجزاء من المليجرامات. وقد أدى تصغير مكونات الترانزستورات الى مستوى النانو الى تضاعف في سرعه وكفاءه الحواسيب، وزيادة في قدرتها على تخزين المعلومات والبيانات. كما أدى الى تصغير أحجامها والنزول بأسعارها على النحو الذي نراه اليوم.

3- مجال التغذية والصحة

يعتبر تحسين جودة الغذاء وخفض محتواه الضار من خلال التحكم في بنيته وتركيب مكوناته الأساسية من الامور المهمة في علم التصنيع الغذائي، وكذلك إضافة مكملات غذائية بالحجوم، النانوية، مثل الفلزات الحرة من الحديد والزنك وكذلك الكبسولات الجيلاتينية نانوية المسام، المحتوية على تركيزات عالية من زيوت السمك الشهيرة Omega3 ومادة الانزيمات المصاحبة لها، كما تدخل تقنيه النانو في عملية تعبئه وتغليف المواد الغذائية، فيتم حفظ المواد الغذائية الطازجة مثل اللحوم والفواكه والخضروات والمخبوزات ومنتجات الالبان والوجبات الطازجة المعدة مسبقاً عن طريق تغليفها بأفلام رقيقة من المبلمرات الشفافة التي لا تزيد سمكاتها عن 5 نانو متر، حيث يتم دمج حبيبات أو أنابيب نانوية تعمل على الغذاء الطازج الموجودة داخل العبوه. كما تتنافس شركات انتاج رقائق البطاطس والأطعمة المحفوظة الأخرى، في إنتاج أنواع خاصة تحتوي على نسب ضئيلة جدا من الملح الطعام مع تمتعها بالمذاق والطعم نفسه الذي تتمتع به الأنواع التقليدية ذات المحتوى الملحي المعتاد، ويرجع ذلك الى تصغير أحجام الحبيبات البلورية من ملح الطعام لتصبح في حدود النانومتر، مما يؤدي الى زيادة مساحة أسطحها التي تلامس السطح الخارجي للسان بداخل الفم، وهذا يؤدي الى زيادة إحساسه بالمذاق المالح لتلك الحبيبات على الرغم من تدني تركيز الملح المستخدم. وأصبح بالإمكان تصغير أحجام حبيبات السكر لأحجام نانوية، واستخدامها في صنع الحلويات المحفوظة والمعبأة الى أدنى حجم، وذلك بهدف إنتاج أنواع خاصه من الحلوى تتناسب مع مرضى السكر أو أولئك الذين يتبعون برامج غذائية خاصه.

4- مجال البناء والعمار

يتم إضافة مواد نانوية الى الخرسانة لإكسابها قوة ومتانة وخفة في الوزن مثل أنابيب الكربون النانوية التي تتميز بأنها أقوى بـ 250 مره من فولاذ بنفس السمك وأخف بعشر مرات منه، مما ساهم في إقامة المباني شاهقة الارتفاع والتي تأخذ اشكالاً انسيابية، ويطمح العلماء الى إنتاج مصعد للفضاء باستخدام هذه التقنية. ولم يقتصر الحال على الشكل الخارجي للمباني فقط، بل شمل الأثاث الداخلي، فيتم فرش المكاتب بمواد مغلفه بطبقه النانونية مقاومه للملوثات والبلل، وأيضا قد تحتوي المباني الحديثة على مجسات نانوية تقوم بالتحسس لتلف المواد، والتحكم في درجه حرارة المبنى.
يحلم الانسان ببناء مصعد يصل به الى الفضاء، ويسعى جاهدا للقيام بذلك، حيث أن خفة ومتانة مواد البناء المصنعة من أنابيب الكربون النانوية تساعده على ذلك.

5- مجال الحفاظ على البيئة من التلوث

يتم استخدام مواد نانوية صديقه للبيئة تتفاعل مع الأشعة فوق البنفسجية، مما يتيح عمليه تنظيف الذاتي للمواد مثل الشبابيك وزجاج السيارات، وكذلك استخدام الجسيمات النانوية التي تعمل على التخلص من الملوثات والتخلص من الروائح الكريهة مثل استخدام جسيمات الفضة وثاني اكسيد التيتانيوم النانويين.

6- مجال تصنيع الأقمشة والملابس

هنالك ثلاث مجالات لتكنولوجيا النانو في صناعة الأقمشة والملابس، وهي على النحو التالي:

