انظر ما هي "تقنية النانو" في القواميس الأخرى. تقنيات النانو: من اخترعها ومتى؟ما هي تقنيات الإنتاج النانوي؟

تقنية النانو هي أحد مجالات العلوم والتكنولوجيا الأساسية والتطبيقية التي تتعامل مع مزيج من التبرير النظري والأساليب العملية للبحث والتحليل والتوليف، بالإضافة إلى طرق إنتاج واستخدام المنتجات ذات التركيب الذري المحدد من خلال التحكم المتحكم في الأفراد. الذرات والجزيئات.

قصة

تربط العديد من المصادر، وخاصة المصادر باللغة الإنجليزية، أول ذكر للطرق التي ستُسمى فيما بعد تكنولوجيا النانو بخطاب ريتشارد فاينمان الشهير "هناك مساحة كبيرة في القاع"، الذي ألقاه في عام 1959 في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في المؤتمر السنوي اجتماع الجمعية الفيزيائية الأمريكية. اقترح ريتشارد فاينمان أنه من الممكن تحريك الذرات المفردة ميكانيكيًا باستخدام مناور بالحجم المناسب، على الأقل لن تتعارض هذه العملية مع قوانين الفيزياء المعروفة اليوم.

واقترح القيام بهذا المناور بالطريقة التالية. من الضروري بناء آلية من شأنها أن تخلق نسخة من نفسها، فقط بحجم أصغر. يجب على الآلية الأصغر التي تم إنشاؤها أن تخلق مرة أخرى نسخة من نفسها، مرة أخرى ترتيبًا أصغر حجمًا، وهكذا حتى تتناسب أبعاد الآلية مع أبعاد ترتيب ذرة واحدة. في هذه الحالة، سيكون من الضروري إجراء تغييرات في هيكل هذه الآلية، حيث أن قوى الجاذبية المؤثرة في الكون الكبير سيكون لها تأثير أقل فأقل، وسوف تؤثر قوى التفاعلات بين الجزيئات وقوى فان دير فال بشكل متزايد على عمل الآلية.

المرحلة الأخيرة - ستقوم الآلية الناتجة بتجميع نسختها من الذرات الفردية. من حيث المبدأ، فإن عدد هذه النسخ غير محدود، وسيكون من الممكن إنشاء عدد تعسفي من هذه الآلات في وقت قصير. وستكون هذه الآلات قادرة على تجميع الأشياء الكلية بنفس الطريقة، عن طريق التجميع الذري. وهذا سيجعل الأمور أرخص بكثير - ستحتاج مثل هذه الروبوتات (الروبوتات النانوية) إلى الحصول على العدد المطلوب فقط من الجزيئات والطاقة، وكتابة برنامج لتجميع العناصر الضرورية. وحتى الآن لم يتمكن أحد من دحض هذا الاحتمال، لكن لم يتمكن أحد حتى الآن من خلق مثل هذه الآليات. خلال الدراسة النظرية لهذا الاحتمال، ظهرت سيناريوهات يوم القيامة الافتراضية، التي تفترض أن الروبوتات النانوية سوف تمتص كل الكتلة الحيوية للأرض، وتنفذ برنامج التكاثر الذاتي الخاص بها (ما يسمى بـ "المادة اللزجة الرمادية" أو "الملاط الرمادي").

يمكن العثور على الافتراضات الأولى حول إمكانية دراسة الأشياء على المستوى الذري في كتاب “البصريات” لإسحاق نيوتن، الصادر عام 1704. في الكتاب، أعرب نيوتن عن أمله في أن تتمكن المجاهر المستقبلية في يوم من الأيام من استكشاف "أسرار الجسيمات".

تم استخدام مصطلح "تقنية النانو" لأول مرة من قبل نوريو تانيجوتشي في عام 1974. استخدم هذا المصطلح لوصف إنتاج منتجات يبلغ حجمها عدة نانومترات. في الثمانينيات، استخدم إريك ك. دريكسلر هذا المصطلح في كتبه محركات الخلق: العصر القادم لتقنية النانو وأنظمة النانو: الآلات الجزيئية والتصنيع والحوسبة.

