علوم وتقنيات النانو وتحديات القرن الواحد والعشرين٭

علوم وتقنيات النانو وتحديات القرن الواحد والعشرين٭

فتحى حمد بن شتوان

كلمة

نانو nanos
هي كلمة إغريقية وتعنى القزم
dwarf،
في العلوم والتقنية النانو مقياس يساوي جزءًا من المليار جزء من المتر (إذا قسمنا
المتر إلى مليار جزء فإن جزءًا واحدًا منه يساوي نانومتر). النانومتر أصغر من قطر
شعرة الإنسان بعشرات آلاف المرات، وأصغر من خلية الإنسان بآلاف المرات وأصغر من
فيروس البرد على سبيل المثال بمئة مرة.

وحيز النانو nanoscale
هو الحيز الذي تعارف عليه العلماء والممتد من 0.2 نانومتر إلى
100 نانو متر، وهو الحيز الذي تشغله الذرات والجزيئات. وقد لاحظ العلماء أن خواص
المواد في هذا الحيز الصغير تختلف اختلافًا جذريًا عن خواص مثيلاتها في الحيز
الأكبر، فالمواد في هذا الحيز لها مواصفات وخواص فيزيائية وكيميائية فريدة. فتصغير
حجم جسيمات مادة لتكون في حيز النانو وبدون تغيير في المادة نفسها يغير في خواصها
مثل التوصيلية الكهربائية والمغنطيسية والقوة والنشاط واللون ونقطة الإنصهار
وغيرها، وهي الخواص التي تعتبر ثابتة (كما في الجدول الدوري) لمادة معينة. خواص
المواد تتغير بشكل ملحوظ جدًا حسب مكوناتها النانونية، فالمركبات المكونة من حبيبات
في حجم النانو، سواء كانت سراميكيات أو معادن أو غيرها، تكون أقوى كثيرًا من
مثيلاتها في الحجم الأكبر، كما أن المواد غير الموصلة للكهرباء قد تكون موصلة أو
شبه موصلة في حيز النانو مثل الكربون، والمواد الخاملة قد تصبح نشطة جدًا، والمواد
قد تغير من لونها وتكتسب عدة ألوان أخرى في هذا الحيز مثل الذهب.

انشغل العلماء والمهندسون بدراسة هذه الظاهرة، ونشأت وفقًا لذلك علوم جديدة هي علوم
النانو، والتي تختص بدراسة هذه الظاهرة ومعالجة المواد في هذا الحيز. وتقنيات
النانو تعمل على تصميم، وتوصيف، وإنتاج، واستخدام المواد والأجهزة والأنظمة في هذا
الحيز، وذلك عن طريق التحكم في الشكل والحجم للوصول إلى مخرجات فريدة في خواصها.

من
الطبيعى أنه قبل أن نوصف أو نعالج أونصنع أي شيء في هذا الحجم المتناهي في الصغر
علينا أن نوفر الأدوات التى تُمكن من رؤية ومعرفة ما يحدث في هذا الحيز. في سنة
1959 ألقى العالم الفيزيائي المشهور رتشارد فينمان
Richard Feynman
محاضرته المشهورة
There is plenty of room at the bottom
في جمعية الفيزيائيين الأمريكية، في هذه المحاضرة وضع الأساس النظري لعلوم وتقنيات
النانو وأوضح أن أكبر عائق للدخول في هذا العالم المتناهي في الصغر هو أننا لا
نستطيع أن نراه أو نعرف ما يجري فيه، وكانت قوة المجاهر الإلكترونية في ذلك الوقت
قاصرة عن الوصول إليه، وقال إن المشاكل التي تواجهها الكيمياء والأحياء من الممكن
حلها إذا طورنا قدراتنا على رؤية ومعرفة وعمل الأشياء في المستوى الذري والجزيئي
(حيز النانو)، وهو تطور ضروري لا نستطيع تجنبه. وقد أشار إلى تحد علينا مواجهته وهو
تقوية المجهر الإلكترونى ليصبح أكثر قوة ويصل إلى المستوى المطلوب. وقد احتاج
العالم إلى أكثر من عشرين سنة لمقابلة هذا التحدي، ففى سنة 1982 تم اختراع مجهر مسح
النفق scanning tunneling
microscope
الذي أضاء عالم النانو لأول مرة في التاريخ، وفتح آفاقًا كبيرة أمام تقدم علوم
وتقنيات النانو، وبعد ذلك توالت التطورات وقاد مجهر مسح النفق إلى تطوير مجهر آخر
يسمى مجهر القوة الذرية Atomic
Force microscope،
وفي سنة 2002 أعلنت شركة IBM
أنها طورت مجهرًا إلكترونيًا جديدًا
electron microscope
بطاقة عالية جدًا. هذه المجاهر تعتبر الآن من الأدوات المهمة في
بحوث وتطوير علوم وتقنيات النانو، فقد مكنت من رؤية وفهم ومعالجة المواد في حيز
النانو. من المهم الإشارة إلى أن هذه المجاهر تسمح لنا برؤية غير مباشرة للذرات
والجزيئات، وما نراه هو تمثيل لها على شاشة الحاسوب وليس تكبيرًا لها كما في
المجاهر التقليدية.

علوم وتقنيات النانو هي الحدود غير المكتشفة للعلوم والهندسة، ودراستها وسبر
أغوارها يقود إلى تطورات كبيرة في العلوم والهندسة ويزيد من فهمنا للنظام البيولوجي
والبيئي والكوني ويعمل على تركيز توجهاتنا العلمية على البحوث العامة متعددة
التخصصات.