أولاً: الأقمشة المقاومة للبلل والبقع

يتميز هذا النوع من القماش بقدرته على عدم امتصاص الماء والسوائل، حيث تتدحرج كرات السائل عن سطح القماش ولا تتغلغل في أنسجته، وتتم معالجه القماش نانوياً بإحدى الطريقتين
1- رش القماش بطبقه تحتوي على جسيمات نانونية مثل ماده السيليكا النانونية.
2- إدخال جسيمات نانونية في القماش أثناء عملية التصنيع.
عند تصغير الجسيمات الى حجم النانوي فإن مساحة السطح المعرضة للماء والسؤال تزداد وبشكل كبير، مما يزيد من زاوية التصاق السائل بهذه الطبقة فلا تتمكن من التغلغل في داخل القماش، مما يعمل على تدحرجها على سطح القماش، والتالي يكتسب القماش خاصيه تسمى تأثير اللوتس Lotus Effect. وسميت بهذا الاسم تيمناً بنبات اللوتس، حيث يتميز نبات اللوتس بطبيعته النانوية، حيث تتحدد شعيرات نانونية مع الطبقة الشمعية المغلفة للورقة، مما يجعل قطرات الماء تقف على سطح الورقة دون انتشارها، ومن ثم تتدحرج بسرعه عنها، ونجد هذه الخاصية موجوده أيضاً في أجنحة الفراشات وكذلك ريش البط، ولا يقتصر استخدام هذه الخاصية على صناعه القماش غير القابل للبلل فقط، بل استخدمت في منتجات أخرى كالزجاج، والدهان.

ثانياً: أقمشة مقاومة للبكتيريا

لم تقتصر عمليه تطور صناعه الأقمشة على الأقمشة المقاومة للبلل، بل أمكن إنتاج أقمشة تقاوم البكتيريا أيضاً. ويتم ذلك باستخدام جسيمات الفضة النانوية لما تمتاز به من مقاومه للبكتيريا والفطريات والفيروسات. فعند إضافتها للقماش إما عن طريق رش القماش، أو من خلال دمجها في الألياف المصنعة للقماش، فإن ذلك يساعد على التخلص من البكتيريا.
ويمكن الاستفادة من ذلك في صناعه الجرابات للتخلص من رائحة القدة الكريهة، وكذلك يمكن الاستفادة منها للتخلص من رائحة الابط، وفي الوسائد وأغطية الأسرة وغيرها.

ثالثاً: الملابس الذكية

تدخل تقنية النانو في صناعة أنواع عديده من الملابس يطلق عليها الملابس الذكية، فمنها التي تغير لونها تبعا لدرجة الحرارة أو الضوء، ومنها ما يقيس درجه حرارة مرتديها ودقات قلبه عن طريق مجسات نانوية حيكت مع أنسجه القماش، ومنها ما يتصل بأجهزة الهواتف النقالة.
كما توجد العديد من التطبيقات لهذه التقنية الرائعة في مجال الزراعة والبيولوجيا الحيوية والهندسة، ولا ننسى بالطبع المجال العسكري وغيرها من المجالات التقنية الأخرى.

أسئلة شائعة عن تكنولوجيا النانو

ما هو تعريف تكنولوجيا النانو؟

هي التقنية التي تتعامل مع مواد وأدوات في الحجم النانوي الذي يتراوح بين 1 الى 100 نانومتر، بهدف انتاج مواد وأجهزة جديدة بخصائص فريدة ومميزة، تستخدم في المجالات المختلفة.

من مخترع الترانزستور النانوي؟

في عام 1998 تم اختراع ترانزستور أنابيب الكربون النانوية من قبل مجموعه باحثين في جامعة ديلفت Delft والتي أحدث ثوره جديدة وهائلة في عالم الإلكترونيات.

ما هو الروبوت النانوي؟

عباره عن روبوتات دقيقه جداً من حيث الحجم والوظيفة، يتم تصنيعها بتقنيه النانو، لتستخدم على نطاق واسع في كثير من تطبيقات الحيوية داخل اجسامنا، والقضاء على مجموعة الأمراض المهددة للحياة في معظم الاوقات مثل روبوت الأنف الذكي للعالم الفلسطيني حسام الحايك والذي يشخص المرض من خلال عمليه التنفس.

ماذا يحدث للملابس بعد أن يتم إضافة الجسيمات النانوية اليها؟

بعد إضافة الجسيمات النانوية للقماش، فإنه يبقى محتفظاً برونقه، ونعومته، ومظهره الجديد، وعليه فلا حاجة لغسله، لأن تأثير هذه المواد يدوم لفترات طويلة.

هل هنالك تطبيقات بعيدة المدى خاصة بتكنولوجيا النانو؟

كما نعلم، فإن تطبيقات تكنولوجيا النانو في عصرنا الحالي أصبحت معروفة بل وقائمة مثل تجميع أكبر قدر من الطاقة الشمسية في أقل وحدة مساحة أي (الألواح الشمسية النانوية) إضافة الى مجال الدوائر الالكترونية. أما على المدى البعيد فستكون تكنولوجيا النانو قادرة على التعامل مع تخزين البيانات واسترجاعها بأفضل التقنيات وبسرعة هائلة بحجم فيزيائية قليل لوحدات التخزين النانوية تلك، كرقائق تخزين الفيديو والتي يقوم العلماء بتطويرها يوماً بعد يوم.


ليست هناك تعليقات:

إرسال تعليق

اترك لنا أي سؤال أو تعليق ونحن نسعد بخدمتكم وإجابة استفساراتكم

???????