مفهوم النانو ومفاهيم التقنية النانوية (تقنيات المستقبل بامكانات الحاضر)

‏النانوميتر (nm) Nanometer كلمة اغريقية الاصل وتعني واحد بالبليون أي (10^-9) وتمثل وحدة قياس الطول المستخدمة في قياس الانظمة الخاضعة للدراسة والبحث في علم النانو nanoscience (الجدول 1 ) ولغرض المقارنة فأن معدل عرض الشعرة يبلغ 100000 (مائة الف) نانوميتر (الشكل4) ‏ اما خلايا الدم البشرية فتتراوح بين 2000 و 5000 نانوميتر وشريط او جديلة الـ DNA فلها قطر يبلغ 2.5  ‏نانوميتر وخط من عشر ذرات هيدروجين يبلغ واحد نانوميتر مربع ، وهنا تبرز اهمية التقنية النانوية ، يمكن لهذه التقنية من التعامل مع او تطويع خلية فردية سواء على صعيد التركيب او الوظيفة والقابلية على فهم او تطويع المادة والحياة في ابسط مقومات وجودها وهي الذرة Atom والجزيئات العضوية الخازنة للمعلومات الوراثية وهي الدنا DNA .

‏يعد علم النانو بحق علم الجزيئات الصغيرة والتي تكون موضع اهتمام من الناحية الاساسية ، وهذا يعود الى ان جميع خصائص المواد مثل ( درجة الانصهار ، الخصائص الإلكترونية والخصائص البصرية) سوف تتغير ، عندما تتغير الجزيئات المشكلة لها وتتحول الى المقياس النانوي ، واستنادا الى القول الشائع {مع تغير الخصائص تظهر الفرص الجديدة في التقنية والتطوير التجاري} .

‏ان التزاوج الحاصل بين العلوم المختلفة التي تتطلبها التقنيات النانوية حصنت لهذه التقنيات المدهشة والتي تقترب من درجة الخيال الغير قابل للتصديق ، جعنها ذات خصوصية وهوية مميزة تختلف عن غيرها من التقنيات او العلوم الاخرى فعلم النانو تكنولوجي او علم التقنيات النانوية يرتبط ارتباط وثيق بالعلوم والتخصصات الاتية :

• Molecular electronics

• Biochemical molecular engineering

• Scanning probe micrpscopy

• Superamolecular chemistry and self- assembly

•  Theory/ modeling and computations

 • Computer science

 • Natural and artificial molecular machines

 • Nanomaterials / mechanosynthesis

 • Mechanical engineering and robotics

 • Applications of nanothechnology

 • Biology

 • Biotechnology   

 • Physics

 • Chemistry                    

 • Electrical engineering       

• Molecular biology           

• Pharmacy

• Genetic engineering  

• Material engineering

شكل 4: يبين مدى صغر ودقة النانوية وذلك من خلال المقارنة النسبية مع مواد حية وغير حية الموجودة في الطبيعة .

ان هذا التزاوج ما بين العلوم المختلفة وعلم النانو لا يجعل الاخير من اكثر العلوم تعقيدا فحسب بل سيؤدي بالضرورة الى ظهور اصناف جديدة من الانظمة او الاجهزة متعددة الوظائف الحيوي او الكيميائي مع حساسية افضل ونوعية وتخصصية ادق ومعدلات عالية من التمييز . 

الانابيب النانوية nanotubes والأقنية النانوية nanochannels والدقائق النانوية  nanoparticles والثقوب النانوية nanopores  والقضبان النانوية nanorodes والموشور النانوي nanoprism والمتسعات النانوية nano capacitors ووصمة الكم  quantum dots والفوليرينات النانوية nano Fullerene  والمتشجرات النانوية nano Dendrimers  .

