تقنية النانو، تعريفها، أهميتها وتطبيقاتها
تقنية النانو، تعريفها، أهميتها وتطبيقاتها
ما هي النانوتكنولوجيا؟
علم النانو أو النانوتكنولوجيا هي دراسة
وتطبيق أشياء صغيرة للغاية ويمكن استخدامها في جميع مجالات العلوم الأخرى، مثل
الكيمياء والبيولوجيا والفيزياء وعلوم المواد والهندسة.
تشير النانوتكنولوجيا إلى فرع من العلوم والهندسة مخصص لتصميم وإنتاج واستخدام الهياكل والأجهزة والأنظمة عن طريق معالجة الذرات والجزيئات في المقياس النانوي، أي أن يكون لها بُعد واحد أو أكثر بترتيب 100 نانومتر (100 مليون من المليمتر) أو أقل.
في الحقيقة هناك العديد من الأمثلة على هياكل ذات أبعاد نانومترية واحدة أو أكثر، وقد اشتملت العديد من التقنيات بالمصادفة على مثل هذه الهياكل النانوية لسنوات عديدة، ولكن في الآونة الأخيرة فقط كان من الممكن القيام بذلك عن قصد.
تتضمن العديد من تطبيقات النانوتكنولوجيا مواد
جديدة لها خصائص مختلفة وتأثيرات جديدة مقارنة بنفس المواد المصنوعة بأحجام أكبر.
ويرجع ذلك إلى نسبة السطح إلى الحجم العالية جدًا للجسيمات النانوية مقارنة
بالجزيئات الأكبر، وللتأثيرات التي تظهر على هذا النطاق الصغير ولكن لا يتم
ملاحظتها على المقاييس الأكبر.
بشكل أكثر تحديدًا، تقنية النانو هي
التصوير والنمذجة والقياس والتصميم والتوصيف والإنتاج والتطبيق للهياكل والأجهزة
والأنظمة من خلال التحكم في التلاعب بالحجم والشكل على مقياس نانومتر (الذري
والجزيئي والجزيئي الكبير) التي تنتج الهياكل والأجهزة والأنظمة التي لها خاصية أو
خاصية جديدة/متفوقة واحدة على الأقل.
يمكن أن تكون تطبيقات النانوتكنولوجيا مفيدة
للغاية ولديها القدرة على إحداث تأثير كبير على المجتمع. لقد تم بالفعل تبني تقنية
النانو من قبل القطاعات الصناعية، مثل قطاعي المعلومات والاتصالات، ولكنها تستخدم
أيضًا في تكنولوجيا الأغذية وتكنولوجيا الطاقة، وكذلك في بعض المنتجات الطبية
والأدوية. قد توفر المواد النانوية أيضًا فرصًا جديدة للحد من التلوث البيئي.
لكن هذه المواد الجديدة قد تشكل أيضًا
مخاطر صحية جديدة. طور البشر آليات للحماية من العوامل البيئية المختلفة ذات
الأحجام المختلفة. ومع ذلك، حتى وقت قريب، لم يتعرضوا أبدًا للجسيمات النانوية
الاصطناعية وخصائصها المحددة. لذلك، فإن آليات الدفاع البشري الطبيعية المرتبطة،
على سبيل المثال، بأنظمة المناعة والالتهابات قد لا تكون قادرة على الاستجابة بشكل
كافٍ لهذه الجسيمات النانوية. بالإضافة إلى ذلك، قد تتشتت الجسيمات النانوية أيضًا
وتستمر في البيئة، وبالتالي يكون لها تأثير على البيئة.
ملخص
تقنية النانو هي معالجة المادة على نطاق
ذري لإنتاج هياكل ومواد وأجهزة جديدة. تعد التكنولوجيا بالتقدم العلمي في العديد
من القطاعات مثل الطب والمنتجات الاستهلاكية والطاقة والمواد والتصنيع. تشير تقنية
النانو إلى الهياكل والأجهزة والأنظمة المصممة هندسيًا. المواد النانوية لها مقياس
طول يتراوح بين 1 و100 نانومتر. في هذا الحجم، تبدأ المواد في إظهار خصائص فريدة
تؤثر على السلوك الفيزيائي والكيميائي والبيولوجي. يعد البحث عن هذه الخصائص
وتطويرها والاستفادة منها في صميم التكنولوجيا الجديدة.
