الهندسة والآليات > كيف تعمل الأشياء
كيف تعمل تقنية النانو؟ ج1
النانو هو علم وهندسة وتقنية تحدث ضمن مجال أبعاد متناه في الصغر.
ما هو؟ كيف يعمل؟ مجالاته وتطبيقات؟ مستقبل التقنية ومخاطرها ...
أسئلة ندعوكم لقراءة إجاباتها في المقال المكون من جزئين تابعوا معنا الجزء الأول...
بدأ مقياس النانو متر يجذب الباحثين منذ فترة من الزمن، وللوصول لتخيل مدى صغر هذا المقياس لا بد من مقارنته بواحدات القياس الشهيرة وبعض الأشياء الصغيرة المحيطة بنا، فعلى سبيل المثال: كل 1 متر يكافئ مليار نانومتر، كل شعرة من رأس الإنسان أبعادها من مرتبة مئات الألوف من النانومتر، تبلغ أبعاد خلية كرية الدم الحمراء 2500 نانومتر.
وعلى الرغم من أن النانو يبدو للوهلة الأولى كأصغر واحدة قياس، إلا أننا يجب أن نوضح أن ذرة المادة أصغر، إذ يبلغ قطرها 0.1 نانومتر، في حين يبلغ قطر نواتها 0.0001 نانومتر. وبناءاً عليه تُعتَبر الذرة من الناحية العملية هي وحدات البناء الأساسية لجميع المواد في الكون، وبتراصف مجموعة من الذرات بجوار بعضها يمكن أن يتشكل أي شيء.
يبين البروفيسور هوريست شتورمر" Dr. Horst Störmer " الحائز على جائزة نوبل، أن مقياس النانومتر أكثر أهمية لنا من مقياس الذرة لأن مقياس النانومتر يعتبر نقطة البداية ولا يوجد تقنية تتيح البناء بدءاً من مستوى الذرة.
لمزيد من المعلومات عن تاريخ ونشأة التقانة النانوية ندعوكم لزيارة الرابط التالي:
عالم التقانة النانوية
يختلف العلماء أحياناً حول الأشياء التي يجب التعامل معها تحت مقياس النانو، ولكن بشكل عام يمكننا القول أن مقياس النانو يشمل كل شيء أبعاده بين 1 و100 نانومتر، فإذا زادت الأبعاد عن 100 نانومتر يتم اعتبارها تنتمي للمقياس الميكروي وإذا كانت أصغر من 1 نانومتر تعتبر منتمية للمقياس الذري.
تتضمن تكنولوجيا النانو عدة اختصاصات كعلم الأحياء والفيزياء والكيمياء والهندسة. حيث يأمل العلماء في تطوير لغة مشتركة بين هذه الاختصاصات للتواصل مع بعضها البعض، وذلك ليكون بإمكان المختص في مجال نانوي معين أن يمتلك قاعدة نظرية تمكنه من فهم هذه التقنية بشكل أفضل.
تعتبر مفاهيم ميكانيكا الكم في مجال النانو أحد أهم التحديات، حيث تختلف مبادئ ميكانيكا الكم هنا عن مبادئ الفيزياء التقليدية، مما يعني أن سلوك المواد في بعض الأحيان عند المستوى النانوي قد يتعارض مع الفرضيات المسلم بها مسبقاً لطريقة عملها، فعلى سبيل المثال:
• نظرية الانتقال الآني لجسم من مكان لآخر غير واردة حسب قوانين الفيزياء التقليدية، لكن وضمن الأبعاد النانوية يستطيع الالكترون فعل ذلك وهذا يسمى نفق الالكترون electron tunneling.
• المواد العازلة أيضاً لا تستطيع نقل الشحنة الكهربائية، ولكن تبين أنها قد تسلك سلوك أنصاف نواقل عند العمل على مقياس النانو.
• يمكن تغيير نقطة الذوبان عبر زيادة مساحة السطح.
وبالتالي تتطلب معظم العلوم النانوية أن ينسى المرء ما يعرفه ويبدأ بتعلم كل شيء من جديد.
يقوم العلماء حالياً بإجراء تجارب على المواد ضمن مقياس النانو للتعرف على خصائصها الجديدة، وكيف يمكن الاستفادة منها في التطبيقات المختلفة. حيث يحاول المهندسون استخدام أسلاك صغيرة جداً لإنتاج معالجات ميكروية أصغر وأكثر فعالية، بينما يبحث الأطباء عن طرق لاستخدام تقنية النانو في التطبيقات الطبية، ومع ذلك لا يزال هناك الكثير من العمل المطلوب لتتمكن التقانة النانوية من السيطرة على التكنولوجيا والأسواق الطبية.
لمزيد من المعلومات عن استخدام ألياف نانوية في عملية غسيل الكلى : هنا
لمزيد من المعلومات عن استخدام تقنيات نانوية في علاج السرطان :
الأسلاك وأنابيب الكربون النانوية Nanowires and Carbon Nanotubes
الأسلاك النانوية: هي أسلاك بقطر صغير جداً يصل في بعض الأحيان إلى واحد نانومتر. يأمل العلماء باستخدامها في تشكيل الترانزستورات الصغيرة جداً من أجل الشرائح الالكترونية في الكمبيوتر والأجهزة الالكترونية الأخرى.
أنابيب الكربون النانوية: هي أسطوانات صغيرة جداً من ذرات الكربون. لنتخيل ورقة من ذرات الكربون وهي تشبه ورقة سداسية، إذا قمنا بلف هذه الورقة بشكل أنبوب سنحصل على أنبوب كربون نانوي، وقد طغت الأنابيب النانوية على الأسلاك النانوية في السنتين الأخيرتين.
تعتمد خصائص الأنبوب على كيفية لف الورقة، بمعنى آخر، على الرغم من أن الأنابيب النانوية كلها مصنوعة من ذرات الكربون إلا أنها مختلفة الخصائص حسب ترتيب الذرات الفردية ومحاذاتها.
ومع الترتيب الصحيح للذرات يمكننا إنشاء أنبوب كربون نانوي أقوى بمئة مرة من أنبوب الفولاذ وأخف بحوالي ست مرات، ويخطط المهندسون لصنع أدوات تتكون من أنابيب الكربون مثل السيارات والطائرات، فالأجهزة الأخف تعني كفاءة أفضل في استهلاك الوقود، والقوة المضافة تعني سلامة ركاب أكثر.
يمكن استخدام الأنابيب الكربونية كأنصاف نواقل فعالة عند إعادة ترتيب ذراتها، ولايزال العلماء يعملون على إيجاد طرق تتيح المجال لاستخدام الأنابيب الكربونية في صنع الترانزستورات في المعالجات الميكروية وباقي الأجهزة الإلكترونية.
لكن ماهو المقصود بإعادة ترتيب الذرات؟
إن ترتيب الذرات يؤثر في خواص المادة، ولعل أبرز مثال هو الغرافيت والألماس، فكلا المادتين مكونتين من الكربون لكن لهما خواص مختلفة كلياً:
• الغرافيت ليِّن، الألماس قاسي.
• الغرافيت ناقل للكهرباء بينما الألماس عازل.
• الغرافيت مادة مُعتَمة بينما الألماس شفاف.
ويعود اختلاف الخواص هذا بين هاتين المادتين لاختلاف طريقة ارتباط ذرات الكربون مع بعضها في المستوى النانومتري.
المراجع:
في الجزء الثاني
مصدر الصور:
مصدر الإنفوغراف:
