كيمياء النانو
تتعلق كيمياء النانو بتخليق بُنًى نانوية جزيئية يتراوح حجمها ما بين نانومتر واحد و١٠٠ نانومتر. يمكن لهذه البُنى أن تعمل بمثابة مكوناتٍ جزيئية للروبوتات النانوية وغيرها من الأجهزة الجزيئية التي يمكن استخدامها في مجال الطبِّ أو التحليل أو التخليق الصناعي أو الإلكترونيات أو تخزين البيانات أو علم المواد. يُعَدُّ تصميم كمبيوتر جزيئي أحد الأهداف التي تسعى إليها جهود البحث الراهنة. تَستخدم أجهزةُ الكمبيوتر الحالية دوائر كهربية مدمَجة مصنوعة من السيليكون، إلا أن تقليص حجم هذه المكونات مُقيَّد بحدود لا يمكن تخطِّيها. أما إذا صمَّمنا أجهزة إلكترونية وأجهزة كمبيوتر تعمل على المستوى الجزيئي، فسنتمكَّن من تقليص حجم هذه الأجهزة إلى حدٍّ كبير، مما يزيد في المقابل من قُدرتها الحاسوبية. ولكي تتحقَّق هذه الأمور على أرض الواقع، من الضروري تصميم بُنًى نانوية تكون بمثابة المكافئ الجزيئي للأسلاك ومفاتيح التشغيل ونظم تخزين البيانات والمحركات.
مُتآصلات الكربون
تُسمَّى الطبقة الواحدة من الجرافيت جرافين، وأُنتجَ للمرة الأولى عام ٢٠٠٤ في جامعة مانشستر، ومُنِحَ مخترعوه جائزة نوبل في الفيزياء عام ٢٠١٠. وإلى جانب كونه موصِّلًا جيدًا للكهرباء، يُعَدُّ الجرافين أقل المواد التي عرفها العِلم سُمكًا وأكثرها متانة وقوة، ومقاومته للشَدِّ تفوق الصُّلب بمعدل ٣٠٠ مرة. كما أنه لا يتأثر بالحرارة، وخامل نسبيًّا مقارنة بالمواد الكيميائية الأخرى.
أتاحت هذه الخصائص للجرافين الكثير من التطبيقات المُحتملة؛ حيث دخل ضمن مكونات المستشعرات الكيميائية، والأجهزة الطبية، والخلايا الشمسية، وخلايا الوقود الهيدروجيني، والبطاريات، والشاشات المرنة، والأجهزة الكهربائية. ومن تطبيقات الجرافين المُحتمَلة أيضًا استخدامه كمرشح لإزالة ملوحة المياه. تكمُن الفكرة هنا في إحداث مسامَّ في الجرافين تسمح بنفاذ الماء عبرها، ولكنها تحتجز الأملاح. كما يمكن استخدام الجرافين بديلًا للكيفلار في الدروع. وفي مجال المُستشعرات، يُعتقَد أن الأجهزة القائمة على الجرافين قد تكون لها القدرة على اكتشاف العدوى البكتيرية أو التلوث البكتيري.
في الوقت الحالي، تتم أغلب الأبحاث الخاصة بالجرافين داخل معامل الأبحاث، ثم تُطبَّق في المصانع بهدف تخليق مواد جديدة، وقد تستغرق هذه العملية ما بين ٢٠ و٤٠ عامًا. والمشكلة التي تطرح نفسها هنا هي إيجاد طريقة اقتصادية لإنتاج الجرافين على نطاقٍ واسع. وهذا أمرٌ ضروري إذا كنا بصدد استخدامه تجاريًّا.
الأنابيب النانوية
تختلف خصائص الأنابيب النانوية طبقًا لأبعادها وترتيب الذرات بها. ينتج عن اختلاف الأطوال والأقطار اختلافٌ في الخصائص الإلكترونية، مما يجعل الأنابيب النانوية مفيدةً في صنع الدوائر الإلكترونية النانوية مثل العوازل، أو المُوصلات، أو أشباه الموصلات.