في
تقنية النانو الخواص والوظائف المبتكرة من الممكن الوصول إليها من خلال التحكم في
المادة في لبناتها البنائية الأولى ذرة بذرة، وجزيء بجزيء، وتركيب نانوي بتركيب
نانوي، وسيؤدي تكامل هذه التركيبات النانونية إلى مكونات مادية وأجهزة وأنظمة
معمارية أكبر، وفي هذه الأنظمة الكبيرة سيظل التحكم عند حيز النانو، وتطور المعرفة
والتعليم سيكون مصدره الحيز النانوي بدلاً من الحيز الميكروي، وستكون هناك فلسفة
تعليم جديدة لا تؤسس على تعدد التخصصات ولكن تؤسس على وحدة العلوم، وسيكون هناك
تكامل واندماج بين التعليم، والبحث، والتدريب، والتصنيع، وستجرب هذه الفلسفة
الجديدة على المدارس والجامعات. إن اندماج العلوم والهندسة في علوم وتقنيات النانو
سيؤدي إلى تكامل بين تقنية النانو والبيولوجيا والمعلومات والطب والإلكترونيات
والتعليم، وسيقود إلى تطور هائل في جميع مجالات الصناعة، والصحة، والبيئة، والطاقة،
وغيرها.

الجاذبية الحقيقية للتحكم في عالم النانو أنها تطور قدرتنا للتحكم في العوالم
الأخرى. إن لبنات بناء المواد (الذرات والجزبئات) والتى هي أساس العلوم والصناعة
وكل شيء مادي تبدأ في حيز النانو. تقنية النانو تعمل في نفس حيز العمليات الجزيئية
البيولوجية biomolecular
processes،
فإذا استطعنا على سبيل المثال أن نصنع آلات نانونية في هذا الحيز من الممكن
استخدامها في التحكم وتغيير الأنظمة البيولوجية، وسنتمكن أيضًا من جعل العمليات
الجزيئية البيولوجية تعمل كآلات ميكانيكية.

لقد
فشلت كل العلوم والتقنيات التقليدية في تقديم حلول ناجعة ومستديمة لكثير من المشاكل
والتحديات التى تواجهها المجتمعات الإنسانية اليوم، وكان الأمل معقودًا على حدوث
اختراق علمي يستخدم علوم وتقنيات جديدة لها القدرة على مواجهة هذه المشاكل
والتحديات. وتأتي علوم وتقنيات النانو لتواجه هذه المشاكل والتحديات وتقدم الحلول
الناجعة والمستديمة، لما لها من قدرة على فهم المشاكل والتصدى لها مبكرًا وحلها عند
المستوى الذري والجزيئي، أي عند لبنات بناء
bulding blocks
المادة (حية أو غير حية)، حيث أغلب المشاكل تحدث في هذه
المستويات الصغيرة.

تحديات القرن الواحد والعشرين

إذا
نظرنا إلى أهم عشر تحديات تواجه البشرية في القرن الواحد والعشرين نجد أن الطاقة
أولها تليها توفير المياه الصحية والغذاء الآمن والبيئة النظيفة والفقر والإرهاب
والحروب وانتشار الأمراض والتعليم والديمقراطية والانفجار السكاني.

أهم
تحديات القرن الواحد والعشرين: الطاقة، المياه، الغذاء، البيئة، الفقر، الحروب
والإرهاب، الأمراض، التعليم، الديمقراطية، السكان.

تحديات الطاقة وتطبيقات تقنية النانو

تعتبر الطاقة من أكبر وأهم التحديات التي تواجه البشرية في هذا القرن، فهي من أهم
العوامل التي تؤثر في تقدم المجتمعات ورفاهيتها، كما أنها تؤثر بشكل مباشر أو غير
مباشر في مواجهة كل التحديات الأخرى. اليوم أكثرمن 1.6 مليار نسمة من سكان العالم
لا يتمتعون بالطاقة الكهربائية، وحوالي 2.4 مليار يعتمدون على النباتات وبقايا
الزراعة كمصدر للطاقة. أما الطاقة الحديثة في المستوى الذي يتمتع بها العالم
المتقدم فلا تزيد نسبة المستعملين لها عن 25% من سكان العالم. يستهلك العالم اليوم
طاقة بمعدل 15 تيرا وات ويتوقع أن يصل استهلاكه إلى 30 تيرا وات مع سنة 2050، وأغلب
هذه الطاقة يتم الحصول عليها من حرق الوقود الأحفوري (فحم ونفط وغاز) الذي تنتج عنه
مشاكل كبيرة للبيئة بسبب انبعاثات غاز ثانى أكسيد الكربون.

