عرض المشاركات
151
منتدى علم الفيزياء العام / التقنية النانوية Nanotechnology
« في: فبراير 06, 2006, 11:40:06 مساءاً »
التقنية النانُوِيّة (النانوتكنولوجي)
By:Kevin Bonsor
ترجمة: مَعين جنيد
في بداية القرن العشرين، بنى هنري فورد Henry Ford مصنعًا للسيارات على قطعة أرض تبلغ مساحتها 2000 هكتار على طول نهر الروج The Rouge River في متشيجان Michigan. و قد بُني هذا المصنع لغرض الإنتاج الواسع للناقلات بشكل أكثر كفاءة من ذي قبل، و قد حوى جميع المعدات و المرافق الخاصة بتطوير كل مرحلة من مراحل صنع السيارة، من ضمنها فرن صهر المعادن، و مصنع للفولاذ، و آخر للزجاج، و سكة حديدية، و سيور ناقلة طولها أكثر من 90 ميلا، و كل ذلك جعل من خط تجميع سيارات فورد قادرا على أن يعمل بكفاءة.
لقد اعتُبر أنموذج مصنع الروج الطريقة الأكثر فعالية للإنتاج في زمنٍ كان الأكبر فيه يعني الأفضل.
إن حجم مصنع فورد التجميعي قد يبدو غريبا لأولئك الذين نشؤوا في القرن الحادي و العشرين. فخلال الخمسون سنة القادمة، سوف تصغر الآلات بشكل سريع –إلى الحد الذي تملأ فيه آلاف منها المسافة المتبقية لنهاية هذه الجملة!-. خلال بضع عقود، سوف نستخدم هذه الآلات النانُوِيّة Nanomachines لصناعة السلع الاستهلاكية في المستوى الجزيئي، بإضافة ذرة واحدة إلى أخرى، أو جزيء واحد إلى آخر لإنشاء كرات القاعدة Baseballs، و الهواتف، و السيارات. و هذا هو هدف التقنية النانوية Nanotechnology. و كما قامت التلفزيونات و الطائرات و الكمبيوترات بترك ثورة في العالم في القرن الماضي، فإن العلماء يزعمون أن التقنية النانوية سوف تترك أثرا عميقا أكبر على القرن القادم.
إن التقنية النانوية هي مصطلح مطاطيّ، حيث تشمل عدة فروع من العلوم التي تتعامل مع الأشياء التي تقاس بالنانومتر. و النانومتر هو جزء من مليار من المتر (أو جزء من المليون من المليمتر). و في هذا الموضوع سوف نتعرف على كيفية صناعة المنتجات بواسطة التقنية النانوية، و ما هو وقع هذه التقنية على كثير من الصناعات في العقود القادمة.
#البناء بالذرات
الذرات هي اللبنات الأساس لكل المادة الموجودة في الكون. فنحن و كل شيء يحيط بنا مصنوع من الذرات. تتكون أجسامنا من ملايين الخلايا الحية التي جُمعت بأسلوب محدد، و الخلايا هي آلات نانوية طبيعية. و أمام البشرية الكثير من الأشياء ليتعلموها عن فكرة تركيب المواد في ذلك المستوى الصغير.
إن السلع الاستهلاكية التي نشتريها هي مصنوعة بواسطة حشر ركام من الذرات مع بعضها بشكل ضخم و بأسلوب غير دقيق. تخيل لو أننا استطعنا أن نتعامل مع كل ذرة بمفردها من شيء ما! هذه هي الفكرة الأساس للتقنية النانوية، و يعتقد كثير من العلماء أننا على بعد بضعة عقود منها.
إن التقنية النانوية هي علم هجين، يجمع بين الفيزياء و الهندسة و الكيمياء.
تلتصق الذرات و الجزيئات ببعضها لأن أشكال بعضها يكون متمما لأشكال الأخرى، أو بسبب الشحنات المتجاذبة، تماما كالمغناطيس. فالذرة الموجبة الشحنة تلتصق بالذرة السالبة الشحنة. فإذا جمعت ملايين من هذه الذرات إلى بعضها بواسطة آلات نانوية، سيبدأ منتج محدد بأخذ شكله الخاص. إن هدف التقنية النانوية هو التعامل مع الذرات بشكل مفرد و وضعها في شكل محدد لتنتج البنية التي نريدها.
