ميزة صِغر الحجم: تكنولوجيا النانو

(١) ميزة الحجم الصغير

شكل ١٤-١: صورة من كتاب الدكتور سوس «عودة القط ذي القبَّعة!» (المصدر: كتب المبتدئين، توزيع راندوم هاوس، نيويورك، ١٩٥٨.)

ربما تتصوَّرين أنَّ قطط سوس الأصغر حجمًا ليست مُميَّزة — فأذرُعها الصغيرة وأرجلها القصيرة ستجعلها أبطأ وأضعف من القطط الأكبر حجمًا. ولكن كما يتَّضح من أحداث القصة، نجد أن هذه القطط الصغيرة لديها قُدرات لا تَملِكها القطط الكبيرة. فقد أتتْ لتُساعد الأطفال في القصة في تنظيف بُقعة وردية اللون تُغطِّي الجليد في الفناء الخلفي. فالقطط الصغيرة يُمكنها الدخول في أماكن لا تستطيع القطط الكبيرة الوصول إليها، ولكن الأهم من ذلك أنها تمتلِك مادة لا تُوجَد في عالم القطط الكبيرة:

في مُقرَّر منهج الكيمياء العضوية للسنة الثانية في الجامعة هذا العام، ستتعلَّمين طريقة صُنع مركبات مثل الأسبرين، رابطة تِلو الأخرى. ستجدين أنَّ أدوات الكيمياء دقيقة للغاية، ومع ذلك، فإن قُدرة الكيميائي على صُنع جُزيئات مثل الأسبرين لا تُمثِّل تكنولوجيا النانو. فلمعلوماتك أن تكنولوجيا النانو ليست في دِقَّة الكيمياء، و«الأتوما» التي تُحدِّد خواص المواد النانوية تكون أكبر قليلًا من الجُزيء.

(٢) إذن ما هي تكنولوجيا النانو؟

(٣) التمتُّع بالجفاف مع ثقوب النانو

شكل ١٤-٢: رسم تخطيطي لغشاء جور-تكس. الثقوب صغيرة للغاية لدرجة تمنع دخول قطرات المطر السائلة، لكنها كبيرة بدرجة كافية تَسمح بخروج جزيئات بخار الماء الفردية الناتجة من التعرُّق.

ظهر اختراع جور-تكس في عام ١٩٨٥؛ وفي رأيي هي تُمثِّل أول تطبيق تجاري واسع النطاق لتكنولوجيا النانو. إذن لماذا يَستغرِق ظهور تطبيقات أُخرى لتكنولوجيا النانو وقتًا طويلًا هكذا؟ ولماذا يبدو أن الجميع يُثير ضجة حولها الآن على عكس الحال منذ ٢٥ أو ٣٠ سنة مضَت؟ تُوجَد إجابة واحدة لكِلا هذين السؤالين؛ فقد أصبح الآن لدَينا مجموعة مُكتمِلة أكثر من الأدوات لبناء الهياكل النانوية واختبارها.

أكثر الأدوات أهميةً هي التي تعمل عند المستوى الجُزيئي. وقد أخبرتُكِ من قبل بأن الجزيئات يَصنعها علماء الكيمياء، والكيمياء لا تكون بالضرورة تكنولوجيا النانو. ومع ذلك، فإن أدوات عالم الكيمياء التَّخليقيَّة مُهمَّة في مجال تكنولوجيا النانو. وقد أوضحنا في مقرر الكيمياء واحدًا من أبسط التفاعُلات الكيميائية، وهي تفاعُل الترسيب. على الأرجح لم تُدركي ذلك عندما سَمعتِ عنه في مُحاضرتي، ولكن هذا التحوُّل الكيميائي تاريخيًّا واحدٌ من التفاعُلات الأكثر أهميةً في مجال علم النانو.

