تكنولوجيا النانو: علم ناضج

يعمل العلماء على إيجاد طرق للتحكم في الجسيمات النانوية لتطبيق تكنولوجيا النانو في الممارسة العملية. حوار مع البروفيسور ريتشارد روبنسون ضيفاً على الجامعة العبرية في القدس/إيثان كرين

تم نشر المقال بموافقة مجلة ساينتفيك أمريكان إسرائيل وشبكة أورت

وصل البروفيسور ريتشارد روبنسون إلى مختبر البروفيسور أوري بانين في معهد الكيمياء في القدس بسبب شطيرة همبرغر. ولو كانت مصنوعة من الخبز واللحم لكانت أصغر همبرغر في العالم. ومع ذلك، فإن "الكعكة" في هذه الحالة مصنوعة من كبريتيد الزنك (ZnS) و"الهمبرغر" نفسها مصنوعة من طبقة رقيقة من كبريتيد النحاس (Cu).₂S) والتي يمكن أن يصل سمكها إلى عدد قليل من الذرات فقط. إن طريقة إنشاء هذه الكرة، التي يبلغ قطرها حوالي 20 جزءًا من المليار من المتر، أو 20 نانومترًا، قد تؤدي إلى مجال جديد ومثير للاهتمام في الكيمياء غير العضوية. ولمناقشة هذه العمليات، قمت بزيارة الجامعة العبرية في القدس للتحدث مع روبنسون، الذي جاء من جامعة كورنيل في الولايات المتحدة بمساعدة منحة فولبرايت من مؤسسة التعليم الأمريكية الإسرائيلية.

من أكثر الأشياء الملفتة للنظر في سيرة روبنسون الذاتية هو التنوع: فقد حصل على درجتي البكالوريوس والماجستير في الهندسة الميكانيكية من جامعة تافتس. حصل على الدكتوراه في الفيزياء التطبيقية من جامعة كولومبيا وقام بعمل ما بعد الدكتوراه في جامعة كاليفورنيا في بيركلي في كيمياء النانو. وهو حاليًا باحث في قسم علوم المواد في جامعة كورنيل. "في بحثي أقوم بدمج كل هذه المجالات"، أخبرني روبنسون بابتسامة تستنكر نفسها. وفقا له،مجموعته البحثية محاولة الربط بين العالم النانوي والعالم الحقيقي من أجل إنشاء أجهزة تعتمد على تكنولوجيا النانو. ولتحقيق هذه الغاية، ينخرط أعضاء المجموعة في إجراء تعديلات كيميائية على الجسيمات النانوية التي تستخدم كوحدات بناء في الأجهزة على نطاق أوسع وتوصيفها باستخدام الطرق الفيزيائية. ويخبرهم التوصيف الجسدي بكيفية إجراء المزيد من التغييرات الكيميائية، ولا سمح الله. يقول روبنسون: "من أجل تصنيع البطاريات والمكثفات الفائقة والمحفزات الكيميائية، يجب علي الجمع بين جميع مجالات المعرفة التي شاركت فيها: الهندسة والفيزياء والكيمياء".

ويقارن روبنسون حالة تكنولوجيا النانو اليوم بدراسة المواد البلاستيكية في الخمسينيات. كانت البوليمرات البلاستيكية معروفة قبل ذلك بكثير، ولكن بعد ذلك فقط تعلم الكيميائيون والمهندسون التحكم في تركيبها وبنيتها من أجل التحكم في خواصها الكيميائية والفيزيائية وتطبيقها على نطاق واسع. في السنوات الأخيرة، تعلم الكيميائيون تحضير مجموعة واسعة من الجسيمات النانوية، كما يقول روبنسون. إنهم يعرفون كيفية صنع جزيئات ذات تركيبة دقيقة وحجم دقيق وموحد. حجم الجسيمات مهم للغاية. في الكيمياء العادية، أكثر ما يؤثر على خواص المادة هو بنية الجزيء أو الشبكة. من ناحية أخرى، في كيمياء النانو، فإن الجسيمات ذات التركيب نفسه، ولكن مختلفة الحجم والشكل، سيكون لها خصائص فيزيائية مختلفة تمامًا: اللون، والتوصيل الكهربائي، والخصائص المغناطيسية، والمزيد. يقول روبنسون: "إنهم يعرفون اليوم كيفية إنشاء "ألبوم طوابع" من الجسيمات النانوية: المجالات، والمنشورات، والنجوم، والأشكال السداسية، وقد تعاملوا حتى الآن بشكل أساسي مع هذا الأمر". نحن نعرف كيفية إضافة العديد من أنواع "الطوابع" الجديدة إلى هذا الألبوم، لكن ليس لدينا الوسائل المناسبة لدمجها في المعايير. بالإضافة إلى ذلك، لم نتمكن بعد من إيجاد طريقة لتوسيع نطاق عمليات إنتاج الجسيمات النانوية.