هناك ثلاث متطلبات للوصول إلى سلعٍ نانوية الإنتاج:
1. لا بد أن يكون العلماء قادرين على معالجة الذرات بشكل مفرد. و هذا يعني أن عليهم أن يطوروا تقنيات تمكنهم من احتجاز الذرات و تحريكها إلى المواقع المرغوبة. في العام 1990م بين الباحثون في شركة IBM أن ذلك ممكنا، فقد وضعوا 35 ذرة زينون على سطح بلورة من النيكل، مستخدمين جهازَ مجهرِ القوة الذرية ليكتبوا حروف IBM كما هو مبين في الصورة التالية.
2. لا بد من تطوير آلات نانومترية تسمى مُجمِّعات Assemblers، حيث تبرمَج لتعالج الذرات و الجزيئات كذلك. إن مُجمِّعا واحدا لا يفي بالغرض لأنه قد يستغرق آلاف السنين لكي ينتج أي مادة ذرة بذرة، لذلك سوف نحتاج إلى ترليونات من المـُجمِّعات لتطوير المنتجات في وقت قياسي.
3. من أجل إنتاج مُجمِّعات كافية لصناعة السلع الاستهلاكية، فإن نوعا محددا من الآلات النانوية تسمى بالمـُستنسِخات Replicators لا بد أن تبرمَج لبناء المزيد المـُجمِّعات.
إن ترليونات من المـُجمِّعات و المـُستنسِخات قد تملأ ما هو أقل من الميليمتر المكعب، مع ذلك ستبقى صغيرة جدا بحيث لن نستطيع أن نراها بالعين المجردة. ستعمل المـُجمِّعات و المـُستنسِخات سوية كالأيدي لتـُنتج بشكل أوتوماتيكي منتجات مركبة. و ستحل محل طرق العمل التقليدية، فتقلل بشكل واسع من تكاليف التصنيع، و بذلك تصبح السلع الاستهلاكية أكثرة وفرة، و أرخص، و أقوى من ذي قبل.
و الآن سنعرف ما هو تأثير التقنية النانوية على مظاهر المجتمع، من لدن الطب إلى الكمبيوترات.
#ثورة صناعية جديدة
في العام 2000م طلبت الإدارة الأمريكية زيادة في الاستثمارات الحكومية في مجال أبحاث التقنية النانوية و تطويرها إلى 227 مليون دولار، و قد تضمن الطلب مبادرة أساس سميت بمبادرة التقنية النانوية الوطنية NNI. هذه المبادرة ضاعفت ميزانية الاستثمار في التقنية النانوية للعام 2000م. ليصبح إجمالي الميزانية الوطنية المستثمرة في التقنيات النانوية 497 مليون دولار للعام 2001م.
إن أغلب الأبحاث تتطلب أكثر من 20 سنة لتكتمل، و لكن العملية نفسها قد تُطلق ثورة صناعية جديدة. من المحتمل أن تغير التقنية النانوية طريقة عمل كل شيء تقريبا، بما في ذلك الطب، و الكمبيوترات، و السيارات، سواء في التصميم أو في التركيب. و ربما أنها ستظهر بشكل فاعل في أي وقت خلال الخمس عشرةَ سنة القادمة، لكننا لن نرى تغيرات جذرية في عالمنا فور ظهورها. دعنا الآن نلقي نظرة على التأثيرات المحتملة للتقنية النانوية:
1. ستكون أول المنتجات المصنوعة بالآلات النانوية هي الألياف Fibers حيث ستكون أقوى من ذي قبل، و في النهاية سنكون قادرين على مكاثرة (استنساخ) أي شيء، بما في ذلك الألماس، و الماء و الطعام! و قد يتم اجتثاث المجاعات بآلات تقوم بصنع الطعام لإطعام الجياع.
2. إن المقدرة على تقليص حجم الترانزستورات في المعالجات السيليكونية في الصناعة الكمبيوترية ستصل إلى أقصى حدودها قريبا. لذلك ستكون هناك حاجة ماسة للتقنية النانوية كي تنشئ جيلا جديدا من الكمبيوترات. فالكمبيوترات الجزيئية Molecular Computers يمكن أن تحتوي على أدوات تخزين Storage Devices قادرة على تخزين ترليوناتٍ من البايتات Bytes من المعلومات في بنيةٍ لها حجم مكعب السكر!