(٤) استخدام الكيمياء في تجميع الهياكل النانوية

شرَحْنا تفاعُلات الترسيب في سياق قواعد الانحلال في الكيمياء. وكان المثال الذي استخدمناه هو تفاعُل أيون الفضَّة مع أيون الكلوريد في الماء. ولعلَّكِ تتذكَّرين أنكِ قد تعلمتِ أنَّ نترات الفضة الصُّلبة الأيونية تذوب في الماء، لكن عند إضافة محلول كلوريد الصوديوم (ملح المائدة المعروف) إلى محلول نترات الفضة، فسيتكوَّن كلوريد الفضة، وهو مُركَّب أبيض صُلب قطني الشكل. وعادةً ما نكتُب مُعادلة هذا التفاعُل في الصورة التالية:

شكل ١٤-٣: اعتماد الخواص المشعَّة لأشباه مُوصِّلات نانوية الحجم على الحجم. يُظهِر الشكل الأطياف المشعَّة لسلسلةٍ من النقاط الكمية بأحجامٍ وتركيبات مُختلفة. وداخل سلسلة مُعيَّنة من التركيبات مثل InAs، InP … إلخ يتحوَّل اللون إلى اللون الأزرق كلما زاد صِغَر حجم الجُزيئات. (المصدر: مقال «استخدام أشباه الموصِّلات من البلَّورات النانوية كمُلصَقات حيوية مُشعَّة» بقلم إم بروشيز؛ وإم مورون؛ وبي جين؛ وإس فايس؛ وإيه بي أليفيساتوس، دورية ساينس عام ١٩٩٨، العدد ٢٨١، ٢٠١٣–٢٠١٦.)

شكل ١٤-٤: نقطة كمية لبِلَّورة نانوية شِبه مُوصِّلة مصنوعة عن طريق تكثيف أيونات الكادميوم والسيلينوم. وهذا مِثال على النهج التَّخليقي التَّصاعُدي في بناء الهياكل النانوية. وفي هذا النهج التَّصاعُدي تتَّحِد الذرَّات أو الجزيئات البادئة من أجل تكوين هيكل تدرُّجي أكبر حجمًا. وفي هذه الحالة، تتفاعَل أيونات الكادميوم مع أيونات السيلنيوم من أجل تكوين تجمُّع غير عضوي شِبه مُوصِّل من سيلينيد الكادميوم. ومع احتوائها على بضع مئات من الذرات فحسب، يبلغ قُطر النقاط الكمية في المعتاد أقل من ٧ نانومترات.

(٥) استخدام الكيمياء الكهربية في بناء الهياكل النانوية

شكل ١٤-٥: هيكل نانوي مَسامي مَنحوت من السليكون. هذا منظر جانبي لرُقاقة من السليكون «ثُقِبت» بمسامَّ نانوية باستخدام الصدأ الكهربائي. يَتحكَّم في سُمك كل طبقة وحجم الثقوب الموجودة بداخلها التيار الكهربائي الذي تتعرَّض له في أثناء العملية الكهروكيميائية. تسمَح هذه الطريقة بصُنع الهياكل النانوية آليًّا بدقَّةٍ عالية. (الصورة مأخوذة بإذن من ميلاني إل أوكس، شركة هيتاشي للأبحاث الكيميائية.)

(٦) هياكل نانوية مُلوَّنة من الطبيعة

اتَّضحَ أن الطبيعة لدَيها طريقتان لصُنع اللون؛ أحدهما أن تصنع جُزيئًا، والذي يُشار إليه عادةً بأنه صباغ. والصبغات تُصنَع في المصنع الكيميائي للطبيعة، رابطة تلو الأخرى. أما الطريقة الأخرى فتتمثَّل في بناء هيكل من مادة عديمة اللون بخلاف ذلك. فأقواس قزح تَحصُل على ألوانها من انكسار الضوء على قطرات ماء صغيرة لا لون لها. فإن الشكل الكروي لقطرة ماء، والزاوية الموجودة بينها وبين الشمس، هما اللذان يُحدِّدان اللون الذي نراه. كما أنَّ ألوان قوس قزَح التي نراها عند النظر إلى سطح قُرص الفيديو الرقمي أو القُرص المضغوط تأتي أيضًا من هيكل. وفي هذه الحالة، فإن الأخاديد الدقيقة المتوازية في القُرص البلاستيكي الصافي، نُطلِق عليها اسم «لون هيكلي».

