تعد تكنولوجيا النانو حاليًا مجالًا بحثيًا واسعًا جدًا، بما في ذلك عدد من مجالات الفيزياء والكيمياء والأحياء والإلكترونيات والطب والعلوم الأخرى.
سيأتي عصر "النانو" في منتصف القرن
ومع ذلك، على الرغم من الإنجازات الكبيرة، وحماس الباحثين، والتمويل المتزايد في هذا المجال، والإطار الزمني القصير إلى حد ما للتنمية الصناعية الحديثة للتطورات العلمية في البلدان المتقدمة (10-15 سنة)، فمن الصعب أن نتوقع أن عصر تكنولوجيا النانو سوف تظهر قبل منتصف هذا القرن. على الرغم من أن التطورات الفردية ذات الاستخدام الواسع النطاق ستظهر بلا شك وهي موجودة بالفعل في السوق.
إذا نظرنا إلى سوق المنتجات النانوية الحديثة، فسنرى أن أكثر من 90٪ منه تشغلها مساحيق النانو (بدأ استخدامها في الخمسينيات من القرن الماضي، على الرغم من أنها كانت تسمى قبل النانوبوم متناهية الصغر)، والمحفزات النانوية و المواد النانوية (المرشحات). ومع ذلك، فإن التطبيقات الأكثر جاذبية والواعدة لتكنولوجيا النانو، والتي عادة ما تتم مناقشتها عند الحديث عن الآفاق البارزة لهذا المجال، لا تزال في مرحلة البحث الأساسي.
يشير هذا إلى التطور والاستخدام الواسع النطاق لتقنية النانو (على الرغم من أن هذا المفهوم لم يكن موجودًا بعد) بروح محاضرة فاينمان الشهيرة "هناك مساحة كبيرة بالأسفل: دعوة إلى عالم جديد من الفيزياء" (ديسمبر 1959).
كيفية "ترتيب" الذرات بشكل صحيح
اللبنات الأساسية لبناء أي مادة هي الذرات والجزيئات. يمكن "تجميع" "منتج" بأبعاد نانوية منها إذا تم ترتيب الذرات الضرورية بالترتيب الصحيح. في الوقت نفسه، في رأينا، التكنولوجيا المحددة لمثل هذا التجميع ليست مهمة جدًا (قد يكون هذا النمو الفوقي، أو التنظيم الذاتي، أو التفاعلات الكيميائية أو الكيميائية الحيوية، وما إلى ذلك). الحاسم هنا هو القدرة على تصميم "منتجات نانوية" بخصائص أو وظائف معينة، وامتلاك التقنيات التي تجعل من الممكن تصنيع هذا "المنتج" بدقة ذرية، بالإضافة إلى طرق التشخيص المعقدة، بما في ذلك المراقبة أثناء عملية التصنيع (في الموقع). ). والتحكم في العملية التكنولوجية المبنية عليها.
تقنيات النانو من هذا المستوى متاحة حاليًا بشكل أساسي فقط في المختبرات العلمية الفردية. وهي تستند إلى أحدث نتائج البحوث الأساسية. علاوة على ذلك، يلعب الأخير دورا رئيسيا هنا. البحث في العمليات الفيزيائية والكيميائية في تكنولوجيا النانو، وتطوير أساليب التصميم والتشخيص والبحث في الهياكل النانوية والمواد النانوية والأجهزة النانوية، ودراسة خصائصها والظواهر الجديدة التي تنشأ على مقياس النانو - في معظمها هي وستظل الموضوع من البحوث الأساسية الأساسية أو الموجهة لفترة طويلة.
ولذلك، إذا أردنا أن نسير مع الدول المتقدمة في مجال تكنولوجيا النانو وصناعة النانو، فيجب أن يركز الاهتمام الأساسي على البحوث الأساسية. يجب أن تكون مجهزة وأداءها على المستوى الحديث. وبخلاف ذلك، فإننا لا نجازف بأن نجد أنفسنا على جانب الطريق الطويل لتكنولوجيا النانو فحسب، بل سنتوقف قريبًا أيضًا عن فهم الإنجازات العالمية في هذا المجال بشكل مناسب.
لكن هذا لا يعني ضرورة إضعاف الجهود المبذولة لتنظيم الإنتاج وتطوير السوق أمام التطورات المتقدمة من الناحية العملية.
علماء تكنولوجيا النانو في المستقبل: المتطلبات
تجدر الإشارة إلى أن هناك مشكلة مهمة أخرى يجب حلها من أجل التطوير الناجح لصناعة النانو. والحقيقة هي أنه عند الانتقال إلى أنظمة مقياس النانو، تبدأ التأثيرات الكمومية في الظهور بوضوح. ونتيجة لذلك، ينشأ موقف جديد بشكل أساسي عندما تلعب الظواهر الكمومية (تكميم الحجم، والنفق، وتداخل الحالات الإلكترونية، وما إلى ذلك) دورًا رئيسيًا في العمليات الفيزيائية في مثل هذه الأشياء وفي عمل الأجهزة القائمة عليها.
كما أنها تتجلى في العمليات التكنولوجية والتفاعلات الكيميائية، لأن التفاعل بين الذرات له طبيعة كمومية. وبالتالي، سيتعين على علماء تكنولوجيا النانو في المستقبل (وهذه المهنة يجب أن تنتشر على نطاق واسع مع تطور صناعة النانو) أن يكونوا قادرين على التفكير في فئات ميكانيكا الكم التي تختلف بشكل كبير عن المفاهيم الكلاسيكية العادية. وهذا يعني أن التعليم الهندسي سيتطلب إعادة هيكلة كبيرة - حيث سيتم إتقانه مع التركيز على التخصصات الأساسية.
معتقدات خاطئة حول تكنولوجيا النانو
تعتبر الأبحاث الأساسية ودعمها المادي ذات أهمية أساسية لتطوير تكنولوجيا النانو وصناعة النانو. في الوقت الحاضر، يتم التعبير عن الرأي في كثير من الأحيان بأنه في مجال تكنولوجيا النانو لدينا نفس المواقف المبدئية مثل الدول المتقدمة. وهذا اعتقاد خاطئ خطير! على الرغم من أن لدينا موظفين مؤهلين تأهيلاً عاليًا ونشغل مناصب قيادية في عدد من المجالات، إلا أن الافتقار إلى المعدات التكنولوجية والتشخيصية والبحثية الحديثة لا يسمح لنا بتحقيق القدرات الحالية بشكل كافٍ.
آخر مرة تم فيها تجديد ضخم إلى حد ما لأسطول المعدات العلمية كانت قبل حوالي 20 عامًا أثناء تنفيذ برنامج الدولة لاتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية "الموصلية الفائقة لدرجة الحرارة العالية". بالإضافة إلى ذلك، بدأت الأبحاث في الغرب في العديد من المجالات في وقت سابق. ويتم شنها على جبهة أوسع بكثير.
يبدو أنه لا يوجد ما يدعو للقلق الآن. في السنوات الأخيرة، بذلت قيادة البلاد، بعد أن أدركت الحاجة الحيوية لتطوير تكنولوجيا النانو، جهودًا كبيرة لتنظيم العمل في هذا المجال على مستوى الدولة. وتم إنشاء المجلس الحكومي للتكنولوجيات العالية والشركة الحكومية "Rosnanotech"، وتم تخصيص موارد مالية كبيرة. ومع ذلك، يبدو أن دور البحوث الأساسية في تطوير تقنيات النانو يتم التقليل من أهميته من قبل الوكالات الحكومية.
لا تقوم وزارة التعليم والعلوم عمليا بتمويل البحوث الأساسية. يتم إجراء البحوث الأساسية في مجال تكنولوجيا النانو على نفقة الأقسام المعنية. المكان المركزي في تطوير البحوث الأساسية في بلدنا ينتمي تقليديا إلى الأكاديمية الروسية للعلوم.
في عام 2008، وفقًا لبرامج البحث الأساسية لهيئة الرئاسة وفروع الأكاديمية الروسية للعلوم، بلغ تمويل مشاريع تكنولوجيا النانو حوالي 100 مليون روبل فقط (لا يشمل التمويل الأساسي للرواتب وفواتير الخدمات). تم توفير التمويل أيضًا من خلال مشاريع المؤسسة الروسية للأبحاث الأساسية (RFBR) والمشاريع الدولية. ويبين التحليل أن هذا التمويل يقل بمقدار ضعفين تقريبًا عما هو مطلوب لضمان المستوى الحديث للبحوث الأساسية وتطويره اللازم لإنشاء صناعة النانو المحلية. كمرجع: في الميزانية الفيدرالية الأمريكية لعام 2007 وحدها، تم تخصيص حوالي 1.3 مليار دولار للعمل المنجز في إطار المبادرة الوطنية لتقنية النانو، منها 401 مليون دولار (حوالي 31%) تم تخصيصها للبحث الأساسي في الظواهر والعمليات في العالم مقياس النانو، 250 مليون دولار (20%) – للعمل على المواد النانوية، 164 مليون دولار (13%) – لشراء معدات بحثية.
البرنامج الوطني للبحوث الأساسية
ويبدو أن هذا الوضع غير مقبول على الإطلاق. في رأينا، ينبغي إنشاء برنامج وطني للبحوث الأساسية في مجال تكنولوجيا النانو بتمويل مستهدف من الميزانية الفيدرالية، مقارنة بتمويل البرامج المماثلة في البلدان المتقدمة، والاستثمارات الرأسمالية المقابلة. في هذه الحالة فقط يمكننا الاعتماد على التطوير الناجح والتنافسي لصناعة النانو المحلية.
حتى الآن، قامت لجنة RAS المعنية بتقنيات النانو بتطوير برنامج للأبحاث الأساسية للأكاديمية الروسية للعلوم "تقنيات النانو"، والذي تمت الموافقة عليه من قبل الاجتماع العام لـ RAS. بالإضافة إلى أعضاء اللجنة، شارك العلماء الذين يعملون بنشاط في مجال تكنولوجيا النانو في تطوير البرنامج. تمت دراسة حوالي ألف مقترح تم تلقيه من أكثر من 100 معهد تابع للأكاديمية الروسية للعلوم. يوضح تحليل المقترحات الواردة أن العمل في مجال تكنولوجيا النانو في RAS يغطي مجموعة واسعة من المشاكل. ومستواهم بشكل عام مرتفع جدًا.
أقسام برنامج النانوتكنولوجي
استند اختيار مجالات البحث الرئيسية عند تشكيل البرنامج إلى الإنجازات والاتجاهات الحديثة في تطور العلوم العالمية، وأهمية النتائج المتوقعة وآفاق الاستخدام العملي. وأيضا مع الأخذ بعين الاعتبار الأسس المتوفرة في المنظمات العلمية الروسية. ويتضمن البرنامج ستة أقسام هي: "فيزياء الهياكل النانوية"، و"الإلكترونيات النانوية"، و"المواد النانوية"، و"التقنيات الحيوية النانوية"، و"التشخيص النانوي"، و"التعليم".
ومن المخطط إشراك حوالي 60 منظمة غير أكاديمية ومؤسسة وجامعة كمنفذين مشاركين في تنفيذ برنامج البحوث الأساسية لـ RAS. وبشكل أساسي، يمكن للبرنامج الذي تم تطويره أن يكون بمثابة الأساس للبرنامج الوطني للبحوث الأساسية في مجال تكنولوجيا النانو.
تشير تقديرات الخبراء لمبلغ التمويل المطلوب للتنفيذ الناجح لبرنامج الأبحاث الأساسية "تقنيات النانو" التابع لـ RAS إلى أن هناك حاجة إلى حوالي 12-13 مليار روبل لتنفيذ أعمال البحث والتطوير. سنويًا (أو حوالي 90 مليار روبل طوال فترة تنفيذ البرنامج حتى عام 2015). ويقدر الحجم المطلوب للاستثمارات الرأسمالية بنحو 55 مليار روبل. وبالنسبة للبرنامج الوطني، يجب تعديل هذه المبالغ.
TsKP لا يحل المشاكل
ويجب التأكيد على أن كل مجموعة علمية تعمل بفعالية وتنفذ أحد مشاريع البرنامج يجب أن يتم تزويدها بالمعدات الحديثة اللازمة، حيث أن استخدامها في أبحاث محددة غالبا ما يكون ذو طبيعة محددة. لا تحل المراكز المشتركة المشكلة هنا، على الرغم من أنها مفيدة لإجراء قياسات قياسية أكثر أو أقل (على سبيل المثال، للتشخيص والاختبار). أو للعمل على تركيبات فريدة ومكلفة للغاية تم إنشاؤها في نسخ واحدة.
يجب على الباحثين، كما هو معتاد هنا وفي الممارسة العالمية، استخدام المعدات التقليدية في أماكن عملهم، على الرغم من أن المعدات الحديثة عادة ما تكون باهظة الثمن. شيء آخر هو أنه يجب استخدامه بأكبر قدر ممكن من الكفاءة.
برامج الدولة والبحوث الأساسية
وفي هذا العام، بدأ تشغيل البرنامج الفيدرالي المستهدف الذي تشتد الحاجة إليه "تطوير البنية التحتية لصناعة النانو في الاتحاد الروسي للفترة 2008-2010". على الرغم من أن معظم العمل في مجال تكنولوجيا النانو والمواد النانوية في بلادنا يتم تنفيذه في الأكاديمية الروسية للعلوم، إلا أن هذا البرنامج تم تطويره دون مشاركة الأكاديمية الروسية للعلوم. والأكاديمية الروسية للعلوم لا تظهر فيها كعميل دولة. ويتم تمثيل الأقسام الأخرى التي يتم فيها تنفيذ أعمال مماثلة في هذا الدور.
لا نعرف أسباب استبعاد المنظمات البحثية التابعة للأكاديمية الروسية للعلوم من البنية التحتية لصناعة النانو الروسية (يتم تضمين معهد المعادن التابع للأكاديمية الروسية للعلوم فقط في هذا البرنامج). لكن هذا القرار من قبل منظمي البرنامج يبدو غريباً على أقل تقدير.
