النانوتكنولوجي آخر صيحة في مضمار العلم الحديث

شكة النبأ:

ربما ستحدث ثورة في طريق البشرية مستقبلا على الصعيد العلمي، هذا ما يتوقعه العلماء بالنسبة لاكتشاف الجيل الجديد من الابتكارات الحديثة المتمثلة بالنانوتكنولوجي، وهي عملية خلق المواد والمنتجات ذات الحجم الجزيئي.

(شبكة النبأ) في سياق التقرير التالي تعرض على القارئ الكريم آخر المستجدات والمكتشفات من البحوث العلمية التي من شأنها ان تدفع بالنمو العلمي البشري إلى الأمام:

الجيل الجديد من الابتكارات

تُبشر الإمكانيات المُذهلة للنانوتكنولوجي، وهي العملية العلمية التي تخلق المواد والمنتجات ذات الحجم الجزيئي أو حتى الحجم الذري، بإحداث ثورة في طريقة حياة البشر مستقبلاً. ويتطلب العمل على هذا النطاق المتناهي الصغر، حيث وحدة القياس الأساسية هي النانومتر، التي تبلغ جزءا واحدا من بليون من المتر من حيث حجمها، تقنيات إبداعية لخلق، ومعالجة، وإنتاج مواد لا يمكن رؤيتها إلاّ عبر أجهزة خاصة مثل المجهر الالكتروني. بحسب تقرير واشنطن.

دومنيك ديباسكال، الكاتب في موقع أميركا دوت غوف حاليا، عمل سابقاً لمدة 27 سنة في السلك الخارجي لدى وكالة الإعلام الأميركية ووزارة الخارجية الاميركية في غانا وكينيا والبرازيل والبوسنة وسنغافورة وسلوفينيا. فيما يلي بعض المقتطفات من مقال، إنه فعلاً عالم صغير، صغير جداً الذي نُشر في المجلة الالكترونية يو إس أي في العدد الذي كان موضوعه الشيء الجديد التالي.

ففي مجال الفضاء ظل وزن وقود الصاروخ اللازم لرفع حمولة إلى مدار الأرض، أو إلى مكان أبعد من ذلك، يُقيّد بشكل أساسي عملية الطيران في الفضاء منذ انبثاق عصر الفضاء قبل نصف قرن. وتبشر الآن الأبحاث في تقنيتين جديدتين ثوريتين تستخدمان تكنولوجيا النانو بالنجاح في التغلب على هذه العقبة، وإن كان تطبيقها العملي لن يتم إلاّ في المستقبل البعيد.

للوهلة الأولى، تبدو فكرة مصعد الفضاء، أو جهاز يستطيع فعلياً رفع حمولة إلى مسافة 35 ألف كيلومتر في الفضاء عبر مطوّل أو كابل يمتد من سطح الأرض إلى قمر صناعي يدور في مدار جغرافي ثابت، وكأنها من عالم الخيال، والروايات العلمية الخيالية أكثر مما تنتمي إلى العلم الحقيقي. فالصعوبات التقنية التي تواجه إنشاء مثل هذا المصعد الفضائي ستكون هائلة، وليس أقلها الحاجة إلى صنع كابل بالغ المتانة بهذا الطول الكبير والقوة العظيمة.

ولربما انطوت النانوتكنولوجي على المفتاح لتحويل هذا المفهوم إلى حقيقة. ويعكف البحاثة حالياً على دراسة إمكانية استخدام أنابيب الكربون النانوية، أي الهيكليات التي لا يزيد قطرها عن بضع نانومترات لكن طولها يبلغ عدة ألاف من النانوميتر لبناء هذا الكابل. ولأن ذرات الكربون التي يتشكل منها الأنبوب النانوي تمارس ضغطاً قويا للغاية على بعضها البعض، فإن الأنبوب النانوي يكون أقوى من الفولاذ بمئة مرة. وتبقى هناك طبعاً، صعوبات هندسية وعلمية هائلة لإنشاء أي كابل كهذا من الأنابيب النانوية، لكن التقدم يتواصل.

اما في مجال الطب حيث يمكن لتطبيقات تكنولوجيا النانو في الطب الاحيائي التي يتم تطويرها حالياً، أن تُشكِّل فاتحة أسلوب جديد تماماً لتشخيص ومكافحة الأمراض. ويكمن المفتاح في حجم الجزيئات النانوية الصغير إلى حد لا يصدق، إلى حد يكفي لتسللها إلى داخل البكتيريا أو حتى الفيروسات ثم مهاجمة هذه الأجسام من الداخل.

