تقنية النانو وتطبيقاتها في المجالات العلمية المختلفة

تقنية النانو وتطبيقاتها في المجالات العلمية المختلفة

Nanotechnology and its applications in various scientific fields

تقنية النانو:

أصل كلمة "نانو" مشتق من الكلمة اليونانية (nanos) ، وهي كلمة يونانية تعني قزم ، وتعني أي شيء صغير ، وتعني تقنية ano: تقنية المواد النانوية أو التكنولوجيا الدقيقة. علم النانو هو دراسة المبادئ الأساسية للجزيئات والمركبات التي لا يزيد حجمها عن 100 نانومتر ، والنانو وحدة تمثل 9-10 متر.

نبذة تاريخية:

استخدام تقنية النانو قديم جدًا ، يعود تاريخه إلى الحضارة اليونانية والحضارة الصينية في صناعة الزجاج ، ولعل الوعاء اليوناني الشهير "Licorogs" الذي يتغير لونه حسب زاوية سقوط الضوء ، هو أحد أقدم تطبيقات هذه التقنية التي استُخدمت في تصنيعها بواسطة جزيئات الذهب النانوية الممزوجة بالزجاج ، تمامًا مثل السيف الدمشقي الشهير. نظرًا لصلابته ومرونته ، فهو أحد أقدم تطبيقات تقنية النانو ، حيث نشر فريق بقيادة بيتر بوفلير ، باحث في علوم المواد في الجامعة التقنية في دريسدن بألمانيا ، بحثًا يشير إلى أن الأنابيب النانوية الكربونية كانت موجودة في تصميم سيوف دمشق. وهذه التطبيقات التي ذكرناها هي تطبيقات قديمة وغير مقصودة لتقنية النانو .. أما بالنسبة للأبحاث الحديثة فقد ألقى الفيزيائي الأمريكي "ريتشارد فاينمان" محاضرة بعنوان "هناك غرفة كبيرة في الأسفل" عام 1959 بعد JC قبل الأمريكية المجتمع الفيزيائي ، حيث سأل (ماذا لو تمكن العلماء من التحكم في حركة ذرة واحدة وإعادة ترتيبها كما يحلو لهم ؟؟) كما وصف حقلاً جديدًا يتعامل مع الذرات والجزيئات المفردة لصنع مواد دقيقة وآلات ذات خصائص مميزة. ، وكانت هذه بداية الإعلان عن مجال جديد عُرف لاحقًا باسم تكنولوجيا النانو. 

في عام 1974 م ، ابتكر الباحث الياباني "نوريو تاينجوتشي" مصطلح (تكنولوجيا النانو) لأول مرة للتعبير عن طرق تصنيع المكونات الميكانيكية والكهربائية الصغيرة للغاية بدقة عالية. وفي عام 1976 ، قدم الفيزيائي الفلسطيني "منير نايفة" طريقة تسمى الليزر (تأين الرنين) للكشف عن الذرات المفردة وقياسها بأعلى مستويات الدقة والتحكم. وفي عام 1981 م ، اخترع الباحثان السويسريان "جيرد بينج" و "هنريك رور" المجهر - المسح النفقي. سمح هذا المجهر للعلماء لأول مرة بمعالجة الذرات والجزيئات مباشرة وتصويرها وتحريكها لتشكيل جسيمات نانوية. . 

وفي عام 1986 م ، ناقش "إريك دريكسلر" محركات الخلق ، حيث ناقش المخاطر الخيالية لتقنية النانو ، مثل صنع المحركات والمركبات النانوية التي يمكنها نسخ نفسها وعدم الحد من انتشارها. وأخيرًا ، في عام 1992 م ، كتب العالم منير نايفة أصغر خط في التاريخ (الحرف p مع قلب بجواره) يرمز إلى حب فلسطين ، وتم نشره في المجلات العلمية الكبرى ووكالات الأنباء العالمية. استخدم مجهر المسح النفقي ، وكانت ميزة هذا الرسم للذرات أنه كان قادرًا على التحكم في الذرات الصغيرة وإعادة ترتيبها كيفما شاء.

خصائص المواد النانوية:

1- الخواص الميكانيكية: تزداد قيم الصلابة للمواد المعدنية وسبائكها ومقاومتها لمواجهة ضغوط الأحمال المختلفة التي تقع عليها ، وذلك بتقليل موازين حبيبات المادة والتحكم في الترتيب. من ذراته. .

2- نقطة الانصهار: تتأثر قيم درجات حرارة انصهار المادة بانخفاض أبعاد أبعاد حبيباتها - فمثلاً درجة انصهار الذهب هي 1064 درجة مئوية ، وإذا قلل أحد الأقطار من حبيبات الذهب ، تنخفض درجة الانصهار بنحو 500 درجة مئوية.