شكل ١٤-٦: جُزء من صَدَفة لامعة لحيوان أُذن البحر من نيوزيلاندا (يسارًا) وبِلَّورة من معدن الكالسيت (يمينًا). صُنعت كِلتا المادتَين من كربونات الكالسيوم، لكن في حالة صدَفَة أذن البحر، تأخُذ المادة شكل عدَّة طبقات، كلٌّ منها يَبلُغ سُمكها بضع مئات من النانومترات. وهذه الطبقات الصافية تُحيِّد الضوء لتنقُل إلينا الألوان الزاهية التي نراها في الصَّدَفة.

شكل ١٤-٧: صورتان من مِجهر إلكتروني تُقارن بين الهياكل النانوية الطبقية لصدَفة أُذن البحر (يسارًا) والهيكل النانوي المَسامي للسليكون (يمينًا). تَعمل المسافة المتساوية بين الطبقات التي تبلغ بضع مئات من النانومترات على تحييد ألوان مُعيَّنة من الضوء، مِمَّا ينتُج عنه الألوان الجميلة: الأحمر، أو الأخضر، أو الأزرق أو البنفسجي. (الصورة يسارًا مأخوذة من «الترميز الوراثي في التمعدُن الحيوي للمركَّبات الصفائحية المِجهرية»، بقلم دي إي موريس، وإم إيه كاريولو، وجي دي ستاكي، وسي إم زاريمبا، وبي كيه هانزما، في وقائع ندوة جمعية بحوث المواد، ١٩٩٣، العدد ٢٩٢، ٥٩–٦٧. الصورة جهة اليمين بإذن من ميلاني إل أوكس، شركة هيتاشي للأبحاث الكيميائية.)

(٧) بلورات فوتونية قائمة على السليكون

إنَّ صدَفة أُذن البحر ذات الألوان التركيبية مثال على ما يُطلِق عليه مُجتمع الفيزياء البصرية اسم «بلَّورة فوتونية» لأن الطبقات المتكرِّرة والمتباعِدة بانتظام تعمل كبِلَّورة؛ إذ تعكِس فوتونات الضوء. ويُمكنُنا صُنع اللون نفسه في تركيبات مُصَنَّعَة، باستخدام آلية المَيكنة الكيميائية الكهربائية للسليكون التي ذكرتُها من قبل. والطريقة التي نَصنع بها هذه التركيبات الطبقية داخل السليكون هي مثال على الأسلوب التنازُلي المستخدَم في صُنع الهياكل النانوية. وعلى الرغم من أن صدَفة أُذن البحر تتكوَّن تصاعديًّا عن طريق ترسيب طبقة فوق طبقة من كربونات الكالسيوم، فإن التركيب الطبقي في السليكون يَتكوَّن عن طريق حفْر ثقوب في بِلَّورة صُلبة من السليكون.

على الرغم من وجود تَشابُهٍ بين الألوان التي تنشأ من موادِّ السليكون الطبقية هذه وبين ألوان صدَفة أذن البحر، ثمَّة بعض الأشياء الممتِعة التي يُمكنك فعلها بالتركيبات النانوية المعتمِدة على السليكون لا يُمكن فِعلها بالألوان الأخرى الطبيعية. فعلى عكس صدَفة أُذن البحر، تكون الطبقات في تركيبات السليكون النانوية مَسامية، وبإمكان الجُزيئات الدخول في هذه المواد المجوَّفة. وعند حدوث هذا، يَتغيَّر لون التركيب النانوي. على سبيل المثال، تتحوَّل بِلَّورة سليكون فوتونية مَسامية خضراء اللون إلى اللون الأحمر عند غمرها في سائل. وقد استُخدِم تغيُّر اللون هذا في صُنع أجهزة استشعار للمركَّبات الكيميائية. فما يَحدُث هنا أنَّ تركيب السليكون هذا يَمتلئ بجُزيئات لها مُعامِل انكسار مختلف عن الهواء، ويَتحدَّد لون البِلَّورة الفوتونية بمُعامِل انكسار مُكوِّناتها. وقد صُنعت العديد من أجهزة الاستشعار الكيميائية والحيوية الشديدة الحساسية اعتمادًا على هذا النوع البسيط من تَغيُّر اللون.