للاتجاه النسبي للحلقات التي تُكوِّن جدران الأنبوب النانوي تأثير جوهري على خصائصه الكهربية. وهكذا، الأنبوب النانوي (أ) في شكل ١٠٦ من أشباه الموصِّلات، في حين أن الأنبوب النانوي (ب) مِن الموصِّلات. يشهد سعر الأنابيب النانوية انخفاضًا كبيرًا، ومن المتوقَّع أن ينتشِر استخدامها على نطاقٍ واسع في مجال الإلكترونيات بحلول عام ٢٠٢٠. وعلى الأرجح، سيؤدي مجال الإلكترونيات النانوية إلى تطوير أجهزة كمبيوتر جزيئية مُستقبلية.
أثبتت الأبحاث أن الأنابيب النانوية أشدُّ متانة من الصُّلب، ولكنها أخفُّ منها وزنًا بمقدار ستِّ مرَّات، مما يجعلها مفيدة للغاية في عِلم المواد. ونظرًا إلى النسبة بين المتانة والوزن، يمكن استخدام الأنابيب النانوية في تصنيع أجزاء الطائرات، وأجزاء السيارات، والأجهزة الرياضية، لا سيَّما إذا «حُزمت» الأنابيب النانوية معًا لتكوين ألياف ذات مقاومة عالية للشد. كما أن مساحة سطحها الكبيرة مفيدة أيضًا. على سبيل المثال، يمكن تحفيز ارتباطها بإنزيماتٍ واستخدامها في مجال التخليق الصناعي أو في خلايا الوقود الهيدروجيني.
يمكن أن تكون الأنابيب النانوية أحادية الجدار أو مُتعددة الجدران. الأنابيب النانوية المتعددة الجدران عبارة عن عدة طبقاتٍ من الجرافين ملفوفة حول نفسها وذات مقاومة جيدة للمواد الكيميائية. يُفيد هذا الأمر عند ارتباط الجزيئات بسطح الأنابيب النانوية؛ إذ يمكن لعملية الارتباط أن تُحدِث ثقوبًا في جدار الأنبوب النانوي وتؤثر على خصائصه الميكانيكية والكهربية. مع الأنبوب النانوي المزدوج الجدران، لن يتأثر إلا الجدار الخارجي فقط. عُدِّلَت الأنابيب النانوية لكي ترتبط مع الجزيئات العضوية القادرة على اكتشاف الجزيئات الأخرى، الأمر الذي يجعلها مكوِّنات مفيدة في المستشعرات أو «الأنوف» الإلكترونية الحيوية المُستخدَمة في مراقبة جودة الغذاء، أو الكشف عن المُتفجرات وتسرُّبات المواد الكيميائية. وعلاوة على ذلك، يمكن أن تفيد الأنابيب النانوية المُرتبطة بجزيئاتٍ حسَّاسة للضوء في تصميم الخلايا الشمسية ومخازن الطاقة.
كما يمكن أن تكون الأنابيب النانوية مفيدة كحاوياتٍ تحتفظ داخلها بجزيئاتٍ أخرى. وقد نجحت الطبيعة بالفعل في تطبيق هذا الأمر. يمتلك فيروس تبرقش التبغ (أو فسيفساء التبغ) أنبوبًا نانويًّا مصنوعًا من بروتينات فيروسية مُتطابقة. تجمع البروتينات نفسها لتكوين أنبوب نانوي يحفظ في داخله الحمض النووي الريبوزي الفيروسي. يسعى بعض الباحثين إلى تصميم أنابيب نانوية ذاتية التجمُّع يُمكنها حفظ كرات باكي، حيث يُعتقَد أن هذه الأنابيب ستكون لها خصائص إلكترونية جيدة.
الروتاكسانات
يمكن تغيير هذا التفضيل. في الظروف الحامضية، تكتسب ذرات النيتروجين المرتبطة بموضع الالتحام الأيمن بروتوناتٍ وتكتسب شحنةً موجبة. وبما أن العجلة تحتوي بالفعل على ذرات نيتروجين موجبة الشحنة، فإنها تتنافر مع موضع الالتحام الأيمن وترتبط فقط مع موضع الالتحام الأيسر. وهكذا، يعمل الروتاكسان وكأنه مفتاح جزيئي. وهو لا يُعَدُّ مفتاحًا مثاليًّا، فقد تُوجَد التحامات حصرية مع مواضع الْتحام مختلفة طبقًا لاختلاف الظروف المُحيطة. ولكن هذا لا ينفي أن المثال يوضح إمكانية استخدام الروتاكسان كمفتاح جزيئي.