3. إن أكبر تأثير للتقنية النانوية سيكون في الصناعة الطبية. فالمريض سوف يتناول سائلا يحوي روبوتات نانوية Nanorobots مبرمجة للهجوم و لإعادة بناء البنية الجزيئية للخلايا السرطانية و الفيروسات، فتصبح غير ضارة. بل توجد توقعات أنه سيكون باستطاعة الروبوتات النانوية أن تبطئ من الشيخوخة، فيزداد متوسط العمر المتوقع بشكل كبير!! أيضا يمكن أن تبرمَج الروبوتات النانوية لتقوم بالعمليات الجراحية الحساسة، فإمكان الجراح النانويّ Nanosurgeons أن يعمل في مستوى أدق بآلاف المرات من أحد المشارط المعروفة، و بالعمل على هذا المستوى فإن الروبوت النانويّ سيعمل دون أن يترك أثرا لأي ندب كالتي تتركها الجراحات التقليدية. و بالإضافة إلى ما سبق، باستطاعة الروبوتات النانوية أن تغير مظهر الجسد، فيمكن أن تبرمَج الروبوتات النانوية للقيام بالعمليات التجميلية، فتعيد ترتيب ذرات الجسد لتغير شكل الأذن أو الأنف أو لون العين أو أي ملمح آخر نريد أن تغيره!!
4. للتقنية النانوية القدرة على التأثير في البيئة بشكل إيجابي، فعلى سبيل التمثيل، يمكن أن تبرمج الروبوتات النانوية المجوقلة (أي: المحمولة جوا) لتقوم بإعادة بناء الطبقة الخفيفة من الأوزون Ozone Layer. كذلك يمكن إزالة الملوِّثات من مصادر المياه، و يمكن تنظيف صفائح النفط الطافحة بشكل فوري. كما أن التلوث الناتج عن طريقة التصنيع المتبعة بواسطة التقنية النانوية (طريقة من القاع إلى القمة Bottom-Up Method) أقل بكثير من ذلك الناتج عن عملية التصنيع التقليدية. و سيقل اعتمادنا على مصادر الطاقة غير المتجددة بوجود التقنية النانوية، كما يمكن للآلات النانوية أن تنشئ لنا كثيرا من الموارد Resources، فتصبح عملية قطع الأشجار، و تعدين الفحم، أو التنقيب عن النفط ليست ذات أهمية! لأن الآلات النانوية يمكن أن تنشئ لنا الموارد.
إن الوعود التي تقدمها التقنية النانوية تبدو عظيمة، و تكاد أن تكون غير مصدقة، إلا أن الباحثين يقولون إننا سوف نصل إلى تلك الإمكانات خلال القرن القادم. في الحقيقة، إذا تم إدراك التقنية النانوية بحق، فإنها قد تكون أعظم إنجازًا حققته البشرية إلى الآن، و ستغير كل مظهر من مظاهر الحياة التي نعيشها بالكلية.
المصدر: http://www.makphys.com/nanotechnology.htm
By:Kevin Bonsor
ترجمة: مَعين جنيد
في بداية القرن العشرين، بنى هنري فورد Henry Ford مصنعًا للسيارات على قطعة أرض تبلغ مساحتها 2000 هكتار على طول نهر الروج The Rouge River في متشيجان Michigan. و قد بُني هذا المصنع لغرض الإنتاج الواسع للناقلات بشكل أكثر كفاءة من ذي قبل، و قد حوى جميع المعدات و المرافق الخاصة بتطوير كل مرحلة من مراحل صنع السيارة، من ضمنها فرن صهر المعادن، و مصنع للفولاذ، و آخر للزجاج، و سكة حديدية، و سيور ناقلة طولها أكثر من 90 ميلا، و كل ذلك جعل من خط تجميع سيارات فورد قادرا على أن يعمل بكفاءة.
لقد اعتُبر أنموذج مصنع الروج الطريقة الأكثر فعالية للإنتاج في زمنٍ كان الأكبر فيه يعني الأفضل.
إن حجم مصنع فورد التجميعي قد يبدو غريبا لأولئك الذين نشؤوا في القرن الحادي و العشرين. فخلال الخمسون سنة القادمة، سوف تصغر الآلات بشكل سريع –إلى الحد الذي تملأ فيه آلاف منها المسافة المتبقية لنهاية هذه الجملة!-. خلال بضع عقود، سوف نستخدم هذه الآلات النانُوِيّة Nanomachines لصناعة السلع الاستهلاكية في المستوى الجزيئي، بإضافة ذرة واحدة إلى أخرى، أو جزيء واحد إلى آخر لإنشاء كرات القاعدة Baseballs، و الهواتف، و السيارات. و هذا هو هدف التقنية النانوية Nanotechnology. و كما قامت التلفزيونات و الطائرات و الكمبيوترات بترك ثورة في العالم في القرن الماضي، فإن العلماء يزعمون أن التقنية النانوية سوف تترك أثرا عميقا أكبر على القرن القادم.