إن
الاحتياج المتزايد للطاقة وندرة الوقود الأحفوري واستنزاف موارده بالإضافة للتأثير
المناخي السلبي الناتج عن حرقه تجعل تحدي الطاقة يتمثل في إنتاج كميات وفيرة من
الطاقة المستدامة sustainable
Energy
التي تكفي لإحتياجات العالم المتزايدة وبتكاليف مقدور عليها
(مساوية أو أقل من تكاليف إنتاج الطاقة من الوقود الأحفوري) ولا تسبب تلوثًا للبيئة
(إنبعاثات غاز ثاني أكسيد الكربون وغيره) ويمكن الوصول إليها عند الحاجة من أي مكان
وفي كل وقت، وكذلك زيادة كفاءة تحويل الطاقة من صورة إلى أخرى وزيادة كفاءة تخزينها
واستخدامها وتقليل الفاقد في نقلها من مكان إلى آخر. لقد فشلت كل العلوم والتقنيات
التقليدية في مواجهة هذا التحدي العلمي والفني الكبير وكان الأمل معقودًا على حدوث
اختراق علمي يستخدم علومًا وتقنيات جديدة لها القدرة على مواجهة هذا التحدي وحل
مشكلة الطاقة بشكل اقتصادى ومستديم. وتأتي علوم وتقنيات النانو لتقدم الحل وتواجه
التحدي وذلك لما لها من قدرة على فهم المشاكل والتصدى لها عند المستوى الذري
والجزيئي للمادة. ولمواجهة هذا التحدي وضمان إمدادات الطاقة في المدى البعيد تستخدم
علوم وتقنيات النانو في سلسلة القيمة المضافة للطاقة والتي تبدأ من تطوير مصادر
الطاقة الحالية بأعلى كفاءة ومراعاة البيئة واكتشاف مصادر جديدة وتطويرها، وزيادة
كفاءة تحويل الطاقة من صورة إلى أخرى، وتقليل الفقد في الطاقات الناشئ عن النقل من
المصدر إلى المستعمل النهائي، وزيادة كفاءة تخزين الطاقة لاستعمالها للأغراض
المختلفة، وأخيرًا استعمالها في التطبيقات المختلفة بأكبر قدر من المرونة والكفاءة،
وتقليل استهلاكها في الصناعة والإسكان والمواصلات وغيرها. كل جزء من أجزاء سلسلة
القيمة المضافة للطاقة له إمكانية كبيرة للوصول إلى الكفاءة المثلى من خلال استخدام
تقنيات النانو. وأخيرًا بفعل التقدم في تقنيات النانو واستخداماتها في مجال الطاقة
فإنها ستقود وبشكل تدريجي إلى أنظمة توليد وتخزين وتوزيع طاقة غير مركزية، أكثر
كفاءة وأقل تلويثًا للبيئة.

توفير الماء الصحي الآمن وتطبيقات تقنية النانو

التحدي الثاني هو تحدي توفير الماء الصحي والآمن، ويعتبر من أخطر التحديات التي
تواجه البشرية اليوم، فالماء هو أهم الموارد الطبيعية على الأرض يتواجد في كل مكان
وبكميات مختلفة قد تكون كثيرة لدرجة الفيضانات أو شحيحة لدرجة الجفاف، وتلعب دورًا
مهمًا في حياة البشر والبيئة المحيطة بها، وأهمها الماء العذب
fresh water
الذي يشكل حوالي 2.5% من الموارد المائية على سطح الأرض، والذي
يقدر بحوالي 34.7 مليون كيلو متر مكعب، ولكن أكثر من ثلثي هذه الكمية موجودة في شكل
ثلوج وجليد والباقي في شكل مياه جوفية ومياه الأنهار والبحيرات والتربة الرطبة
والغلاف الجوي. كل الأنشطة الإنسانية تعتمد على المياه، بل إن الحياة نفسها مستحيلة
بدونه ولا يمكن تعويضه بأي شيء آخر. إن دورة الماء في الطبيعة
global hydrological cycle
قد حافظت على توفير المياه العذبة ونقائها أثناء تبادل المياه
بين المحيط والأرض والغلاف الجوي بالتغذية الدائمة للمياه الجوفية والأنهار
والبحيرات، وهذا قد ولد ضمانًا بتوفير المياه ونقائها، لكن الأنشطة البشرية
المختلفة الناتجة عن التطورات الاقتصادية الهائلة وعلى مدى طويل من الزمن (الأنشطة
الصناعية والزراعية وتطور المدن وحرق الوقود الأحفوري) ساهمت بشكل كبير في تلوث
المياه وزيادة الطلب عليها (زاد سحب المياه خلال الفترة من 1900 إلى 2010 إلى أكثر
من ثمانية أضعاف)، كما أدت إلى تغيير كبير في المناخ مما عمل على زيادة درجات
الحرارة، وارتفاع مستوى سطح البحر، وذوبان الثلوج، وعدم انتظام سقوط الأمطار حيث
زاد الهطول زيادة كبيرة في بعض مناطق العالم مسببًا سيلان الأنهار والفيضانات بينما
انخفض في مناطق أخرى مسببًا الجفاف والتصحر. وهكذا قد تأثرت الموارد المائية في
أجزاء كثيرة من العالم وبدأت تنضب كميًا وتتلوث بشكل أكبر، ولم يعد بالإمكان مقابلة
الاحتياج المتزايد لها وأصبحت العامل الرئيسي الذي يحد من التطور الاقتصادي والنمو
السكاني.

اليوم أكثر من 1100 مليون من البشر لا يصلون إلى الماء الآمن، وأكثر من 2400 مليون
يفتقدون نظامًا للصرف الصحي، و80% من الأمراض في الدول النامية سببها المياه
الملوثة (الطلب على المياه يزداد بزيادة النمو الاقتصادي وعدد السكان والاستهلاك
الفردي وثلثا العالم مهددون بالعطش مع سنة 2050).