صُمِّم مؤخرًا روتاكسان يحتوي على موضعَي الْتحام قادرَين على تحفيز نوعَين مُختلفَين من التفاعلات. ترتبط الحلقة مع أحد الموضعَين الحفزِيَّين في الظروف الحامضية، وترتبط مع الموضع الحفزي الآخر في الظروف القاعدية. وهكذا، يمكن استخدام الروتاكسان نفسه في تحفيز نوعَين مختلفَين من التفاعُلات وفقًا لظروف التفاعل المُستخدَمة.
إذا تأكَّدت فائدة استخدام الروتاكسانات كمفاتيح تشغيل أو أسلاك، فسيتطلَّب الأمر توصيلها بِبُنًى صلبة ودمجها معها. ثمة طريقة لفعل ذلك وهي إدراج الروتاكسانات في بنية من الهياكل الفلزية العضوية بحيث تتموضع الأجزاء المُتحركة من كل روتاكسان في داخل إحدى المسام. وإذا نجح الأمر، فسيفتح ذلك البابَ أمام إمكانية إنشاء مفاتيح تشغيل أو آلات جزيئية في الحالة الصلبة.
الجسيمات النانوية
يتراوح حجم الجسيمات النانوية ما بين نانومتر واحد و١٠٠ نانومتر تقريبًا. وتختلف خصائصها عن المواد الأكبر بسبب حجمها ومساحة سطحها الكبيرة نسبيًّا، كما أن لها مجموعة كبيرة من التطبيقات الفعلية والمحتملة في مجالات الطب والصناعة والمواد والطاقة والإلكترونيات. على سبيل المثال، من الممكن تخليق جسيمات نانوية كروية الشكل يُمكنها تغليف الأدوية أو الحمض النووي، ثم إعطاؤها إلى المرضى لإيصال محتواها الدوائي إلى خلايا الجسم. على سبيل المثال، ثمة جسيم نانوي ليبيدي يحمل دواءً لعلاج السرطان يُسمى باكليتاكسيل (تاكسول) قيد التجارب السريرية حاليًّا. كما يجري الآن تصميم جسيماتٍ نانوية تؤدي مهام تشخيصية وعلاجية في آنٍ واحد (فيما يُعرف بالعلاج التشخيصي). على سبيل المثال، صُمِّمت جسيمات نانوية لتحديد خلايا الأورام. بعد ارتباطها بهذه الخلايا، تنكسِر هذه الجسيمات مُطلقةً دواءً لعلاج السرطان مع صبغةٍ تكشف عن مكان وجود الورم.
يمكن أيضًا استخدام الأنظمة النانوية لإيصال الأدوية في حماية المُغذيات (مثل الفيتامينات) من الآثار المدمرة لأحماض المعدة. صمِّمت الكبسولات النانوية من بروتينات وسكريات موجودة في الطعام بصورة طبيعية. ومن ثَمَّ، لا تتأثر الكبسولات النانوية بأحماض المعدة، ولكنها تتكسر بفِعل إنزيماتٍ موجودة في الأمعاء لإطلاق المُغذيات. يمكن إضافة الكبسولات النانوية التي تحتوي على فيتامين (د) إلى المشروبات للوقاية من مرض الكساح.
ثمة استخداماتٌ طبية أخرى للجسيمات النانوية بخلاف إيصال الأدوية إلى داخل الخلايا. على سبيل المثال، طُوِّرت جسيمات نانوية يُمكنها على الأرجح إيقاف النزيف الداخلي الناتج عن حوادث الطرق أو التفجيرات الإرهابية. صُمِّمت الجسيمات النانوية بحيث تلتصِق بالصفائح الدموية المُنشَّطة وتسريع عملية التجلُّط، مما يُقلل احتمالية أن ينزف المريض حتى الموت. لم يُختبر هذا الأسلوب إلا على الحيوانات حتى وقتنا هذا.