المخاطر الصحية للمواد النانوية:
فيما يتعلق بالمخاطر الصحية، هناك نوعان من
الهياكل النانوية يجب مراعاتهما:
الجسيمات النانوية الحرة:
تلك التي يكون فيها الهيكل نفسه عبارة عن
جسيم حر، وهي المجموعة ذات الاهتمام الأكبر
المواد ذات الطلاء المكون من مواد نانوية:
تلك التي تكون فيها البنية النانوية جزءًا
لا يتجزأ من جسم أكبر، ومع ذلك، طالما أن الجسيمات النانوية مثبتة في الناقل، فلا
يوجد سبب لافتراض أنها تشكل خطرًا أكبر على الصحة أو البيئة من المواد الأكبر
حجمًا.
كيف بدأت النانوتكنولوجيا:
بدأت الأفكار والمفاهيم وراء علم النانو وتكنولوجيا النانو بحديث بعنوان " هناك مساحة كبيرة في القاع " للفيزيائي ريتشارد فاينمان في اجتماع الجمعية الفيزيائية الأمريكية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (CalTech) في 29 ديسمبر 1959، قبل وقت طويل من ثم تم استخدام مصطلح تكنولوجيا النانو. حيث وصف فاينمان في حديثه عملية يمكن للعلماء من خلالها التحكم في الذرات والجزيئات الفردية والتحكم فيها. بعد أكثر من عقد من الزمان، في استكشافاته للآلات فائقة الدقة، صاغ البروفيسور نوريو تانيجوتشي مصطلح النانوتكنولوجي. لم يكن حتى عام 1981، مع تطوير مجهر المسح النفقي الذي يمكنه "رؤية" الذرات الفردية، بدأت النانوتكنولوجي الحديثة.
المفاهيم الأساسية في علم النانوتكنولوجيا:
من الصعب تخيل مدى صغر تكنولوجيا النانو.
النانومتر الواحد هو جزء من المليار من المتر، أو 10-9 من المتر. فيما يلي بعض الأمثلة التوضيحية:
هناك 25400000 نانومتر في البوصة، يبلغ سمك ورقة الجريدة حوالي 100000
نانومتر.
يتضمن علم النانو و النانوتكنولوجيا القدرة
على رؤية الذرات والجزيئات الفردية والتحكم فيها. يتكون كل شيء على الأرض من
الذرات.
لكن شيئًا صغيرًا مثل الذرة من المستحيل رؤيته
بالعين المجردة. في الواقع، من المستحيل رؤيته باستخدام المجاهر العادية. تم
اختراع المجاهر اللازمة لرؤية الأشياء بالمقياس النانوي في أوائل الثمانينيات.
بمجرد حصول العلماء على الأدوات المناسبة،
مثل مجهر المسح النفقي (STM)
ومجهر القوة الذرية (AFM)،
وُلد عصر النانوتكنولوجي.
على الرغم من أن علم النانو و النانوتكنولوجيا حديثان تمامًا، إلا أن المواد النانوية قد استخدمت لعدة قرون. خلقت جزيئات الذهب
والفضة ذات الحجم البديل ألوانًا في النوافذ الزجاجية الملونة في كنائس العصور
الوسطى منذ مئات السنين. لم يكن الفنانون في ذلك الوقت يعرفون أن العملية التي
استخدموها لإنشاء هذه الأعمال الفنية الجميلة أدت في الواقع إلى تغييرات في تكوين
المواد التي كانوا يعملون بها.
يجد العلماء والمهندسون اليوم مجموعة
متنوعة من الطرق لصنع المواد عمدًا بالمقياس النانوي للاستفادة من خصائصها المعززة
مثل القوة الأعلى والوزن الخفيف والتحكم المتزايد في طيف الضوء والتفاعل الكيميائي
الأكبر من نظرائهم على نطاق واسع.
المشكلات التي تواجه النانوتكنولوجيا:
إحدى المشكلات التي تواجه هذه التقنية هي
الالتباس حول كيفية تعريف تقنية النانو. يدور معظمها حول دراسة الظواهر والمواد
والتحكم فيها بمقاييس طولية تقل عن 100 نانومتر، وغالبًا ما يقومون بإجراء مقارنة
مع شعرة الإنسان، التي يتراوح عرضها بين 50000 و100000 نانومتر.
على سبيل المثال، في المواد النانوية ذات
الأبعاد الصفرية (0D)، يتم قياس جميع الأبعاد
داخل المقياس النانوي (لا توجد أبعاد أكبر من 100 نانومتر)؛ في المواد النانوية
ثنائية الأبعاد (2D)، يوجد بعدين خارج المقياس
النانوي، وفي المواد النانوية ثلاثية الأبعاد (3D) هي مواد لا تقتصر على المقياس النانوي في أي
بعد. يمكن أن تحتوي هذه الفئة على مساحيق سائبة، وتشتت الجسيمات النانوية، وحزم من
الأسلاك النانوية، والأنابيب النانوية بالإضافة إلى طبقات النانو المتعددة.
من صاغ مصطلح النانوتكنولوجيا؟
تمت صياغة هذا المصطلح في عام 1974 من قبل
نوريو تانيجويتشي من جامعة طوكيو للعلوم لوصف عمليات أشباه الموصلات مثل ترسب
الأغشية الرقيقة التي تتعامل مع التحكم بترتيب النانومترات. لا يزال تعريفه قائمًا
باعتباره البيان الأساسي اليوم: " تتكون تقنية النانو أساسًا من معالجة فصل
المواد وتوحيدها وتشويهها بواسطة ذرة واحدة أو جزيء واحد ". ويجادل الكثيرون
بأن تاريخ تقنية النانو يبدأ مع حديث ريتشارد فاينمان الكلاسيكي في ديسمبر 1959.
أهمية النانوتكنولوجيا:
يمكن أن تظهر خصائص فيزيائية وكيميائية
وبيولوجية غير عادية في المواد بالمقياس النانوي. قد تختلف هذه الخصائص بطرق مهمة
عن خصائص المواد السائبة والذرات أو الجزيئات المفردة.
غالبًا ما تتغير الخصائص الضخمة للمواد بشكل كبير مع المكونات النانوية. يمكن أن تصبح المركبات المصنوعة من جزيئات سيراميك بحجم النانو أو معادن أصغر من 100 نانومتر أقوى بكثير مما تنبأت به نماذج علوم المواد الحالية.
على سبيل المثال، المعادن التي يبلغ حجم حبيباتها حوالي 10 نانومتر تكون أكثر صلابة بسبع مرات من نظيراتها العادية ذات أحجام الحبوب في مئات النانومتر. تنبع أسباب هذه التغييرات الجذرية من العالم الغريب لفيزياء الكم. إن الخصائص الحجمية لأي مادة هي مجرد متوسط جميع القوى الكمومية التي تؤثر على جميع الذرات. عندما تجعل الأشياء أصغر وأصغر، تصل في النهاية إلى نقطة حيث لم يعد المعدل يعمل.
يمكن أن تختلف خصائص المواد على مقياس
النانو لسببين رئيسيين:
مساحة السطح:
المواد النانوية لها مساحة سطح أكبر نسبيًا
عند مقارنتها بنفس كتلة المادة المنتجة في شكل أكبر. هذا يمكن أن يجعل المواد أكثر
تفاعلًا كيميائيًا (في بعض الحالات تكون المواد الخاملة في شكلها الأكبر تفاعلية
عند إنتاجها في شكلها النانوي)، وتؤثر على قوتها أو خصائصها الكهربائية.
تأثيرات حجم الكم:
يمكن أن تبدأ التأثيرات الكمومية في
السيطرة على سلوك المادة بالمقياس النانوي، خاصة في الطرف السفلي مما يؤثر على
السلوك البصري والكهربائي والمغناطيسي للمواد. يصف هذا التأثير فيزياء خصائص
الإلكترون في المواد الصلبة مع تخفيضات كبيرة في حجم الجسيمات. لا يدخل هذا
التأثير حيز التنفيذ من خلال الانتقال من الأبعاد الكلية إلى الأبعاد الدقيقة. ومع
ذلك، فإنه يصبح مهيمنًا عند الوصول إلى نطاق حجم النانومتر.