إن
ندرة المياه في كثير من مناطق العالم، سواء كان ذلك من ناحية كمية المياه اللازمة
أو جودتها، يمثل تحديًا كبيرًا لتوفير المياه حاليًا ومستقبلاً. العلم والتقنية
يلعبان دورًا كبيرًا في تطوير طرق وأدوات وتقنيات جديدة لحل مشكلة توفر المياه
وجودتها. أحد أهم هذه العلوم والتقنيات المؤهلة لتقديم حلول جديدة ومبتكرة لتوفير
كميات المياه المطلوبة عن طريق تحلية مياه البحر، ومعالجة المياه غير الصالحة
وإزالة الملوثات المختلفة منها والمحافظة عليها نقية هي علوم وتقنيات النانو التي
يمكن استخدامها في الترشيح النانوي والتحلية
nano filtration and desalination
حيث تستعمل أغشية الترشيح النانونية في إزالة الأملاح المذابة
(التحلية) من المياه المالحة (العسرة) وإزالة الملوثات الميكروية (الزرنيخ
والكالسيوم) وتليين المياه (إزالة أيونات الكالسيوم والمغنسيوم) ومعالجة الفضلات،
وفي بعض الاستخدامات إزالة الملوثات البيولوجية مثل الميكروبات والفيروسات. وكذلك
المحفزات النانونية nano
catalyst
بمختلف أشكالها وأنواعها يمكن استخدامهما لتحليل الملوثات
العضوية وإزالة الأملاح والمعادن الثقيلة من السوائل، ومن المتوقع أن تمكننا من
استخدام المياه شديدة التلوث والملوحة للشرب والزراعة. أما الجسيمات النانونية
المغنطيسية Magnatic nano
particles
فتستخدم لإزالة المعادن الثقيلة مثل الزرنيخ والأملاح والمركبات
العضوية من المياه، والمجسات النانونية
Sensors nano
تطور لاستعمالها للكشف عن الملوثات الكيماوية والبيولوجية
وتحليل المياه في عين المكان دون الحاجة لأخذ عينات للتحليل في المعامل، وتعمل على
مراقبة المياه والمحافظة عليها نقية. وهناك كثير من المؤسسات العلمية والشركات التى
بدأت العمل في استخدام تقنيات النانو في تحلية المياه أو معالجتها وإزالة الملوثات
منها وتدويرها ومراقبتها والمحافظة عليها نقية.

توفير الغذاء وتطبيقات تقنية النانو في الزراعة وأنظمة الغذاء

التحدي الثالث هو تحدي توفير الغذاء لسكان العالم البالغ عددهم حوالى 7 بليون نسمة،
حيث يعاني أغلبهم في الدول النامية والفقيرة نقصًا في الغذاء بشكل أو بآخر من جراء
التخلف التقني، وتأثيرات الطبيعة، وعدم الاستقرار السياسي. وتزداد المشكلة تعقيدًا
مع زيادة عدد السكان والتغيرات المناخية السلبية والتي أثرت على انتظام سقوط
الأمطار مسببة الفيضانات في بعض المناطق والجفاف والتصحر في مناطق أخرى. هناك طلب
متزايد على الغذاء الآمن والصحي، وهناك مخاطر كثيرة تهدد الإنتاج الزراعي والسمكي
من تقلبات المناخ والأمراض وغيرها. وتقنية النانو لها القدرة على تثوير القدرات
الزراعية والغذائية بأدوات جديدة للكشف السريع عن الأمراض والمعالجة الجزئية لها،
ومعالجة قدرات النبات على امتصاص الأغذية وتطوير وتحسين المحاصيل والقضاء على
الأعشاب الضارة وإعادة خصوبة الأرض وزيادة غلة المحاصيل، كما أن تقنية النانو لها
القدرة على تغيير الصناعات الغذائية فهي تعمل على تغيير الطريقة التي تنتج وتغلف
وتنقل وتستهلك بها الأغذية. ولعل أهم تطبيقات تقنية النانو في الزراعة والصناعات
الغذائية هي الزراعة الدقيقة
precision farming،
والتي تسعى إلى زيادة المخرجات (غلة المحصول) وتقليل المدخلات من أسمدة ومبيدات
حشرية وعشبية من خلال مراقبة متغيرات البيئة واتخاذ الإجراءات المستهدفة باستخدام
المجسات وأنظمة المراقبة النانونية وكذلك أنظمة التوصيل الذكي
Smart delivery systems

والتي تستخدم أجهزة نانونية بخواص متميزة لجعل الأنظمة الزراعية تتسم بالذكاء ويصبح
معها من الممكن استخدام أجهزة تبين حالة النباتات الصحية والأمراض المحتملة قبل أن
تظهر للفلاح، وهي أجهزة تعمل كواقية ومحذرة ومن الممكن استخدامها أيضًا لتوصيل
الكيماويات العلاجية بشكل متحكم فيه وموجه بنفس الطريقة المستخدمة في الطب النانوني
في توصيل الأدوية للإنسان. وكذلك فإن التطورات في الطب النانوني قد بدأت في معالجة
أمراض مختلفة مثل السرطان في الحيوانات عن طريق التوصيل الموجه للأدوية. والعلماء
يعملون على إنتاج أنظمة نانونية لتوصيل الأسمدة والمبيدات الحشرية بطريقة تستطيع أن
تتفاعل فيها مع التغيرات المناخية، والهدف أن تعمل هذه الأنظمة لتوصيل حمولتها
بطريقة متحكم فيها (بسرعة أو ببطء) بالتفاعل مع إشارات مختلفة مثل الحرارة والرطوبة
وغيرها. والبحوث الجديدة في هذا المجال تهدف إلى جعل النباتات تستخدم الماء
والمبيدات والأسمدة بشكل أكثر كفاءة لتقليل التلوث وجعل الزراعة صديقة للبيئة.

وفي
الصناعات الغذائية التعبئة والتغليف النانوي الذكي يستعمل للمحافظة على جودة وسلامة
الأطعمة وحفظها، وزيادة حياة المنتج، ومعالجة الأغذية بتطوير الغذاء تحت الطلب أو
الغذاء الوظيفي والتفاعلي لتسمح بتطوير غذاء يعتمد على الاحتياجات الشخصية للمغذيات
أو المذاق. هناك تفاؤل كبير باستخدام تقنية النانو لتغيير النظام الحالي لمعالجة
الأغذية، وضمان أمن المنتجات الغذائية، وخلق ثقافة الغذاء الصحي، وتطوير الجودة
الغذائية للغذاء من خلال مضافات نانونية مختارة، وتطوير الطريقة التي يهضم بها
الجسم الطعام ويمتصه (الباب الخامس من هذا الكتاب يتعلق بتطبيقات علوم وتقنيات
النانو في الزراعة وأنظمة الغذاء).