كيمياء جديدة؟

وكما ذكرنا، فإن الجزء الأول من حل المشكلة هو التغيير الكيميائي الدقيق للجسيمات النانوية. والمواد التي يعمل عليها روبنسون هي مركبات أيونية من أشباه الموصلات. في الكيمياء العادية، هي مواد بلورية، وهي هياكل ثلاثية الأبعاد هائلة الحجم، مقارنة بالجسيمات النانوية، حيث يتم ترتيب الأيونات في دورات من الأيونات الموجبة والسالبة بالتناوب، في أعمدة وصفوف. إذا وضعت مثل هذه البلورة، بمجرد تكوينها، في محلول يحتوي على أيونات أخرى، فإن الطريقة الوحيدة التي يمكن أن تتفاعل معها هي على السطح. "يمكن للأيونات الأجنبية الدخول واستبدال الأيونات الموجودة في البلورة، ولكن فقط لمسافة قصيرة جدًا"، يوضح روبنسون.

البلورات ذات البنية المماثلة، ولكن في الأبعاد النانوية، تتصرف بطريقة مختلفة تمامًا. على سبيل المثال، إذا قمت بإدخال جسيمات نانوية يكون الأيون الموجب فيها هو الكادميوم، (Cd⁺²) بالنسبة للمحلول الذي يحتوي على أيونات موجبة أخرى، مثل أيونات الفضة (+Ag)، يحدث تبادل سريع جدًا للأيونات (على الرغم من اختلاف الشحنات بينها). وبما أن المساحة السطحية للجسيمات النانوية ضخمة بالنسبة لحجمها، فإن معدل التفاعل يصبح سريعًا جدًا. يوضح روبنسون: "إن التبادل سريع للغاية، وعلى الرغم من التغير في التركيب الكيميائي، إلا أن شكل الجزيئات يتم الحفاظ عليه". علاوة على ذلك، تخترق الأيونات الجسيمات النانوية في اتجاهات معينة: على جانبي الكرة، أو على فترات زمنية ثابتة على طول الكرة. لا أحد يفهم بالضبط هذه الآليات، وفي كثير من النواحي يعد هذا فرعًا جديدًا وحديثًا من الكيمياء.

قامت مجموعة روبنسون بشيء جديد: أوقفت العملية في المنتصف. هذه هي الطريقة التي تتشكل بها الهياكل المكونة من مادتين مختلفتين في نفس الجسيم. يقودنا هذا إلى "الهمبرغر": وضع روبنسون وزملاؤه كرات كبريتيد النحاس في محلول يحتوي على أيونات الزنك، وعندما استبدلوا أيونات النحاس، أوقف الباحثون التفاعل في أوقات محددة (انظر الشكل). العملية منتظمة جدًا بحيث يمكنك الحصول على شطائر موحدة، ويعتمد سمك "الهامبرغر" العالق بها على وقت رد الفعل. وعندما يتوقف التفاعل عند النهاية، يتم الحصول على طبقة رقيقة من النحاس يبلغ سمكها ذرة واحدة. وقد تم اختبار خصائص هذه الطبقة بواسطة روبنسون في إسرائيل.