ويدرس الآن العلماء في مختبر لورنس ليفرمور، القريب من سان فرانسيسكو، كيفية إنشاء جزيئات ذات حجم نانوي تعرف باسمها المصغر "شالز" (جزيئات اصطناعية عالية التآلف) مصممة حسب الطلب لتلتصق بموقع مُحدّد على سطح خلية بشرية. ومع أن جزيئات الشالز اعتبرت في أول الأمر أداة دفاع ضد "الإرهاب البيولوجي" يمكنها اكتشاف وإبطال مفعول مسببات الأمراض القاتلة مثل الانتراكس، إلا أن علماء الكيمياء الحيوية في مختبر لورنس ليفرمور وفي مركز ديفز للسرطان في جامعة كاليفورنيا، سرعان ما استنبطوا لها استخداماً طبياً أوسع بكثير.

ويأمل العلماء من التمكن، من خلال صنع شالزات مصممة بشكل محدد للالتصاق بمواقع المتقبلات الفريدة القائمة على سطح بروتينات خلية سرطانية، من استعمال سلاح جديد في المعركة ضد السرطان. وستقوم الشالزات، عندما يتم دمجها بنظير إشعاعي أو دواء لعلاج السرطان، ليس فقط بالعثور على الخلايا السرطانية والالتصاق بها وإنما أيضاً بتدمير هذه الخلايا المستهدفة عن طريق إطلاق مقاتلات المرض هذه مباشرة داخل الورم الخبيث. ويتم حالياً إجراء التجارب للتحقق من إمكانية استخدام الشالزات كعلاج لسرطان البروستات والورم الليمفاوي غير هدجكن (سرطان غير هدجكن اللمفاوي).

وعلى صعيد علم البيئة كثيراً ما تكمن فائدة النانوتكنولوجي في كون المواد، على مستوى المقياس النانوي، يمكن أن تتسم بخصائص فيزيائية/أو كيميائية تختلف كثيراً عن الخصائص التي تمتلكها نفس المواد عندما تكون بحجم أكبر. كما يوفر هذا الحجم الذري للنانو تكنولوجيا في حد ذاته إمكانيات فريدة. ويدرس العلماء حالياً ما إذا كان بالامكان استخدام ميزات المقياس النانوي هذه لإيجاد بيئة صحية أكثر.

إن مياه الشرب في العديد من أنحاء العالم ملوثة بمواد سامة بما فيها المعادن مثل الزرنيخ، ولا تتطلب إزالة هذه الملوثات من الماء معدات متطورة جداً وحسب بل وأيضاً مصدر طاقة ثابت لتشغيل هذه المعدات. وقد يكون كلاهما غير متوفر بصورة كافية في معظم بلدان العالم النامي. ويدرس البحاثة في جامعة رايس مقاربة لا تتطلب تكنولوجيا متقدمة لحل هذه المشكلة مستخدمين بلورات نانوية من المغنيتيت، أو حجر المغنطيس، وهو مركب من الحديد والأكسجين قادر على امتصاص الزرنيخ.

فعندما تضاف بلورات المغنيتيت النانوية هذه إلى محلول من المياه الملوثة بالزرنيخ، تتحد مع الزرنيخ. ومن ثم يقوم مغنطيس بسيط بدفع البلورات النانوية المكسوة بالزرنيخ إلى قعر المحلول حيث يمكن استخراجها منه لاحقاً. وتكمن الفائدة التي تتميز بها هذه التقنية في كونها تعمل بواسطة مغنطيس عادي، من النوع الذي يستخدم كل يوم، في حين أن الجزيئات الكبيرة من المغنيتيت، تتطلب مغنطيسات أقوى بكثير. وتوفر هذه البحوث مقاربة بسيطة جديدة لتأمين مياه شرب نقية لسكان المناطق النائية.

وفي مجال الطاقة أدى تضافر عدة عوامل، مثل الضغط الذي يمارسه النمو المتواصل لسكان العالم والنمو الاقتصادي على الإمدادات التقليدية للوقود الاحفوري والهواجس بشأن الاحتباس الحراري العالمي والازدياد الحاد في سعر النفط، إلى جعل تطوير مصادر بديلة للطاقة أمراً يزداد أهمية يوماً بعد يوم. وتوفر الأبحاث الأميركية الحالية في النانوتكنولوجي دلائل مثيرة للاهتمام يمكن أن تُحدث ثورة في مجال استخراج الطاقة من مصادر نظيفة ومتجددة، وعلى الأخص الشمسية منها.

