ظلت احتمالية الفشل في تحويل فكرة تصميم وتصنيع هياكل الأجهزة النانوية من مجرد حلم أو خيال إلى واقع وحقيقة، بمنزلة كابوس يقض مضاجع علماء الفيزياء ويؤرقهم، وذلك لأن الفشل في تحقيق هذه الفكرة معناه عملية إجهاض مبكرة لكل ما يتعلق بعلم وتكنولوجيا النانو هذا بالإضافة إلى أن هذا الفشل كان سيقود إلى حرمان البشرية من تلك الطائفة العريضة من المنتجات النانوية المبتكرة التي نستخدمها اليوم، الأمر الذي كان سيمثل لطمة قوية وخيبة أمل للقطاعات التطبيقية المختلفة، وعلى الأخص قطاع الطب والدواء.

فاجأ «ايرك دريكسلر» مجتمع البحث العلمي باقتراح عبقري، تقدم به من خلال عرض ورقة بحثية «تاريخية»، وذلك ضمن أعمال مؤتمر أكاديمية العلوم الوطنية بالولايات المتحدة الأمريكية لعام 1981، وقد اقترح في هذه الورقة فكرة تقنية التصنيع الجزيئي لأي منتج، تلك الفكرة القائمة على فلسفة تكنولوجيا النانو في الإنتاج والتصنيع القائم على ذرات وجزيئات المادة. وقد بين في بحثه هذا كيف أن آلات تصنيع الجزيئات Molecular Machinery الموجودة في «النظم الحية» Living Systems تثبت بوضوح جدوى القيام بمحاكاة تلك الماكينات عن طريق تقنيات الهندسة الجزيئية المتقدمة Advanced Molecular Engineering التي تمكننا من إنتاج ماكينات اصطناعية Artificial مشابهة، نستطيع بواسطتها تنفيذ أدق وأعقد التصميمات الجزيئية المرغوب في إنتاجها، وذلك بدقة النانومتر الواحد.

وقد أعطى دريكسلر في عرضه هذا تصميما لجزيئات البروتين المخلق، اعتبره الطريق إلى تصميم وتنفيذ جميع التركيبات الجزيئية الاصطناعية لجميع المواد، بما فيها الخلايا الحية والبداية الحقيقية للتلاعب في ذرات وجزيئات المادة بهدف تشكيل هياكلها الذرية أو الجزيئية بدقة متناهية. وقد أثرى دريكسلر مجتمع البحث العلمي بتصميمات هندسية لعديد من المنتجات النانوية الدقيقة مثل التروس والجلب Bearings ووصلات التشغيل، قام بوضع تصميماتها باستخدام برامج المحاكاة الخاصة بتصميم الهياكل الذرية والجزيئية. ويعرض الشكل (6 – 9) بعض هذه النماذج التي من المعتقد إنتاجها بواسطة الهندسة الجزيئية خلال السنوات العشر المقبلة، أو قبل نهاية العام 2025 على أقصى تقدير. ويبين الشكل (6 – 10) رسما تخطيطيا افتراضيا لما سوف يكون عليه المصنع الجزيئي Molecular Factory، الذي هو عبارة عن ماكينة صغيرة يتم بداخلها تصنيع وتشكيل الهياكل الجزيئية المراد تصنيعها.

الشكل (6 – 9): نماذج لتروس وجلب ووصلات تشغيل، تم وضع تصميماتها الافتراضية المبينة في الشكل بحيث تتألف مكونات هياكلها من مئات من جزيئات المواد المختلفة التي من المنتظر أن يتم ترتيبها على هذا النحو بواسطة آلات تصنيع الجزيئات المبينة في الشكل التالي ⁽²⁷⁾.

الشكل (6 – 10): (أ) نموذج افتراضي لما سوف تكون عليه ماكينة تصنيع هياكل الجزيئات التي تستقبل جزيئات المواد الأولية المكونة لهياكل المنتجات المراد تصنيعها، وذلك من خلال أسطوانات مشحونة بجزيئات تلك المواد. ويتم داخل هذه الماكينة تصنيع وتشكيل تلك الجزيئات وترتيب أماكن وجودها في الهياكل المراد إنتاجها، وذلك بواسطة برامج تشغيل آلية. ويبين الشكل (ب) مقطعا داخليا لماكينة تصنيع الجزيئات المبينة في (أ) حيث يتم داخلها ترتيب وتنظيم جزيئات المواد المندفعة من الأسطوانات، وذلك من خلال توظيف عدد من الأدوات النانوية الدقيقة والشنكل ككل يمثل الوضع الافتراضي الأكثر احتمالا لما سوف تكون عليه مصانع النانو الخاصة بتصنيع الهياكل الجزيئية القائمة على فكرة مؤسس هذا الاتجاه البروفيسور إيرك دريكسلر ⁽²⁶⁾ (قام مؤلف هذا الكتاب بإضافة الشرح على الشكل الأصلي الموجود بالمرجع رقم 26).