في المرحلة الحالية، غالبًا ما يكون البحث التطبيقي والتطوير (على الرغم من أنه ليس دائمًا) استمرارًا طبيعيًا للبحث الأساسي. علاوة على ذلك، ليس من الممكن دائمًا رسم خط بين الأول والأخير. وفقًا للتعبير المجازي للفيزيائي البريطاني د. بورتر، يتم تطبيق جميع الأبحاث العلمية، وقد وجد البعض فقط تطبيقات بالفعل، وسيجدها البعض في المستقبل.
البرنامج الذي طورته لجنة RAS لتقنيات النانو هو في المقام الأول برنامج للبحث الأساسي. وفي الوقت نفسه، يتضمن أيضًا أعمالًا ذات طبيعة تطبيقية، يمكن إدخال عدد منها للاستخدام الصناعي في المستقبل القريب. حاليًا، تدرس لجنة RAS المعنية بتقنيات النانو العديد من المشاريع الكبيرة "الشاملة"، بما في ذلك جميع مراحل العمل - بدءًا من البحث الأساسي وحتى تنظيم الإنتاج التجريبي.
لتنفيذ مثل هذه المشاريع، من المخطط إنشاء مختبرات موزعة (افتراضية)، يخضع عمل كل منها لهدف واحد ويغطي سلسلة البحث والتطوير بأكملها للمشروع (من البحث الأساسي إلى تنظيم الإنتاج) . وفي الوقت نفسه، تستمر المجموعات العلمية التي تشكل جزءًا من هذه المختبرات وتؤدي مهام محددة في العمل في منظماتها. ومن المتوقع أيضًا إنشاء مختبرات من هذا النوع لحل المشكلات العلمية الكبرى وإجراء أبحاث متعددة التخصصات في إطار برنامج RAS لتقنيات النانو.
"تقنية الأمير" ومصابيح LED
وفي الختام، إليك بعض الأمثلة على النتائج الأساسية والتطبيقية التي حصل عليها العلماء والمطورون الروس في السنوات الأخيرة. وفي مجال فيزياء البنى النانوية والإلكترونيات النانوية، نلاحظ إنتاج صفائح الجرافين (أحادي الطبقة من الجرافيت) ودراسة خواصها الإلكترونية، والتي أظهرت أن حاملات الشحنة في الجرافين لها طيف إلكتروني يشبه النيوترينو (IPTM RAS).
أول ملاحظة موثوقة لتكثيف بوز-آينشتاين للإكسيتونات غير المباشرة مكانيًا في الهياكل النانوية مزدوجة البئر (IPP RAS)، وتطوير ما يسمى بـ "تكنولوجيا الأمير" وإنشاء فئة جديدة من الهياكل النانوية الدورية للأجهزة الكمومية (IPP SB) RAS)، وأشعة ليزر حقن أشباه الموصلات الخالية من العتبة على النقاط الكمومية، وأشعة ليزر أشباه الموصلات ذات الطاقة القياسية القائمة على هياكل متغايرة غير متماثلة ومصابيح LED ذات الضوء الأبيض (Ioffe Physicotechnical Institute RAS)، وكاشفات ضوئية لمصفوفة الأشعة تحت الحمراء وترانزستورات تأثير مجال الميكروويف (IPP SB RAS)، أجهزة استشعار المقاومة المغناطيسية واسعة النطاق (IPM Ural Branch RAS).
في مجال المواد النانوية، يمكن تسمية تطوير مواد بلاستيكية من ألياف الكربون عالية الموارد ذات خصائص خاصة تحتوي على جسيمات نانوية وظيفية من الفوليرين والأسترالين، والتي سيؤدي استخدامها في مقاتلات الجيل الخامس إلى زيادة خصائص الأداء المختلفة بنسبة 20-100٪ (VIAM) ، IPCP RAS، معهد الكيمياء SB RAS). تم تطوير المحفزات المعتمدة على جزيئات الذهب النانوية المترسبة على أكسيد الألومنيوم لحل مشكلة "البدء البارد" لغازات العادم الحارقة لمحركات السيارات (IC SB RAS).
في مجال التقنيات الحيوية النانوية والتشخيص الطبي، تم تطوير وإنشاء لقاح الأنفلونزا النانوي "الأنفلونزا" (IBCh RAS، معهد المركز العلمي الحكومي لعلم المناعة FMBA، NPO Petrovax، State Unitary Enterprise Microgen)، والذي تم في 2004-2007. تم تطعيم 70 مليون شخص. تم تطوير طرق للحصول على صور انكسارية للأشعة السينية للأنسجة الرخوة البشرية (RRC "معهد كورشاتوف").
لاحظ أن العديد من الإنجازات العلمية والتكنولوجية الحديثة تعتمد على نتائج الأبحاث التي بدأت منذ ثلاثين عامًا أو حتى أكثر. دعونا نأمل أن تقوم الوكالات الحكومية أخيرًا بتقييم الدور الحاسم للأبحاث الأساسية في تطوير صناعة النانو في البلاد بشكل صحيح. وفي هذا المجال سنتحرك بخطوات متوازية مع الدول المتقدمة.
الأكاديمي زوريس ألفيروف،
الحائز على جائزة نوبل، نائب رئيس الأكاديمية الروسية للعلوم،
رئيس لجنة RAS لتقنيات النانو.
تعد تقنية النانو، بحكم خصوصيتها، مجالًا علميًا متعدد التخصصات للتكنولوجيا التطبيقية، يشارك في دراسة وإنشاء طرق مبتكرة ومبتكرة لإنتاج مواد جديدة ذات خصائص معينة، والتي يتم استخدامها لاحقًا في مجموعة واسعة من قطاعات الحياة البشرية الحديثة.
بشكل عام، تعمل تقنية النانو مع الهياكل التي تبلغ قيمها 100 نانومتر أو حتى أقل، وفي نفس الوقت تستخدم الأجهزة، وكذلك المواد، ذات الأبعاد المذكورة أعلاه. اليوم، تكنولوجيا النانو متنوعة للغاية وتستخدم في مجموعة واسعة من الأبحاث، بدءًا من إنشاء أجهزة تقنية جديدة إلى أحدث الأبحاث المتعلقة بدراسة المستوى الذري الجزيئي.
أساسيات تكنولوجيا النانو.
طريقة مجهر القوة الذرية.
يجب أن يقال أن إحدى الأدوات الرئيسية المستخدمة للعمل مع الجسيمات الدقيقة هي المجاهر، لأنه بدون هذا الجهاز لا يمكن العمل مع الجسيمات الدقيقة فحسب، بل أيضًا لدراسة العالم الصغير. إن الزيادة في ميزات حل المجاهر الحديثة واكتساب المزيد والمزيد من المعرفة الجديدة حول الجسيمات الأولية اليوم مترابطان. في الوقت الحالي، وبمساعدة معدات مثل مجاهر القوة الذرية أو AFM والمجاهر الإلكترونية الماسحة، لا يتمكن العلماء المعاصرون من مراقبة الذرات الفردية فحسب، بل يمكنهم أيضًا إيجاد طرق للتأثير عليها، على سبيل المثال، عن طريق مسح الذرات عبر السطح. وفي الوقت نفسه، تمكن العلماء المعاصرون بالفعل من إنشاء ما يسمى بالهياكل النانوية ثنائية الأبعاد على الأسطح باستخدام طريقة التأثير المذكورة أعلاه. على سبيل المثال، في مراكز الأبحاث التابعة لشركة IBM المعروفة، تمكن العلماء من خلال خلط ذرات الزينون بشكل متسلسل على سطح بلورات النيكل النانوية من إنشاء شعار للشركة يتكون من 35 ذرة من المادة.
وأثناء القيام بهذه الإجراءات المتعلقة بخلط المواد وفصلها ودمجها، واجه العلماء بعض الصعوبات الفنية. للتغلب على ذلك من الضروري تهيئة ظروف فراغ أسرع من الصوت (10-11 تور)، ولهذا من الضروري تبريد الحامل والمجهر إلى درجة حرارة منخفضة للغاية تتراوح من 4 إلى 10 كلفن، بينما يكون سطح هذه الركيزة يجب أن تكون سلسة ونظيفة على المستوى الذري. ولهذا الغرض، يتم استخدام تقنيات متخصصة للمعالجة الميكانيكية والكيميائية للمنتجات، والغرض من هذه المعالجة هو تقليل الانتشار السطحي للذرات المترسبة، والتي يتم من خلالها تبريد القاعدة.
الجسيمات النانوية.
السمة المميزة الرئيسية للمواد الجديدة التي يتم الحصول عليها أثناء الاستخدام تكنولوجيا النانو، هو الحصول غير المتوقع على الخصائص الفيزيائية والتقنية التي تكتسبها هذه المواد. وبفضل هذا، أصبح لدى العلماء الحديثين الفرصة للحصول على خصائص فيزيائية وميكانيكية كمومية جديدة للمواد التي يتم فيها تعديل الهياكل الإلكترونية، مما يغير تلقائيا شكل مظهر هذه المركبات. على سبيل المثال، القدرة على تقليل حجم الجسيمات ليست في جميع الحالات قابلة للتحديد أو القياس باستخدام القياسات الكلية أو الجزئية. ومع ذلك، قد تكون القياسات ممكنة إذا كان حجم الجسيمات في نطاق المليمكرون. وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن بعض الخواص الفيزيائية والميكانيكية تتغير إذا تغير حجم العناصر. في الوقت الحالي، يعد وجود خصائص ميكانيكية غير عادية في المواد النانوية موضوعًا للبحث من قبل العلماء العاملين في مجال ميكانيكا النانو. وفي الوقت نفسه، يحتل إنتاج مواد جديدة باستخدام محفزات مختلفة، مكانة خاصة في تقنيات النانو الحديثة، والتي تؤثر على سلوك المواد النانوية عندما تتفاعل مع المواد الحيوية المختلفة.
كما قلنا سابقًا، تسمى الجسيمات ذات الأحجام من 1 إلى 100 نانومتر بالجسيمات النانوية، وقد أظهرت الأبحاث أن الجسيمات النانوية للعديد من المواد لها خصائص امتصاص وتحفيز عالية. توفر المواد الأخرى خصائص بصرية فريدة. على سبيل المثال، تمكن الباحثون من الحصول على مواد سيراميكية شفافة تعتمد على مساحيق نانوية بحجم 2-28 نانومتر، والتي لها خصائص أفضل من التيجان على سبيل المثال. وتمكن العلماء أيضًا من الحصول على تفاعل الجسيمات النانوية المنتجة صناعيًا مع الأجسام الطبيعية ذات الحجم النانوي، على سبيل المثال، مع البروتينات والأحماض النووية وغيرها. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع الجسيمات النانوية المنقاة، نظرًا لخصائصها الفريدة، بالقدرة على الاندماج في الهياكل المختلفة . مثل هذه الهياكل التي تحتوي على جسيمات نانوية تكتسب خصائص وخصائص لم تكن معروفة لها من قبل.
اليوم، تنقسم جميع الكائنات النانوية إلى ثلاث فئات:
تشتمل الفئة الأولى على جسيمات ثلاثية الأبعاد يتم الحصول عليها عن طريق تفجير الموصلات، أو عن طريق تخليق البلازما، أو عن طريق تقليل الأغشية الرقيقة.
أما الفئة الثانية فتتضمن ما يسمى بالأجسام ثنائية الأبعاد، وهي عبارة عن أفلام ويتم الحصول عليها باستخدام طرق الترسيب الجزيئي، وALD، وCVD، والترسيب الأيوني.
تشتمل الفئة الثالثة على شعيرات أو كائنات أحادية البعد يتم الحصول عليها عن طريق طرق الطبقات الجزيئية أو عن طريق إدخال مواد مختلفة في منفذ صغير أسطواني.
بالإضافة إلى ذلك، هناك أيضًا مركبات نانوية، والتي يتم الحصول عليها عن طريق إدخال الجسيمات النانوية في مصفوفات متخصصة. حتى الآن، تم استخدام طريقة الطباعة الحجرية الدقيقة فقط على نطاق واسع، مما يجعل من الممكن الحصول على أجسام مسطحة على شكل جزيرة بحجم 50 نانومتر أو أكثر على سطح المصفوفة وتستخدم في الإلكترونيات الحديثة. ومن الضروري أيضًا ملاحظة طرق الطبقات الجزيئية والأيونية، حيث أنه باستخدام هذه الطرق من الممكن الحصول على طبقات فيلم حقيقية على شكل طبقة أحادية.
التنظيم الذاتي للجسيمات النانوية.
أحد أكبر التحديات التي تواجه تكنولوجيا النانو هو كيفية إجبار الذرات والجزيئات على التجمع معًا بطرق محددة، مما يسمح لها بالإصلاح الذاتي والتطور الذاتي، مما يؤدي في النهاية إلى إنتاج مواد أو أجهزة جديدة. يتم حل هذه المشاكل من قبل الكيميائيين العاملين في مجال الكيمياء فوق الجزيئية. وفي الوقت نفسه، لا يدرسون الجزيئات الفردية، بل يدرسون التفاعل بينها، وكذلك كيفية تنظيمها تحت تأثير معين وما إذا كانت لديها القدرة على تكوين مواد جديدة. يعتقد العديد من العلماء أن الطبيعة تمتلك حقًا مثل هذه الأنظمة وتحدث فيها مثل هذه العمليات. على سبيل المثال، من المعروف بالفعل أن البوليمرات الحيوية يمكن تنظيمها في هياكل خاصة. أيضًا، يتم تقديم أمثلة مماثلة للبروتينات التي، نظرًا لخصائصها، لا يمكنها فقط طيها والحصول على شكل كروي، ولكنها أيضًا تشكل مجمعات وهياكل كاملة تحتوي على عدة جزيئات بروتينية في وقت واحد. بالفعل اليوم، تمكن العلماء من إنشاء طريقة تركيبية تستخدم الخصائص المحددة التي تمتلكها جزيئات الحمض النووي.