ماذا يمكن أن تفعل تكنولوجيا النانو؟

فيما يلي بعض المجالات التي تعد فيها تكنولوجيا النانو بإحداث اختراقات:

الدواء

ستوفر أجهزة الاستشعار النانوية تقدمًا في التشخيص المبكر للأمراض. وهذا سيزيد من فرصك في الشفاء. يمكننا التغلب على السرطان والأمراض الأخرى. لم تدمر أدوية السرطان القديمة الخلايا المريضة فحسب، بل دمرت أيضًا الخلايا السليمة. وبمساعدة تكنولوجيا النانو، سيتم توصيل الدواء مباشرة إلى الخلية المريضة.

تكنولوجيا النانو الحمض النووي– استخدام قواعد محددة من الحمض النووي وجزيئات الحمض النووي لإنشاء هياكل محددة بوضوح على أساسها. التوليف الصناعي لجزيئات الدواء والمستحضرات الدوائية ذات الشكل المحدد بوضوح (الببتيدات الثنائية).

في بداية عام 2000، وبفضل التقدم السريع في تكنولوجيا تصنيع الجسيمات النانوية، تم إعطاء دفعة لتطوير مجال جديد من تكنولوجيا النانو - علم النانوبلاسمونيات. اتضح أنه من الممكن نقل الإشعاع الكهرومغناطيسي عبر سلسلة من الجسيمات النانوية المعدنية باستخدام إثارة تذبذبات البلازمون.

بناء

ستقوم أجهزة الاستشعار النانوية الخاصة بهياكل البناء بمراقبة قوتها والكشف عن أي تهديدات لسلامتها. يمكن للأشياء المبنية باستخدام تقنية النانو أن تدوم لفترة أطول بخمس مرات من الهياكل الحديثة. سوف تتكيف المنازل مع احتياجات السكان، مما يبقيهم باردين في الصيف ويبقيهم دافئين في الشتاء.

طاقة

سنكون أقل اعتمادا على النفط والغاز. تبلغ كفاءة الألواح الشمسية الحديثة حوالي 20%. ومع استخدام تكنولوجيا النانو، يمكن أن تنمو 2-3 مرات. يمكن للأغشية النانوية الرقيقة الموجودة على السطح والجدران أن توفر الطاقة للمنزل بأكمله (إذا كان هناك ما يكفي من الشمس بالطبع).

مهندس ميكانيكى

سيتم استبدال جميع المعدات الضخمة بالروبوتات - وهي أجهزة يمكن التحكم فيها بسهولة. سيكونون قادرين على إنشاء أي آليات على مستوى الذرات والجزيئات. ولإنتاج الآلات، سيتم استخدام مواد نانوية جديدة يمكنها تقليل الاحتكاك وحماية الأجزاء من التلف وتوفير الطاقة. هذه ليست جميع المجالات التي يمكن (وسوف يتم) استخدام تكنولوجيا النانو فيها. ويعتقد العلماء أن ظهور تكنولوجيا النانو هو بداية ثورة علمية وتقنية جديدة ستغير العالم بشكل كبير في القرن الحادي والعشرين. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن تكنولوجيا النانو لا تدخل حيز الممارسة الحقيقية بسرعة كبيرة. لا تعمل العديد من الأجهزة (معظمها إلكترونيات) بتقنية "النانو". ويرجع ذلك جزئيًا إلى ارتفاع أسعار تكنولوجيا النانو وعدم ارتفاع العائد على منتجات تكنولوجيا النانو.

من المحتمل أنه في المستقبل القريب، وبمساعدة تكنولوجيا النانو، سيتم إنشاء أجهزة عالية التقنية ومتنقلة ويمكن التحكم فيها بسهولة والتي ستحل بنجاح محل المعدات الآلية والمرهقة التي يصعب إدارتها اليوم. على سبيل المثال، بمرور الوقت، ستتمكن الروبوتات الحيوية التي يتم التحكم فيها بواسطة الكمبيوتر من أداء وظائف محطات الضخ الضخمة الحالية.