تعرف على الخبراء الإسرائيليين

وهنا في القدس يعمل بعض الخبراء الرائدين في العالم في مجال توصيف الجسيمات النانوية. يقول روبنسون، يوجد في مختبر البروفيسور بنين معدات طيفية تم تصنيعها هنا في إسرائيل وهي واحدة من أفضل الأجهزة من نوعها. يتمتع أوري بنين بخبرة كبيرة، وهو متخصص في التوصيف الهيكلي والطيفي للجسيمات النانوية. يقول روبنسون: "لقد جئت إلى هنا لتطوير مسيرتي المهنية وإقامة تعاون مع الباحثين في القدس". "إنهم الخبراء، وأنا المبتدئ." والخبير الثاني الذي يشير إليه روبنسون في كلامه هوالبروفيسور عوديد ميلو من معهد راكيه للفيزياء في الجامعة العبرية. ميلو هو خبير في توصيف الجسيمات النانوية باستخداممجهر مسح نفقي (اس تي ام). "لا توجد معدات كبيرة وباهظة الثمن في إسرائيل"، يقول روبنسون. "لكن مستوى العلم والخبرة هنا يعادل المستوى الموجود في الولايات المتحدة أو حتى يفوقه." الطلاب الإسرائيليون الذين يعمل معهم، والذين يستمع إليهم في الندوات، هم على الأقل جيدون مثل الطلاب الذين يعرفهم في الولايات المتحدة. ويقول: "إن العلماء هنا يكسرون الحدود بالتأكيد".

ابحث عن

إن الأبحاث التي يقوم بها روبنسون في إسرائيل هي أبحاث بحتة، والتي، كما ذكرنا، قد تؤدي إلى مجال جديد في الكيمياء. لكن البحث له العديد من الأغراض العملية. أحد الأمثلة يتناول المحفزات: وهي المواد القادرة على تسريع تفاعلات كيميائية معينة وتوجيهها. تعتمد الكيمياء الحيوية التي تتحكم في حياتنا على بروتينات محفزة تسمى الإنزيمات، وهي قادرة على الوصول إلى مستوى تحكم دقيق بشكل لا يصدق. على الرغم من أن الصناعة الكيميائية الحديثة بعيدة كل البعد عن الدقة البيولوجية، إلا أنها تعتمد بشكل متزايد على المواد الحفازة. يسمح هذا المجال بالاختصارات وتوفير الطاقة بشكل كبير واستخدام مواد أكثر صديقة للبيئة. ومن المؤكد أن الجسيمات النانوية، بمساحة سطحها الضخمة، ستلعب دورًا مهمًا. على سبيل المثال، يوجد أكسيد الكوبالت في مركز الأبحاث التي تبحث عن طرق لتحليل الماء باستخدام الضوء، بهدف محاكاة عملية التمثيل الضوئي. يقول روبنسون إن استبدال أيونات الأكسجين جزئيًا بأيونات الكبريت في جسيمات أكسيد الكوبالت النانوية يحسن قدرتها على تحفيز التفاعل. ربما يرجع السبب في ذلك إلى زعزعة استقرار البنية البلورية. أيونات الأكسجين وأيونات الكبريت هي أيونات سالبة، وهي بطبيعتها أكبر من الأيونات الموجبة. قد تدخل الأيونات الموجبة الصغيرة في البنية البلورية دون كسرها، لكن تبادل الأيونات السالبة يزعزع استقرار البنية. وعلى وجه التحديد فإن البنية غير المستقرة قد تحسن النشاط.

ولكن، كما ذكرنا سابقًا، فإن دمج الجسيمات النانوية في المنتجات لا يزال في بداياته. أخبرني روبنسون أن هناك بالفعل شاشات عرض تحتوي على جسيمات نانوية، وهي تعرض ألوانًا أكثر ثراءً، ولكنها أيضًا أكثر تكلفة.

وربما يصبح هذا الاختراق ممكنا بفضل التعاون بين القدس وكورنيل.

ويقيم البروفيسور ريتشارد روبنسون في إسرائيل كجزء من برنامج فولبرايت الذي يعزز التعاون الأكاديمي العلمي بين الولايات المتحدة وإسرائيل ويدعم الباحثين وطلاب الأبحاث المتميزين. تتم إدارة مشاركة إسرائيل في هذا البرنامج من قبل مؤسسة التعليم الأمريكية الإسرائيلية. أجريت المقابلة بمساعدة هيلا عوفاديا أكرمان.

البروفيسور ريتشارد روبنسون هو أستاذ زائر جامعي في معهد الكيمياء بالجامعة العبرية في القدس