تعد الدورات التعليمية عن بعد شكلاً حديثًا من أشكال التعليم الإضافي الفعال والتدريب المتقدم في مجال تدريب المتخصصين لتطوير التقنيات الواعدة لإنتاج المواد الوظيفية والمواد النانوية. وهذا هو أحد الأشكال الواعدة للتعليم الحديث الذي يتطور في جميع أنحاء العالم. وهذا الشكل من اكتساب المعرفة له أهمية خاصة في مجال متعدد التخصصات مثل المواد النانوية وتكنولوجيا النانو. تتمثل مزايا الدورات عن بعد في إمكانية الوصول إليها، والمرونة في بناء المسارات التعليمية، وتحسين كفاءة وكفاءة عملية التفاعل مع الطلاب، وفعالية التكلفة مقارنة بالدورات الدراسية بدوام كامل، والتي، مع ذلك، يمكن دمجها بشكل متناغم مع التعلم عن بعد. في مجال المبادئ الأساسية للكيمياء النانوية والمواد النانوية، تم إعداد مواد فيديو من قبل المركز العلمي والتعليمي لتقنيات النانو بجامعة موسكو الحكومية:
- . المفاهيم والتعاريف الأساسية لعلوم النظم النانوية وتقنيات النانو. تاريخ ظهور تكنولوجيا النانو وعلوم النظم النانوية. متعددة التخصصات ومتعددة التخصصات. أمثلة على الأجسام النانوية والأنظمة النانوية وخصائصها وتطبيقاتها التكنولوجية. كائنات وطرق تكنولوجيا النانو. مبادئ وآفاق تطوير تكنولوجيا النانو.
- . المبادئ الأساسية لتشكيل النظام النانوي. الطرق الفيزيائية والكيميائية. عمليات الحصول على الأجسام النانوية "من الأعلى إلى الأسفل". الكلاسيكية، "الناعمة"، الكروية الدقيقة، الشعاع الأيوني (FIB)، AFM - الطباعة الحجرية والحفر النانوي. التنشيط الميكانيكي والتوليف الميكانيكي للأجسام النانوية. عمليات الحصول على الأجسام النانوية "من الأسفل إلى الأعلى". عمليات النواة في الوسائط الغازية والمكثفة. النواة غير المتجانسة، الفوقية والفوقية غير المتجانسة. تسوس العمود الفقري. توليف الأجسام النانوية في المصفوفات غير المتبلورة (الزجاجية). طرق التجانس الكيميائي (الترسيب المشترك، طريقة سول جل، تكنولوجيا الكيمياء التبريدية، الانحلال الحراري للهباء الجوي، المعالجة الحرارية، التجفيف فوق الحرج). تصنيف الجسيمات النانوية والأجسام النانوية. تقنيات الحصول على الجسيمات النانوية وتثبيتها. تجميع وتفكيك الجسيمات النانوية. تصنيع المواد النانوية في مفاعلات نانوية أحادية وثنائية الأبعاد.
- . الفيزياء الإحصائية للأنظمة النانوية. ملامح التحولات الطورية في الأنظمة الصغيرة. أنواع التفاعلات داخل الجزيئات وبينها. الكارهة للماء والمحبة للماء. التجميع الذاتي والتنظيم الذاتي. تشكيل مذيلة. الطبقات الأحادية ذاتية التجميع. أفلام لانجميور-بلودجيت. التنظيم فوق الجزيئي للجزيئات. التعرف الجزيئي. جزيئات البوليمر الكبيرة، طرق تحضيرها. التنظيم الذاتي في أنظمة البوليمر. فصل الطور الميكروي للبوليمرات المشتركة. Dendrimers، فرش البوليمر. التجميع الذاتي طبقة تلو الأخرى للبولي إلكتروليتات. البوليمرات فوق الجزيئية.
- . المادة، المرحلة، المادة. الهيكل الهرمي للمواد. المواد النانوية وتصنيفها. المواد النانوية الوظيفية غير العضوية والعضوية. المواد الهجينة (العضوية وغير العضوية وغير العضوية). التمعدن الحيوي والسيراميك الحيوي. المواد ذات البنية النانوية 1D و2D و3D. مواد ميسوبوريوس. المناخل الجزيئية. المركبات النانوية وخصائصها التآزرية. المواد النانوية الهيكلية.
- . الحفز وتكنولوجيا النانو. المبادئ والمفاهيم الأساسية في الحفز غير المتجانس. تأثير ظروف التحضير والتنشيط على تكوين السطح النشط للمحفزات غير المتجانسة. ردود الفعل الحساسة للبنية وغير الحساسة للبنية. خصوصية الخواص الديناميكية الحرارية والحركية للجسيمات النانوية. التحفيز الكهربائي. الحفز على الزيوليت والمناخل الجزيئية. الحفز الغشائي.
- . البوليمرات للمواد الإنشائية والأنظمة الوظيفية. أنظمة بوليمر "ذكية" قادرة على أداء وظائف معقدة أمثلة على الأنظمة "الذكية" (السوائل البوليمرية لإنتاج النفط، النوافذ الذكية، الأغشية ذات البنية النانوية لخلايا الوقود). البوليمرات الحيوية باعتبارها الأنظمة الأكثر "ذكاءً". نهج المحاكاة الحيوية. تصميم التسلسل لتحسين خصائص البوليمرات الذكية. مشاكل التطور الجزيئي للتسلسلات في البوليمرات الحيوية.
- . الوضع الحالي ومشاكل إنشاء مواد جديدة لمصادر الطاقة الكيميائية: يتم النظر في خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFC) وبطاريات الليثيوم. يتم تحليل العوامل الهيكلية الرئيسية التي تؤثر على خصائص المركبات غير العضوية المختلفة، والتي تحدد إمكانية استخدامها كمواد قطب كهربائي: البيروفسكايت المعقدة في مركبات الكربون الكلورية فلورية والمركبات المعدنية الانتقالية (أكاسيد وفوسفات معقدة) في بطاريات الليثيوم. يتم النظر في مواد الأنود والكاثود الرئيسية المستخدمة في بطاريات الليثيوم والمعترف بها على أنها واعدة: مزاياها وقيودها، بالإضافة إلى إمكانية التغلب على القيود عن طريق التغييرات الموجهة في التركيب الذري والبنية المجهرية للمواد المركبة من خلال البنية النانوية من أجل تحسين الخصائص من المصادر الحالية.
تمت مناقشة قضايا مختارة في فصول الكتاب التالية (نشر بينوم):
مواد توضيحية عن الكيمياء النانوية والتجميع الذاتي والأسطح ذات البنية النانوية:
"كتب الفيديو" المشهورة علمياً:
فصول مختارة من كيمياء النانو والمواد النانوية الوظيفية.
تقنية النانو هي أحد مجالات العلوم والتكنولوجيا الأساسية والتطبيقية التي تتعامل مع مزيج من التبرير النظري والأساليب العملية للبحث والتحليل والتوليف، بالإضافة إلى طرق إنتاج واستخدام المنتجات ذات التركيب الذري المحدد من خلال التحكم المتحكم في الأفراد. الذرات والجزيئات.
قصة
تربط العديد من المصادر، وخاصة باللغة الإنجليزية، أول ذكر للطرق التي ستُسمى فيما بعد تكنولوجيا النانو بخطاب ريتشارد فاينمان الشهير "هناك مساحة كبيرة في القاع"، الذي ألقاه في عام 1959 في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في المؤتمر السنوي اجتماع الجمعية الفيزيائية الأمريكية. اقترح ريتشارد فاينمان أنه من الممكن تحريك الذرات المفردة ميكانيكيًا باستخدام مناور بالحجم المناسب، على الأقل لن تتعارض هذه العملية مع قوانين الفيزياء المعروفة اليوم.
واقترح القيام بهذا المناور بالطريقة التالية. من الضروري بناء آلية من شأنها أن تخلق نسخة من نفسها، فقط بحجم أصغر. يجب على الآلية الأصغر التي تم إنشاؤها أن تخلق مرة أخرى نسخة من نفسها، مرة أخرى ترتيبًا أصغر حجمًا، وهكذا حتى تتناسب أبعاد الآلية مع أبعاد ترتيب ذرة واحدة. في هذه الحالة، سيكون من الضروري إجراء تغييرات في هيكل هذه الآلية، حيث أن قوى الجاذبية المؤثرة في الكون الكبير سيكون لها تأثير أقل فأقل، وسوف تؤثر قوى التفاعلات بين الجزيئات وقوى فان دير فال بشكل متزايد على عمل الآلية.
المرحلة الأخيرة - ستقوم الآلية الناتجة بتجميع نسختها من الذرات الفردية. من حيث المبدأ، عدد هذه النسخ غير محدود؛ سيكون من الممكن إنشاء عدد تعسفي من هذه الآلات في وقت قصير. وستكون هذه الآلات قادرة على تجميع الأشياء الكلية بنفس الطريقة، عن طريق التجميع الذري. وهذا سيجعل الأمور أرخص بكثير - ستحتاج مثل هذه الروبوتات (الروبوتات النانوية) إلى الحصول على العدد المطلوب فقط من الجزيئات والطاقة، وكتابة برنامج لتجميع العناصر الضرورية. وحتى الآن لم يتمكن أحد من دحض هذا الاحتمال، لكن لم يتمكن أحد حتى الآن من خلق مثل هذه الآليات. خلال الدراسة النظرية لهذا الاحتمال، ظهرت سيناريوهات يوم القيامة الافتراضية، التي تفترض أن الروبوتات النانوية سوف تمتص كل الكتلة الحيوية للأرض، وتنفذ برنامج التكاثر الذاتي الخاص بها (ما يسمى بـ "المادة اللزجة الرمادية" أو "الملاط الرمادي").
يمكن العثور على الافتراضات الأولى حول إمكانية دراسة الأشياء على المستوى الذري في كتاب “البصريات” للكاتب إسحاق نيوتن، الصادر عام 1704. في الكتاب، أعرب نيوتن عن أمله في أن تتمكن المجاهر المستقبلية في يوم من الأيام من استكشاف "أسرار الجسيمات".
تم استخدام مصطلح "تقنية النانو" لأول مرة من قبل نوريو تانيجوتشي في عام 1974. استخدم هذا المصطلح لوصف إنتاج منتجات يبلغ حجمها عدة نانومترات. في الثمانينيات، استخدم إريك ك. دريكسلر هذا المصطلح في كتبه محركات الخلق: العصر القادم لتقنية النانو وأنظمة النانو: الآلات الجزيئية والتصنيع والحوسبة.
ماذا يمكن أن تفعل تكنولوجيا النانو؟
فيما يلي بعض المجالات التي تعد فيها تكنولوجيا النانو بإحداث اختراقات:
الدواء
ستوفر أجهزة الاستشعار النانوية تقدمًا في التشخيص المبكر للأمراض. وهذا سيزيد من فرصك في الشفاء. يمكننا التغلب على السرطان والأمراض الأخرى. لم تدمر أدوية السرطان القديمة الخلايا المريضة فحسب، بل دمرت أيضًا الخلايا السليمة. وبمساعدة تكنولوجيا النانو، سيتم توصيل الدواء مباشرة إلى الخلية المريضة.
تكنولوجيا النانو الحمض النووي– استخدام قواعد محددة من الحمض النووي وجزيئات الحمض النووي لإنشاء هياكل محددة بوضوح على أساسها. التوليف الصناعي لجزيئات الدواء والمستحضرات الدوائية ذات الشكل المحدد بوضوح (الببتيدات الثنائية).
في بداية عام 2000، وبفضل التقدم السريع في تكنولوجيا تصنيع الجسيمات النانوية، تم إعطاء دفعة لتطوير مجال جديد من تكنولوجيا النانو - علم النانوبلاسمونيات. اتضح أنه من الممكن نقل الإشعاع الكهرومغناطيسي عبر سلسلة من الجسيمات النانوية المعدنية باستخدام إثارة تذبذبات البلازمون.
بناء
ستقوم أجهزة الاستشعار النانوية الخاصة بهياكل البناء بمراقبة قوتها والكشف عن أي تهديدات لسلامتها. يمكن للأشياء المبنية باستخدام تقنية النانو أن تدوم لفترة أطول بخمس مرات من الهياكل الحديثة. سوف تتكيف المنازل مع احتياجات السكان، مما يبقيهم باردين في الصيف ويبقيهم دافئين في الشتاء.
طاقة
سنكون أقل اعتمادا على النفط والغاز. تبلغ كفاءة الألواح الشمسية الحديثة حوالي 20%. ومع استخدام تكنولوجيا النانو، يمكن أن تنمو 2-3 مرات. يمكن للأغشية النانوية الرقيقة الموجودة على السطح والجدران أن توفر الطاقة للمنزل بأكمله (إذا كان هناك ما يكفي من الشمس بالطبع).
مهندس ميكانيكى
سيتم استبدال جميع المعدات الضخمة بالروبوتات - وهي أجهزة يمكن التحكم فيها بسهولة. سيكونون قادرين على إنشاء أي آليات على مستوى الذرات والجزيئات. ولإنتاج الآلات، سيتم استخدام مواد نانوية جديدة يمكنها تقليل الاحتكاك وحماية الأجزاء من التلف وتوفير الطاقة. هذه ليست جميع المجالات التي يمكن (وسوف يتم) استخدام تكنولوجيا النانو فيها. ويعتقد العلماء أن ظهور تكنولوجيا النانو هو بداية ثورة علمية وتقنية جديدة ستغير العالم بشكل كبير في القرن الحادي والعشرين. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن تكنولوجيا النانو لا تدخل حيز الممارسة الحقيقية بسرعة كبيرة. لا تعمل العديد من الأجهزة (معظمها إلكترونيات) بتقنية النانو. ويرجع ذلك جزئيًا إلى ارتفاع أسعار تكنولوجيا النانو وعدم ارتفاع العائد على منتجات تكنولوجيا النانو.