• كمبيوتر الحمض النووي- نظام حاسوبي يستخدم القدرات الحاسوبية لجزيئات الحمض النووي. الحوسبة الجزيئية الحيوية هي اسم جماعي لمختلف التقنيات المرتبطة بطريقة أو بأخرى بالحمض النووي أو الحمض النووي الريبي (RNA). في حوسبة الحمض النووي، لا يتم تمثيل البيانات في شكل أصفار وآحاد، ولكن في شكل بنية جزيئية مبنية على أساس حلزون الحمض النووي. يتم تنفيذ دور برنامج قراءة البيانات ونسخها وإدارتها بواسطة إنزيمات خاصة.
• مجهر القوة الذرية– مجهر مسبار ماسح عالي الدقة يعتمد على تفاعل إبرة ناتئ (مسبار) مع سطح العينة قيد الدراسة. على عكس المجهر النفقي الماسح (STM)، يمكنه فحص الأسطح الموصلة وغير الموصلة حتى من خلال طبقة من السائل، مما يجعل من الممكن العمل مع الجزيئات العضوية (DNA). يعتمد الاستبانة المكانية لمجهر القوة الذرية على حجم الكابولي وانحناء طرفه. يصل القرار إلى المستوى الذري أفقيًا ويتجاوزه بشكل كبير عموديًا.
• مذبذب الهوائي- في 9 فبراير 2005، تم الحصول على مذبذب هوائي بأبعاد حوالي 1 ميكرون في مختبر جامعة بوسطن. يحتوي هذا الجهاز على 5000 مليون ذرة وهو قادر على التذبذب بتردد 1.49 جيجاهيرتز، مما يسمح له بنقل كميات هائلة من المعلومات.

10 تقنيات نانوية ذات إمكانات مذهلة

حاول أن تتذكر بعض الاختراعات القانونية. ربما تخيل شخص ما الآن عجلة، وشخص ما طائرة، وشخص ما جهاز iPod. كم منكم فكر في اختراع جيل جديد تمامًا - تكنولوجيا النانو؟ لم تتم دراسة هذا العالم إلا قليلاً، ولكنه يتمتع بإمكانات مذهلة يمكن أن تمنحنا أشياء رائعة حقًا. والشيء المذهل هو أن مجال تكنولوجيا النانو لم يكن موجودا حتى عام 1975، على الرغم من أن العلماء بدأوا العمل في هذا المجال قبل ذلك بكثير.

العين المجردة للإنسان قادرة على التعرف على الأشياء التي يصل حجمها إلى 0.1 ملم. سنتحدث اليوم عن عشرة اختراعات أصغر منها بـ 100 ألف مرة.

معدن سائل موصل للكهرباء

باستخدام الكهرباء، يمكن صنع سبيكة معدنية سائلة بسيطة من الغاليوم والإيريديوم والقصدير لتشكيل أشكال معقدة أو دوائر رياح داخل طبق بيتري. يمكننا أن نقول بدرجة معينة من الاحتمال أن هذه هي المادة التي تم من خلالها إنشاء سلسلة T-1000 الشهيرة cyborg، والتي يمكننا رؤيتها في Terminator 2.

"تتصرف السبيكة الناعمة كشكل ذكي، قادرة على تشويه نفسها عند الضرورة، مع الأخذ في الاعتبار تغير المساحة المحيطة التي تتحرك من خلالها. يقول جين لي من جامعة تسينغهوا، أحد الباحثين المشاركين في هذا المشروع: "تمامًا كما يمكن لإنسان آلي من فيلم خيال علمي شهير أن يفعل".

هذا المعدن هو محاكاة حيوية، وهذا يعني أنه يقلد التفاعلات الكيميائية الحيوية، على الرغم من أنه ليس في حد ذاته مادة بيولوجية.

يمكن التحكم في هذا المعدن عن طريق التفريغ الكهربائي. ومع ذلك، فهي في حد ذاتها قادرة على التحرك بشكل مستقل، وذلك بسبب عدم توازن الحمل الناشئ، والذي ينشأ عن اختلاف الضغط بين الجزء الأمامي والخلفي لكل قطرة من هذه السبيكة المعدنية. وعلى الرغم من أن العلماء يعتقدون أن هذه العملية قد تكون المفتاح لتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة ميكانيكية، إلا أن المادة الجزيئية لن تُستخدم لبناء كائنات آلية شريرة في أي وقت قريب. لا يمكن أن تحدث العملية "السحرية" بأكملها إلا في محلول هيدروكسيد الصوديوم أو المحلول الملحي.