شكل ١٤-٨: صورتان لِزَوجٍ من بِلَّورات السليكون الفوتونية المَسامية، مع وضع قطرة من الماء على سطْح كلٍّ منهما. تحتوي العيِّنة على اليسار على مادة كيميائية كارهة للماء (الدوديكان)، تطرُد الماء، بينما تحتوي العينة على اليمين على سطْح أليف للماء (ثنائي أكسيد السليكون SiO₂). ينتشر الماء على السطح ويُمتصُّ داخل المادة الكيميائية الأليفة للماء، مِمَّا يُؤدِّي إلى تغيُّر لون البِلَّورة الفوتونية إلى الأحمر. الصورة السُّفلى لمشهدٍ جانبي يُظهِر أُلفة كلِّ سطحٍ للماء.

(٨) جُزيئات نانوية من أُكسيد الحديد للكشْف عن الأورام

شكل ١٤-٩: تصوير فنِّي لعثور ديدان نانوية لأكسيد الحديد على ورَم في الجسم. هذه الديدان مصنوعة من أكسيد حديد مغناطيسي مُغطًّى ببوليمر حيوي. ويسمح التكوين الدودي والغِطاء المتخصِّص لهذه الأجهزة النانوية بالعثور على الأورام والالتصاق بها، مِمَّا يعمل على تحسين قُدرتنا في العثور على الورَم في تصوير بالرنين المغناطيسي للمريض. (مصدر الصورة: مجلة بوبيولار ساينس، نوفمبر ٢٠٠٨.)

(٩) استخدام الكيمياء لتحسين فاعلية أداء الجُزيئات النانوية: تثبيت الجُزيئات النانوية بالأورام

تتعرَّف آليات حماية الجسم على مُعظم الجُزيئات النانوية على أنها أجسام غريبة. فتُمسِك بها وتُزيلها من مجرى الدم في غضون دقائق. وثَمَّة خدعة شائعة وهي تغطية الهياكل النانوية ببوليمر حيوي يَسمح للهيكل النانوي بتجنُّب عمليات الإزالة الطبيعية هذه. وفي حالة الديدان النانوية لأكسيد الحديد، يَسمح غطاء البوليمر الحيوي للمواد بالسَّريان في جِسم فأرٍ لساعات.

يُمكنُنا إضافة جُزيئات خاصَّة لأغطية البوليمر الحيوي، تستهدف الأورام. وقد اكتُشِف نِطاق واسِع من مِثل هذه الجُزيئات المستهدِفة للأورام وصنَعَها باحثون مثل الأستاذ إركي روسلاهتي، في معهد برنهام في جامعة كاليفورنيا، في سانتا باربارا. فعند التصاق مثل هذه الجُزيئات بهيكل نانوي، تتصرَّف مثل الصمغ فتلصق الجُزيئات النانوية بالورم، أو يُمكنها تأدية مهامَّ أكثر تعقيدًا من ذلك، مثل نقْل الجُزيء النانوي عبر الغشاء الخلوي حيث يَستطيع قتْل الورم بكفاءة أكبر.

(١٠) الجوانب الجيدة والسيئة والمروِّعة لتكنولوجيا النانو

شكل ١٤-١٠: مناظر مُتباينة لمستقبل النانو تكنولوجي. (الغلافان من روايتَي: «رحلة رائعة» (© ١٩٦٦، بقلم إسحاق أزيموف)، و«الفريسة» (© ٢٠٠٢، بقلم مايكل كرايتون).)