من المحتمل أنه في المستقبل القريب، وبمساعدة تكنولوجيا النانو، سيتم إنشاء أجهزة عالية التقنية ومتنقلة ويمكن التحكم فيها بسهولة والتي ستحل بنجاح محل المعدات الآلية والمرهقة التي يصعب إدارتها اليوم. على سبيل المثال، بمرور الوقت، ستتمكن الروبوتات الحيوية التي يتم التحكم فيها بواسطة الكمبيوتر من أداء وظائف محطات الضخ الضخمة الحالية.
- كمبيوتر الحمض النووي- نظام حاسوبي يستخدم القدرات الحاسوبية لجزيئات الحمض النووي. الحوسبة الجزيئية الحيوية هي اسم جماعي لمختلف التقنيات المرتبطة بطريقة أو بأخرى بالحمض النووي أو الحمض النووي الريبي (RNA). في حوسبة الحمض النووي، لا يتم تمثيل البيانات في شكل أصفار وآحاد، ولكن في شكل بنية جزيئية مبنية على أساس حلزون الحمض النووي. يتم تنفيذ دور برنامج قراءة البيانات ونسخها وإدارتها بواسطة إنزيمات خاصة.
- مجهر القوة الذرية– مجهر مسبار ماسح عالي الدقة يعتمد على تفاعل إبرة ناتئ (مسبار) مع سطح العينة قيد الدراسة. على عكس مجهر المسح النفقي (STM)، يمكنه فحص كل من الأسطح الموصلة وغير الموصلة حتى من خلال طبقة من السائل، مما يجعل من الممكن العمل مع الجزيئات العضوية (DNA). يعتمد الاستبانة المكانية لمجهر القوة الذرية على حجم الكابولي وانحناء طرفه. يصل القرار إلى المستوى الذري أفقيًا ويتجاوزه بشكل كبير عموديًا.
- مذبذب الهوائي- في 9 فبراير 2005، تم الحصول على مذبذب هوائي بأبعاد حوالي 1 ميكرون في مختبر جامعة بوسطن. يحتوي هذا الجهاز على 5000 مليون ذرة وهو قادر على التذبذب بتردد 1.49 جيجاهيرتز، مما يسمح له بنقل كميات هائلة من المعلومات.
10 تقنيات النانو ذات إمكانات مذهلة
حاول أن تتذكر بعض الاختراعات القانونية. ربما تخيل شخص ما الآن عجلة، وشخص ما طائرة، وشخص ما جهاز iPod. كم منكم فكر في اختراع جيل جديد تمامًا - تكنولوجيا النانو؟ لم تتم دراسة هذا العالم إلا قليلاً، ولكنه يتمتع بإمكانات مذهلة يمكن أن تمنحنا أشياء رائعة حقًا. والشيء المذهل هو أن مجال تكنولوجيا النانو لم يكن موجودا حتى عام 1975، على الرغم من أن العلماء بدأوا العمل في هذا المجال قبل ذلك بكثير.
العين المجردة للإنسان قادرة على التعرف على الأشياء التي يصل حجمها إلى 0.1 ملم. سنتحدث اليوم عن عشرة اختراعات أصغر منها بـ 100 ألف مرة.
معدن سائل موصل للكهرباء
باستخدام الكهرباء، يمكن تصنيع سبيكة معدنية سائلة بسيطة تتكون من الغاليوم والإيريديوم والقصدير لتشكيل أشكال معقدة أو دوائر رياح داخل طبق بيتري. يمكننا أن نقول بدرجة معينة من الاحتمال أن هذه هي المادة التي تم من خلالها إنشاء سلسلة T-1000 الشهيرة cyborg، والتي يمكننا رؤيتها في Terminator 2.
"تتصرف السبيكة الناعمة كشكل ذكي، قادرة على تشويه نفسها عند الضرورة، مع الأخذ في الاعتبار تغير المساحة المحيطة التي تتحرك من خلالها. يقول جين لي من جامعة تسينغهوا، أحد الباحثين المشاركين في هذا المشروع: "تمامًا كما يمكن لإنسان آلي من فيلم خيال علمي شهير أن يفعل".
هذا المعدن هو محاكاة حيوية، وهذا يعني أنه يقلد التفاعلات الكيميائية الحيوية، على الرغم من أنه ليس في حد ذاته مادة بيولوجية.
يمكن التحكم في هذا المعدن عن طريق التفريغ الكهربائي. ومع ذلك، فهي في حد ذاتها قادرة على التحرك بشكل مستقل، وذلك بسبب عدم توازن الحمل الناشئ، والذي ينشأ عن اختلاف الضغط بين الجزء الأمامي والخلفي لكل قطرة من هذه السبيكة المعدنية. وعلى الرغم من أن العلماء يعتقدون أن هذه العملية قد تكون المفتاح لتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة ميكانيكية، إلا أن المادة الجزيئية لن تُستخدم لبناء كائنات آلية شريرة في أي وقت قريب. لا يمكن أن تحدث العملية "السحرية" بأكملها إلا في محلول هيدروكسيد الصوديوم أو المحلول الملحي.
عمليات تجميل النانو
ويعمل باحثون من جامعة يورك على تطوير لاصقات خاصة سيتم تصميمها لتوصيل جميع الأدوية الضرورية داخل الجسم دون أي استخدام للإبر والمحاقن. يتم لصق الرقع، وهي ذات حجم طبيعي تمامًا، على يدك وتقدم جرعة معينة من جزيئات الدواء النانوية (صغيرة بما يكفي لاختراق بصيلات الشعر) داخل جسمك. وستجد الجسيمات النانوية (حجم كل منها أقل من 20 نانومتر) الخلايا الضارة بنفسها، وتقتلها، ثم يتم التخلص منها من الجسم مع الخلايا الأخرى نتيجة للعمليات الطبيعية.
ويشير العلماء إلى أنه يمكن استخدام هذه البقع النانوية في المستقبل في مكافحة أحد أفظع الأمراض على وجه الأرض - السرطان. على عكس العلاج الكيميائي، والذي غالبًا ما يكون جزءًا لا يتجزأ من العلاج في مثل هذه الحالات، ستكون البقع النانوية قادرة على العثور على الخلايا السرطانية وتدميرها بشكل فردي مع ترك الخلايا السليمة دون مساس. مشروع النانوباتش يسمى NanJect. يتولى تطويره عاطف سيد وزكريا حسين، اللذين حصلا في عام 2013، عندما كانا لا يزالان طالبين، على الرعاية اللازمة كجزء من حملة التعهيد الجماعي لجمع الأموال.
فلتر نانو للمياه
عندما يتم استخدام هذا الغشاء مع شبكة دقيقة من الفولاذ المقاوم للصدأ، يتم طرد الزيت، مما يترك المياه في تلك المنطقة نظيفة تمامًا.
ومن المثير للاهتمام أن العلماء استلهموا فكرة إنشاء أفلام نانوية من الطبيعة نفسها. أوراق اللوتس، المعروفة أيضًا باسم زنابق الماء، لها خصائص معاكسة للأغشية النانوية: فبدلاً من الزيت، فإنها تطرد الماء. ليست هذه هي المرة الأولى التي يتجسس فيها العلماء على هذه النباتات المذهلة لخصائصها المذهلة. وقد أدى ذلك، على سبيل المثال، إلى إنشاء مواد كارهة للماء للغاية في عام 2003. أما بالنسبة للفيلم النانوي، فيحاول الباحثون صنع مادة تحاكي سطح زنابق الماء وإثرائها بجزيئات عامل تنظيف خاص. الطلاء نفسه غير مرئي للعين البشرية. سيكون إنتاجه غير مكلف: حوالي دولار واحد للقدم المربع.
لتنقية الهواء للغواصات
من غير المحتمل أن يفكر أي شخص في نوع الهواء الذي يجب أن تتنفسه أطقم الغواصات، باستثناء أفراد الطاقم أنفسهم. وفي الوقت نفسه، يجب أن يتم تنظيف الهواء من ثاني أكسيد الكربون على الفور، لأنه خلال الرحلة الواحدة يجب أن يمر نفس الهواء عبر أطقم الغواصة الخفيفة مئات المرات. لتنظيف الهواء من ثاني أكسيد الكربون، يتم استخدام الأمينات التي لها رائحة كريهة للغاية. لمعالجة هذه المشكلة، تم إنشاء تقنية تنقية تسمى SAMMS (اختصار للطبقات الأحادية المجمعة ذاتيًا على دعامات Mesoporous). وتقترح استخدام جسيمات نانوية خاصة توضع داخل حبيبات السيراميك. تحتوي المادة على بنية مسامية، والتي تمتص ثاني أكسيد الكربون الزائد. تتفاعل الأنواع المختلفة من تنقية SAMMS مع جزيئات مختلفة في الهواء والماء والتربة، ولكن جميع خيارات التنقية هذه فعالة بشكل لا يصدق. ملعقة واحدة فقط من هذه الحبيبات الخزفية المسامية تكفي لتنظيف مساحة تعادل ملعب كرة قدم واحد.
الموصلات النانوية
اكتشف الباحثون في جامعة نورث وسترن (الولايات المتحدة الأمريكية) كيفية إنشاء موصل كهربائي على مقياس النانو. هذا الموصل عبارة عن جسيمات نانوية صلبة ومتينة يمكن تهيئتها لنقل التيار الكهربائي في اتجاهات متعاكسة مختلفة. تظهر الدراسة أن كل جسيم نانوي قادر على محاكاة تشغيل "مقومات التيار، والمفاتيح، والثنائيات". يتم تغليف كل جسيم بسمك 5 نانومتر بمادة كيميائية موجبة الشحنة ومحاطة بذرات سالبة الشحنة. يؤدي تطبيق التفريغ الكهربائي إلى إعادة تشكيل الذرات سالبة الشحنة حول الجسيمات النانوية.
إن إمكانات هذه التكنولوجيا، كما يقول العلماء، غير مسبوقة. وبناءً عليه، من الممكن إنشاء مواد «قادرة على التغيير بشكل مستقل لتناسب مهام حاسوبية محددة». إن استخدام هذه المادة النانوية سيؤدي في الواقع إلى "إعادة برمجة" إلكترونيات المستقبل. ستصبح ترقيات الأجهزة سهلة مثل ترقيات البرامج.
شاحن بتقنية النانو
عندما يتم إنشاء هذا الشيء، لن تحتاج بعد الآن إلى استخدام أي أجهزة شحن سلكية. تعمل تقنية النانو الجديدة مثل الإسفنجة، لكنها لا تمتص السائل. فهو يمتص الطاقة الحركية من البيئة ويوجهها مباشرة إلى هاتفك الذكي. تعتمد هذه التقنية على استخدام مادة كهرضغطية تولد الكهرباء تحت الضغط الميكانيكي. وتتمتع المادة بمسام نانوية تحولها إلى إسفنجة مرنة.
الاسم الرسمي لهذا الجهاز هو "مولد النانو". يمكن لمثل هذه المولدات النانوية أن تصبح يومًا ما جزءًا من كل هاتف ذكي على هذا الكوكب، أو جزءًا من لوحة القيادة في كل سيارة، وربما جزءًا من كل جيب ملابس - حيث سيتم شحن الأدوات الذكية مباشرة فيه. وبالإضافة إلى ذلك، فإن هذه التكنولوجيا لديها القدرة على استخدامها على نطاق أوسع، كما هو الحال في المعدات الصناعية. على الأقل هذا ما يعتقده الباحثون من جامعة ويسكونسن ماديسون، الذين صنعوا هذه الإسفنجة النانوية المذهلة.
شبكية اصطناعية
تعمل شركة Nano Retina الإسرائيلية على تطوير واجهة ستتصل مباشرة بالخلايا العصبية للعين وتنقل نتيجة النمذجة العصبية إلى الدماغ، لتحل محل الشبكية وتستعيد الرؤية للناس.
أظهرت تجربة على دجاجة عمياء الأمل في نجاح المشروع. يسمح الغشاء النانوي للدجاج برؤية الضوء. صحيح أن المرحلة الأخيرة من تطوير شبكية صناعية لاستعادة الرؤية البشرية لا تزال بعيدة، ولكن التقدم في هذا الاتجاه لا يمكن إلا أن يكون مفرحاً. Nano Retina ليست الشركة الوحيدة التي تشارك في مثل هذه التطورات، ولكن التكنولوجيا الخاصة بها هي التي تبدو حاليًا الأكثر واعدة وفعالية وتكيفًا. النقطة الأخيرة هي الأهم لأننا نتحدث عن منتج سيتم دمجه في عيون شخص ما. وقد أظهرت تطورات مماثلة أن المواد الصلبة غير مناسبة لمثل هذه الأغراض.
وبما أن هذه التقنية يتم تطويرها على مستوى تكنولوجيا النانو، فإنها تلغي استخدام المعادن والأسلاك، كما تتجنب الدقة المنخفضة للصورة المحاكاة.
ملابس متوهجة
طور علماء شنغهاي خيوطا عاكسة يمكن استخدامها في إنتاج الملابس. أساس كل خيط هو سلك رفيع جدًا من الفولاذ المقاوم للصدأ، ومغطى بجسيمات نانوية خاصة، وطبقة من البوليمر المضيء كهربائيًا، وقشرة واقية من الأنابيب النانوية الشفافة. والنتيجة هي خيوط خفيفة ومرنة للغاية يمكنها أن تتوهج تحت تأثير الطاقة الكهروكيميائية الخاصة بها. وفي الوقت نفسه، تعمل بطاقة أقل بكثير مقارنة بمصابيح LED التقليدية.
عيب هذه التقنية هو أن "احتياطي الضوء" للخيوط لا يزال يكفي لبضع ساعات فقط. ومع ذلك، فإن مطوري المواد يعتقدون بتفاؤل أنهم سيكونون قادرين على زيادة "المورد" لمنتجهم بما لا يقل عن ألف مرة. وحتى لو نجحوا، فإن حل عيب آخر يظل موضع تساؤل. سيكون من المستحيل على الأرجح غسل الملابس بناءً على مثل هذه الخيوط النانوية.
