يقوم العلماء ببناء الجيل القادم من الأجهزة ذات الحجم الذري
لعقود من الزمن اعتمد الإنتاج الصناعي على خطوط الإنتاج الطويلة. هذه هي الطريقة التي قامت بها جماهير من العمال، من البشر أو الروبوتات، ببناء أشياء كبيرة مثل السيارات والطائرات، وإنشاء أجهزة أصغر وأكثر تعقيدًا مثل الأجهزة الطبية وأجهزة الكمبيوتر والهواتف الذكية.
والآن تخيل مستقبلاً يتم فيه تجميع المعالجات والذكريات الرقمية والمولدات الحالية والأنسجة الاصطناعية والأجهزة الطبية، على نطاق صغير لا يمكن رؤيته بالعين المجردة ووفق مجموعة جديدة من القواعد. واليوم توجد بالفعل منتجات تتضمن تكنولوجيا النانو، على سبيل المثال: مرشحات الإشعاع التي تحتوي على قطع صغيرة من ثاني أكسيد التيتانيوم التي تحجب الأشعة فوق البنفسجية أو الجسيمات المستخدمة لتحسين التصوير الطبي. ولكن في السنوات المقبلة، سيبدأ عصر مهم سننتقل فيه من تكنولوجيا النانو الموجودة في المنتجات إلى المنتجات التي هي في حد ذاتها تكنولوجيا النانو.
سيتطلب الإنتاج الناجح لهذه التقنيات النانوية الأساسية فهمًا أفضل لسلوك المادة على المستوى الذري وأدوات وعمليات إنتاج جديدة.
أحد الأساليب هو التجميع الذاتي الموجه من الأسفل إلى الأعلى، حيث تنضم الوحدات الصغيرة أو الوحدات الفرعية مثل الذرات أو المكونات النانوية (مثل الأنابيب النانوية) إلى مكونات أكبر وأكثر ضخامة. ويمكن للعلماء أيضًا استخدام خيوط الحمض النووي أو الجزيئات الطبيعية أو الاصطناعية كمواد بناء قابلة للبرمجة، وتجميع الأجهزة والمحركات ذات الحجم الجزيئي منها بدقة. تقنية أخرى فعالة للغاية هي التجميع من لفة إلى لفة، حيث تتم طباعة الأجهزة الصغيرة على لفات متواصلة من صفائح البوليمر.
يتطلب تصنيع النانو أيضًا أدوات دقيقة جدًا. وستكون بعض الأدوات عبارة عن محفزات كيميائية، والبعض الآخر سيكون بيولوجيًا أو بصريًا أو ميكانيكيًا أو كهرومغناطيسيًا. يجب أن نفترض أنه في المستقبل البعيد، ستشمل مجموعة أدوات التصنيع النانوي أيضًا جزيئات جديدة و"مواد فوقية" سيتم تصميمها لتكون لها خصائص تنتهك قوانين الطبيعة على ما يبدو، مثل مادة تعكس الضوء بشكل غير متوقع. .
فيما يلي نظرة عامة على بعض تقنيات النانو الأكثر إثارة في الأفق وكيفية تنفيذها.
سقالات الأنسجة سايبورغ
ومن الممكن أن تلعب الأنسجة الاصطناعية المدمجة على المستوى الخلوي والتي تحتوي على مكونات إلكترونية، يومًا ما دورًا "سايبورغيًا" في جسم الإنسان. فبدلاً من زرع الأجهزة الإلكترونية في الأعضاء الموجودة، من الممكن زراعة أنسجة اصطناعية على هيكل عظمي يحتوي على عدد كبير من أجهزة الاستشعار الإلكترونية النانوية. يمكن أن تكون هذه السقالات الإلكترونية النانوية أساسًا للأنسجة المهندسة التي يمكن استخدامها للكشف عن المشكلات الطبية والإبلاغ عنها. سيكونون قادرين على توصيل جزء من الجهاز العصبي بجهاز كمبيوتر أو آلات أو أي جسم حي آخر. يقوم العلماء في جامعة هارفارد ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) اليوم ببناء سقالات ميثيل نانو دقيقة ومرنة للغاية يمكنها التفاعل مع خلية واحدة. ويقول الباحثون إن هدفهم هو دمج الأنسجة والإلكترونيات حتى يصعب معرفة أين ينتهي أحدهما ويبدأ الآخر.
ذاكرة صغيرة
يعد إنتاج النانومتر بتوفير مكونات إلكترونية أصغر وأقوى، مع ذاكرة كثيفة، وفعالة وأرخص. وهذا أمر جيد، لأنه سيأتي اليوم الذي لن يتمكن فيه العلماء والمهندسون من تقليص رقائق الكمبيوتر وتبريد الدوائر باستخدام تكنولوجيا أشباه الموصلات التي تم استخدامها لعدة عقود لبناء دوائر متكاملة. إحدى الطرق للتغلب على المشكلة هي استخدام دوران الإلكترون لحمل المعلومات في كل من أجهزة الذاكرة وأجهزة المعالجة. تعمل شركات IBM وIntel وغيرهما على تطوير أجهزة الذاكرة والمعالجة "spintronic" التي من المرجح أن تكون موثوقة وسريعة وموفرة للطاقة. تتضمن العديد من الأساليب الأخرى كتابة البيانات وتخزينها باستخدام مغناطيس نانومتر. أظهر فريق بحث من جامعة كورنيل طريقة موفرة للطاقة لعكس الاستقطاب المغناطيسي لمغناطيس النانو. هذه خطوة على الطريق نحو نسخة مصغرة من ذاكرة الوصول المباشر ذات المقاومة المغناطيسية (MRAM)، وهي الأجهزة التي ستكون قادرة على تخزين المعلومات حتى بدون مصدر طاقة. طبق الباحثون تيارًا كهربائيًا على طبقة من عنصر التنتالوم (ta) بنمط الطباعة الحجرية. وقد أحدث التيار انحيازًا دورانيًا قويًا بما يكفي لعكس قطبية المغناطيس القريب. ولعكس الدوران وإعادته إلى حالته الأولى، كل ما كان عليهم فعله هو تمرير تيار في الاتجاه المعاكس. ومع عدم وجود تيار على الإطلاق، ظل المغناطيس كما هو وقام بتخزين المعلومات حتى عند إيقاف تشغيل الجهاز. قد يؤدي هذا البحث إلى أجهزة، مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، التي يتم إيقاف تشغيلها وتشغيلها على الفور، ولا تضيع وقت البطارية في حالة الاستعداد.