فعلى سبيل المثال، استطاع العلماء في جامعة هارفرد تطوير خلايا شمسية من "أسلاك نانوية" يبلغ قطرها 300 نانوميتر فقط. وكما جاء في مجلة "أم آي تي تكنولوجي رفيو"، تملك الخلية الشمسية هذه نواة من السليكون البلوري وعدة طبقات متمركزة من السليكون ذات خصائص الكترونية مختلفة، وتؤدي كل طبقة نفس الوظيفة التي تؤديها الطبقات شبه الموصلة في الخلايا الشمسية التقليدية عندما تمتص النور وتلتقط الالكترونات لتوليد الكهرباء. وفي حين انه قد يتم استخدام هذه الخلايا الشمسية المجهرية في بداية الأمر لتزويد أجهزة نانوية أخرى بالطاقة، ربما أصبح من الممكن ربطها معاً بإعداد كبيرة في ما بعد لتحل محل اللوحات الشمسية المستخدمة اليوم. غير أن العقبات التي تقف في طريق تسويق هذه التكنولوجيا لا تزال ماثلة. ويتعين على البحاثة تطوير طرق لإنتاج هذه الأسلاك النانوية الشمسية بكميات أكبر مما هي الحال اليوم، وتحسين مستوى فعاليتها الحالي (أقل من خُمس إنتاج الألواح الشمسية التقليدية) في تحويل أشعة الشمس إلى كهرباء.

متحف الابتكارات التكنولوجية والمهندسون الشباب

كان جرّ المياه من مستوى منخفض إلى مستوى أعلى، من مجرى النهر في الوادي إلى القرية في الأعالي، يُمثِّل أحد أهم التحديات التكنولوجية للبشر منذ القدم كما في العصر الحديث.

وفي حين لم تكن توّكل هذه المشكلة التكنولوجية الحرجة في العادة إلى الشباب، منذ أكثر من 20 سنة، إلاّ أن متحف الابتكارات التكنولوجية، المعروف باسم "ذي تك" في سان هوزيه بولاية كاليفورنيا، طرح هذه التحديات التكنولوجية الهندسية الهامة وقد دعى فرقاً من الشباب ليجدوا حلولاً لها.

في العام 2007، قام حوالي 155 فريقاً من الأولاد في ولاية كاليفورنيا، من طلاب الصف السادس حتى الصف الثاني عشر، بتصميم وبناء عربة جوّالة غير مأهولة لكوكب المريخ، استطاعت ان تهبط من ارتفاع 3.7 أمتار في حفرة مارشيان، كما لو أنها هبطت من الفضاء، ومن ثم تسلقت بنجاح جدار الحفرة البالغ ارتفاعه 1.8 أمتار. بحسب موقع أميركا دوت غوف.

في هذا العام، انخرط 230 فريقاً، بعضهم من أماكن بعيدة مثل الهند، وأكثر من 900 طالب من الصف الخامس حتى الثاني عشر، في التحدي لتصميم جهاز بسيط لجرّ المياه من مجرى نهر إلى قرية قائمة على تلة من دون استخدام الطاقة الكهربائية.

هدفنا في متحف التكنولوجيا هو إلهام الحسّ بالابتكار لدى كل واحد، وفي نفس الوقت نشر الوعي وإيجاد الحلول لبعض التحديات الكبرى التي تواجه المجتمعات المحلية حول العالم"، كما قال بيتر فريس، رئيس متحف التكنولوجيا، عندما أعلن عن إطلاق التحدي الجديد في شهر تشرين الثاني/نوفمبر، 2007.

دارين يونغ، 15 عاماً، طالب في الصف العاشر في مدرسة كوبرتينو الثانوية، في كوبرتينو بولاية كاليفورنيا، كان يرغب بالتنافس في التحديات التي ينظمها متحف الابتكارات التكنولوجية منذ أن كان في المدرسة المتوسطة، لكنه لم يعثر على المجموعة المطلوبة من الطلاب. جيري لو، وهو طالب آخر في نفس الصف في نفس المدرسة، شكّل فريقاً مع دارن يونغ. وانضم إلى هذا الفريق تيموثي ماكسويل، وهو طالب آخر في نفس الصف وفي نفس الثانوية، بعد أن كانت قد بدأت عملية التصميم. قررنا جميعاً القيام بالعمل لمجرد التسلية (إضافة إلى حقوق التباهي)، قال أفراد فريق "المورتالز" (Mortals) أثناء مقابلة صحفية عبر البريد الإلكتروني.

