د. آشر عيدان - تكنولوجيا النانو - ثورة ما بعد الإنترنت

تنطوي تكنولوجيا النانو على العديد من التحديات. كيف سيؤثر ذلك على حياتنا اليومية، وما الذي يحتاج العاملون في مجال الحوسبة، وهم جمهور المحاضرة في مؤتمر أوراكل، إلى معرفته

دكتور اشير عيدان

أصبحت ثورة الكمبيوتر الشخصي وثورة الإنترنت ممكنة بفضل التقنيات التي تتيح العمل مع الأجهزة، مثل مكونات المعالج، على المستوى الجزئي (الألف من المليمتر). والآن تقترب الثورة القادمة بسبب التقنيات التي تسمح بالعمل مع الأجهزة، مثل الشعيرات الدموية والخلايا العصبية الاصطناعية على مستوى النانو (جزء من المليون من المليمتر). وربما وصلنا إلى مرحلة دخول صناديق رأس المال الاستثماري في مجال تكنولوجيا النانو بشكل كبير، لأن الحكومة الأمريكية خصصت مؤخرا لـ "وكالة تكنولوجيا النانو الأمريكية" مبلغا يقترب من مليار دولار.
انتقلت ثورة النانو من المرحلة الفلسفية والعلمية إلى المرحلة التكنولوجية عام 1984، وذلك بسبب ثلاثة أحداث مهمة:
1 في IBM، تم اختراع المجهر الذي يسمح لك برؤية جزيئات النانو بحجم الذرة، وكذلك التصرف على هذه الجزيئات.
2. تم تطوير أول مادة نانوية، تعتمد على جسيمات كروية ذات بنية سداسية تسمى "مجالات بيكي".
3. تم تأليف أول كتاب يعرض الإمكانات التجارية لتقنية النانو.
وفي السنوات التي تلت ذلك، تطورت الأحداث بسرعة، والحدث يتبع الحدث حتى يومنا هذا. وينقسم نشاط تكنولوجيا النانو حاليا إلى ثلاثة مجالات: أجهزة النانو، والمواد النانوية، والتحكم النانوي.
الأجهزة النانوية أو المحركات النانوية
وأبرز الأجهزة التكنولوجية النانوية هو المحرك النانوي أو النانوتور. ما هو النانو؟ ومن أبرز الجهود التي تبذل حاليا في بناء أنظمة على مستوى النانو تسمى ملم (الميكانيكا الدقيقة).
• يؤدي الالتقاء في الطبيعة بين الخلية المنوية والبويضة إلى تكوين أنبوب نانوي ينتج في النهاية كائنًا حيًا.
• مركبة فضائية بحجم طائر، تم إرسالها إلى المريخ وتحتوي على كل ما تحتويه المركبة الفضائية اليوم بحجم مبنى شاهق، وهي عبارة عن محرك نانوي تبلغ تكاليف وقوده لرحلة إلى المريخ تقريبًا نفس تكاليف وقود السيارة لمركبة فضائية. رحلة إلى المدينة القريبة.
• "مصلح الجسم" بحجم البكتيريا التي تخترق جسم الإنسان وتصلح الأضرار مثل: انسداد الشرايين، وتدمير المناطق المصابة بالبكتيريا، وإزالة السموم، وأكثر من ذلك، هو النانوتور.

Nanotor ليس مجرد محرك صغير جدًا ورخيص جدًا، ولكنه أيضًا ذكي جدًا. يحتوي المحرك الميكانيكي العادي على أجزاء مصنوعة من مواد غبية. إن حكمة المحرك الميكانيكي تكمن في مشغله البشري. ومن ناحية أخرى، فإن حكمة النانوتور موجودة في جميع أجزائه، على غرار الحكمة الموجودة في جميع أجزاء الكائن الحي، في الحمض النووي. وفي الخلايا العصبية. الطائرة أو السيارة التي تحتوي على جزيئات نانوية هي أجهزة معيارية يتغير شكلها وفقًا لظروف القيادة أو وفقًا لظروف وقوف السيارات.

على مدى السنوات الثلاث الماضية، كانت الوسائد الهوائية في السيارة مزودة بمحركات نانوية من الجيل الأول "تعرف كيف تستشعر" قوة الضربة اللازمة لتحرير الوسادة الهوائية.