اكتُشِفَ أن الجسيمات النانوية الكربونية تمنع نضوج يرقات البعوض، ومن ثَمَّ، قد تكون مفيدة في القضاء على الملاريا. تتَّسم الجسيمات النانوية ببقائها لفتراتٍ طويلة، مما سيمثل ميزةً مهمة فيما يتعلق بفاعليتها كمبيد حشري، ولكن قد تتحول هذه الميزة إلى عيبٍ في حال ظهور آثار بيئية أو أيكولوجية غير متوقعة.
تقنية النانو والحمض النووي
استُخدِمت هذه الطريقة في إنشاء روبوتات نانوية من الدي إن إيه يمكنها أن تؤدي مهام روبوتية، مثل الاستشعار والحوسبة واستهداف الخلايا. أنشأ فريق بحثي روبوتًا من الحمض النووي على شكل برميل يبلغ قطره ٣٥ نانومترًا وطوله ٤٥ نانومترًا. تحتوي البنية على مفصلة تسمح للبرميل أن يُفتَح مثل المحار. كما تُوجَد شرائط قصيرة من الحمض النووي للإبقاء على البرميل مغلقًا حتى يصادف الروبوت النانوي مُستضدًّا يتفاعل مع شرائط الدي إن إيه. يعمل ذلك على فتح البرميل الذي يُمكنه حينئذٍ إطلاق محتوياته. لم يُختبَر هذا الروبوت النانوي حتى الآن إلا على مزارع الخلايا، إلا أن له القدرة على حمل عقاقير أو أجسام مضادة إلى مواضع مُعينة في الجسم. ثمة فكرة مُماثلة لإعطاء الدواء وتوصيله تتضمَّن مكعباتٍ من الدي إن إيه مصمَّمة بحيث «تنحل» عندما تتفاعل مع جزيئات الآر إن إيه الموجودة فقط في خلايا سرطان البروستاتا.
صُمِّمت «المتحركات الجزيئية» الخاصة بالدي إن إيه بحيث تستجيب للضوء وتتحرك وفق مسار معين على طول الأسطح. يتكوَّن المسار من سلسلةٍ من «الأعمدة» تمثلها شرائطُ الدي إن إيه، وكل عمود به جزءان: أحدهما طويل والآخر قصير. وبالمثل، للمُتحرك الجزيئي فرعان من الدي إن إيه: فرع قصير والآخر طويل، وهذان الفرعان أشبه بالساقَين، وكأنه يمشي. يرتبط المتحرك الجزيئي بالعمود الأول من خلال ارتباط طرفه الطويل بالجزء الطويل من العمود وطرفه القصير بالجزء القصير. عندما يسقط الضوء على السطح، ينفصل الجزء القصير من العمود عن الجزء الطويل ويطفو بعيدًا. وبذلك يُصبح الطرف القصير للمُتحرك الجزيئي حرًّا، فينطلق للبحث عن الجزء القصير في العمود التالي ويرتبط به. وعندما يتمكن من ذلك، يجذب الطرف الطويل معه. يمكن استخدام هذا النظام نظريًّا فقط في تصميم معمل نانوي، حيث يلتقط المتحرك الجزيئي المكونات الأساسية من الأعمدة المختلفة ويدمجها معًا لإعطاء ناتج مُعين.
أمثلة على الأجهزة النانوية والآلات النانوية
صُمِّمت الأجهزة النانوية بحيث تحاكي المعدَّات أو الآلات على المستوى الجزيئي. على سبيل المثال، صُمِّم جهاز نانوي في حجم بطاقة الذاكرة يمكنه تحديد تسلسل الدي إن إيه. يستغل الجهاز بروتينَين. أحد هذَين البروتينَين عبارة عن نوع معدل وراثيًّا من بروتين طبيعي يُسمى «ألفا-هيمولايسين». يحتوي هذا البروتين على فتحة (مَسمٍّ) تُشبه النفق ويُوضَع في سطح أشبه بغشاءٍ حيوي، وبذلك تنشأ فتحة نانوية عبر الغشاء. يمكن للبروتين الثاني الارتباط بالدي إن إيه والاتصال بالسطح الخارجي للبروتين المَسامي. عندما يرتبط البروتين بالدي إن إيه، فإنه يُمرره عبر الفتحة النانوية. أثناء مرور الدي إن إيه عبر الفتحة، يختلف تدفق الأيونات عبرها بناءً على القاعدة التي تمر. يمكن قياس تباينات تدفُّق الأيونات والسماح بتحديد تسلسل الدي إن إيه. في وقتنا الحالي، يمكن استخدام هذه الأداة في ترتيب تسلسل عددٍ من القواعد بما يصل إلى ٤٨ ألف قاعدة. وتوجد طريقة مُماثلة لتحديد تسلسل البروتينات.