3- الخواص المغناطيسية: تعتمد قوة المغناطيس كليًا على حجم حبيبات المادة - التي يتكون منها المغناطيس.

4- الخواص الكهربائية: يؤثر صغر حجم حبيبات المواد النانوية إيجابياً على خواصها الكهربائية ، حيث تزداد قدرة المواد على توصيل التيار الكهربائي ، حيث يتم استخدام المواد النانوية في تصنيع أجهزة الاستشعار الدقيقة والرقائق الإلكترونية في الأجهزة الحديثة ، والتي تتميز بمواصفات فنية عالية. .

الخواص الكيميائية: إذا كانت الجسيمات النانوية متجانسة ومن نفس الحجم ، فإن تفاعلها يزداد.

تطبيقات تقنية النانو في الطب:

ساعد تطوير تقنية النانو في تغيير القواعد الطبية المستخدمة للوقاية من الأمراض وتشخيصها وعلاجها ، واليوم نعيش في عصر التكنولوجيا الطبية النانوية. على سبيل المثال ، تقدم تقنية النانو طرقًا جديدة لناقلات الأدوية إلى داخل الكائن الحي (ناقلات نانوية بأحجام نانومترية) قادرة على استهداف خلايا الجسم المختلفة. بفضل هذه التقنية ، يمكن تصوير خلايا الجسم بسهولة ، كما لو كنا نلتقط صورًا منتظمة لها ، كما يمكن التحكم في هذه الخلايا وتشكيلها في أشكال مختلفة. بالإضافة إلى استخدام الجسيمات النانوية الشحمية المصممة هندسيًا كنظم توصيل لأدوية ولقاحات السرطان ، تُستخدم الجسيمات النانوية الذهبية أيضًا في أجهزة اختبار الحمل المنزلية. في مجال العمليات الجراحية ، أنتجت شركة (Corvis) روبوتًا صغيرًا بحجم النانو يعمل كمساعد للأطباء أثناء العمليات الحرجة والخطيرة.

تطبيقات تقنية النانو في الصناعة:

• في صناعة الطائرات والسيارات ، تقدم تقنية النانو الكثير لتحسين الصناعة في هذا المجال ، حيث تدخل ، على سبيل المثال ، في صناعة الأبواب والمقاعد والدعامات ، ومن أهم مزايا الأجزاء التي تمت ترقيتها أنها فهي قوية ومرنة للغاية بالإضافة إلى أنها تتميز بخفتها. أما بالنسبة للأجزاء المحسنة المستخدمة في تصنيع الأجزاء الداخلية ، فإنها تقلل من استهلاك الوقود. كما ستساهم في تصنيع محركات نفاثة تتميز بصمتها وأدائها العالي.

• في صناعة الزجاج: تساهم تقنية النانو في تحسين الزجاج بشكل عام وزجاج النوافذ بشكل خاص ، لأنه يصبح شديد الشفافية ، باستخدام نوع معين من الجسيمات النانوية في صناعة الزجاج يسمى الزجاج النشط ، لأن هذه الجسيمات تتفاعل مع الأشعة فوق البنفسجية ويهتز ، مما يزيل الرواسب والأوساخ والغبار الملتصق بالسيارات.

• في صناعة النظارات الشمسية: قامت شركة النظارات الشمسية بتصنيع طلاء بلاستيكي مقاوم للخدوش والوهج.

• في مجال صناعة مستحضرات التجميل: من أهم مجالات تقنية النانو في مستحضرات التجميل تصنيع واقيات الشمس المكونة من جزيئات معدنية نانوية مثل ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي الذي يحمي الجسم من أشعة الشمس والأشعة فوق البنفسجية من الشمس.

• في مجال الأجهزة المنزلية: توجد اليوم أنواع من السيراميك والزجاج تحتوي على جزيئات من السيراميك النانوي تزيد من نعومتها وتجعلها أكثر مقاومة للحرارة وأسهل في التنظيف ، مثل المكواة.

• في مجال صناعة البناء: تساعد تقنية النانو على زيادة معدل بناء المنشآت وناطحات السحاب بشكل أسرع وبتكلفة أقل بكثير من المرافق العادية.

• في صناعة المنتجات الرياضية: تستخدم تقنية النانو في هذا المجال بشكل عام لغرضين ، من ناحية تقوية الأدوات الرياضية ، ومن ناحية أخرى لمنحها المرونة والخفة ، فبعض الجسيمات النانوية تكون أكثر مقاومة من 100 مرة. معدن صلب وأخف 6 مرات من هذه المنتجات التي تم تحسينها هي عصي الهوكي ومضارب البيسبول ومضارب التنس والكرات وكرات الجولف.