عمليات تجميل النانو

ويعمل باحثون من جامعة يورك على تطوير لاصقات خاصة سيتم تصميمها لتوصيل جميع الأدوية اللازمة داخل الجسم دون استخدام الإبر والمحاقن. يتم لصق الرقع، وهي ذات حجم طبيعي تمامًا، على يدك وتوفر جرعة معينة من جزيئات الدواء النانوية (صغيرة بما يكفي لاختراق بصيلات الشعر) داخل جسمك. وستجد الجسيمات النانوية (حجم كل منها أقل من 20 نانومتر) الخلايا الضارة بنفسها وتقتلها ويتم التخلص منها من الجسم مع الخلايا الأخرى نتيجة للعمليات الطبيعية.

ويشير العلماء إلى أنه في المستقبل يمكن استخدام هذه البقع النانوية في مكافحة أحد أفظع الأمراض على وجه الأرض - السرطان. على عكس العلاج الكيميائي، والذي غالبًا ما يكون جزءًا لا يتجزأ من العلاج في مثل هذه الحالات، ستكون البقع النانوية قادرة على العثور على الخلايا السرطانية وتدميرها بشكل فردي مع ترك الخلايا السليمة دون مساس. مشروع النانوباتش يسمى NanJect. يتولى تطويره عاطف سيد وزكريا حسين، اللذين حصلا في عام 2013، عندما كانا لا يزالان طالبين، على الرعاية اللازمة كجزء من حملة التعهيد الجماعي لجمع الأموال.

فلتر نانو للمياه

عندما يتم استخدام هذا الغشاء مع شبكة دقيقة من الفولاذ المقاوم للصدأ، يتم طرد الزيت، مما يترك المياه في تلك المنطقة نظيفة تمامًا.

ومن المثير للاهتمام أن العلماء استلهموا فكرة إنشاء أفلام نانوية من الطبيعة نفسها. أوراق اللوتس، المعروفة أيضًا باسم زنابق الماء، لها خصائص معاكسة للأغشية النانوية: فبدلاً من الزيت، فإنها تطرد الماء. ليست هذه هي المرة الأولى التي يتجسس فيها العلماء على هذه النباتات المذهلة لخصائصها المذهلة. وقد أدى ذلك، على سبيل المثال، إلى إنشاء مواد كارهة للماء للغاية في عام 2003. أما بالنسبة للفيلم النانوي، فيحاول الباحثون صنع مادة تحاكي سطح زنابق الماء وإثرائها بجزيئات عامل تنظيف خاص. الطلاء نفسه غير مرئي للعين البشرية. سيكون إنتاجه غير مكلف: حوالي دولار واحد للقدم المربع.

لتنقية الهواء للغواصات

من غير المحتمل أن يفكر أي شخص في نوع الهواء الذي يجب أن تتنفسه أطقم الغواصات، باستثناء أفراد الطاقم أنفسهم. وفي الوقت نفسه، يجب أن يتم تنظيف الهواء من ثاني أكسيد الكربون على الفور، لأنه خلال الرحلة الواحدة، يجب أن يمر نفس الهواء عبر أطقم الغواصة الخفيفة مئات المرات. لتنظيف الهواء من ثاني أكسيد الكربون، يتم استخدام الأمينات التي لها رائحة كريهة للغاية. لمعالجة هذه المشكلة، تم إنشاء تقنية تنقية تسمى SAMMS (اختصار للطبقات الأحادية المجمعة ذاتيًا على دعامات Mesoporous). وتقترح استخدام جسيمات نانوية خاصة توضع داخل حبيبات السيراميك. تحتوي المادة على بنية مسامية، والتي تمتص ثاني أكسيد الكربون الزائد. تتفاعل الأنواع المختلفة من تنقية SAMMS مع جزيئات مختلفة في الهواء والماء والتربة، ولكن جميع خيارات التنقية هذه فعالة بشكل لا يصدق. ملعقة واحدة فقط من هذه الحبيبات الخزفية المسامية تكفي لتنظيف مساحة تعادل ملعب كرة قدم واحد.