البيئة وتطبيقات تقنية النانو

التحدي الرابع هو تحدي البيئة النظيفة ويعتبر من التحديات الكبيرة التي تواجه
الإنسانية، فنتيجة للأنشطة الإنسانية المختلفة عبر آلاف السنين في الزراعة والصناعة
والإسكان وحرق الوقود والقضاء على الغابات والرقعة الزراعية فقد لحق بالبيئة دمار
كبير وتلوث الهواء والماء والتربة وضربت البيئة في أهم خصائصها وهي مقدرتها على
إحداث التوازن الطبيعى بين متغيراتها المختلفة، ونتج عن ذلك جملة من المخاطر
والمشاكل التى بدأت تهدد البشرية ولعل أهمها انتشار الأمراض والأوبئة الناجمة عن
تلوث الهواء والماء والتربة، والتغير المناخي والاحتباس الحراري، والذي ظهر بشكل
واضح ومن الممكن ملاحظته في زيادة المتوسط العالمي لدرجات حرارة الهواء والمحيط،
والذوبان واسع الانتشار للجليد والثلوج، وزيادة المتوسط العالمي لمستوى سطح البحر،
والذي سبب مشاكل مناخية كبيرة أدت إلى العواصف والفيضانات والمآسي من ناحية والجفاف
والتصحر وشح المياه من ناحية أخرى، كما أنها قد تؤدي إلى مشاكل أكبر وأعمق إذا
تأخرنا في مواجهة هذا التحدي. العلوم والتقنيات النانونية لها إمكانيات كبيرة
لإصحاح البيئة (الهواء والماء والأرض) ومعالجتها من التلوث الناجم عن الأنشطة
الزراعية والصناعية والإسكان وغيرها. الجسيمات النانونية تمثل جيلاً جديدًا من
التقنيات النانونية التي تعمل على معالجة البيئة وإصحاحها من التلوث ولها مجموعة من
الحلول قليلة التكاليف لمشاكل تنظيف البيئة. أحد هذه الجسيمات هي الجسيمات
النانونية للحديد التي لها مساحة سطح كبيرة ونشاط سطحي عالِ وبنفس الوقت فهي تعطي
مرونة عالية للتطبيقات في الموقع. وهناك تنوع كبير من المنتجات النانونية التى
أثبتت التجارب قدرتها على إزالة التلوث وتنظيف البيئة، وكذلك فإن الأغشية ذات
المسامات النانونية والمرشحات تزيل الملوثات من الوسط المائي والغازي وبالمثل
المحفزات النانونية والجسيمات النانونية المغناطيسية تعمل على تحليل الملوثات
وإزالتها، وتستخدم تقنيات التوصيل النانوي لتوصيل الكبسولات النانونية التي تعمل
على القضاء على الأجسام البيولوجية والكيميائية الملوثة للأراضي الزراعية. وأحد أهم
هذه التطبيقات التي تساهم في تنظيف البيئة هي صناعة الألياف النانونية التى لا
تلتصق بها الأوساخ والتي تستخدم في صناعة الملابس والمصنوعات غير القابلة للاتساخ.

بفعل التقدم في تقنيات النانو واستخداماتها في مجال الطاقة فإنها ستقود وبشكل
تدريجي إلى أنظمة توليد وتخزين وتوزيع واستخدام نظيفة وغير ملوثة للبيئة، وبذلك
تقلل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بشكل كبير وتنقذ العالم من مشكلة التغير المناخي
والاحتباس الحراري.

المحافظة على الصحة وعلاج الأمراض وتطبيقات تقنية النانو

التحدي السابع هو تحدي المحافظة على الصحة وعلاج الأمراض، وهو تحدٍ كبير جدًا
بالنسبة للحياة البشرية، ولو أخذنا أكبر عشرة أسباب للموت في العالم لوجدنا أن تسعة
منها بسبب الأمراض المختلفة ابتداء من أمراض القلب والجلطة وأمراض الشرايين،
والتهابات الجهاز التنفسي، والسرطانات المختلفة، ومرض نقص المناعة "الإيدز"،
والسكري وغيرها. أما السبب العاشر فهو حوادث السير في الطرقات، هذا إلى جانب
المعاناة الشديدة التي يعانيها المرضى وأسرهم والخسائر الاقتصادية الكبيرة التي
تسببها هذه الأمراض للأسر وللمجتمع ككل، فعلى سبيل المثال تصرف الولايات المتحدة في
حدود 2.4 ترليون دولار سنويًا على العناية الصحية بمعدل 8000 دولار لكل شخص سنويًا.
وأيضًا هناك مشكلة كبيرة بالنسبة للعلاج بالأدوية وإنتاجها، فالصيدلة الحديثة غير
دقيقة ومسرفة وفي بعض الأحيان تعرض الإنسان للخطر. 80% من الأدوية المرشحة تسقط في
التجارب السريرية ولا تصل إلى السوق وكثير مما يصل منها إلى السوق مشكوك في
فعاليته، ففي الولايات المتحدة على سبيل المثال هناك أكثر من 2 مليون حالة ردود فعل
سلبية للأدوية سنويًا وعدد ضحايا المؤثرات الجانبية لهذه الأدوية يبلغ حوالي
100.000 حالة. وأهم تحد في توصيل الدواء هو أن توصل الجرعة الصحيحة لعلاج معين
كالأدوية، والبروتينات، والأحماض النووية إلى مكان محدد، نسيج أو خلية، دون أن
يتسرب إلى أماكن أخرى فيسبب مشاكل أو أعراضًا جانبية. وحيث أن هذا لا يتأتى بالطرق
التقليدية لذلك فإن العلاج يدار بجرعات عالية جدًا وهذا يقلل من كفاءة الدواء ويزيد
من مشاكل التأثيرات السمية الجانبية.