إبر النانو لترميم الأعضاء الداخلية
تم تصميم اللدائن النانوية التي تحدثنا عنها أعلاه خصيصًا لتحل محل الإبر. ماذا لو كان حجم الإبر نفسها بضعة نانومترات فقط؟ إذا كان الأمر كذلك، فيمكنهم تغيير فهمنا للجراحة، أو على الأقل تحسينها بشكل كبير.
وفي الآونة الأخيرة، أجرى العلماء اختبارات معملية ناجحة على الفئران. وباستخدام إبر صغيرة، تمكن الباحثون من إدخال الأحماض النووية إلى أجسام القوارض، مما عزز تجديد الأعضاء والخلايا العصبية وبالتالي استعادة الأداء المفقود. عندما تؤدي الإبر وظيفتها، فإنها تبقى في الجسم وبعد بضعة أيام تتحلل فيه بالكامل. وفي الوقت نفسه، لم يجد العلماء أي آثار جانبية أثناء عمليات ترميم الأوعية الدموية في العضلات الخلفية للقوارض باستخدام هذه الإبر النانوية الخاصة.
إذا أخذنا الحالات البشرية بعين الاعتبار، فيمكن استخدام هذه الإبر النانوية لتوصيل الأدوية اللازمة إلى جسم الإنسان، على سبيل المثال، في زراعة الأعضاء. ستقوم مواد خاصة بإعداد الأنسجة المحيطة بالعضو المزروع للتعافي السريع والقضاء على احتمالية الرفض.
الطباعة الكيميائية ثلاثية الأبعاد
الكيميائي مارتن بيرك من جامعة إلينوي هو ويلي ونكا في الكيمياء. باستخدام مجموعة من جزيئات "مواد البناء" لمجموعة متنوعة من الأغراض، يمكنه إنشاء عدد كبير من المواد الكيميائية المختلفة التي تتمتع بجميع أنواع "الخصائص الطبيعية المذهلة وفي نفس الوقت". على سبيل المثال، أحد هذه المواد هو الراتانين، والذي لا يمكن العثور عليه إلا في زهرة بيرو النادرة جدًا.
إن إمكانية تصنيع المواد هائلة جدًا لدرجة أنها ستجعل من الممكن إنتاج جزيئات تستخدم في الطب، وفي إنشاء الثنائيات LED، وخلايا البطاريات الشمسية، وتلك العناصر الكيميائية التي استغرق تصنيعها حتى أفضل الكيميائيين على هذا الكوكب سنوات.
لا تزال قدرات النموذج الأولي للطابعة الكيميائية ثلاثية الأبعاد محدودة. إنه قادر فقط على خلق أدوية جديدة. ومع ذلك، يأمل بيرك أن يتمكن يومًا ما من إنشاء نسخة استهلاكية من جهازه المذهل، الذي سيكون له قدرات أكبر بكثير. من الممكن تمامًا أن تعمل هذه الطابعات في المستقبل كنوع من الصيادلة المنزليين.
هل تشكل تكنولوجيا النانو خطرا على صحة الإنسان أو البيئة؟
لا يوجد الكثير من المعلومات حول الآثار السلبية للجسيمات النانوية. في عام 2003، أظهرت إحدى الدراسات أن أنابيب الكربون النانوية يمكن أن تلحق الضرر برئتي الفئران والجرذان. وجدت دراسة أجريت عام 2004 أن الفوليرين يمكن أن يتراكم ويسبب تلف الدماغ في الأسماك. لكن كلتا الدراستين استخدمتا كميات كبيرة من المادة في ظل ظروف غير عادية. وبحسب أحد الخبراء، الكيميائي كريستين كولينوفسكي (الولايات المتحدة الأمريكية)، "سيكون من المستحسن الحد من التعرض لهذه الجسيمات النانوية، على الرغم من عدم وجود معلومات حاليا حول تهديدها لصحة الإنسان".
كما اقترح بعض المعلقين أن الاستخدام الواسع النطاق لتقنية النانو قد يؤدي إلى مخاطر اجتماعية وأخلاقية. لذا، على سبيل المثال، إذا أدى استخدام تكنولوجيا النانو إلى ثورة صناعية جديدة، فإن هذا سيؤدي إلى فقدان الوظائف. علاوة على ذلك، يمكن لتقنية النانو أن تغير مفهوم الإنسان، حيث أن استخدامها سيساعد على إطالة العمر وزيادة مرونة الجسم بشكل كبير. تقول كريستين كولينوفسكي: "لا يمكن لأحد أن ينكر أن الانتشار الواسع للهواتف المحمولة والإنترنت قد أحدث تغييرات هائلة في المجتمع". "من يجرؤ على القول إن تكنولوجيا النانو لن يكون لها تأثير أكبر على المجتمع في السنوات القادمة؟"
مكانة روسيا بين الدول النامية والمنتجة لتقنيات النانو
قادة العالم من حيث إجمالي الاستثمار في تكنولوجيا النانو هم دول الاتحاد الأوروبي واليابان والولايات المتحدة الأمريكية. وفي الآونة الأخيرة، قامت روسيا والصين والبرازيل والهند بزيادة استثماراتها بشكل كبير في هذه الصناعة. وفي روسيا، سيصل حجم التمويل في إطار برنامج "تطوير البنية التحتية لصناعة النانو في الاتحاد الروسي للفترة 2008-2010" إلى 27.7 مليار روبل.
ويصف أحدث تقرير (2008) الصادر عن شركة الأبحاث "سينتيفيكا" التي تتخذ من لندن مقراً لها، والذي أطلق عليه اسم "تقرير توقعات تكنولوجيا النانو"، الاستثمار الروسي حرفياً على النحو التالي: "رغم أن الاتحاد الأوروبي لا يزال يحتل المرتبة الأولى من حيث الاستثمار، إلا أن الصين وروسيا تجاوزتا الولايات المتحدة بالفعل. "
هناك مجالات في تكنولوجيا النانو أصبح فيها العلماء الروس هم الأوائل في العالم، بعد أن حصلوا على نتائج أرست الأساس لتطور اتجاهات علمية جديدة.
ومن بينها إنتاج المواد النانوية فائقة التشتت، وتصميم الأجهزة أحادية الإلكترون، وكذلك العمل في مجال القوة الذرية والمجهر المجهري الماسح. فقط في معرض خاص أقيم في إطار المنتدى الاقتصادي الثاني عشر لسانت بطرسبورغ (2008)، تم عرض 80 تطورًا محددًا في وقت واحد. تنتج روسيا بالفعل عددًا من المنتجات النانوية المطلوبة في السوق: الأغشية النانوية، والمساحيق النانوية، والأنابيب النانوية. ومع ذلك، وفقا للخبراء، في تسويق التطورات التكنولوجية النانوية، تتخلف روسيا عن الولايات المتحدة والدول المتقدمة الأخرى لمدة عشر سنوات.
تكنولوجيا النانو في الفن
تتناول عدد من أعمال الفنانة الأمريكية ناتاشا فيتا مور موضوعات تكنولوجيا النانو.
في الفن الحديث، ظهر اتجاه جديد: "nanoart" (nanoart) - نوع من الفن المرتبط بإبداع الفنان منحوتات (تركيبات) ذات أحجام صغيرة ونانو (10 −6 و 10 −9 م، على التوالي) تحت تأثير العمليات الكيميائية أو الفيزيائية لمعالجة المواد وتصوير الصور النانوية الناتجة باستخدام المجهر الإلكتروني ومعالجة الصور بالأبيض والأسود في محرر الرسومات.
في العمل الشهير للكاتب الروسي ن. ليسكوف "ليفتي" (1881) هناك جزء مثير للاهتمام: "إذا كان هناك مجهر أفضل يكبر خمسة ملايين، فسوف تكرم". يقول: "أن نرى اسم الحرفي معروضًا على كل حدوة حصان: أي معلم روسي صنع تلك الحدوة". يتم توفير التكبير بمقدار 5,000,000 مرة بواسطة مجاهر الإلكترون والقوة الذرية الحديثة، والتي تعتبر الأدوات الرئيسية لتقنية النانو. وهكذا يمكن اعتبار البطل الأدبي ليفتي أول «عالم تكنولوجيا النانو» في التاريخ.
إن الأفكار التي قدمها فاينمان في محاضرته التي ألقاها عام 1959 تحت عنوان "هناك مساحة كبيرة بالأسفل" حول كيفية إنشاء واستخدام أدوات المعالجة النانوية تتطابق تقريبًا نصًا مع قصة الخيال العلمي "ميكرووركي" للكاتب السوفييتي الشهير بوريس زيتكوف، والتي نُشرت عام 1931. تم وصف بعض العواقب السلبية للتطور غير المنضبط لتكنولوجيا النانو في أعمال M. Crichton ("السرب")، S. Lem ("التفتيش في الموقع" و"السلام على الأرض")، S. Lukyanenko ("لا شيء يجب يقسم").
الشخصية الرئيسية في رواية "Transman" التي كتبها يو. نيكيتينا هي رئيس شركة تكنولوجيا النانو وأول شخص يختبر تأثيرات الروبوتات النانوية الطبية.
في سلسلة الخيال العلمي Stargate SG-1 وStargate Atlantis، بعض السباقات الأكثر تقدمًا من الناحية التكنولوجية هما سباقان من "النسخ المتماثلة"، والتي نشأت نتيجة لتجارب غير ناجحة باستخدام ووصف التطبيقات المختلفة لتقنية النانو. في فيلم The Day the Earth Stood Still، بطولة كيانو ريفز، تحكم حضارة فضائية على البشرية بالموت وتكاد تدمر كل شيء على الكوكب بمساعدة حشرات نانوية ذاتية التكاثر تلتهم كل شيء في طريقها.
المنهج الدراسي
| الجريدة رقم. | المواد التعليمية |
| 17 | محاضرة رقم 1.ما هو مخفي وراء البادئة "نانو"؟ علم النانو وكيمياء النانو. تأثير الأبعاد. تصنيف الأجسام النانوية.(إريمين ف.ف.، دروزدوف أ.أ.) |
| 18 | محاضرة رقم 2.طرق تصنيع وبحث الجسيمات النانوية. تصنيف طرق تصنيع الجسيمات النانوية. الطرق الكيميائية للتوليف ("من الأسفل إلى الأعلى"). طرق التصور والبحث عن الجسيمات النانوية.(إريمين ف.ف.، دروزدوف أ.أ.) |
| 19 | محاضرة رقم 3.تكنولوجيا النانو. البحوث الأساسية والتطبيقية: العلاقة بين علم النانو وتكنولوجيا النانو. أجهزة النانو الميكانيكية. المواد النانوية المغناطيسية. تكنولوجيا النانو في الطب. تطوير تكنولوجيا النانو.(إريمين ف.ف.، دروزدوف أ.أ.) الاختبار رقم 1(تاريخ الاستحقاق: 25 نوفمبر 2009) |
| 20 | محاضرة رقم 4.المواد النانوية الكربونية. الأشكال المتآصلة للكربون هي "النانو" و"غير النانو". الماس النانوي. الفوليرين ومشتقاته. الأنابيب النانوية تصنيفها وخصائصها. الخصائص العامة لأشكال الكربون النانوية.(إريمين ف.ف.) |
| 21 | محاضرة رقم 5.المواد النانوية للطاقة. مصادر الطاقة التقليدية والبديلة. المواد النانوية في خلايا الوقود. المواد النانوية لتخزين الهيدروجين.(إريمين ف.ف.) |
| 22 | محاضرة رقم 6.التحفيز النانوي. الخصائص العامة للمحفزات. تصنيف التفاعلات التحفيزية. مبادئ الامتثال الهيكلي والطاقة. الحفز على الجسيمات النانوية والزيوليت.(إريمين ف.ف.) الاختبار رقم 2(تاريخ الاستحقاق: 30 ديسمبر 2009) |
| 23 | محاضرة رقم 7.كيمياء النانو في مشاكل الأولمبياد. 1. مهام بسيطة. طرق إنتاج الجسيمات النانوية. هيكل الجسيمات النانوية. خصائص الجسيمات النانوية.(إريمين ف.ف.) |
| 24 | محاضرة رقم 8.كيمياء النانو في مشاكل الأولمبياد. 2. المهام المجمعة المعقدة. (إريمين ف.ف.) |
| العمل النهائي. يجب إرسال تقرير موجز عن العمل النهائي، مصحوبًا بشهادة من المؤسسة التعليمية، إلى الجامعة التربوية في موعد أقصاه 28 فبراير 2010. (سيتم نشر المزيد من التفاصيل حول العمل النهائي بعد المحاضرة رقم 8). |
|
في فييريمين،
أدروزدوف
تم نشر المقال بدعم من شركة Mozhe لتوزيع المنتجات. منذ أكثر من 50 عامًا، تنتج شركة Mozhe Product Distribution مستحضرات للحقن المجهري في جذوع الأشجار، وأسمدة للأشجار، ومنتجات للوقاية من آفات الأشجار وعلاجها. وهذا يساهم في مقاومة الشجرة للإصابة والظروف المعاكسة. قم بزيارة الموقع الرسمي للشركة http://mauget.ru واكتشف المزيد.
محاضرة رقم 3
تكنولوجيا النانو
البحوث الأساسية والتطبيقية: العلاقة بين علم النانو وتكنولوجيا النانو
يمكن مقارنة طرق إنتاج الجسيمات النانوية التي اقترحها الفيزيائيون والكيميائيون (انظر المحاضرة رقم 2) بالطرق المعملية لإنتاج الأمونيا أو حمض الكبريتيك. من الواضح أن التصنيع يفرض تحديات واسعة النطاق على العلماء والتقنيين. لنأخذ كمثال جهازًا نانويًا لاسلكيًا ينبعث منه الضوء. وتتكون من أنحف طبقة من أشباه الموصلات - نيتريد الغاليوم - بسمك 3 نانومتر فقط، أي. تتكون من اثنتي عشرة طبقة ذرية فقط. يتم تطبيق النانوسفير فوقه - جزيئات الفوليرين المعدلة، والتي، قبول الإلكترونات، تنبعث منها الضوء. المهمة الكيميائية الأولية هي الحصول على المواد في الحالة النانوية، لكن المهمة التكنولوجية أكثر صعوبة بكثير - تشكيلها بحيث يتم الحصول على الجهاز ويعمل هذا الجهاز.