أُنتجت خلية كهروضوئية مكوَّنة بالكامل من الكربون تتضمَّن أنابيب نانوية وفوليرينات وجرافين. تعمل الأنابيب النانوية الكربونية بمثابة ماصَّات للضوء ومانحات للإلكترونات، بينما تعمل كُرات باكي من الفوليرين-٦٠ بمثابة مستقبلات للإلكترونات. يوجَد كل هذا بين مِصْعَد مصنوع من أكسيد الجرافين المُختزَل ومِهْبط مصنوع من مزيد من الأنابيب النانوية الكربونية. هذه الخلية مُنخفضة الكفاءة للغاية ولا يمكن الاستفادة بها تجاريًّا، ولكن يمكن دمج هذه التقنية في الخلايا الشمسية الحالية لزيادة كفاءتها وخفض تكلفتها.
تقنية النانو: الأمان والسُّمِّية
تُستخدَم تقنية النانو في مجالات الطلاء والنسيج والغذاء ومستحضرات التجميل والطب، ومن المؤكَّد أنها سيكون لها تأثير كبير على المجتمع في المستقبل. ثمة الكثير من التطبيقات التي يمكن استخدامها فيها، ولكن من المُهم تنفيذ اختبارات أمان وسُمِّية صارمة على المواد النانوية قبل طرحها على نطاق واسع. على سبيل المثال، ما التأثير الذي يمكن أن تُحدثه على صحة الإنسان في حال استنشاقها أو ابتلاعها أو امتصاصها عبر الجلد؟ هل ستتسبَّب في تهيج الرئتَين وتضرُّرهما على نحوٍ مُشابهٍ لتأثير استنشاق الغبار الناعم؟ ما التأثير الذي ستخلفه الجسيمات النانوية على الجهاز المناعي للإنسان؟ وفي حال إطلاق كمياتٍ كبيرة من الجسيمات النانوية إلى البيئة، ما التأثير المتوقَّع لهذا الأمر على الحشرات والطيور والأسماك والحيوانات؟ وأخيرًا، ما الأوجه التي يمكن أن يُساء بها استغلال تقنية النانو من قِبَل فئاتٍ مثل المجرمين والإرهابيين والمؤسسات المنعدمة الضمير؟
طُرحت هذه التساؤلات بالفعل، واستوجبَ الأمرُ إجراء اختباراتٍ مصمَّمة بعناية للوقوف على حقيقة وجود هذه المخاطر من عدمه. وللأسف، فإن الكثير من دراسات السُّمية التي أُجريت حتى الآن جاءت منقوصةً وغير مكتملة نظرًا إلى ضخامة كمية المواد الخاضعة للدراسة. يفترض في اختبارات السُّمية السليمة أنها تحدِّد إذا ما كانت المادة آمنة في ظل ظروف وتركيزاتٍ واقعية. على سبيل المثال، يمكن أن يكون ملح الطعام سامًّا في حال تناوله بجرعاتٍ كبيرة، ولكن من غير الوارد أن يُفكِّر أحد جديًّا في إزالته من أرفف المتاجر. وتحقيقًا لهذه الغاية، تُجرى حاليًّا مناقشاتٌ حول وضع آلية تنظيمية للإشراف على تقنية النانو. وقد أصدر الاتحاد الأوروبي إرشاداتٍ (في عام ٢٠١١) بشأن الآلية السليمة لإجراء اختبارات السُّمية على الجسيمات النانوية.