ويعتقد العلماء، أن التقدم المستمر في قدرة ودقة الأجهزة المستخدمة على التلاعب بذرات وجزيئات المواد المختلفة، وإعادة ترتيب أوضاعها الداخلية وأماكن وجودها في شبكات الهياكل الداخلية للمادة، سوف يثمر مما لا شك فيه عن إعادة صياغة الترتيب الذري للمواد الصلبة مما يعني القدرة على الحصول على صور عديدة من المادة الواحدة، تتباين في خواصها وسماتها، على الرغم من توحد صيغتها الكيميائية. ومن المأمول والمنتظر أيضا، توظيف تقنيات إعادة الترتيب الذري والجزيئي للحصول على الماس Diamond وذلك بإعادة ترتيب ومواقع ذرات الكربون داخل شبكتها البلورية لتكون على النهج الذي تسلكه ذرات الماس في بناء الشبكة. وسوف نتمكن كذلك من إنتاج شرائح أجهزة الحواسب الآلية عن طريق التلاعب بالبنية الداخلية لمادة السيليكا (المكون الرئيسي لرمال الصحراء) والهيمنة على مكوناتها داخلية، وذلك عن طريق إضافة نسب ضئيلة من ذرات عناصر أخرى من المواد.

ولم تمض سنوات كثيرة على مقترح التصنيع الجزيئي الذي تقدم به دريكسلر في العام 1981، حتى قام أربعة من العلماء المتخصصين في شركة IBM باحتضان هذا المقترح وابتكار نوع آخر من الميكروسكوبات يعرف باسم الميكروسكوب النفقي الماسح Scanning Tunneling Microscope (STM) وينتمي هذا الميكروسكوب، لنفس عائلة ميكروسكوبات المسبار الماسح Scanning Probe Microscopes التي تضم ميكروسكوب القوة الذرية، فقد نجح هؤلاء العلماء في توظيف الإبرة الدقيقة الموجودة بهذا الميكروسكوب النفقي الماسح (تُسمي المجس أو المسبار) من التقاط ذرات عنصر «الزينون» الخامل وتحريكها بدقة متناهية لإعادة ترتيبها واحدة تلو الأخرى على سطح بارد من فلز النيكل، لتشكل معا شعار الشركة مكتوبا بحروف قوامها ذري وأبعادها نانوية.

وقد برهنت نتائج التجارب المجراة، على قدرة هذا الميكروسكوب في أن يقوم بدور بارز في تجميع عدد ضخم من الذرات الخاصة بمواد مختلفة، لها خواص متباينة، وذلك في إطار بنية نانوية Nanostructured لهيكل ذري واحد وأود هنا أن أوضح أن هذا البناء الهيكلي الذري المؤلف من عدد ضخم من ذرات المواد المختلفة يؤدي إلى تكوين هياكل ذرية تتمتع بخواص فريدة، حيث تجتمع فيها العديد من الخواص المتناقضة التي يستحيل تجمعها في هيكل ذري واحد. فعلى سبيل المثال، يعرف عن عنصر النحاس قدرته الفائقة على التوصيل الكهربي والحراري، ولكنه لا يتمتع بصلادة كافية تؤهله لكي يتم استخدامه منفردا بالتطبيقات التي تتعرض فيها أسطح قطع التشغيل لعوامل تؤثر في استقرار السطح وعدم خضوعه للتشكل والتشوه في أثناء التشغيل. لكن ماذا لو أضفنا نسبة معينة من ذرات فلز الحديد، المعروف بضراوته في التصدي للإجهادات الخارجية والذي يتمتع في الوقت ذاته بخواص جيدة في توصيله للحراة والكهرباء، إلى الهيكل الذري المؤلف من ذرات عنصر النحاس؟ ألن يوفر هذا في تقديم هياكل ذرية لمواد نانوية جديدة تتمتع بخواص التوصيل المتميز وكذلك تتحلى بمقاومتها الفائقة للإجهادات والصمود أمامها؟ هذا بالفعل هو ما قام به فريق آخر من العلماء في العام 1993 ^{(28، 29)}، حين تلاعبوا بذرات العنصرين بواسطة جهاز الميكروسكوب النفقي الماسح، ليقدموا بذلك منظومة ذرية فريدة مؤلفة من ذرات عنصري النحاس والحديد (الشكل 6 – 11) تتمتع بخواص فيزيائية وميكانيكية غير مسبوقة.

ومن ذلك الحين، انضم هذا الميكروسكوب إلى تلك الأدوات المهمة التي نطلق عليها اسم المجمعات (يُقصد هنا مجمعات الذرات أو الجزيئات) Assemblers. وعلى الرغم من التقدم المستمر منذ ذلك التاريخ إلى يومنا هذا، بيد أن الطريق ما زال طويلا أمام التطبيقات الصناعية الفعلية لتلك التقنيات المتقدمة في إنتاج مواد نانوية بهذه الكيفية. هذا على الرغم مما يشاهده قطاع الصناعات الإلكترونية من طفرة حقيقية في تجميع الشرائح الخاصة بالأجهزة الإلكترونية عن طريق بعض من تلك التقنيات

الشكل (6 – 11) صورة مأخوذة بواسطة الميكروسكوب النفقي الماسح لمتراكبة هيكل ذري مؤلفة من ذرات عنصر النحاس المغطاة بطبقات نانوية مكونة من ذرات عنصر الحديد ⁽²⁸⁾ أضاف مؤلف هذا الكتاب الشرح على الشكل الأصلي الموجود بالمرجع الرقم 28.

______________________________________

هوامش

(27) Eric Drexler, Nanosystems: Molecular Machinery. Manufacturing and Computation, John Wiley & Sons, New York? USA (1992).

(28)  M. F. Crommie, C. P. Lutz, and D. M. Eigler, Nature, Vol. 363 (1993) pp. 524–527.

(29) M. F. Crommie, C. P. Lutz, and D. M. Eigler. Science, Vol. 262 (1993) pp. 218 ? 222