إن
تحدي المحافظة على الصحة وعلاج الأمراض يستدعى نظامًا للعناية الصحية يعمل على
الكشف المبكر عن الأمراض والوقاية منها وتحسين وتطوير التشخيص والمعالجة ومراقبة
ومتابعة الأمراض ليجعل العناية الصحية أكثر كفاءة، وأكبر فائدة، وأرخص تكلفة.

تقنية النانو تقدم الحل لمواجهة هذا التحدي بالطب النانوي، وهو استخدام تقنية
النانو في الطب أو استخدام تقنية النانو للوصول إلى اختراق علمي جذري في مجال
العناية الصحية وهو يستغل الخواص الفيزيائية والكيماوية والبيولوجية الفائقة للمواد
في حيز النانو. ويمكن أيضًا تعريف الطب النانوي على أنه مراقبة والتحكم في الأنظمة
البيولوجية والدفاع عنها وصيانتها وبناءها وتطويرها ابتداء من المستوى الجزيئي
باستخدام أجهزة وتركيبات نانونية للوصول إلى الفوائد الطبية. وهناك مجموعة من
الأدوات التي يستخدمها الطب النانوي لتحقيق أغراضه مثل:

-

الرقاقات البيولوجية وتقنية المعمل على رقاقة
biochips-lab-on-a chip tech.

-

المجسات الجزيئية البيولوجية
biomolecular sensors.

-

تقنية المعمل على رقاقة lab-on a
chip
والريبوتات النانونية
nanobots.

-

توجيه وتوصيل الأدوية إلى مكان الإصابة
drug delivery-drug targeting.

-

التصوير الجزيئي/ الفوتونات البيولوجية
molecular imaging/biophotonics.

-

الطب التجديدي أو البنائي
regenerative medicin.

التصنيع النانوي والإلكترونيات النانونية

هناك مجموعة من التطبيقات الاخرى لتقنية النانو تساعد وتساند في مواجهة تحديات هذا
القرن مثل التصنيع النانوي بشكل عام والإلكترونيات النانونية بشكل خاص. إن الانتقال
من إظهار إثبات الفكرة proof of
concept demonstration
إلى النموذج الأولى
prototype
إلى التصنيع النموذجي
manufacturing pilot
إلى التصنيع الكامل
Full-scale manufacturing
ليس سهلاً وخاصة في حالة مجال جديد مثل تقنية النانو حيث أنه في
أغلب الحالات لا تستطيع أن تسخر تصاميم أدوات الانتاج السابقة لهذه التقنيات
الجديدة، ولذلك فإن التصنيع النانوي يحمل مجموعة من المواضيع والتحديات الجديدة مثل
تطوير ونمذجة العملية
process development and modeling،
وزيادة حجم الإنتاج scale up،
وعلم القياس metrology،
والتحكم في العملية process
controle،
واستخدام الأدوات Tooling،
وقوة العمل والسلامة وسلسلة العرض. هذه المواضيع والتحديات يجب أن تناقش وتدرس لأنه
بدون تصنيع ليس هناك منتجات.

أما
الإلكترونيات النانونية فتعرف بأنها إلكترونيات بدوائر ذات أبعاد في حيز النانو
والتعريف يغطي كلاً من تصنيع دوائر وأجهزة أنصاف الموصلات الحالية بأحجام صغيرة
(نانونية) وكفاءة عالية وكذلك التطورات في الإلكترونيات الجزيئية التي تستعمل
الذرات والجزيئات الفردية. بينما حجم المكونات الإلكترونية النانونية في الدائرة
المتكاملة بدأ يصغر والتعقيد يزيد لتجميع وظائف أكثر على رقاقة فردية فإن هذا
الاتجاه قاد إلى "نظام على رقاقة"
system-on-chip،
ومن الممكن أن يحتوي هذا النظام على اتصالات لاسلكية، أجهزة إحساس للصوت وللصورة
والفيديو، وأجهزة إحساس ميكانيكية وكيميائية وبيولوجية وغيرها من الأنظمة المتكاملة
التي لها استعمالات كثيرة جدًا. وهناك مجموعة كبيرة من الاستخدامات للإلكترونيات
النانونية في جميع مناحى الحياة.

بقية التحديات، وهي الفقر والحروب والإرهاب والتعليم والديمقراطية والسكان فإن علوم
وتقنيات النانو وغيرها من التقنيات الأخرى مثل الإلكترونيات والمعلومات والتقنيات
الحيوية تؤثر فيها بشكل مباشر أو غير مباشر وتساعد بشكل فعال على مواجهتها وإيجاد
الحلول لها. ولو أخذنا الفقر على سبيل المثال فإن تصدي علوم وتقنيات النانو لحل
مشاكل الطاقة والمياه والغذاء والبيئة والعلاج بشكل يجعلها في متناول الجميع
وبأسعار مقدور عليها هو مواجهة فعلية للفقر، كما أن الإستثمارات وفرص العمل الكبيرة
التى تقدمها هذه التقنيات تساهم بفعالية في محاربة الفقر، حيث تقدر منتجات وتقنيات
وخدمات تقنية النانو بحوالى 1- 2.6 ترليون دولار، وتقدم أكثر من 7 مليون فرصة عمل
مع سنة 2015، وهي في زيادة مستمرة وبمعدلات عالية.

