تكنولوجيا النانو: نظرة إلى المستقبل

على غرار علوم الكمبيوتر في ستينيات القرن العشرين، يمر هذا المجال الجديد حاليًا بالمراحل الأساسية من التصميم والفهم، وفي السنوات القادمة سوف يرتقي إلى الصدارة تدريجيًا، في أربع مراحل من التطوير

م. روكو، مجلة ساينتفيك أمريكان

واليوم، لا تزال تكنولوجيا النانو في مرحلة التصميم - على غرار وضع علوم الكمبيوتر في الستينيات والتكنولوجيا الحيوية في الثمانينيات. لكن هذا المجال ينضج بسرعة. وفي الفترة من عام 60 إلى عام 80، قفزت الاستثمارات الحكومية العالمية في أبحاث وتطوير تكنولوجيا النانو من 1997 مليون دولار إلى حوالي 2005 مليار دولار، وفي عام 432 تجاوز الاستثمار الصناعي الاستثمار الحكومي. وبحلول عام 4.1، سوف تساهم المنتجات التي تشتمل على تكنولوجيا النانو بنحو تريليون دولار في الاقتصاد العالمي. وسيتم توظيف حوالي مليوني عامل في صناعات تكنولوجيا النانو، وسيكون عدد الوظائف ذات الصلة أعلى بثلاثة أضعاف.

عادة ما توصف تقنية النانو بمصطلحات تتعلق بالأبعاد الصغيرة للخصائص الفيزيائية التي تتعامل معها، وهي كيانات تتراوح في الحجم من ذرة واحدة إلى 100 جزيء في القطر. من هذا الوصف يمكن أن نفهم أن تكنولوجيا النانو ليست أكثر من استخدام أجزاء أصغر بلا حدود من تلك المستخدمة في الهندسة العادية. ولكن على هذا المقياس، فإن إعادة ترتيب الذرات والجزيئات تؤدي إلى خصائص جديدة. يمكن للمرء أن يرى الانتقال من السلوك الثابت للذرات المفردة والجزيئات المفردة إلى السلوك التكيفي للركام. ولذلك، فمن الأفضل أن ننظر إلى تكنولوجيا النانو كأداة لتطبيق نظرية الكم وغيرها من الظواهر الفريدة المميزة لأحجام النانومتر، والتي تسمح بالتحكم بشكل أساسي في خصائص المادة وسلوكها.

في العقود القادمة، سوف تتطور تكنولوجيا النانو في أربع مراحل متداخلة جزئيًا لإنشاء نماذج صناعية أولية والتسويق الأولي. في المرحلة الأولى، التي بدأت بعد عام 2000، بدأ تطوير الهياكل النانوية السلبية: وهي مواد ذات بنية ووظيفة ثابتة تستخدم غالبًا كأجزاء من المنتجات. يمكن أن تكون هذه الهياكل متواضعة مثل جزيئات أكسيد الزنك الموجودة في واقي الشمس، ولكنها قد تعمل أيضًا على تقوية الألياف في المركبات الجديدة أو أنابيب الكربون النانوية في الإلكترونيات.

وتركز المرحلة الثانية، التي بدأت عام 2005، على الهياكل النانوية النشطة التي تغير حجمها أو شكلها أو موصليتها الكهربائية أو غيرها من الخصائص أثناء الاستخدام. لن تطلق جزيئات توصيل الدواء الجديدة الجزيئات النشطة طبيا في الجسم إلا بعد وصولها إلى الأنسجة المريضة التي تستهدفها. سيتم اختزال المكونات الإلكترونية، مثل الترانزستورات ومكبرات الصوت ذات الخصائص القابلة للضبط، إلى جزيئات مفردة معقدة.

وفي حوالي عام 2010، سيبدأ العمال في تطوير الخبرة في أنظمة الهياكل النانوية وتوجيه أعداد كبيرة من المكونات المعقدة لتحقيق أهداف معينة. يمكن أن يكون أحد التطبيقات هو التجميع الذاتي الموجه مسبقًا لمكونات الإلكترونيات النانوية لإنشاء دوائر ثلاثية الأبعاد وأجهزة كاملة. وفي الطب، يمكن استخدام مثل هذه الأنظمة لتحسين توافق الأنسجة مع الغرسات، أو لإنشاء سقالات لتجديد الأنسجة، وربما حتى لبناء أعضاء صناعية.

بعد 2015-2020، سوف يتوسع المجال ليشمل الأنظمة الجزيئية النانوية - شبكات غير متجانسة حيث سيتم استخدام الجزيئات والهياكل فوق الجزيئية لأجهزة منفصلة. هذه هي الطريقة التي تعمل بها البروتينات الموجودة في الخلية معًا. ولكن في حين أن الأنظمة البيولوجية تعتمد على الماء وحساسة للغاية لدرجة الحرارة، فإن هذه الأنظمة الجزيئية النانوية ستكون قادرة على العمل في نطاق أوسع بكثير من البيئات ويجب أن تكون أسرع بكثير. سيتم تصغير أجهزة الكمبيوتر والروبوتات إلى أبعاد صغيرة للغاية. ربما تتعامل التطبيقات الطبية مع مهام طموحة مثل أنواع جديدة من العلاج الجيني أو علاجات مكافحة الشيخوخة. ستكون الواجهات الجديدة التي تربط البشر مباشرة بالإلكترونيات قادرة على تغيير أنظمة الاتصالات.
وبمرور الوقت، ستكون تكنولوجيا النانو قادرة على إفادة جميع قطاعات الصناعة والرعاية الطبية. ويمكنه أيضًا تحسين البيئة من خلال الاستخدام الأكثر كفاءة للموارد وطرق أفضل لمكافحة التلوث. لكن تكنولوجيا النانو تفرض أيضًا تحديات جديدة على السيطرة على المخاطر. وعلى المستوى الدولي، يتعين علينا بذل المزيد من الجهود لجمع المعلومات العلمية اللازمة لحل أوجه الغموض وإنشاء نظام تنظيمي شامل. ولكن لكي يحقق هذا المجال الجديد والقوي إمكاناته المذهلة، هناك حاجة حيوية لمساعدة الجمهور على رؤيته في تسوية العقل وفي سياق واسع يحافظ على القيم الإنسانية ونوعية الحياة.