في عملية تطوير أفكارنا حول عالم النانو، مر مفهوم تكنولوجيا النانو بالعديد من التغييرات. تم استخدام مصطلح "تقنية النانو" لأول مرة في عام 1974 من قبل المهندس الياباني نوريو تانيجوتشي، الذي عرفها بأنها "تقنية إنتاج تسمح للمرء بتحقيق دقة عالية جدًا وأبعاد صغيرة جدًا... في حدود 1 نانومتر".
وتحت تأثير العالم الأمريكي كي.إي. دريكسلر، تم إدخال تكنولوجيا النانو في الثمانينيات والتسعينيات. بدأ يطلق عليه إنشاء أجهزة مختلفة من جزيئات فردية. تم وصف آفاق تكنولوجيا النانو، على سبيل المثال، على أنها روبوتات نانوية صغيرة مستقلة يتم إطلاقها في الجسم البشري، وتطفو عبر الجهاز الدوري، وتكتشف الأعضاء المريضة ثم "تصلحها". وفي الوقت نفسه، كان يُنظر إلى تكنولوجيا النانو على أنها مجال من مجالات العلوم. ومع ذلك، فإن تعريف تكنولوجيا النانو الذي قدمه أ. فرانكس في عام 1987 أصبح أقرب إلى الحقيقة: "إن تكنولوجيا النانو هي إنتاجبأبعاد ودقة تتراوح بين 0.1-100 نانومتر.
في الواقع، بينما تم إنشاء "الآلات الجزيئية" لدريكسلر باستخدام الصيغ والمحاكاة الحاسوبية، كان هناك تحسن مطرد في التقنيات التقليدية، والتي، بسبب زيادة خصائص الدقة، دخلت مجال تكنولوجيا النانو. يتجلى هذا بشكل واضح في تطوير الإلكترونيات الدقيقة: يتم بالفعل إنتاج الدوائر الدقيقة بدقة أقل من نانومتر، والأبعاد المميزة للعناصر الإلكترونية النشطة التي تقل عن 100 نانومتر. كانت التقنيات الإلكترونية الدقيقة أيضًا بمثابة الأساس لإنشاء الأجهزة الكهروميكانيكية الدقيقة، والتي تجاوزت متطلبات دقة تصنيعها بشكل كبير عتبة 100 نانومتر. لذلك، في السنوات الأخيرة، يرتبط مصطلح "تقنية النانو" في المقام الأول بالتطبيق العملي لأشياء العالم النانوي.
تم تقديم تعريف واضح لتكنولوجيا النانو من قبل شركة Rosnanotech الحكومية، التي تمول مشاريع مبتكرة في مجال تكنولوجيا النانو*:
تقنية النانو هي مجموعة من الأساليب والتقنيات المستخدمة في دراسة وتصميم وإنتاج واستخدام الهياكل والأجهزة والأنظمة، بما في ذلك التحكم المستهدف وتعديل شكل وحجم وتكامل وتفاعل العناصر النانوية المكونة لها (1-100 نانومتر). للحصول على أشياء ذات خصائص كيميائية وفيزيائية وبيولوجية جديدة.
هناك العديد من التعبيرات الرئيسية في هذا التعريف الطويل. أولا، يتم تحديد حجم العناصر النانوية - من 1 إلى 100 نانومتر في بعد واحد على الأقل. ثانيًا، تم التأكيد على أن هذه العناصر النانوية يجب أن توفر خصائص جديدة مقارنةً بالأشياء التي تتكون من الطور البلاعم لمادة لها نفس التركيبة. في الواقع، تحتوي أي مادة على بنى نانوية، لكنها لا تحدد دائمًا خصائص المادة. على سبيل المثال، يتجاوز حجم خلايا وحدة بلورات الفوليرين 1 نانومتر، وتوجد مجموعات بحجم النانومتر في تركيبة الماء السائل العادي؛ لكن مسحوق الفوليرين والماء لا يتم تصنيفهما ضمن عناصر تكنولوجيا النانو.
ثالثا، يعكس التعريف طبيعة متعددة التخصصاتتكنولوجيا النانو - تشارك في تطويرها جميع العلوم الطبيعية الأساسية، وكذلك الرياضيات وتكنولوجيا المعلومات. يتم نقل المحتوى العلمي لتقنية النانو من خلال كلمة "دراسة". جميع التقنيات الحالية، و"النانو" ليست استثناء، تعتمد على إنجازات العلوم الأساسية.
وأخيرا، يحدد التعريف أهداف تكنولوجيا النانو - تصميم وإنتاج واستخدام الهياكل النانوية. الكلمة الرئيسية في تحديد الهدف هي الكلمة الأخيرة، "الاستخدام". الهدف الرئيسي لتكنولوجيا النانو، مثل أي تكنولوجيا أخرى، هو إنتاج السلع والحصول على فائض القيمة، وبالتالي يتم تحديد حالة تكنولوجيا النانو وتطويرها من خلال آليات السوق. في سياق تكنولوجيا النانو، غالبا ما تستخدم كلمة "الابتكار" وتعني اكتشافا علميا يصل إلى مستوى الاستخدام العملي. يشتمل مسار الابتكار على عدد من المراحل (الرسم البياني).
مخطط
وتغطي تكنولوجيا النانو، من حيث المبدأ، كافة مراحل هذه السلسلة، وبذلك تجمع بين الجوانب العلمية والإنتاجية والاقتصادية للنشاط.
ما هي إنجازات علم النانو التي وجدت تطبيقها بالفعل أو تعد بالقيام بذلك في المستقبل القريب؟ دعونا نلقي نظرة على بعض الأمثلة من مجالات العلوم المختلفة.
أجهزة النانو الميكانيكية
أحد الأسس العلمية لتقنية النانو هو ميكانيكا النانو، دراسة الخواص الميكانيكية للأنظمة النانوية. للتحكم في خصائص العالم النانوي، يجب على المرء أولاً إتقان الحركة الميكانيكية وتعلم التحكم في حركات الجسيمات النانوية الفردية - الانتقالية أو الدورانية. من بين المشاكل الأكثر إثارة للاهتمام في ميكانيكا النانو هو الخلق محركات النانو– الأجهزة القادرة على تحويل الطاقة الحرارية أو الكهربائية أو الضوئية إلى حركة. اسم آخر لهذه الأجهزة هو المحركات(من الانجليزية يمثل- يمثل). توجد مثل هذه المحركات أيضًا في الطبيعة، وتستخدمها بعض البكتيريا للتحرك. يتم ربط سوط مصغر بالخلية البكتيرية، حيث تعمل اهتزازاتها على تحريك الكائنات الحية الدقيقة. "عمود" هذا المحرك عبارة عن جزيء بروتين، و"الوقود" هو أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP).
أبسط محرك نانو صناعي يعمل تحت تأثير الاختلافات في درجات الحرارة. وهو يتألف من أنبوب نانوي أسطواني طويل، يوضع عليه أنبوب نانوي أقصر مجوف (الشكل 1). يتم تجميع كلا الأنابيب النانوية من ذرات الكربون. يمكن للأنبوب الثاني أن يتحرك بالنسبة إلى الأول تحت تأثير اختلاف درجة الحرارة - من الحافة الأكثر دفئًا للأنبوب الأول إلى الأنبوب الأكثر برودة، ويمكن التحكم في سعة الحركة بدقة قطر ذرة واحدة. علاوة على ذلك، يمكن ربط "ثقل" بأنبوب نانوي متحرك وبالتالي تحويل هذا الجهاز الميكانيكي إلى ناقل نانوي. تتم الحركة في هذا النظام بسبب اهتزازات الذرات في الأنبوب النانوي الأول (الثابت).
فيما يلي مثال لمشغل اصطناعي يحول الطاقة الضوئية إلى عمل ميكانيكي. يعتمد عملها على قدرة الآزوبنزين على الأيزومر تحت تأثير الضوء. عند تعرضه للأشعة فوق البنفسجية، يتحول الأيزومر العابر إلى شكل رابطة الدول المستقلة، ويحدث التفاعل العكسي عند تسخينه أو تعريضه للضوء المرئي (الأزرق):
أثناء عملية الأيزومرية، يدور جزء من الجزيء بالنسبة للجزء الآخر، ويتم تنفيذ عمل ميكانيكي يمكن استخدامه في محرك النانو.
ابتكر علماء أمريكيون محركًا نانويًا من جزيء DNA صغير (31 زوجًا من النيوكليوتيدات)، ترتبط به عدة جزيئات من الآزوبنزين. عند تجميعه، يشبه هذا الهيكل دبوس الشعر (الشكل 2، أ). تحت الأشعة فوق البنفسجية، ينفتح "دبوس الشعر" نتيجة لايزومرات الآزوبنزين (الشكل 2، ب)، وتحت تأثير الضوء المرئي يحدث التحول العكسي - يتم تجميع "دبوس الشعر". عند تجميعه، حجم هذا المحرك النانوي ( ل 1) يتراوح من 2 إلى 5 نانومتر، وفي الفتح ( ل 2) – 10-12 نانومتر. كفاءتها، أي. تصل درجة تحويل الطاقة الضوئية إلى 40-50٪. يعمل المحرك النانوي بشكل عكسي، في ظل ظروف معتدلة، ولا ينتج عنه أي نفايات.
لمراقبة تقدم التفاعل، تم ربط جزيئين بنهايات سلسلة النوكليوتيدات - أحدهما (ملصق الفلورسنت) قادر على انبعاث الضوء عند تشعيعه، والآخر (مخمد الفلورسنت) يمنع هذه العملية. عندما تكون مغلقة، يكون المخمد والملصق قريبين من بعضهما البعض، لذلك لا يحدث أي تألق. عندما يتم فتح الهيكل، يتحرك المخمد والملصق بعيدًا عن بعضهما ولا يتفاعلان مع بعضهما البعض، مما يؤدي إلى التألق.
ابتكر علماء أمريكيون نموذجًا نانويًا لمحرك كهربائي حقيقي. وهو يتألف من صفيحة ذهبية صغيرة موضوعة على "نانوفال" - وهو أنبوب نانوي كربوني. هذا النظام بأكمله محاط بأقطاب كهربائية. عندما يتم تطبيق جهد كهربائي متناوب عليهم، تبدأ اللوحة في الدوران - يتم تحويل الطاقة الكهرومغناطيسية إلى عمل ميكانيكي.
ويمكن أيضًا تحقيق الحركة الميكانيكية باستخدام الطاقة الكيميائية. ويستند عمل المحرك النانوي التحفيزي، الذي تم إنشاؤه في عام 2004، على هذا. وتتكون من قضبان أسطوانية تحتوي على قطع من البلاتين والذهب بطول 1 ميكرون وقطر 370 نانومتر (الشكل 3، انظر ص. 8). الوقود هو بيروكسيد الهيدروجين، والذي يتحلل في وجود البلاتين إلى الأكسجين والماء. يخلق الغاز المنطلق ضغطًا زائدًا، مما يضمن حركة انتقالية للقضبان بسرعة تصل إلى 20 ميكرومتر/ثانية.
ابتكر العلماء أيضًا نموذجًا أوليًا جزيئيًا للمركبة القمرية - وهو جزيء قادر على التحرك بشكل مستقيم على سطح مستو. الاسم الكيميائي لهذا المركب هو 9،10-ديثيوانثراسين:
يحتوي جزيئه على ذرتين من الكبريت تبرزان من العمود الفقري الدوري وتعملان بمثابة "أرجل". معظم الجزيئات الأخرى تتحرك بشكل عشوائي عبر السطح، أي. في اتجاه تعسفي، وهذا الجزيء استثناء. تعمل ذرتان من الكبريت مثل الأرجل، حيث تتخطاهما بالتناوب وتحرك الجزيء على طول الركيزة على طول خط مستقيم (الشكل 4) دون تغيير اتجاهه. يمكن استخدام مثل هذه "الجزيئات المتحركة" لإنشاء أجهزة جديدة لتخزين البيانات الجزيئية ذات سعة عالية للغاية. ولكن يمكن استخدامها أيضًا لنقل المواد - فقد تمكن العلماء من تحميل جزيء متحرك عن طريق ربط جزيئين من ثاني أكسيد الكربون به.
في الآونة الأخيرة، تم إنشاء "أجهزة ذاتية الدفع"، والتي تشبه بشكل غامض السيارات. يعمل الجزيء العضوي كجسم للسيارة، ويعمل الفوليرين C 60 كعجلات (الشكل 5). عرض مثل هذه "النانوكار" أكبر قليلاً من سمك جزيء الحمض النووي. مقطع عرضي من شعرة الإنسان يتسع لحوالي 20 ألف سيارة نانوية! وباستخدام المجهر الماسح، أثبت العلماء بدقة أن السيارات النانوية لا تمشي، بل تتدحرج على طول السطح بسبب دوران عجلات الفوليرين. الآن يتم تحريكها عن طريق تسخين صفيحة ذهبية تلعب دور الطريق. ومع ذلك، فإن هذا غير مريح - لأن التدفئة تجعل جميع السيارات تتحرك في وقت واحد. ويعمل العلماء حاليًا على إنشاء هوائيات تسمح للآلات باستقبال الطاقة الضوئية من الخارج.
تم أيضًا إنشاء آلات ذات محرك يشبه مبدأ تشغيله البواخر ذات المجداف. يتم لعب دور العجلة الدوارة، التي تعمل كمحرك، بواسطة جزيء كاربوران، يشبه الكرة ذات الشفرات. يمكن لمثل هذا المحرك "الشفري" أن يدور في اتجاه واحد فقط - ولا تسمح الجزيئات "بالحركة العكسية".
حاليًا، يتم تجميع هذه الأجهزة تقريبًا "يدويًا". ولهذا الغرض، يتم استخدام إبرة مجهر القوة الذرية في أغلب الأحيان. لذلك، خطوة بخطوة، جزيءًا بعد جزيء، يقوم العلماء بإنشاء هياكل نانوية مثيرة للاهتمام ومفيدة.