اليوم، يتم إجراء التجارب الأولى باستخدام محركات نانوية تربط نفسها ببعضها البعض وتخلق شبكات اتصال تلقائية تشبه المستعمرات المرجانية. يتم بالفعل إجراء تجارب على شبكات الاتصال اللاسلكية النانوية اليوم في شركتي الكمبيوتر والاتصالات Lucent و Siemens. وفي جامعة كاليفورنيا، يعملون حاليًا على شبكة كمبيوتر لاسلكية يكون خادمها بحجم بطاقة الائتمان. وفي غضون عشر سنوات، سيتمكن أي شخص لديه جهاز كمبيوتر بحجم بطاقة الائتمان من التحرك في مساحة تحتوي على أجهزة المودم والخوادم اللاسلكية التي ستسمح له بنقل الصوت والفيديو والبيانات من أي نقطة إلى أي نقطة على هذا الكوكب.

المواد النانوية المبنية على أنابيب الكربون النانوية
وبما أن أهم ما يميز الأجهزة النانوية هو العمود النانوي، فإن أهم ما يميز المواد النانوية هو أنبوب النانو المصنوع من الكربون. يمكن استخدام الأنابيب النانوية لألياف الطاقة (المصاعد إلى الفضاء)، ولألياف الاتصالات (بسرعة نقل قرص DVD في الثانية)، وكبديل اصطناعي للشعيرات الدموية والخلايا العصبية.

وفي مختبرات بيل في الولايات المتحدة الأمريكية، نجحوا بالفعل في بناء رقائق تصنع نفسها من مادة خام معينة. وفي جامعة روتشستر، نجحوا بالفعل في بناء جزيئات البوليمر التي تخلق هياكل مخططة مسبقًا في أشكال مثل الأسطوانة أو الحلقة. تبني الرخويات أصدافًا هي أقوى الهياكل التي يعرف الإنسان كيف يبنيها. تقوم العناكب ببناء شبكات هي أقوى الخيوط من بين جميع الخيوط التي يعرف الإنسان كيفية بنائها. لماذا ؟

لأن البناء البشري حتى الآن هو بناء ميكانيكي، بينما البناء في العالم البيولوجي هو بناء عضوي. البناء الميكانيكي هو ربط الأجزاء على مستوى المليمتر أو أكبر ببعضها البعض. وبقيت وحدات البناء الجزيئية أو الذرية التي بنيت منها الأجزاء المذكورة أعلاه دون تغيير. ومن ناحية أخرى، في البناء العضوي، يبدأ البناء "من الأسفل إلى الأعلى"، أي أن الأجزاء يتم بناؤها ذرة بعد ذرة، أو جزيء بعد جزيء. نحن هنا نتحدث عن ربط الأجزاء على مستوى الميكرومتر (ألف من الذرة) أو النانومتر (مليون من الذرة).

تنبع ثورة الكمبيوتر الشخصي والإنترنت في الفترة 1993-1980 من ثورة رقائق الكمبيوتر على المستوى الجزئي. إذن، ما الذي تستلزمه الثورة على مستوى النانو؟ وصلت تكنولوجيا بناء رقائق الكمبيوتر على المستوى الجزئي إلى حدودها القصوى. وستكون الخطوة التالية هي رقائق الكمبيوتر ومعدات الاتصالات الأخرى التي سيتم بناؤها على مستوى النانو. الرقائق التي سيتم بناء الجزيء بجانب الجزيء أو الذرة بجوار الذرة. واليوم بالفعل، يستخدم علماء الأحياء الجزيئية تقنيات على مستوى النانو، عندما يقومون بإجراء تغييرات في الجينات البشرية. لذلك، من الممكن أن يكون أحد الاتجاهات في تطوير رقائق النانو هو رقائق الحمض النووي. بالإضافة إلى ذلك، فإن أحد اتجاهات تطور المواد والهياكل فائقة القوة يرتبط بالبيولوجيا الجزيئية من خلال أن علماء المواد يحاولون حاليا دراسة آليات "مصانع" الحيوانات مثل العناكب (الألياف شديدة القوة) ) والمحار (هياكل شديدة القوة).

التحكم النانوي والمراقبة النانوية على أساس غبار النانو
هذه حبيبات بحجم ملليمتر. تحتوي كل حبة على جهاز استشعار ونظام اتصال. يمكن لجهاز الاستشعار قياس درجة الحرارة أو السرعة أو الرطوبة أو الرائحة، وترجمة هذه "البيانات الحسية" إلى معلومات رقمية. يتم نقل هذه المعلومات في شبكة لاسلكية سريعة من أجهزة الاستشعار بين الحبوب إلى الحبوب، أو بين جميع الحبوب إلى "خادم الحبوب" الذي يقوم بمركزية المعلومات ونقلها إلى مركز التحكم أو المستخدم البشري.