أطلقوا على أنفسهم اسم المورتالز (الفانين) كدعابة. أردنا أن نكون كسولين وأن نظهر "بلباس" يتوافق مع اسم مجموعتنا، من دون أن نبذل الكثير من الجهد في التفتيش عن زيّنا الخاص أو في صنعه.

وتقوم معظم الفرق بتصميم أو صنع ملابسها أو قمصانها الرياضية بأنفسها. وحتى بظهوره في لباس "الفانين"، فقد فاز الفريق في مباريات 3 أيار/مايو بالمركز الأول في فئة الصف التاسع حتى الثاني عشر "لأفضل حل إجمالي"، وهذا يشمل أداء الجهاز، والعملية الهندسية، والأسلوب، وطريقة التقديم والعرض.

ولدى سؤال أفراد فريق المورتالز كيف توصلوا إلى الحل، أجابوا انهم بدأوا بمحاولة دمج كل أفكارهم الأولية في آلة واحدة. الآلة التي أنتجناها كان من المفترض أن تتضمن دولابين كاملين للمياه موصولين بسلسلة، بحيث تدور العجلة السفلى فتدير العجلة العليا التي ترفع المياه بواسطة دلاء وملفات. ثم انضم تيم ماكسويل إلى فريقنا، وقررنا تغيير التصميم. لم نكن منظمين كثيراً، لذلك كانت خطط تصميمنا تتغير بين يوم وآخر. كنا ننتقل بين التعديلات المختلفة التي أجريناها على آلتنا، إلى أن استقرينا أخيراً على التصميم الذي بنيناه.

أما النصيحة التي يقدمها إلى الفرق التي ستنخرط في التحدي التكنولوجي لأول مرة في المستقبل، فقد قال تيم: حاولوا إيجاد طالب أو اثنين ممن يريدون أن يصبحوا مهندسين لتشكيل فريقكم. لقد أحب (تيم) أن يصمم ويصنع الآلة، كما أحب أيضاً اللعب بالسلسلة الدوارة.

وأضاف تيم يقول، إن معرفة الفريق بتقنيات أشغال الخشب والعمل بأدوات البناء، خاصة المثقاب الكهربائي والمنشار الكهربائي، كانت مفيدة جداً.

التزموا بالأساسيات، أي الأفكار البسيطة، كما ينصح دراين: إن المخططات المعقدة سيكون تنفيذها معقداً، مما يؤدي إلى بناء ضعيف للآلة والتسرّع في العمل، خاصة عندما يكون الوقت ضيقاً.

ويقول جيري إن تشكيل الفريق أمر حاسم: حاول إيجاد مجموعة تعرف أنك ستعمل بشكل جيد معها.حاول أيضاً إيجاد مجموعة أشخاص يعرفون حقاً ماذا يفعلون، وليس أصدقاء يريدون تشكيل مجموعة لمجرد أنهم أصدقاء. وأخيراً، تأكد من أن أفراد مجموعتك مستعدون للعمل.

كانت التحديات التكنولوجية السابقة تبدأ في العادة بمثابة تصميم وبناء وتشغيل جهاز، إلا أن طبيعة المشكلة العملية المعينة يمكن أن تتغير بشكل كبير. وكانت بعض التحديات السابقة تتضمن: تعبئة أكياس الرمل لاستخدامها أثناء الفيضانات. واستخراج المياه من بحيرة وإمدادها لمكافحة حريق في موقع مرتفع. واستخراج عينة من شجرة استوائية من أعالي أغصان الغابة المطرية. وتصليح قمر صناعي هائم يدور ببطء في الفضاء.

وفي سؤال الصحفيين عن كم يبلغ الوقت المخصص للجهاز لينجز مهمته؟ أجاب بثلاث دقائق.

وأضاف، إنني استمتع كثيراً بيوم التحدي، عندما أستطيع التجول بين الفرق ورؤية مجموعة متنوعة من الحلول لمشكلة واحدة، قال ارثر هيكس، الذي درّب فرقاً متنافسة بدءاً بفريق ابنه وثم فريق ابنته. وأضاف، لطالما تأثرت بالحماس الخلاّق لدى الفرق المتنافسة.

كان هيكس يرى، عبر السنين الشبان الذين دربهم يختارون اختصاصات في الحقول العلمية والهندسية والتكنولوجية في الجامعات التي التحقوا بها.