تطبيقات النانوتكنولوجيا:
هناك طرق مختلفة لمعالجة المادة بالمقياس
النانوي. المفهومان اللذان تسمعهما كثيرًا هما طرق من أعلى إلى أسفل ومن أسفل إلى
أعلى. باختصار، هذا يعني أنك تصنع مادة متناهية الصغر إما عن طريق أخذ كتلة من
المواد وإزالة الأجزاء والقطع التي لا تريدها حتى تحصل على الشكل والحجم الذي
تريده (ذلك من أعلى إلى أسفل)؛ أو تستخدم عمليات الطبيعة ذاتية التنظيم (التي تسمى
التجميع الذاتي) لبناء شيء ما من الأسفل إلى الأعلى. يكمن مفتاح استخدام التجميع
الذاتي كعملية تصنيع مضبوطة وموجهة في تصميم المكونات المطلوبة للتجميع الذاتي في
الأنماط والوظائف المرغوبة.
فيما يتعلق بالمواد النانوية، هناك الكثير
من الأمثلة التي يمكن أن نتحدث عنها هنا -الجسيمات النانوية، والنقاط الكمومية،
والأسلاك النانوية، والألياف النانوية، والأغشية فائقة الرقة، والمكسينات، إلخ.
أحد الأمثلة، على الرغم من ذلك، هو مثال
نموذجي لكيفية حصول مادة "قديمة" على حياة جديدة ومثيرة من خلال تقنيات
المقياس النانوي وهو عنصر الكربون.
يمكن أن يوجد الكربون الطبيعي في نوعين
مختلفين تمامًا وهو معروف للجميع: الجرافيت والماس. تسببت ثلاثة أشكال إضافية تم
اكتشافها بين عامي 1985 و2004 في الإثارة الحالية بين الباحثين حول المواد
النانوية الكربونية -الفوليرين، والأنابيب النانوية الكربونية، وخاصة الجرافين،
وغالبًا ما يتم الترويج لها باعتبارها "مادة عجيبة".
تشمل التطبيقات الحالية للمواد النانوية الطلاءات
الرقيقة جدًا المستخدمة، على سبيل المثال، في الإلكترونيات والأسطح النشطة (مثل
النوافذ ذاتية التنظيف). في معظم التطبيقات، تكون المادة النانوية ثابتة أو مدمجة،
ولكن في بعض التطبيقات، مثل تلك المستخدمة في مستحضرات التجميل وفي بعض تطبيقات
المعالجة البيئية، يتم استخدام الجسيمات النانوية المجانية. تؤدي القدرة على هندسة
المواد بدقة عالية جدًا (أصغر من 100 نانومتر) إلى فوائد كبيرة في مجموعة واسعة من
القطاعات الصناعية، على سبيل المثال في إنتاج مكونات لتكنولوجيا المعلومات
والاتصالات، وصناعات السيارات والطيران.
ماذا تفعل النانوتكنولوجيا؟
تعمل تقنية النانو على تحسين العمليات
الصناعية والمواد والتطبيقات الحالية عن طريق تقليصها إلى المقياس النانوي من أجل
الاستفادة الكاملة في نهاية المطاف من الظواهر الكمومية والسطحية الفريدة التي
تعرضها المادة على المقياس النانوي. يقود هذا الاتجاه سعي الشركات المستمر لتحسين
المنتجات الحالية من خلال إنشاء مكونات أصغر ومواد ذات أداء أفضل، وكل ذلك بتكلفة
أقل.
يسمى هذا الفرع من الهندسة الذي يتعامل مع
جميع جوانب تصميم وبناء واستخدام المحركات والآلات والهياكل على مقياس النانو
الهندسة النانوية (ترتبط ارتباطًا وثيقًا بمصطلحات التصنيع النانوي). تتعامل هندسة
تكنولوجيا النانو في جوهرها مع المواد النانوية وكيفية تفاعلها لصنع مواد وهياكل
وأجهزة مفيدة. إنه يتضمن، البنية النانوية، النانو، وحتى الطباعة ثلاثية الأبعاد.
حيث يتم استخدام تقنيات التصنيع النانوية
على نطاق واسع وفي جميع أنحاء صناعة أشباه الموصلات حيث وصلت هياكل الأجهزة إلى
مقياس نانومتر واحد. يحتوي كل من هاتفك الذكي أو ساعتك الذكية أو جهازك اللوحي على
مليارات الترانزستورات على شريحة كمبيوتر بحجم مسمار الإصبع.
إذن، ما الذي يمكن أن تفعله النانوتكنولوجيا؟
لا يوجد مجال اليوم تقريبًا حيث لا يتم تطبيق تقنية النانو بشكل أو شكل اخر مثل
الطلاء السطحي، وأجهزة الاستشعار، والمكونات الإلكترونية، والأغشية، وما إلى ذلك في الطب، والمعالجة البيئية، وترشيح المياه، والإلكترونيات النانوية، والأغذية
والزراعة، ومستحضرات التجميل، الطاقة والبطاريات والفضاء والطيران وصناعات
السيارات والشاشات والمعدات الرياضية وغيرها الكثير.
يتم تعريف العديد من المنتجات على أنها
"منتجات تقنية النانو" لأنها تحتوي على جسيمات نانوية بشكل أو بآخر. على
سبيل المثال، تحتوي العديد من الطلاءات المضادة للميكروبات على الفضة في شكل
نانوي. تحتوي المنتجات الغذائية ومستحضرات التجميل على جسيمات نانوية؛ وبعض
المنتجات مصنوعة جزئيًا من مواد مركبة تحتوي على مواد متناهية الصغر (مثل الأنابيب
النانوية الكربونية أو الألياف) لتقوية المادة ميكانيكيًا.
لماذا تعتبر النانوتكنولوجيا مهمة؟
يمكننا استخدام النانوتكنولوجيا لإنشاء مواد وأجهزة وأنظمة ذات خصائص ووظائف فريدة. يسمح الحجم
الصغير جدًا للمواد بإظهار خصائص فيزيائية وكيميائية مختلفة عن نفس المواد على
نطاق أكبر. نظرًا لصغر حجمها، تتمتع المواد النانوية بمساحة كبيرة من مساحة السطح
إلى الحجم، مما قد يؤدي إلى زيادة التفاعل والقوة والتوصيل.
بالإضافة إلى ذلك،
يسمح الحجم الصغير للمواد النانوية بدمجها بسهولة في مجموعة متنوعة من المنتجات
والعمليات، بما في ذلك الأجهزة الإلكترونية والعلاجات الطبية وإنتاج الطاقة
والمعالجة البيئية. تجعلها خصائص المواد النانوية مفيدة أيضًا في إنشاء منتجات
جديدة وتحسين المنتجات الموجودة، مثل زيادة كفاءة الخلايا والبطاريات الشمسية،
وخلق مواد أقوى وأكثر متانة للبناء وتطوير علاجات طبية أكثر فعالية.
أمثلة على النانوتكنولوجيا:
هناك العديد من
الأمثلة على استخدام النانوتكنولوجيا في الحياة اليومية. تتضمن بعض التطبيقات
الأكثر شيوعًا ما يلي:
استخدام النانوتكنولوجيا في الإلكترونيات:
نستخدم المواد
النانوية في مجموعة واسعة من الأجهزة الإلكترونية مثل الهواتف الذكية وأجهزة
الكمبيوتر المحمولة وأجهزة التلفزيون. تساعد المواد النانوية على تحسين الخصائص
المختلفة لهذه الأجهزة مثل التوصيل والقوة والمتانة. يمكن أن يساعد استخدام المواد
النانوية في الأجهزة الإلكترونية أيضًا في تقليل الحجم الكلي ووزن الأجهزة.
استخدام النانوتكنولوجيا في مستحضرات التجميل:
تحتوي بعض
مستحضرات التجميل، مثل كريم الأساس والمرطبات، على جزيئات نانوية يمكن أن تساعد في
تحسين ملمس المنتج ومظهره.
استخدام النانوتكنولوجيا في السلع الرياضية:
تحتوي بعض المعدات
الرياضية، مثل نوادي الجولف ومضارب التنس، على مواد نانوية يمكن أن تساعد في تحسين
أدائها. على سبيل المثال، تمت إضافة مادة النانو إلى كرات كرة القدم وكرة التنس
لزيادة دورة حياتها
استخدام النانوتكنولوجيا في الملابس:
تحتوي بعض الملابس،
مثل الملابس الخارجية والملابس الرياضية، على مواد نانوية يمكن أن تساعد في جعلها
أكثر متانة ومقاومة للماء.