أما الغلاف الآخر من كتاب «الفريسة» فهو «مِثال على فساد تكنولوجيا النانو». في هذه القصة تُحاول الأجهزة النانوية الشرِّيرة الاستيلاء على العالم. على الرغم من أن كِلا القصَّتَين ضرب من ضروب الخيال العلمي، فإنهما تتناوَلان فِكرةً واقِعية للغاية وهي أنَّ أي تكنولوجيا قد تكون لها آثار جيدة أو سيئة. وفي حالة التكنولوجيا الجديدة، لا يُلتفَت لمثل هذه الآثار إلا بعد فَوات الأوان.

أعرِف أنكِ اعتقدتِ بأنكِ ستتوقَّفين عن الحصول على أسئلة مِنِّي بعد انتهاء مقرر الكيمياء الذي درَّستُه لكِ، لكن لديَّ سؤال إضافي لكِ. ألقي نظرةً على القائمة التالية وحدِّدي صيغة مادة كيميائية فتَّاكة.

السؤال: أيٌّ من التالي مادة كيميائية فتَّاكة؟

حسنًا، يُمكنك على الأرجح تخمين الإجابة عن هذا السؤال باستخدام عملية حذف. الإجابة (أ) هي بالطبع الماء، والإجابة (ب) هي كلوريد صوديوم أو ملح الطعام، والإجابة (ﺟ) هي أحد أشكال أكسيد الحديد أو الصدأ، والإجابة (د) هي ثاني أكسيد السليكون، صيغة الرَّمل والزُّجاج. إذن يتبقَّى لنا الإجابة (ﻫ) التي تكون صِيغة معدن الكروسيدوليت، وهو أحد أشكال الأسبستوس الذي يُسبِّب ورَم المتوسِّطة السرطاني في الرئة.

شكل ١٤-١١: ألياف نانوية لمعدن كروسيدوليت الطبيعي؛ أحد أكثر معادن الأسبستوس سُمِّيَّة على الإطلاق. (المصدر: دابليو إي لونجو، وإم دبليو ريجلر، وجيه سليد، دورية كانسر ريسيرش، ١٩٩٥، العدد ٥٥، ٢٢٣٢–٢٢٣٥.)

لهذا السبب الأسبستوس ضارٌّ للغاية؛ فالضَّرَر لا يأتي من العناصر المكوِّنة للمادة، إنما من شكل المادة، المتمثِّل في الألياف الدقيقة المستقرَّة. ربَّما تُلقي تجربتنا مع الأسبستوس الضوء على أهمِّ جانب من تطوير تكنولوجيا النانو، وهو أنَّ المادة لا بُدَّ أن تكون غير ضارَّة أو لا بدَّ لها أن تذوب فتتحوَّل إلى شيءٍ غير ضار، هذا إذا كانت ستُستخدَم داخل الجسم. علاوةً على ذلك، جميع المواد الصناعية تَصِل في النهاية بشكلٍ أو بآخر إلى البيئة؛ ولهذا لا بُدَّ من اتِّخاذ احتياطات مُماثِلة في حالة الاستخدامات غير الطبية للمواد النانوية.

إنَّ الانحلال واحدٌ من السِّمات المميِّزة لكثيرٍ من العمل الذي يفعله كثيرٌ مِنَّا في مجال تكنولوجيا النانو. وقد لا تكون له أهمية كبيرة فقط إذا كُنَّا نُريد وضْع كمية صغيرة للغاية من المادة النانوية داخل رقاقة حاسوبية، ولكن إذا كان الغرَض نشر المادة على أحد الأسطُح في شكل ألواحٍ شمسية، أو إذا كان الغرَض دمجُها في دهانات وبلاط الأسقُف كما في حالة الأسبستوس، فعلينا في الحقيقة، تَوخِّي الحذَر عند التعامُل مع المادة والتخلُّص منها. يُمكِننا بخلاف ذلك وضع القدرة على التدمير الذاتي داخل موادِّنا النانوية بعد إتمام مهامِّها. وعليه بالنسبة لنا نحن العاملين في مجال تكنولوجيا النانو، لا تقلُّ أهمية التفاعُلات الكيميائية للمادة عن مُكوِّناتها الكيميائية.