المواد النانوية المغناطيسية
هناك تطبيق آخر مهم للجسيمات النانوية يتعلق بظاهرة المغناطيسية. دعونا نتذكر كيفية تقسيم المواد حسب خواصها المغناطيسية.
الجسيمات التي لا تحتوي على إلكترونات غير متزاوجة تشكل مواد ليس لها عزم مغناطيسي خاص بها. يتم ممغنطتها فقط تحت تأثير مجال مغناطيسي خارجي. عندما يتم إدخال مثل هذه المادة في مجال مغناطيسي، في كل من ذراتها، بسبب قانون الحث الكهرومغناطيسي، تنشأ تيارات دائرية مستحثة - الحركة الدائرية للإلكترونات حول اتجاه المجال المغناطيسي. ويؤدي ذلك إلى ظهور عزم مغناطيسي مستحث في كل ذرة، موجه نحو المجال المغناطيسي الخارجي. تم استدعاء الظاهرة الموصوفة نفاذية مغناطيسيةوالمواد الممغنطة بهذه الطريقة هي المواد المغناطيسية. عند إدخالها في مجال مغناطيسي، يتم توجيه مادة مغناطيسية عموديًا على خطوط المجال، مما يؤدي إلى طردها من المجال المغناطيسي غير المتجانس.
الذرات التي تحتوي على إلكترونات غير متزاوجة لها عزم مغناطيسي خاص بها. يتم ممغنطة المواد التي تحتوي على مثل هذه الذرات تحت تأثير مجال مغناطيسي خارجي ويتم سحبها إليه. هذه الخاصية تسمى بارامغناطيسيةوالمواد - ممغنطيسي. الجسيمات التي تُبنى منها المغانط البارامغناطيسية (الذرات، الجزيئات، الأيونات) لها عزم مغناطيسي خاص بها، ولكن في غياب مجال خارجي، يتم توجيه عزوم الجسيمات الفردية بشكل عشوائي، بحيث يكون مجموعها صفرًا. في المجال الخارجي، يتم ترتيب العزوم المغناطيسية لذرات المواد البارامغناطيسية وتوجيهها في الغالب على طول المجال. وهذا يخلق لحظة مغناطيسية إجمالية صغيرة في المادة.
في بعض المواد والمواد، مثل الحديد، يتم توجيه العزوم المغناطيسية للذرات الفردية في نفس الاتجاه حتى في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي. هذه الخاصية تسمى المغناطيسية الحديديةوالمواد - مغناطيسات حديدية. تنجذب إلى المغناطيس الدائم ولها مغنطة تلقائية. وتشمل هذه بعض المعادن (الحديد، الكوبالت، النيكل، الجادولينيوم)، والسبائك، والمركبات بين الفلزات (Fe 3 Al، Ni 3 Mn)، وكذلك الأكاسيد (المغنتيت Fe 3 O 4). تختفي الخصائص المغناطيسية الحديدية للمادة عند تسخينها إلى درجة حرارة معينة تسمى درجة حرارة كوري. بالنسبة للحديد 770 درجة مئوية، للنيكل - 358 درجة مئوية. عند درجات الحرارة المنخفضة، تظهر بعض الأملاح والمركبات المعقدة أيضًا مغناطيسية حديدية. يتم الحصول على أقوى المغناطيس الدائم عن طريق دمج الحديد والنيوديميوم والبورون. يتم استخدامها في المحركات الكهربائية والمولدات وأجهزة الاستشعار المختلفة.
في السنوات الأخيرة، بدلًا من المغناطيسات الضخمة التي يتم إنتاجها عن طريق الضغط أو التلبيد، غالبًا ما يتم استخدام البلاستيدات المغناطيسية، وهي عبارة عن خليط من المسحوق المغناطيسي ومادة رابطة البوليمر. كل من يستخدم وسائل النقل العام على دراية بالشرائط البلاستيكية المرنة المطبقة على التذكرة، والمغطاة بطبقة مغناطيسية رقيقة من المغنتيت أو الفريت. هذه الأشرطة ممغنطة مسبقًا، مما يحولها إلى حامل للمعلومات، والتي يتم قراءتها بواسطة المدقق. تُستخدم المواد المغناطيسية أيضًا لتخزين المعلومات في عناصر ذاكرة الكمبيوتر. الآلية الأساسية لتخزين المعلومات هي مغنطة مساحة صغيرة من المادة المغناطيسية تسمى البت في اتجاه محدد. عادة ما يتم التعبير عن كمية المعلومات المخزنة بالبايت؛ البايت الواحد يسمح لك بتخزين 8 بتات من المعلومات.
مع كثافة تخزين معلومات تبلغ 1 جيجابت (أي مليار بت) لكل بوصة مربعة (1 بوصة = 2.54 سم، 1 بوصة 2 = 6.45 سم 2)، تشغل البتة الواحدة مساحة طولها 45 نانومتر وعرضها 1 ميكرون. ولزيادة كثافة تسجيل المعلومات، من الضروري إنتاج مساحيق مغناطيسية نانوية الحجم، أي. تتكون من جزيئات نانوية. يجب أن يكون كل جسيم (مجال) في إحدى الحالتين (يطلق عليهما "منطقي 0" و"منطقي 1")، وتحت تأثير خارجي، يتحول من حالة إلى أخرى. تشكل المجالات الفردية، التي تتفاعل مع بعضها البعض، بنية تعمل كحارس للمعلومات.
كلما صغر حجم الجسيمات المغناطيسية، زادت كثافة المعلومات التي يمكن تحقيقها. تم الآن إنشاء أقراص ذات كثافة تسجيل تزيد عن 20 جيجابت لكل بوصة مربعة. ويتيح لك ذلك تخزين حوالي 27 جيجابايت من البيانات على قرص صلب مقاس 3.5 بوصة، وهو ما يزيد عن 25 ألف كتاب بحجم الجيب أو 20 فيلمًا مسجلاً بجودة عالية. أصبح هذا النجاح ممكنًا بفضل استخدام الحبيبات النانوية المغناطيسية لسبائك الحديد والبلاتين. وللحصول عليها، تم تسخين مركبات الحديد والبلاتين في وجود عامل اختزال. ولتثبيت الجسيمات النانوية الناتجة، تم استخدام مادة خافضة للتوتر السطحي (حمض الأوليك). تم امتصاص جزيئات حمض الأوليك على سطح الجسيمات النانوية للسبائك، مما منعها من الالتصاق ببعضها البعض وتشكيل مجاميع أكبر. تم تطبيق محلول يحتوي على جسيمات نانوية على الركيزة وتبخر. في هذه الحالة، تم تشكيل طبقة رقيقة تتكون من جسيمات نانوية فردية على الركيزة. تم تسخينه لتصلبه. يبلغ حجم الجسيمات النانوية المصنوعة من السبائك التي تشكل الفيلم ثلاثة نانومترات فقط!
هناك نوع خاص من المواد النانوية المغناطيسية عبارة عن مواد مسامية مغناطيسية، توجد في فراغاتها جسيمات نانوية مغناطيسية. على سبيل المثال سيكون فيريتين– بروتين خاص مسؤول عن تخزين الحديد في الجسم. جزيء الفيريتين له شكل كرة يبلغ قطرها 12 نانومتر، ويتكون من 24 وحدة فرعية - شظايا بولي ببتيد (الشكل 6). يوجد داخل الكرة تجويف يبلغ قطره 8 نانومتر مملوء بالجسيمات النانوية من أوكسوهيدروكسيد الحديد FeOOH. يحتوي جزيء واحد من الفيريتين على أكثر من 4000 ذرة حديد في تجويفه. الفيريتين هو مخزن عالمي للحديد في الجسم. إذا لزم الأمر، من خلال المسام الموجودة داخل غلاف البروتين، تخرج جزيئات أوكسوهيدروكسيد الحديد النانوية بقياس 5 نانومتر وتدخل الدم. يتم إنفاقها على تخليق الهيموجلوبين. لم يتم بعد إثبات كيفية "معرفة" الفيريتين بالحاجة إلى إطلاق الحديد في الدم. يعمل العلماء على إنشاء مواد نانوية اصطناعية تكون فيها جزيئات أوكسوهيدروكسيد الحديد أو المغنتيت جزءًا من مصفوفة مسامية. سنتحدث عن احتمالات استخدام الجسيمات المغناطيسية الحديدية في الطب في القسم التالي.
 |
أرز. 6. الفريتين |
بين المواد النانوية الحديدية المغناطيسية، يحتل مكانا خاصا السوائل المغناطيسية. هل يمكن جذب السائل بالمغناطيس؟ للوهلة الأولى يبدو الأمر كذلك. بعد كل شيء، فقط بعض المعادن ومركباتها تمتلك المغناطيسية الحديدية، وكلها مواد صلبة في درجة حرارة الغرفة. ومع ذلك، السوائل المغناطيسية موجودة. فقط أنها ليست مواد فردية، ولكن المحاليل الغروية التي يتم فيها توزيع الجزيئات المغناطيسية بالتساوي في الطور السائل. عادةً ما يتم استخدام جزيئات الحديديت Fe 3 O 4 النانوية أو الفريت. ولكي لا يستقروا في القاع، يتم ربط جزيئات الفاعل بالسطح بهم. تختلف أحجام الجسيمات الغروية بشكل كبير - من خمسة إلى عشرات الآلاف من النانومترات. يتم استخدام الماء والإيثانول، وكذلك المذيبات غير القطبية - الهيدروكربونات والسيليكون - كمرحلة سائلة عند إنشاء السوائل المغناطيسية. تظل السوائل المغناطيسية مستقرة لعدة سنوات. ليس لديهم خصائص مغناطيسية جيدة فحسب، بل لديهم أيضًا سيولة عالية.
يتم بالفعل استخدام السوائل المغناطيسية في التكنولوجيا. وبمساعدتهم، من الممكن تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. إذا تم وضع أمبولة تحتوي على سائل مغناطيسي داخل ملف تحريضي متصل بمكثف، فسيتم خلط السائل مع كل اهتزاز للأمبولة، وستكون جزيئاته موجودة على طول المجال المغناطيسي. يمكن أن تكون الطاقة المنطلقة في هذه الحالة كافية لتشغيل راديو صغير أو ساعة جيب. يُقترح إنشاء أجهزة تعتمد على هذا المبدأ، والتي تحول طاقة قطرات المطر إلى تيار كهربائي. وإذا تم وضع السائل المغناطيسي عبر قنوات خاصة محفورة في الأرض، فإن جزيئاته ستتجه تحت تأثير المجال المغناطيسي للأرض، ومن ثم تعطي هذه الطاقة للملف. هذه هي الطريقة التي يتم بها تحويل طاقة المجال المغناطيسي للأرض إلى طاقة كهربائية. وقد تم بالفعل استخدام هذه الأنظمة بنجاح لتزويد المنازل الريفية الفردية بالكهرباء.
لتحضير السائل المغناطيسي، من الضروري الحصول على جزيئات نانوية أو دقيقة من المادة المغناطيسية التي تشكله. يتم استخدام كل من الطرق الفيزيائية (طحن المعادن أو تبخرها بالليزر) والطرق الكيميائية للحصول عليها. من الممكن في مختبر المدرسة تصنيع سائل مغناطيسي، وهو عبارة عن محلول غرواني من المغنتيت في الماء. صحيح أن حجم جزيئات المغنتيت التي تم الحصول عليها بهذه الطريقة يبلغ حوالي ميكرون واحد، أي. 1000 نانومتر.
خبرة مختبرية. تحضير وخصائص السائل المغناطيسي – المحلول الغروي للماجنتيت Fe3O4 في الماء.
امزج 3 مل من محلول كبريتات الحديد (II) 5% الطازج و 4 مل من محلول كبريتات الحديد (III) 5%. أضف إلى الخليط الناتج بضع قطرات من محلول أوليات الصوديوم (أو أي مادة خافضة للتوتر السطحي، مثل قطرة من منظف فيري)، ثم أضف محلول الأمونيا المائي. ضع القارورة بالمحلول الغروي الناتج على مغناطيس دائم (من الأفضل أن تأخذ مغناطيسًا حلقيًا من مكبر الصوت)، واتركه لعدة ساعات، ثم صفي الطبقة العليا، مع الاحتفاظ بالكتلة السميكة بمغناطيس. الكتلة الناتجة هي سائل مغناطيسي. صب طبقة رقيقة من السائل المغناطيسي في كوب مسطح وأمسك المغناطيس بالقرب منه بحيث تدخل الخطوط المغناطيسية عموديًا فيه. يغير السائل شكله، ويصبح مغطى بـ "مسامير" تذكرنا بأشواك القنفذ. اغمس المغناطيس الدائم في السائل. ماذا يحدث له؟ هل هو يغرق؟ عند إجراء التجارب حاول ألا تهز السائل المغناطيسي ولا تتركه بالقرب من المغناطيس لفترة طويلة.
تكنولوجيا النانو في الطب
إحدى المهام الرئيسية التي حلتها البشرية طوال تاريخها تقريبًا هي تحسين نوعية الحياة. يلعب الطب دورًا حاسمًا هنا.