• في صناعة الدهانات والبقع: لها القدرة على مقاومة الخدش والتآكل والتقطيع مما يجعلها مناسبة لطلاء السفن والقوارب.

• في التطبيقات الصحية: مثل السوائل النانوية المضادة للبكتيريا والميكروبات المسؤولة عن العديد من الأمراض. تتميز هذه المطهرات بعدم تأثيرها على الأسطح ، لأنها لا تسبب التآكل أو الصدأ.

• في صناعة الشاشات: هذه الشاشات ، المحسنة بتقنية النانو ، توفر الكثير من الطاقة المستهلكة في تشغيلها ، وتتميز بالوضوح العالي والدقة العالية. أما عن حجمها فيتميز بالنحافة وخفة الوزن.

• في صناعة الثلاجات: على الرغم من أن درجة الحرارة المنخفضة في الثلاجات تقلل من تكاثر البكتيريا ، إلا أنها لا تمنعها ، وهذا هو سبب قيام Samsung Electronics بتغطية الثلاجات بطبقة مجهرية من محلول من الفضة النانوية ، وذلك لمنع البكتيريا من دخولها. عملية التمثيل الضوئي والتنفس وبالتالي وفاتهما مما يجعل هذه الثلاجات تحافظ على الطعام بداخلها صالحة لفترة أطول من الثلاجات العادية.

• في صناعة الغسالات: Samsung Electroni كما قامت شركة cs بتجهيز الغسالات بنظام تنظيف فضي يقوم على التحليل الكهربائي لجزيئات الفضة والذي يقوم بتعقيم الملابس وحمايتها من البكتيريا والفطريات بنسبة 99.9٪ لمدة 30 يوم.

• في صناعة أجهزة تنقية المياه (الفلاتر): يتميز فلتر الدش بثلاث طبقات: نانو كربون ، نانو الفضة ، نانو نحاس وزنك.هذه الطبقات الوسيطة الثلاث تنقي المياه من الكلور والبكتيريا والمعادن الثقيلة وغيرها من الملوثات الضارة الشعر والجلد.

تطبيقات تقنية النانو في مجال الملابس والمنسوجات:

يجري العمل على صناعة ملابس تقاوم البقع والسوائل وتحمي من أضرار الأشعة فوق البنفسجية وتكون قادرة على توفير اتصال بالإنترنت وشحن الأجهزة ومراقبة صحة مرتديها !! صممت شركة لونار ديزاين أيضًا نموذجًا مستقبليًا للسترات يتحول إلى أي شكل ولون يرغب فيه المشتري ، وهناك أيضًا محاولات لصنع ملابس تقيس النبض والتنفس والبيانات الصحية وتنظف نفسها من الأوساخ والروائح.

• الصناعات النسيجية: علم النسيج علم مهم في مختلف مجالات الحياة ، ويعتبر من أهم عناصر النهضة الصناعية والاقتصادية. علم النسيج هو دراسة بنية وأداء المواد النسيجية ، والتي تشمل في مكوناتها فحص الألياف (الوحدة الأساسية لجميع مواد النسيج) ، وتصنيع الخيوط من الألياف وطرق تجميع الخيوط لصناعة النسيج ، وكذلك معرفة الأصباغ وجميع مواد التلوين والمثبتات التي تعطي المواد النسيجية طيفاً من الألوان. كما يتضمن معرفة بالعديد من المواد الكيميائية المستخدمة لتحسين الخصائص الجمالية والوظيفية للأقمشة.

واكتشف العلماء في القرن العشرين آلية تكديس وترتيب ألياف النسيج لتحقيق خصائص الأداء المطلوبة والتي تشتد الحاجة إليها في بعض التطبيقات الخاصة. تم صنع أنواع مختلفة من الملابس المحاكاة للواقع العملي ، مثل الملابس الرياضية للجري وركوب الدراجات والتزلج على الماء والثلج وجميع أنواع المعدات الرياضية الهوائية وبدلات الفضاء.