بالإضافة إلى رواية «رحلة رائعة»، ألَّف كاتب الخيال العِلمي، إسحاق أزيموف سلسلة من القصص القصيرة حول الرُّوبوتات المستقبَلية. تحدَّثَ في سلسلة «أنا، روبوت» عما أسماه «القوانين الثلاثة لعلم الإنسان الآلي» ليُحدِّد بها القواعد التي على جميع الروبوتات اتِّباعها. فقد أُدمجت هذه القواعد، التي كان أولها أنه «على الروبوت ألا يَجرَح إنسانًا أو يسمَح بتعرُّض إنسانٍ للأذى، بسبب عُطلٍ ما فيه.» في البرمجة الأساسية لكل روبوت. اختلف كثير من الناس في حلِّ مسألة طريقة ضبط تكنولوجيا النانو بحيث نُقلِّل إلى الحدِّ الأدنى التأثيرات الضارَّة غير المقصودة لهذا المجال الجديد للغاية.

(١١) قوانين الروبوتات النانوية

أعتقِد أنَّ ثمَّة مجموعة من القواعد لا بُدَّ من دمجها في البرمجة الكيميائية لكلِّ روبوت نانوي.

لاحظي أن مُصطلَح «غير ضارٍّ» مُصطلَح شديد الصُّعوبة في تعريفه. فإذا طرحتِ سؤالًا «هل ثاني أكسيد الكربون غير ضار؟» فإن مُعظم الناس سيُجيبون بنعم. فأنتِ تُخرجين ثاني أكسيد الكربون عند التنفُّس، وتحتاجه النباتات لتعيش وتنمو. إلا أنَّ الحيوانات أو البَشَر يَختنقون إذا وُجِدوا في مكانٍ به تركيز عالٍ من ثاني أكسيد الكربون، وأصبحنا الآن نجِد أنَّ حدوث زيادة بسيطة للغاية في تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي يُمكنها تغيير مناخنا. سيكون من الصعب برمجة قانون أزيموف الأول للروبوتات في هيكل نانوي؛ لأنَّ الجهاز لا يكون مُتطوِّرًا بدرجةٍ كافية تُمكِّنه من التمييز بين ما هو الضار وغير الضار لمضيفِه (حتى نحن البشر نجِد صعوبةً في التعامُل مع هذا المفهوم). من الواضح أن تركيز الأجهزة النانوية في غاية الأهمية؛ ولهذا أُفضل أن نَبني الأجهزة بأنفسنا بدلًا من السماح لها بتكرار نفسها دون تدخُّل مِنَّا، مثل الفيروس. يجِب أيضًا أن نعرِف طبيعة «البيئة المضيفة» (شخص، أو بُحيرة، أو مبنى … إلخ)، وكيف يُمكِن تعرُّضها للأذى بسبب التكنولوجيا. هل يُمكنكِ التفكير في بعض القواعد الإضافية لتُطبِّقها على روبوتات النانو؟

حسنًا، أرى أني استرسلتُ في الأمر، فحتى الآن كانت هذه أطول رسالة أكتُبها على الإطلاق (حتى في ظلِّ حقيقة أنَّني أنتمي لجيلٍ أعتاد كتابة الرسائل الطويلة بين الحين والآخر). بالطبع لكِ مُطلَق الحرية في مُشاركة هذه الرسالة مع أيٍّ من أصدقائك قد يكون مُهتمًّا بالأمر. واحرِصي على أن تَمُرِّي بمكتبي لنتحدَّث معًا، في حال أردتِ مِنِّي المزيد من المساعدة.

مع أطيب التمنيات

شكر وتقدير

يَشكر المؤلف جيتفون تشونج، ودانيل إي مورس، ولو جو، وسارا إم تشينج، ومانويل إم أوروسكو، وميلاني إل أوكس، وجوردون إم ميسكلي على مُساهمتهم وتعليقاتهم.

قراءات إضافية