يمكن لشبكات أجهزة الاستشعار النانوية اكتشاف العدو في ساحة المعركة والإرهابيين في المناطق الحساسة. ويمكنها اكتشاف نقص الرطوبة في المحاصيل الزراعية، والزلازل البسيطة التي تتنبأ بهزات أرضية قوية وخطيرة، وتسرب المواد الخطرة، وما شابه.

الأساس النظري لتقنية النانو
وفي خمسينيات القرن الماضي، توصل الفيزيائي فاينمان إلى فكرة بناء مواد جديدة من خلال تجميعها من القاعدة ذرة بعد ذرة. في عام 50 وضع دريكسلر في كتابه "محركات الخلق" أسس مجال جديد من تكنولوجيا النانو، وهو ما يعني تكنولوجيا الوحدات الصغيرة على المستوى دون الصغير (الجزيئات والذرات). تكنولوجيا النانو هي نوع من التقاطع بين تكنولوجيا الرقائق الدقيقة والتكنولوجيا الوراثية للحمض النووي. الحمض النووي عبارة عن آلة نانوية طبيعية والرقاقة عبارة عن آلة نانوية اصطناعية. إن أبحاث وإنتاج رقائق السيليكون وأبحاث وإنتاج الأدوية الجينية في الوقت الحاضر توفر بالفعل المعرفة الأساسية لتكنولوجيا النانو. ومن الممكن في المستقبل دمج تكنولوجيا النانو الطبيعية مع تكنولوجيا النانو الاصطناعية. سيسمح هذا الدمج بما يلي: معالجات حاسوبية ليست من السيليكون بل من الحمض النووي، وأنابيب نانوية لإصلاح الخلايا والجينات، وما إلى ذلك.

تعد تقنية النانو جزءًا من نموذج فكري جديد فائق يتضمن: الرياضيات الكسورية، وفيزياء الفوضى، والفلسفة العضوية، والبيولوجيا الجزيئية.

الرياضيات الكسورية: هذه هي رياضيات الأشكال غير المكتملة، والأشكال المكسورة (كسر في اللغة الإنجليزية مكسور). هذا، على سبيل المثال، مربع مبني من كسور المربع ودائرة مبنية من كسور الدوائر. يتكون النهر في الطبيعة من أنفاق صغيرة، وجداول، وأودية، وما إلى ذلك إلى ما لا نهاية. وكذلك الأوعية الدموية والشبكات العصبية وأغصان الأشجار وغيرها. الأشكال الكسورية هي نتيجة لشكل ماكرو يتكون من أشكال نواة صغيرة متشابهة. أجهزة تكنولوجيا النانو لها أشكال عملية لأن كل جهاز مصنوع من أجهزة صغيرة تشبهه.

الفيزياء الفوضوية: بسبب تكرار الشكل الجزئي الذي يخلق شكلًا ماكروًا، فإن التغيير في وحدة ميكروية واحدة ينتشر بسرعة إلى جميع الوحدات الدقيقة المشابهة وبالتالي يغير شكل الماكرو بأكمله. ويُنظر إلى هذا التغيير الجذري على أنه "فوضى". "تأثير الفراشة" الشهير هو مثال على ذلك: إذا أدت حركة جناح فراشة واحدة في اليابان إلى تغيير التوازن الجزيئي لسحابة في اليابان، فإن هذا يمكن أن يسبب إعصارًا من اليابان إلى الولايات المتحدة الأمريكية.

الفلسفة العضوية أو فكرة موندا. تم طرح هذه الفكرة في القرن الثامن عشر من قبل لايبنتز، وهو أحد مؤسسي حساب التفاضل والتكامل للمقادير التي تتجه إلى الصفر، وحساب التفاضل والتكامل اللانهائي، وأول من حاول بناء جهاز كمبيوتر. دعونا نتخيل آلة نانوية بحجم بكتيريا تحتوي على حاسوب نانوي بحجم فيروس. وسنستمر في تخيل أن هذه الآلة النانوية الذكية سوف تكرر نفسها مرارًا وتكرارًا كما تكرر البويضة المخصبة بواسطة الحيوان المنوي نفسها. ومن خلال تكرار ذلك، سنحصل على مادة ذكية، تتكون من آلاف الآلات النانوية المحوسبة. إذا كانت الآلاف من الآلات النانوية المحوسبة متصلة ببعضها البعض من خلال نوع ما من الإنترنت، فسنحصل على آلات ذكية ذات عقول ذكية. إلا أنها لن تكون آلات، ولكن ربما كائنات حية، أو ربما أدمغة. الوحدات الأساسية غير المادية هي monads.