إن التقنية النانوية هي مصطلح مطاطيّ، حيث تشمل عدة فروع من العلوم التي تتعامل مع الأشياء التي تقاس بالنانومتر. و النانومتر هو جزء من مليار من المتر (أو جزء من المليون من المليمتر). و في هذا الموضوع سوف نتعرف على كيفية صناعة المنتجات بواسطة التقنية النانوية، و ما هو وقع هذه التقنية على كثير من الصناعات في العقود القادمة.
#البناء بالذرات
الذرات هي اللبنات الأساس لكل المادة الموجودة في الكون. فنحن و كل شيء يحيط بنا مصنوع من الذرات. تتكون أجسامنا من ملايين الخلايا الحية التي جُمعت بأسلوب محدد، و الخلايا هي آلات نانوية طبيعية. و أمام البشرية الكثير من الأشياء ليتعلموها عن فكرة تركيب المواد في ذلك المستوى الصغير.
إن السلع الاستهلاكية التي نشتريها هي مصنوعة بواسطة حشر ركام من الذرات مع بعضها بشكل ضخم و بأسلوب غير دقيق. تخيل لو أننا استطعنا أن نتعامل مع كل ذرة بمفردها من شيء ما! هذه هي الفكرة الأساس للتقنية النانوية، و يعتقد كثير من العلماء أننا على بعد بضعة عقود منها.
إن التقنية النانوية هي علم هجين، يجمع بين الفيزياء و الهندسة و الكيمياء.
تلتصق الذرات و الجزيئات ببعضها لأن أشكال بعضها يكون متمما لأشكال الأخرى، أو بسبب الشحنات المتجاذبة، تماما كالمغناطيس. فالذرة الموجبة الشحنة تلتصق بالذرة السالبة الشحنة. فإذا جمعت ملايين من هذه الذرات إلى بعضها بواسطة آلات نانوية، سيبدأ منتج محدد بأخذ شكله الخاص. إن هدف التقنية النانوية هو التعامل مع الذرات بشكل مفرد و وضعها في شكل محدد لتنتج البنية التي نريدها.
هناك ثلاث متطلبات للوصول إلى سلعٍ نانوية الإنتاج:
1. لا بد أن يكون العلماء قادرين على معالجة الذرات بشكل مفرد. و هذا يعني أن عليهم أن يطوروا تقنيات تمكنهم من احتجاز الذرات و تحريكها إلى المواقع المرغوبة. في العام 1990م بين الباحثون في شركة IBM أن ذلك ممكنا، فقد وضعوا 35 ذرة زينون على سطح بلورة من النيكل، مستخدمين جهازَ مجهرِ القوة الذرية ليكتبوا حروف IBM كما هو مبين في الصورة التالية.
2. لا بد من تطوير آلات نانومترية تسمى مُجمِّعات Assemblers، حيث تبرمَج لتعالج الذرات و الجزيئات كذلك. إن مُجمِّعا واحدا لا يفي بالغرض لأنه قد يستغرق آلاف السنين لكي ينتج أي مادة ذرة بذرة، لذلك سوف نحتاج إلى ترليونات من المـُجمِّعات لتطوير المنتجات في وقت قياسي.
3. من أجل إنتاج مُجمِّعات كافية لصناعة السلع الاستهلاكية، فإن نوعا محددا من الآلات النانوية تسمى بالمـُستنسِخات Replicators لا بد أن تبرمَج لبناء المزيد المـُجمِّعات.
إن ترليونات من المـُجمِّعات و المـُستنسِخات قد تملأ ما هو أقل من الميليمتر المكعب، مع ذلك ستبقى صغيرة جدا بحيث لن نستطيع أن نراها بالعين المجردة. ستعمل المـُجمِّعات و المـُستنسِخات سوية كالأيدي لتـُنتج بشكل أوتوماتيكي منتجات مركبة. و ستحل محل طرق العمل التقليدية، فتقلل بشكل واسع من تكاليف التصنيع، و بذلك تصبح السلع الاستهلاكية أكثرة وفرة، و أرخص، و أقوى من ذي قبل.
و الآن سنعرف ما هو تأثير التقنية النانوية على مظاهر المجتمع، من لدن الطب إلى الكمبيوترات.
#ثورة صناعية جديدة
في العام 2000م طلبت الإدارة الأمريكية زيادة في الاستثمارات الحكومية في مجال أبحاث التقنية النانوية و تطويرها إلى 227 مليون دولار، و قد تضمن الطلب مبادرة أساس سميت بمبادرة التقنية النانوية الوطنية NNI. هذه المبادرة ضاعفت ميزانية الاستثمار في التقنية النانوية للعام 2000م. ليصبح إجمالي الميزانية الوطنية المستثمرة في التقنيات النانوية 497 مليون دولار للعام 2001م.