عضلات بلاستيكية
يمكن للعضلات الاصطناعية أن تساعد الناس على الرمش، والأسماك الآلية على السباحة، والطفو لاستخراج الطاقة من البحر. سيستخدم الكيميائيون قريبًا بوليمرات نانومترية متفرعة تشبه الخيوط، والتي تستطيل عند تسخينها وتنكمش عند تبريدها، ويمكن استخدامها كألياف عضلة القلب، أو أغشية الخلايا، أو حاملات صناعية للأدوية. وقد أثبت باحثون من جامعة بنسلفانيا، بقيادة فيرجيل بيرسيك، أنه من الممكن تقوية هذه البوليمرات الرقيقة حتى تتمكن من حمل عملة معدنية بقيمة عشرة سنتات، وهي أثقل 250 مرة من الألياف. إلى مراحل الإنتاج هو إيجاد وحدات بناء بوليمرية يمكنها تجميع نفسها بطريقة يمكن التنبؤ بها، لإنشاء هياكل كبيرة، مثل أنسجة القلب على سبيل المثال، والتي من شأنها أن تتصرف مثل العضلات الاصطناعية الصغيرة.
التواصل بسرعة الليزر
ينبغي للدوائر الضوئية المتكاملة التي تنقل المعلومات باستخدام الضوء أن تعمل على تسريع تشغيل أجهزتنا الإلكترونية الأصغر حجمًا. ولكن قبل أن تصبح الأجهزة الضوئية حقيقة واقعة، لا تزال هناك مشكلة أساسية واحدة: هناك حد لحجمها. ولا يسمح حاجز حيود الضوء بحصر الضوء في مساحات أصغر من نصف طوله الموجي، ولكن الأطوال الموجية للضوء المرئي أكبر بـ 10 إلى 100 مرة من أي جهاز إلكتروني نانوي.
ويحاول الباحثون التغلب على هذه القيود عن طريق نقل المعلومات باستخدام ليزر "البلازمون" ذو الحالة الصلبة. يتكون ليزر البلازمون من شبكة من أسلاك أشباه الموصلات النانوية والأسلاك المعدنية ذات الحجم المماثل. تخلق نقاط التقاطع في الشبكة مساحات مكعبة حيث سيتم حبس الضوء. يمكن أن تصل هذه الفجوات إلى 1% من حاجز الالتفافية، وهو بحجم الترانزستور الموجود في شريحة الكمبيوتر. إذا نجح العلماء في تضييق الفراغات التي تم إنشاؤها بين الأسلاك لإنتاج دفقات ليزر صغيرة، فمن الممكن أن يتم تمهيد الطريق لأنظمة بصرية صغيرة جدًا سيتم وضعها بين هذه الترانزستورات المجهرية. ويقود هذا العمل تشانغ تشانغ وزملاؤه في جامعة كاليفورنيا، بيركلي.
محطات توليد الطاقة معدية
يمكن استخدام الفيروسات لبناء أجهزة نانومترية لتوليد الكهرباء. تعتبر العاثيات M13، وهي فيروس يهاجم البكتيريا، مناسبة بشكل خاص لهذا الغرض. ويقوم الفيروس الشبيه بالقضيب، الذي يبلغ قطره حوالي 7 نانومتر وطوله حوالي 900 نانومتر، بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية (والعكس صحيح). وفي التجارب التي أجراها المهندس البيولوجي سونج ووك لي من جامعة كاليفورنيا في بيركلي وفريقه، تم استخدام فيروس لتجميع مادة بيولوجية كهرضغطية قادرة على جمع ما يكفي من الكهرباء لتشغيل شاشة LCD بمساحة 10 سنتيمترات مربعة. يعتمد نهج التصنيع النانوي هذا على قدرة الطبيعة الفريدة على تصنيع المواد البيولوجية داخل الفيروسات، والتي يمكنها التكاثر والتطور وتجميع نفسها بدقة ذرية. وستكون المواد الكهرضغطية المبنية على الفيروسات قادرة على تشغيل أجهزة الاستشعار النانوية وغيرها من الأجهزة الطبية المستقبلية (سواء داخل جسم الإنسان أو خارجه) من خلال الاستفادة من الطاقة الحركية مثل نبض القلب على سبيل المثال.
عن المؤلف
مايكل ك. روكو هو أحد كبار مستشاري تكنولوجيا النانو في المعهد الوطني للعلوم في الولايات المتحدة.