ونظرًا للنجاحات التي تحققت في تطبيقات تقنية النانو ، كان من الضروري للباحثين الاقتراب من تطوير البحث في علم النسيج على المستوى النانوي ، على غرار بقية العلوم، لأنه أصبح من الممكن الحصول على مواصفات وابتكارات جديدة كان من الصعب الحصول عليها بالطرق التقليدية ، وفتحت تطبيقات جديدة للمنسوجات في عدة مجالات وتقليد الطبيعة باستخدام طرق جديدة على المقياس النانوي. لملابس السباحة التي تحاكي جلد سمكة القرش ، قماش التنظيف الذاتي الذي يحاكي سطح ورقة اللوتس ، أو لتحقيق ألوان قوية أو مكثفة من خلال محاكاة عملية التشابك. عندما يتم تغطية القماش بطبقة من النانو سيراميك ، نحصل على نسيج مضاد للأوساخ ، لأنه مضاد للبكتيريا ، وتزداد نسبة الحماية من الأشعة فوق البنفسجية الضارة. من الممكن أيضًا تضمين كبسولات نانوية مليئة بالعطور أو المستحضرات الصيدلانية على الألياف أو بداخلها للحصول على نسيج يطلق الروائح والعطور اللطيفة من تلقاء نفسه ، أو ما يسمى بالأقمشة العطرية التي تطلق روائح لطيفة عند فركها أو فركها أو على حركة النسيج الطبيعي لمن يرتدي هذه الملابس. وألياف النانو هي ألياف أصغر بنحو 110 مرات من ألياف النسيج التقليدية التي تُصنع منها الملابس العادية ، وتتميز هذه الألياف بمجال استخدامها الواسع بالإضافة إلى وزنها الخفيف جدًا. ولذلك ، يمكن استخدام الألياف النانوية في العديد من الاستخدامات ، مثل الملابس الواقية وملابس رواد الفضاء نظرًا لخفة وزنها.

في مجال الزراعة:

   تعد تطبيقات النانو في الزراعة من أهم الآليات لتحقيق الأساليب الزراعية الحديثة والتي تتلخص في التكلفة الاقتصادية المنخفضة الناتجة عن غياب الأمراض الوبائية التي تصيب المحاصيل الإستراتيجية المختلفة (الحبوب مثلا) ، وزيادة كفاءة الزراعة. الأسمدة المصنعة بتكلفة مادية منخفضة ومقاومة المنتج الزراعي للظروف البيئية المختلفة (التحسين الوراثي) أدت التطورات السريعة إلى ظهور تقنيات وطرق جديدة في مختلف طرق الزراعة وإنتاج الغذاء إلى حد كبير ، مثل الغذاء تسعى الشركات إلى إنتاج محاصيل زراعية أفضل ، لأن العلماء يعتقدون أن استخدام تقنية النانو سيساعد شركات الأغذية على إنتاج أغذية بدون مواد حافظة ضارة وأقل كما أنها أغلى مما هي عليه اليوم ط ، بسبب استخدام عدد أقل من المواد الكيميائية في تحضير وإنتاج المواد الغذائية في المستقبل.

وفي المجال العسكري:

يتطور بعض الخبراء دبور آلي بمحرك نانوي يطلق أهدافًا استخباراتية ويتسلل إلى العدو ويشوش الاتصالات. يستخدم الجيش الأمريكي أيضًا الألياف النانوية لتطوير زي قتالي يسمح بمرور الهواء ويمنع دخول الغازات السامة.

وفي مجال الصناعات الغذائية: "nanofood" هو تعبير يُعطى للغذاء الذي يستخدم في إنتاجه أو في أي مرحلة من مراحل إنتاجه بواسطة تكنولوجيا النانو ، أي أنه يتعلق بالأغذية التي تستخدمها تقنية النانو في زراعتها أو معالجتها أو تعبئتها . يعتبر التغليف حاليًا أحد أكثر التطبيقات العملية لتقنية النانو ، حيث تُستخدم جزيئات النانو لصنع عبوات بلاستيكية قوية وخفيفة الوزن ومقاومة للحرارة يمكنها منع الأكسجين وثاني أكسيد الكربون من دخول الأطعمة وإفسادها. في صناعة عبوات خاصة مقاومة للميكروبات والبكتيريا. .

استنتاج:

وفي نهاية هذا المقال نستنتج أن تقنية النانو من أهم التقنيات الحالية والمستقبلية وأصبحت في طليعة المجالات الأكثر أهمية في جميع مجالات العلوم ، لما لها من أهمية في تحسين المنتجات وعلاجها. الأمراض وخدمة الإنسانية في جميع مناحي الحياة ، بالإضافة إلى إعطاء أمل كبير للثورات ، المستقبل العلمي في الفيزياء والكيمياء والبيولوجيا والهندسة وغيرها. ولذلك هناك حاجة للاستفادة من الخصائص المميزة للمواد النانوية لابتكار ابتكارات واختراعات تفيد البشرية في مجالات السلام وتسريع الحياة وتسهيلها ، بالإضافة إلى التخلص من الأمراض الخبيثة التي لم يحققها العلم اليوم. للعلاج الجذري للعديد من الخدمات الأخرى.