الخطة الاستراتيجية لتطويع علوم وتقنيات النانو

إن
الوطن العربي يواجه تحديًا كبيرًا من تنامي علوم وتقنيات النانو وتطورها، فهذه
التقنيات لها القدرة على تغيير طبيعة الحياة وتطوير أدوات التصنيع وطريقة العلاج،
وتقدم استخدامات وتطبيقات ثورية جديدة من خلال التقنيات القادمة في جميع مجالات
الحياة الصحة والصناعة والزراعة والطاقة والمياه والبيئة والمواصلات والمعلومات
والإلكترونات والفضاء وغيرها، ولها تأثيرات اقتصادية كبيرة. ويعتمد نشر وتطويع
العلوم والتقنيات النانونية على وضع خطة استراتيجية موحدة، فيها يتم صياغة رؤية
مشتركة لتحقيق أهداف واضحة ومحددة، واستراتيجية تعمل على تحديد المسار، وبرامج عمل
تساعد على الدفع باتجاه تحقيق هذه الرؤية. ويمكن تحديد مكونات الخطة الاستراتيجية
كالآتي:

-

تحديد الاتجاه من خلال رؤية وأهداف واضحة.

-

وضع
استراتيجية محورها التميز البحثي والتقني والخطة المنفذة لها.

-

برامج عمل مساندة تساعد على الدفع باتجاه تحقيق الرؤية وتشمل:

إعداد قوة عمل ماهرة ومبتكرة ومحفزة للعمل.

إعداد قيادات تتميز بالمصداقية والرؤية الواضحة.

سيادة ثقافة وقناعات عصر المعرفة والابتكار.

تشكيل المنظمات والمؤسسات المساندة لعلوم وتقنية النانو.

إعادة تشكيل وهندسة الشركات والمؤسسات القائمة لتتبنى تقنية النانو.

تحديد الاتجاه (الرؤية والأهداف)

وهو
وضوح ما هو مطلوب إنجازه عند الجميع حتى يتم التفاعل معه والعمل على تحقيقه:

الرؤية:

الرغبة في تحقيق الطموحات لا بد أن تسبقها رؤية واضحة للاتجاه المطلوب الذي يصاغ
بدوره إلى أهداف واضحة، ورؤية الوطن العربي لتطويع واستخدام علوم وتقنية النانو
يمكن صياغتها كالآتي: مستقبل يكون فيه العرب قادرين على فهم واستيعاب والتحكم في
علوم وتقنيات النانو واستخدامها لتحقيق ثورة في التقنية والصناعة تفيد الوطن
العربي.

الأهداف:

-

الوصول إلى مستوى راق (عالمي) في بحوث علوم وتقنيات النانو وبرنامج تنموي لاستخدام
القوة الكامنة فيها.

-

تسهيل تحويل التقنيات النانونية إلى منتجات وخدمات للنمو الاقتصادي وإيجاد فرص عمل
وغيرها من الفوائد.

-

تنمية وتطوير موارد تعليمية وقوة عمل ماهرة.

-

تنمية وتطوير بنية تحتية وأدوات عمل متخصصة.

-

خلق
الفرص للصناعات المتقدمة الحديثة المبنية على تقنية النانو.

-

مساندة التطوير المسئول لتقنية النانو.

-

إيجاد مناخ اقتصادي وتنظيمي مناسب.

-

وضع
استراتيجية محورها التميز البحثي والتقني والخطة المنفذة لها.

بتحليل الوضع القائم لعلوم وتقنيات النانو وما يتعلق بها من علوم ومراكز بحوث
وجامعات في الوطن العربي ومعرفة نقاط القوة والضعف فيه، وبالتعرف على الوضع العالمي
لتقنيات وعلوم النانو ومعرفة مؤشرات التحول واتجاهاته (أين يقف العالم الآن من
تقنيات النانو واتجاهاتها) والوقوف على الفرص التي تتيحها هذه التقنيات والتحديات
التي تفرضها يمكن اقتراح معالم لاستراتيجية تطويع واستخدام علوم وتقنيات النانو
كالآتي:

علوم وتقنيات النانو وتحديات القرن الواحد والعشرين٭ 0908-spotlights_2

معالم استراتيجية تطويع واستخدام تقنية النانو في الوطن العربي

تجميع وحصر جميع البحوث المتعلقة بعلوم وتقنيات النانو محليًا (في الوطن
العربي) وعالميًا وتنظيمها في قواعد بيانات ونشرها عبر شبكات متخصصة.
تشجيع إنشاء مراكز بحوث متخصصة لعلوم وتقنيات النانو في كل قطر عربي ومركز عربي
على المستوى القومي للتنسيق بينها وبين جميع الجهات الاخرى التي تتبنى البحوث
والتطوير في مجال علوم وتقنيات النانو، والاستفادة من البحوث الجارية محليًا
وعالميًا.
وضع أولويات للبحث العلمي في مجال علوم وتقنيات النانو والأخذ في الاعتبار
مايهم الوطن العربي والعالم الثالث مثل: مشكلة المياه (توفير ماء صحي ميسور
التكلفة)، الاستخدامات الطبية والصحية، الزراعة والغذاء، الطاقة، المواد
والتصنيع والاستخدامات الصناعية، تلوث البيئة، النقل والمواصلات.
تشجيع الجامعات العربية ومراكز البحوث الحالية على تبني أولويات البحث العلمي
في مجال علوم وتقنيات النانو.
تشجيع شركات ومؤسسات التقنية العربية الخاصة والعامة على الدخول في مجال البحث
والتطوير في علوم وتقنيات النانو.
وضع سياسة تمويلية لتمويل مشاريع بحوث وتطوير علوم تقنيات النانو تعمل على تعدد
مصادر التمويل بين القطاع الخاص والعام.
الاستثمار في البحوث التي تعمل على فهم وتوضيح المخاطر التي تحملها تقنية
النانو وتأثر على الصحة والبيئة.
التأكيد على المبادئ الأخلاقية والقانونية والاجتماعية من تطبيقات تقنية
النانو، وتطوير قوانين المنظم وحماية الملكية الفكرية.
إعطاء أولوية للبحوث متعددة الاتجاهات التي تقود إلى استخدامات كثيرة في
اتجاهات متعددة، وتلك التي لها أهمية مباشرة لأقطار الوطن العربي (أولوية البحث
العلمي).
الاهتمام بالبحوث الفردية والبحوث الجماعية التي تجمع الخبرات في كثير من
التخصصات التي تهم تقنية النانو مثل الهندسة، والبيولوجيا، وعلم المواد،
والفيزياء، والكيمياء.
توفير أدوات البحوث والإمكانيات التي تحتاجها وسهولة الوصول إليها واستخدامها
مثل المعامل والشبكات وغيرها.
الاهتمام بالمؤتمرات وورش العمل في مجال علوم وتقنية النانو واستخداماتها من
أجل معرفة التحديات والفرص ووضع أفكار جديدة وتبادل الخبرات والمعرفة.
سياسة الارتباط والتنسيق الدائم بين الصناعة والبحوث في كل مراحل البحوث ابتداء
بوضع الأولويات إلى تحقيق النتائج وتحويلها إلى نماذج صناعية ثم منتجات.
الاهتمام بالابتكار والتجديد كعملية لنقل التقنية بخلق وتطوير واستخدام الأفكار
وتحويلها إلى سلع وخدمات قابلة للتسويق.
حصر الصناعات التي ستتأثر بدخول تقنية النانو وتطويرها باستخدام تقنيات النانو.
فتح باب البحوث العلمية (في علوم وتقنية النانو) في مراكز البحوث والجامعات
أمام الشركات العامة، والخاصة والمبتدئة
start-up
ومساعدتها في تحويل هذه البحوث إلى تقنيات، وصناعات وخدمات
نانونية.
تشجيع إنشاء شركات نقل التقنية التي تساعد الشركات المبتدئة على تحويل نتائج
البحوث إلى تقنيات وصناعات نانونية، وبناء سوق على الشبكة لبحوث ومعارف وتقنيات
النانو يساعد الشركات على تبني التقنيات النانونية، ويمكن الجامعات ومراكز
البحوث من العمل لتوسيع قاعدة المعرفة في العلوم والتقنيات النانونية.
تشجيع إنشاء مجموعة شبكات لعلوم وتقنيات النانو:

·

شبكة لبحوث وتقنيات النانو تجمع مجموعة من المنظمات العلمية في العلوم، والهندسة،
والجامعات، ومراكز البحوث، ورجال الأعمال والأكاديميين، وتهتم بآخر التطورات في
مجال النانو ونقل المعرفة ومنصة للأكاديميين ورجال الأعمال.

·

محطات الإبداع والتجديد تهتم بالتحديات الاجتماعية وآثار التقنيات النانونية على
الصحة والسلامة والبيئة والتنسيق في السياسات والمنظم والتمويل، وتحفز للاستثمار في
السوق المستقبلي.

·

شبكات للتعليم والتدريب على علوم وتقنيات النانو تهتم بالتعليم والتدريب في
المستويات المختلفة، المعاهد، والجامعات، والدراسات العليا.

تشجيع إنشاء الحاضنات والتجمعات الصناعية
clusters
حول الجامعات ومراكز البحوث كأحد طرق نقل تقنية النانو.
تشجيع الاستثمار في إنشاء جيل من المؤسسات الصناعية الصغيرة والمتوسطة التي
تعمل في مجالات تقنية النانو.
إدخال وتدريس تقنيات وعلوم النانو في المدارس والجامعات وذلك بتصميم برامج
لتطوير مناهج المدارس الإعدادية والثانوية وتطوير نموذج تعليمي يدخل تقنية
النانو في مناهج الجامعات للتخصصات التي لها علاقة بتقنية النانو مثل الفيزياء،
والكيمياء، والبيولوجيا، والهندسة، وعلم المواد وغيرها.
إدخال مقررات متكاملة لعلوم وتقنيات النانو من خلال مناهج مكتوبة، أو معدة بشكل
برامج حاسوبية، بتجاربها وتطبيقاتها في كليات العلوم، الهندسة وغيرها.
التوعية العامة لفهم علوم وتقنيات النانو من خلال الكتب، والأفلام، والإذاعة
المرئية، والمحاضرات والمعارض.
التشجيع على إعداد قوة العمل الماهرة في مجال علوم وتقنيات النانو والتي تشمل
البحاث، والفنيين، ومهندسي التصنيع والمنتجين وذلك بإعداد برامج تدريب يتم فيها
التنسيق بين الصناعة، والتعليم ومراكز البحوث، والتشجيع على عودة العقول
العربية المهاجرة.
استخدام تطبيقات النمذجة والمحاكاة والاهتمام بالقياس والمواصفات في مجال علوم
وتقنيات النانو.
تشجيع الجامعات ومراكز البحوث على إعداد برامج للدراسات العليا في مجال علوم
وتقنية النانو.
منح جوائز للبحوث والتطبيقات الفائزة في جميع مجالات تقنية وعلوم النانو.
إتباع سياسة الدمج بين البحث، والتدريب والتعليم في مؤسسات تقنية النانو لتجعل
من كل معمل مكانًا للتعليم والتدريب.
الشراكة بين أقطار الأمة العربية (القطاع الخاص والعام) من ناحية وبين الصناعة
والبحوث والجامعات ومراكز التدريب من ناحية أخرى هي الطريق لتطويع علوم وتقنيات
النانو وتحويلها إلى تقنيات ومنتجات وخدمات تفيد الوطن العربي وتحقق طموحاته.

*** *** ***

علوم وتقنيات النانو وتحديات القرن الواحد والعشرين٭

علوم وتقنيات النانو وتحديات القرن الواحد والعشرين٭ :: تعاليق

علوم وتقنيات النانو وتحديات القرن الواحد والعشرين٭