علم الأحياء الجينومي أو فكرة التكاثر الذاتي. تم طرح هذه الفكرة من قبل فون نيومان، أبو الكمبيوتر الرقمي، في عام 1951. وبعد ذلك بعامين، أظهر واطسون وكريك، اللذين فكا رموز الحمض النووي، أنه يعمل وفقًا لمبدأ النسخ الذاتي.

الآثار الاقتصادية والنفسية والاجتماعية لتكنولوجيا النانو
أدرك ماكلولين في وقت مبكر من عام 1962 أن المطبعة كانت عبارة عن تقنية إنتاج تسلسلي للمعلومات التي سبقت المحرك البخاري الذي كان عبارة عن تقنية إنتاج تسلسلي للمواد. وبالتالي فإن الإنترنت هي تقنية رقمية للمعلومات سبقت إنتاج تكنولوجيا النانو وهي تقنية رقمية للمادة.

وللحديث معنى مزدوج: أولاً، ستمكن تكنولوجيا النانو من إنتاج ونقل المواد والأجهزة بسرعات وسهولة تضاهي السرعة والسهولة التي تنقل بها الإنترنت المعلومات والتطبيقات. ثانياً، بما أن المادة الخام لمواد ومنتجات تكنولوجيا النانو هي الذرات، فإن المادة الخام لا نهائية وموجودة في كل مكان. على سبيل المثال، لا تحتاج إلى إرسال محطة إلى المريخ من هنا. ويكفي أن نرسل بناءًا بتقنية النانو بحجم بكتيريا، وعندما يصل البناء إلى المريخ سيبني المستعمرة بأكملها من ذرات المريخ. إنه مثل خلية منوية وشمعة تبنيان شخصًا كاملاً أو فيلًا كاملاً، أو مشابهًا لكتاب كامل موجود في الولايات المتحدة ومن خلال الإنترنت يمكن إعادة إنتاجه في إسرائيل على ورق من طابعة موجودة هنا، في بضع دقائق. في هذه الحالة، يكون ورق الطابعة هو المادة الخام و"المنشئ" هو وكيل برمجي معين.

بنفس الطريقة، في تقنيتنا سيكون لدينا "طابعة للمواد". على سبيل المثال، لن تكون هناك ثلاجة بل "طابعة طعام" حيث تحتوي طابعة اليوم على خرطوشة ورق وخرطوشة حبر، وستحتوي "طابعة الطعام" على خرطوشة من رمل البحر. سيقوم جهاز الكمبيوتر الخاص بنا بتخزين أو تنزيل الصيغ من الإنترنت فقط. من الصيغ الجزيئية، سيقوم الكمبيوتر بتنظيم مواد مختلفة حسب طلبنا: الآيس كريم، السلطة، شريحة لحم، إلخ.

وهي بالتالي ثورة أكبر وأشد جذرية من الثورة الزراعية التي حدثت منذ آلاف السنين، والثورة الصناعية منذ مئات السنين، والثورة الإلكترونية منذ عقود مضت. فكما كان هناك نقص في المعلومات قبل 20 عامًا، واليوم هناك فائض في المعلومات بسبب الإنترنت، لذلك نتوقع أن نشهد عصرًا من الإفراط في المواد الغذائية والمواد الخام. إننا ننتقل من عصر النقص والحاجات إلى العصر الذي أسماه الفيلسوف نيتشه "عصر إرادة القوة". وفي هذا العصر، سيقوم الإنسان أيضًا بترقية نفسه إلى "سوبرمان" في عيادة قريبة لعمليات التجميل من الأنف إلى الدماغ. ولهذا التغيير آثار اجتماعية وثقافية وتعليمية وسياسية. ربما مع تطور تكنولوجيا النانو، سوف تتطور تقنية النانو الواقعية الآن.

سيتم عرض هذه المواضيع وغيرها كجزء من أسبوع أوراكل الحادي عشر، والذي سيعقد في 11 تشرين الثاني/نوفمبر، في فندق ديفيد إنتركونتيننتال في تل أبيب. يعد Oracle Week أكبر مؤتمر للحوسبة في إسرائيل - في العام الماضي، عندما احتفل بالذكرى العاشرة لتأسيسه، شارك ودرس أكثر من 7 شخص في أكثر من 8,000 ندوة وحدثًا استمر أسبوعًا كاملاً.