‏ان هذا التنوع الواسع والمرونة المطلقة في تطويع الاجسام النانوية يشكل تطورا واعدا وتقدما مذهلا في العديد من المجالات المختلفة من تقنيات الفضاء space technology الى التشخيص الطبي مرورا بالتطبيقات العسكرية military applications ورافق هذا التقدم في استخدام الاجسام النانوية تقدم مماثل في المواد الحيوية biomaterials والتي شملت البروتينات protiens والانزيمات enzymes والببتيدات peptides والاجسام المضادة antibodies والمستضدات antigens والعصبونات neurons والاحماض النووية الدنا DNA والرنا RNA ‏والخلايا ، وادى التقدم الهائل في التقنيات الحيوية والاحياء الجزيئي والهندسة الوراثية ادى الى بروز مصطلح التقنيات الحيوية النانوية والذي تزامن مع الاختراعات العلمية الهائلة في مجال الاحياء الجزيئي molecular biology حيث اسهم المختصين في علم الاحياء الجزيئي في توضيح المفاهيم الخاصة بالتطور الطبيعي الذي جرى ببطء وعنى مدى 4 ‏مليارات من السنين من الهندسة الحيوية الطبيعية وساهم علماء التقنيات النانوية في التوصل الى العديد من الاهداف التي قد تكون بالغة الصعوبة او مستحيلة التحقيق باستخدام مناهج تقنية او مقاربات اخرى ، وعلى سبيل المثال يمكن اسلم من الدنا DNAs Ladder ان يوفر التركيب الملائم والمناسب لتقنيتي النانو كنسق عمل طبيعي لغرض رزم او تجميع التراكيب النانوية لكي تكون اكثر ثباتا واستقرارية ، وهذا يعود الى ميزة الحامض النووي الدنا DNA من ناحية امتلاكه لأواصر وارتباطات شديدة الخصوصية وفي انماط قابلة للتنبؤ بها لتكوين التراكيب النانوية وبذلك امكن الاعتماد على الدنا بدلا من استخدام سقالة Scaffold من السليكون لغرض تجميع التراكيب النانوية ويعتمد تقني النانو على الخصائص المميزة للجزيئات الحيوية ومن اهمها خاصية التجميع الذاتي self - Assembling لتكوين التراكيب النانوية مثل الدهون lipids والتي تكون بلورات سائلة بصورة تلقائية .

‏تعد جزيئة الدنا الخازنة للمعلومات الوراثية وقد تكيفت بصورة رائعة لهذه الوظيفة الضرورية لبقاء واستمرارية الكائنات الحية ، لذلك استخدمت هذه الجزيئة في بناء التراكيب النانوية ولم تقتصر على ذلك فحسب بل واستخدمت كمكونات اساسية من مكونات الالات النانوية فضلا عن ان الدنا DNA يشكل القاعدة والاساس للأجيال الجديدة من الحواسيب computors ، فجزيئة الدنا المرتبطة بالسليكون silicon chip يمكن ان تكون البديل للرقاقة المجهرية .

توضح الرقاقة الاحيائية biochip خصائص الدنا DNA  لحل المشاكل الحاسوبية وفي الجوهر هي تمثل الدنا DNA بقدرات خاصة للتعامل مع الرياضيات ، واشار بعض العلماء الى ان 1000 من جزيئات الدنا DNA يمكن ان تحل في اربعة اشهر ما تعجز الحواسيب الاعتيادية عن حله من معضلات رياضية في سنة كاملة .

‏شكلت التقنيات النانوية مقاربة ناجحة لتجسير الهوة بين علمين من اهم العلوم والتي تفصلهما مسافة بعيدة حينما يراها الباحث لأول مرة وهما الملوم الهندسية وعلم الحياة الجزيئي ، فالمهندسون دأبوا وطيلة العقود الثلاثة المنصرمة على محاولة تقليص واختزال الابعاد للتراكيب المصنعة والتي تسمح اسرع واعلى كثافة للرقاقات الالكترونية Electronic chips ‏والتي وصلت خصائص احجامها من الاصغر الى ما يقارب المقياس النانوي .