في كتابه "محركات الخلق"، تنبأ سي إي دريكسلر بأن تكنولوجيا النانو ستؤدي إلى اكتشافات أساسية وتغييرات جذرية في الطب. مع ملاحظة أن أطباء القرن العشرين. يعتمد الجراحون بشكل أساسي على الجراحة والأدوية، حيث كتب دريكسلر: "من خياطة الجروح وبتر الأعضاء، انتقل الجراحون إلى مستوى أعلى - تعلموا استعادة وظائف القلب وإعادة ربط الأطراف. وباستخدام المجاهر والأدوات الدقيقة الدقيقة، يقومون بتوصيل الأوعية الدموية الدقيقة والأعصاب. ولكن حتى أمهر الجراحين المجهريين لا يمكنهم قطع وخياطة هياكل الأنسجة الدقيقة. إن المباضع ومواد الخياطة الحديثة خشنة جدًا بحيث لا يمكن إجراؤها على الشعيرات الدموية والخلايا والجزيئات... من وجهة نظر الخلية، حتى العملية الجراحية الأكثر حساسية، والتي يتم إجراؤها بمهارة وأرقى الأدوات، هي عمل جزار. لا يمكن الشفاء إلا من خلال قدرة الخلايا على التخلص من الخلايا الميتة وإعادة تجميع صفوفها والتكاثر. العلاج الدوائي، على عكس الجراحة، يتعامل مع الهياكل الدقيقة في الخلايا. جزيئات الدواء هي آلات جزيئية بسيطة. إنها تؤثر على جزيئات محددة في الخلايا... ومع ذلك، فإن عمل جزيئات الدواء غير موجه... وعلى الرغم من أن جزيئات الدواء تؤثر على الأنسجة على المستوى الجزيئي، إلا أنها بدائية للغاية بحيث لا يمكنها الإحساس والتخطيط والتصرف من تلقاء نفسها. الآلات الجزيئية التي تسيطر عليها أجهزة الكمبيوتر النانوية ستفتح إمكانيات جديدة للأطباء. وهي أنظمة تجمع بين أجهزة الاستشعار والبرامج والأدوات الجزيئية التي يمكنها فحص و"إصلاح" المكونات الأولية لخلايا معينة. ومع ظهورها، ستنتقل الجراحة إلى المجال الجزيئي. إذا حدثت قفزة نوعية في تطوير المجمعات [الجزيئية] في غضون عشرة إلى خمسة عشر عامًا، فيمكننا بحلول عام 2020 أن نتوقع ظهور مجال جديد تمامًا – طب النانو.
في الوقت الحاضر، يُفهم طب النانو بشكل متواضع على أنه "استخدام الجزيئات الكبيرة والجسيمات النانوية لتشخيص الأمراض وعلاجها، فضلاً عن ترميم الأنسجة التالفة"**. ومع ذلك، فمن المتوقع أنه في المستقبل، يمكن لطب النانو أن يوفر مراقبة شاملة ومراقبة وبناء وترميم وحماية وتحسين جميع النظم البيولوجية البشرية على المستوى الجزيئي باستخدام الأجهزة التقنية النانوية والهياكل النانوية.
في القرن ال 21 سوف يقوم طب النانو بتزويد الطبيب بأحدث الوسائل التقنية. سوف يسهلون ويسرعون إجراءات العلاج ويزيدون بشكل كبير من كفاءتها وفعاليتها ودقتها. ومع ذلك، ستظل الممارسة السريرية كلاسيكية بطبيعتها. وكما في السابق، ستتكون من ست مراحل تقليدية:
استطلاع؛
التشخيص.
تنبؤ بالمناخ؛
العلاج (العلاج)؛
تقييم فعالية العلاج.
وقاية.
حتى الآن، كان لطب النانو التأثير الأكبر على تشخيص وعلاج بعض الأمراض.
في العقود الأخيرة، أصبحت أدوات التشخيص الأكثر أهمية الرنين المغناطيسيو الاشعة المقطعية. تساعد تقنية النانو على زيادة عتبة الحساسية لهذه الطرق بشكل كبير، لتصل إلى المستوى الخلوي أو حتى تحت الخلوي، ونتيجة لذلك، يتم اكتشاف المرض في مراحله المبكرة. وبالتالي، من خلال إدخال جزيئات الحديد المغناطيسية النانوية في الدم، والتي، بسبب حجمها، تتحرك بحرية عبر الدورة الدموية والجهاز اللمفاوي، من الممكن اكتشاف المناطق التي تعاني من ضعف تدفق الدم، مثل النقائل، باستخدام الرنين المغناطيسي.
جوهر هذه الطريقة هو كما يلي: يتم حقن جزيئات الحديد النانوية عن طريق الوريد في الجسم، ويتفاعل الجسم مع وجودها كجسم غريب، وتحاول الخلايا البلعمية (خلايا الجهاز المناعي) "أكلها". في هذه الحالة، في جوهرها، يتم تمييز البلاعم بالحديد. بعد ذلك، تنتشر البلاعم عبر الجهاز اللمفاوي، وتدخل مجرى الدم إلى الوريد الوداجي، ومن هناك إلى النقيلة (الشكل 7)، حيث توجد. عيب هذه الطريقة هو أنها غير محددة، حيث أن البلاعم، كوسيلة لحماية الجسم، يمكن أن تتراكم ليس فقط في النقائل والأورام، ولكن أيضًا في أي بؤرة التهابية.
|
أرز. 7. الكشف عن ورم خبيث
|
جزيئات أخرى، على سبيل المثال. النقاط الكمومية، يمكن أن تتراكم في الأورام الخبيثة. عند تشعيعها، تبدأ النقاط الكمومية في التوهج - فهي تتألق، وبفضل ذلك يمكن اكتشافها حتى في التركيزات المنخفضة جدًا. إن الاستخدام الواسع النطاق للنقاط الكمومية يعوقه سميتها، ولكن في السنوات الأخيرة تعلم العلماء كيفية تطبيق طبقات واقية عليها دون أن تفقد خصائصها الفلورية.
في مجال العلاج، يكمن الوعد الأكبر لطب النانو في توصيل الأدوية. وهذا ينطبق في المقام الأول على الأدوية المضادة للأورام. بالنسبة لبعض أنواع السرطان، تم بالفعل إنشاء تقنيات لتوصيل الأدوية التقليدية في كبسولات نانوية مباشرة إلى الخلايا السرطانية. الجيل الجديد من الأدوية التي يتم تطويرها حاليًا سوف يخترق الخلايا المصابة مباشرة ويدمرها.
اقترح باحثون من كوريا الجنوبية طريقة لاكتشاف الخلايا السرطانية وتدميرها باستخدام جزيئات الذهب النانوية المجوفة. وتلتصق الأجسام المضادة بسطح الجسيمات النانوية، مما يسمح لها بالالتصاق بالخلايا السرطانية. كما أنها تحتوي على الجادولينيوم، الذي يعمل كعامل تباين للتصوير بالرنين المغناطيسي ويسمح برؤية الخلايا المصابة. عندما يتم تشعيع الجسيمات النانوية بالليزر بالأشعة تحت الحمراء، فإنها تسخن، وتدمر الحرارة الخلايا السرطانية المحيطة. لا تحتوي هذه الهياكل النانوية على مساوئ عوامل التباين التقليدية القائمة على أكسيد الحديد. ويؤدي الحديد إلى تداخل وتأثيرات تباين سلبية مما يؤدي إلى أخطاء في التشخيص. يوفر تصميم الجسيمات النانوية الذهبية إشارة أكثر وضوحًا وتشخيصًا أكثر دقة.
يمكن أن تكون الطريقة الجديدة فعالة في مرحلة مبكرة من المرض، لأنها، على عكس العلاج الكيميائي، الذي يؤثر على الجسم بأكمله، تنطوي على معالجة مناطق فردية.
هناك نهج واعد آخر يعتمد على استخدام جسيمات نانوية فوق جزيئية مصممة خصيصًا، والتي يكون جوهرها هو dendrimers– جزيئات كبيرة متفرعة للغاية تحتوي على عدد كبير من المجموعات الوظيفية النشطة على السطح الخارجي (الشكل 8، انظر ص. 14).
وترتبط جزيئات حمض الفوليك ببعض هذه المجموعات. ترتبط الخلايا السرطانية بحمض الفوليك بشكل أقوى بكثير من الخلايا السليمة. ومع المجموعات الوظيفية الأخرى للتغصن، ترتبط جزيئات مادة مضادة للورم، وعندما تمتص الخلية المصابة التغصن مع حمض الفوليك، فإنها تأخذ أيضًا عقارًا قاتلًا لنفسها. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا وضع الدواء، كما هو الحال في الكبسولة، في الفراغ بين سلاسل Dendrimer (ما يسمى بالمجال الداخلي). بمجرد دخول جزيء التشعب إلى الورم، يغير شكل السلاسل، ويتم إطلاق الدواء. أظهرت التجارب على الفئران أن استخدام هذه الأدوية فوق الجزيئية أكثر فعالية من العلاج الكيميائي التقليدي. ستبدأ التجارب السريرية على البشر قريبًا، ومن المتوقع أن يتم استخدام الدواء على نطاق واسع في موعد لا يتجاوز 10 سنوات من الآن.
لا تزال إنجازات طب النانو متواضعة إلى حد كبير. ومع ذلك، فإن الاستثمارات الضخمة في هذا المجال الواعد ستؤدي حتما إلى حقيقة أنه في غضون بضعة عقود سيكون من المستحيل تصور الطب دون تكنولوجيا النانو كما هو الحال الآن دون اختبارات الدم أو أجهزة الأشعة السينية.
تطور تكنولوجيا النانو
لقد قمنا بمراجعة نتائج جزء صغير فقط من الأبحاث في مجال علم النانو وتكنولوجيا النانو. وستتم مناقشة بعض الإنجازات الأخرى المرتبطة ارتباطًا وثيقًا بكيمياء النانو في المحاضرات اللاحقة. يتزايد عدد الأعمال في مجال “النانو” بشكل حاد كل عام. العديد من المشاريع لديها أساس حقيقي، على سبيل المثال، محرك هيدروجين فعال، وأنظمة للكشف عن الأورام الخبيثة، وأجهزة تخزين ذات كثافة تسجيل عالية للغاية. أما البعض الآخر، مثل المصعد الفضائي أو الروبوتات النانوية الطبية، فهي أكثر خيالية ومن المرجح أن تظل غير محققة. ومع ذلك، لا يزال المجتمع يعلق آمالا كبيرة على تكنولوجيا النانو فيما يتعلق بإيجاد مصادر جديدة للطاقة، وتلبية الاحتياجات من المياه النظيفة والهواء، وتحسين الصحة وزيادة متوسط العمر المتوقع، وتطوير تكنولوجيا المعلومات.
إن اعتماد رد فعل المجتمع على ظهور التقنيات الجديدة في الوقت المحدد هو نفسه دائمًا: يتم استبدال النمو السريع للتوقعات غير المبررة بنفس خيبة الأمل السريعة، تليها فترة طويلة من الاستقرار والعمل المنهجي والتطور التطوري (الشكل 9) . في الوقت الحالي، نحن نقترب من ذروة التوقعات غير المعقولة، على الرغم من أنه ليس من الواضح على أي جانب - اليسار أو اليمين.
سيتم تحديد آفاق تطوير تكنولوجيا النانو من خلال العديد من العوامل، والتي من المستحيل التنبؤ بتأثيرها الإجمالي. ومع ذلك، فإن بعض التصريحات المتعلقة بمستقبل تكنولوجيا النانو تبدو غير مثيرة للجدل.
1. حجم المعرفة في علم النانو يتزايد باستمرار. يمكن تحويل جزء صغير من هذه المعرفة إلى تكنولوجيا، والباقي يمثل إنجازات العلوم الأساسية.
2. يتم تحديد النمو الاقتصادي والتطور التكنولوجي في المقام الأول من خلال التعليم باعتباره عملية اكتساب المعرفة وتطبيقها في مختلف المجالات.
3. تعتمد تقنية النانو على العلوم الطبيعية: الفيزياء والكيمياء والأحياء والرياضيات. ولذلك فإن تطور تكنولوجيا النانو سيتطلب من المجتمع نشر ودعم طريقة التفكير العلمي الطبيعي. وهذا سيؤثر على نظام التعليم ويؤدي إلى تقليص دور العلوم الإنسانية، التي تهيمن في المجتمع الحديث على العلوم الطبيعية.
نحن، كمدرسين للكيمياء، نريد حقًا أن نأمل في زيادة دور تخصصنا العلمي في المجتمع بشكل عام وفي المدرسة بشكل خاص. تعد تقنية النانو بالمساعدة في هذا الأمر.
أسئلة
1. اشرح الفرق بين علم النانو وتكنولوجيا النانو.
2. ما هي المراحل التي تشملها سلسلة الابتكار؟
3. ما الذي يمكن أن يكون بمثابة مصدر للطاقة للمحركات النانوية؟
4. أعط مثالاً لمحرك النانو الطبيعي.
5. وصف تصميم محرك النانو الذي يحول الطاقة الضوئية إلى عمل ميكانيكي.
6. ما الذي يجعل سيارة النانو تتحرك عبر السطح؟
7. اختر من المواد المذكورة أدناه: أ) المواد المغناطيسية؛ ب) المواد الممغنطة. ج) المغناطيسات الحديدية.
الأكسجين، الحديد، الصوديوم، أول أكسيد الكربون (IV)، الألومنيوم، أكسيد الحديد (II، III).
8. ما هو الفيريتين؟ ما هو الدور الذي تلعبه في الجسم؟
9. تعريف طب النانو.
10. ما هي، في رأيك، ميزة الطب النانوي مقارنة بالطب التقليدي؟
11. هل تؤمن بمستقبل تكنولوجيا النانو؟
الأدب
1. تانيجوتشي ن.حول المفهوم الأساسي لتقنية النانو. بروك. ICPE طوكيو، 1974، ضد. 2، ص. 18-23.
2. دريكسلر ك.. الهندسة الجزيئية: نهج لتطوير القدرات العامة للتلاعب الجزيئي. بروك. ناتل. أكاد. الخيال العلمي. الولايات المتحدة الأمريكية، 1981، ق. 78، رقم 9، ص. 5275-5278.
3. فرانكس أ. تكنولوجيا النانو. جي فيز. ه: العلوم. الوسيلة.، 1987، ضد. 20، ص. 1442-1451.
13. يونج تايك ليم ه. أ.الهياكل النانوية الذهبية المغنطيسية للتصوير الحيوي المزدوج والعلاج الضوئي للخلايا السرطانية. الكيمياء. كوميون، 2008، ص. 4930.
** تعريف من المعاهد الوطنية الأمريكية للصحة (NIH).
*** الجزيء الفوقي هو جسيم مركب (جزيء فائق) يتم تجميعه من جزيئات فردية بسبب ضعف التفاعلات غير التساهمية.