إن أغلب الأبحاث تتطلب أكثر من 20 سنة لتكتمل، و لكن العملية نفسها قد تُطلق ثورة صناعية جديدة. من المحتمل أن تغير التقنية النانوية طريقة عمل كل شيء تقريبا، بما في ذلك الطب، و الكمبيوترات، و السيارات، سواء في التصميم أو في التركيب. و ربما أنها ستظهر بشكل فاعل في أي وقت خلال الخمس عشرةَ سنة القادمة، لكننا لن نرى تغيرات جذرية في عالمنا فور ظهورها. دعنا الآن نلقي نظرة على التأثيرات المحتملة للتقنية النانوية:
1. ستكون أول المنتجات المصنوعة بالآلات النانوية هي الألياف Fibers حيث ستكون أقوى من ذي قبل، و في النهاية سنكون قادرين على مكاثرة (استنساخ) أي شيء، بما في ذلك الألماس، و الماء و الطعام! و قد يتم اجتثاث المجاعات بآلات تقوم بصنع الطعام لإطعام الجياع.
2. إن المقدرة على تقليص حجم الترانزستورات في المعالجات السيليكونية في الصناعة الكمبيوترية ستصل إلى أقصى حدودها قريبا. لذلك ستكون هناك حاجة ماسة للتقنية النانوية كي تنشئ جيلا جديدا من الكمبيوترات. فالكمبيوترات الجزيئية Molecular Computers يمكن أن تحتوي على أدوات تخزين Storage Devices قادرة على تخزين ترليوناتٍ من البايتات Bytes من المعلومات في بنيةٍ لها حجم مكعب السكر!
3. إن أكبر تأثير للتقنية النانوية سيكون في الصناعة الطبية. فالمريض سوف يتناول سائلا يحوي روبوتات نانوية Nanorobots مبرمجة للهجوم و لإعادة بناء البنية الجزيئية للخلايا السرطانية و الفيروسات، فتصبح غير ضارة. بل توجد توقعات أنه سيكون باستطاعة الروبوتات النانوية أن تبطئ من الشيخوخة، فيزداد متوسط العمر المتوقع بشكل كبير!! أيضا يمكن أن تبرمَج الروبوتات النانوية لتقوم بالعمليات الجراحية الحساسة، فإمكان الجراح النانويّ Nanosurgeons أن يعمل في مستوى أدق بآلاف المرات من أحد المشارط المعروفة، و بالعمل على هذا المستوى فإن الروبوت النانويّ سيعمل دون أن يترك أثرا لأي ندب كالتي تتركها الجراحات التقليدية. و بالإضافة إلى ما سبق، باستطاعة الروبوتات النانوية أن تغير مظهر الجسد، فيمكن أن تبرمَج الروبوتات النانوية للقيام بالعمليات التجميلية، فتعيد ترتيب ذرات الجسد لتغير شكل الأذن أو الأنف أو لون العين أو أي ملمح آخر نريد أن تغيره!!
4. للتقنية النانوية القدرة على التأثير في البيئة بشكل إيجابي، فعلى سبيل التمثيل، يمكن أن تبرمج الروبوتات النانوية المجوقلة (أي: المحمولة جوا) لتقوم بإعادة بناء الطبقة الخفيفة من الأوزون Ozone Layer. كذلك يمكن إزالة الملوِّثات من مصادر المياه، و يمكن تنظيف صفائح النفط الطافحة بشكل فوري. كما أن التلوث الناتج عن طريقة التصنيع المتبعة بواسطة التقنية النانوية (طريقة من القاع إلى القمة Bottom-Up Method) أقل بكثير من ذلك الناتج عن عملية التصنيع التقليدية. و سيقل اعتمادنا على مصادر الطاقة غير المتجددة بوجود التقنية النانوية، كما يمكن للآلات النانوية أن تنشئ لنا كثيرا من الموارد Resources، فتصبح عملية قطع الأشجار، و تعدين الفحم، أو التنقيب عن النفط ليست ذات أهمية! لأن الآلات النانوية يمكن أن تنشئ لنا الموارد.
إن الوعود التي تقدمها التقنية النانوية تبدو عظيمة، و تكاد أن تكون غير مصدقة، إلا أن الباحثين يقولون إننا سوف نصل إلى تلك الإمكانات خلال القرن القادم. في الحقيقة، إذا تم إدراك التقنية النانوية بحق، فإنها قد تكون أعظم إنجازًا حققته البشرية إلى الآن، و ستغير كل مظهر من مظاهر الحياة التي نعيشها بالكلية.
المصدر: http://www.makphys.com/nanotechnology.htm