كيف تؤثر تقنيات النانو على كفاءة الألياف البصرية ؟
تقنيات النانو تأثر بشكل
كبير على كفاءة الألياف البصرية، وذلك من خلال تحسين الخصائص البصرية والميكانيكية
للألياف. إليك بعض الطرق التي يمكن أن تكون فيها تقنيات النانو ذات تأثير:
تحسين الحساسية للضوء:
استخدام النانومواد، مثل
النانوحبيبات أو النانوأسلاك، يمكن أن يزيد من حساسية الألياف البصرية للضوء. هذا يعني
أنها يمكن أن تلتقط وتنقل كميات أصغر من الضوء، مما يحسن أداء النظم البصرية.
تحسين الكفاءة الضوئية:
توفير طلاء نانومتري يمكن
أن يقلل من خسارة الضوء عند انتقاله عبر الألياف. ذلك يعزز الكفاءة الضوئية للألياف
ويساهم في زيادة مدى انتقال الإشارات الضوئية.
تعزيز المقاومة الميكانيكية:
إضافة مواد نانومترية
للألياف يمكن أن تعزز قوة الألياف ومقاومتها الميكانيكية. هذا يجعلها أكثر مقاومة للتأثيرات
البيئية والتشوهات الميكانيكية.
تطوير ألياف فائقة النعومة:
استخدام تقنيات النانو
يمكن أن يساهم في تصنيع ألياف بصرية فائقة النعومة، مما يزيد من قدرتها على نقل البيانات
بسرعات عالية.
تحسين الانبعاث الضوئي:
استخدام النانومواد في
تصنيع الألياف البصرية يمكن أن يعزز من كفاءة الانبعاث الضوئي، مما يساهم في تحسين
أداء الألياف في تطبيقات الإرسال والاستقبال الضوئي.
يتطلب تحقيق هذه التحسينات
تفاعلًا دقيقًا على مستوى النانو، وقد تتطلب أبحاثاً وتطويراً مستمرًا. تكامل تقنيات
النانو في مجال الألياف البصرية يمكن أن يؤدي إلى تحسينات كبيرة في أداء نظم الاتصالات
الضوئية وتقنيات الاستشعار الضوئي.
كيف يتم صنع النانوتكنولوجيا؟
هناك عدة طرق
لإنشاء المواد النانوية، بما في ذلك:
النهج من أعلى إلى أسفل:
بدءًا من قطعة
أكبر من المواد، يمكننا استخدام أدوات مثل الطباعة الحجرية لنحت أو حفر المادة
وصولاً إلى المقياس النانوي. يقوم العلماء بذلك باستخدام تقنيات مختلفة مثل
الاستئصال بالليزر أو الحفر الكيميائي أو الطحن الميكانيكي. يستخدم هذا النهج
أثناء تصنيع الدوائر المتكاملة في الإلكترونيات.
النهج التصاعدية:
تتضمن هذه التقنيات
بناء مواد من مكونات أصغر، مثل الذرات أو الجزيئات. يمكن القيام بذلك باستخدام
تقنيات مثل التركيب الكيميائي أو التجميع الذاتي. أحد الأمثلة على تطبيق النانوتكنولوجي
حيث يتم استخدام نهج من أسفل إلى أعلى هو تخليق الجسيمات النانوية.
التجميع الذاتي:
تتضمن هذه التقنية
تصميم المواد أو الهياكل بطريقة تنظم نفسها تلقائيًا في الهيكل النانوي المطلوب.
يمكننا القيام بذلك باستخدام تقنيات مثل التجميع الذاتي بمساعدة القالب أو التجميع
الذاتي الموجه. يمكننا أن نرى التجميع الذاتي أثناء العمل في إنتاج كتلة
البوليمرات.
ترسيب البخار الفيزيائي:
يتضمن ذلك تبخير
مادة ما ثم ترسيبها على سطح المادة لتشكيل غشاء رقيق، كما هو الحال في طلاء أدوات
القطع.
ترسيب البخار الكيميائي:
يتضمن تفاعل غاز مع سطح لتكوين طبقة رقيقة من المادة المرغوبة، والتي نراها في إنتاج أغشية رقيقة للخلايا الشمسية.
تعليقات
إرسال تعليق