‏واستمر هذا النجاح نحو انجازات اروع لم يكن بالإمكان تخيلها قبل عقود قليلة من الزمن من خلال ادغام علم الحياة مع الالكترونيات المجهرية microelectron والدارات المجهرية microcircuits والرقاقات المجهرية microchi ورقاقات الدنا DNA chips هذا وتشمل الاهداف المستقبلية للتقنيات النانوية على تصغير اكبر للمستلمات الحيوية من خلال ادغام المكونات الحيوية والالكترونية في مكون واحد ، وكذلك السعي نحو احلال الكريات محل الشريحة الزجاجية في تقنية المصفوفات المجهرية للدنا DNA microarray شكلت العلاقة بين تركيب البروتين ووظيفته احد التطبيقات المهمة لهذه التقنية .

‏ومن الاهداف الاخرى زيادة سرعة ودقة وكفاءة تشخيص الامراض وكذلك تصنيع تراكيب نانوية حيوية يمكن ان تعمل كجزيئات وظيفية في الخلايا الحية . وليس تحسين النوعية والتخصص والتوقيت لإيصال العقاقير الى اهدافها ، يمكن لتطبيقات التقنية النانوية ان تقع في بعد واحد او بعدين او قد تكون بثلاثة ابعاد ، لذا فإنها تتضمن استخدام بلازما الاوكسجين بسمك 25 ‏ذرة لربط طبقة من فوسفيد الانديوم indium phosphate الى السليكون وذلك لغرض تصنيع رقاقة حاسوب computer chips والتي ستخدم الليزر لنقل المعلومات والمعطيات اسرع بـ 100 مرة منها في اجهزة الاتصالات الحالية . وفي البعدين الاول والثاني الذي يتضمن تصنيع انابيب كاربون صغروية (نانوية) بقطر نانوميتر واحد والتي يمكن ان تصل الى بضعة سنتمترات في الطول اما في حالة الابعاد الثلاثية فتشمل تصنيع جزيئات صغيرة لا تزيد عن بضعة نانوميترات والتي يمكن استخدامها في ايصال الدواء الى أي نمط معين مرغوب من الخلايا . ومن التطبيقات الاخرى هو المحاكاة الحيوية biomemics والخلايا الشمسية واسترداد النفط .

‏على الرغم من ان البشرية قد عرفت العديد من مجالات التقنية الصغروية (النانوية) فان مستويات المعرفة لا تزال بحاجة في بعضها الاخر الى معرفة اوثق واكثر شمولية .

تشمل مستويات المعرفة لهذه التقنية الاتي :

‏1. المعرفة حول وجود الذرات .

2. ‏رؤية هذه الذرات واقعيا .

3. تطويع الذرات .

4. ‏محاولة معرفة كيف تعمل هذه الذرات والاختلافات بينها والمستويان الاخيران يفتحان الباب نحو قدرة تقنية جديدة والتي اوشكت القدرة التقنية الصغروية (النانوية) الحالية على الوصول الى تخومها دون اختراقها الى الاعماق .

‏ولأجل توضيح الحقائق فيتم التطرق الى مثالين والتي يمكن ان توضح الاهمية البالغة للبحوث الحالية . فالعاملين في حقل علوم الحياة مثلا لديهم المعرفة بالوحدات البنائية لحامض النووي الديوكسي رايبوزي DNA منذ عام 1953 حين توصل العالمان واتسون وكريك الى اكتشاف الحلزون المزدوج للـ DNA ولكنهم لم يتعرفوا على التعاقبات الكاملة لدنا الانسان لغاية عام 2002 ‏عندما تم الكشف عن الخارطة الوراثية للإنسان عبر برنامج اطلق عليه مشروع تحديد الجينوم البشري ‏Human Genome Project وتشكل الفايروسات جزء اخر من اللغز او الاحجية اذ تمكن العلماء من امتلاك المعرفة لجعل الفايروسات تعمل على تجميع بطارية battery (الشكل 5) .

الشكل 5: يوضح البطارية المصنعة من الفايروسات

أما المثال الثاني فيتعلق بقدرة العلماء لاستخدام حزوز بطول 20 نانوميتر في رقاقة تشكل نظاماً لخزن المعلومات لها سعة خزن تبلغ حوالي 25 مليون ورقة مطبوعة على الانش المربع من الرقاقة .