الموصلات النانوية

اكتشف الباحثون في جامعة نورث وسترن (الولايات المتحدة الأمريكية) كيفية إنشاء موصل كهربائي على مقياس النانو. هذا الموصل عبارة عن جسيمات نانوية صلبة ومتينة يمكن تهيئتها لنقل التيار الكهربائي في اتجاهات متعاكسة مختلفة. وتظهر الدراسة أن كل جسيم نانوي قادر على محاكاة عمل "المقومات والمفاتيح والثنائيات". يتم تغليف كل جسيم بسمك 5 نانومتر بمادة كيميائية موجبة الشحنة ومحاطة بذرات سالبة الشحنة. يؤدي تطبيق التفريغ الكهربائي إلى إعادة تشكيل الذرات سالبة الشحنة حول الجسيمات النانوية.

إن إمكانات هذه التكنولوجيا، كما يقول العلماء، غير مسبوقة. وبناءً عليه، من الممكن إنشاء مواد «قادرة على التغيير بشكل مستقل لتناسب مهام حاسوبية محددة». إن استخدام هذه المادة النانوية سيؤدي في الواقع إلى "إعادة برمجة" إلكترونيات المستقبل. ستصبح ترقيات الأجهزة سهلة مثل ترقيات البرامج.

شاحن بتقنية النانو

عندما يتم إنشاء هذا الشيء، لن تحتاج بعد الآن إلى استخدام أي أجهزة شحن سلكية. تعمل تقنية النانو الجديدة مثل الإسفنجة، لكنها لا تمتص السائل. فهو يمتص الطاقة الحركية من البيئة ويوجهها مباشرة إلى هاتفك الذكي. تعتمد هذه التقنية على استخدام مادة كهرضغطية تولد الكهرباء تحت الضغط الميكانيكي. وتتمتع المادة بمسام نانوية تحولها إلى إسفنجة مرنة.

الاسم الرسمي لهذا الجهاز هو "مولد النانو". يمكن لمثل هذه المولدات النانوية أن تصبح يومًا ما جزءًا من كل هاتف ذكي على هذا الكوكب، أو جزءًا من لوحة القيادة في كل سيارة، وربما جزءًا من كل جيب ملابس - حيث سيتم شحن الأدوات مباشرة فيه. وبالإضافة إلى ذلك، فإن هذه التكنولوجيا لديها القدرة على استخدامها على نطاق أوسع، كما هو الحال في المعدات الصناعية. على الأقل هذا ما يعتقده الباحثون من جامعة ويسكونسن ماديسون، الذين صنعوا هذه الإسفنجة النانوية المذهلة.

شبكية اصطناعية

تعمل شركة Nano Retina الإسرائيلية على تطوير واجهة ستتصل مباشرة بالخلايا العصبية في العين وتنقل نتيجة النمذجة العصبية إلى الدماغ، لتحل محل الشبكية وتستعيد الرؤية للناس.

أظهرت تجربة على دجاجة عمياء الأمل في نجاح المشروع. سمح الغشاء النانوي للدجاج برؤية الضوء. صحيح أن المرحلة الأخيرة من تطوير شبكية صناعية لاستعادة الرؤية البشرية لا تزال بعيدة، ولكن التقدم في هذا الاتجاه لا يمكن إلا أن يكون مفرحاً. Nano Retina ليست الشركة الوحيدة التي تشارك في مثل هذه التطورات، لكن تقنيتها هي التي تبدو حاليًا الأكثر واعدة وفعالية وتكيفًا. النقطة الأخيرة هي الأهم لأننا نتحدث عن منتج سيتم دمجه في عيون شخص ما. وقد أظهرت تطورات مماثلة أن المواد الصلبة غير مناسبة لمثل هذه الأغراض.

وبما أن هذه التقنية يتم تطويرها على مستوى تكنولوجيا النانو، فإنها تلغي استخدام المعادن والأسلاك، كما تتجنب الدقة المنخفضة للصورة المحاكاة.

ملابس متوهجة

طور علماء شنغهاي خيوطا عاكسة يمكن استخدامها في إنتاج الملابس. أساس كل خيط هو سلك رفيع جدًا من الفولاذ المقاوم للصدأ، ومغطى بجسيمات نانوية خاصة، وطبقة من البوليمر المضيء كهربائيًا، وقشرة واقية من الأنابيب النانوية الشفافة. والنتيجة هي خيوط خفيفة ومرنة للغاية يمكنها أن تتوهج تحت تأثير الطاقة الكهروكيميائية الخاصة بها. وفي الوقت نفسه، تعمل بطاقة أقل بكثير مقارنة بمصابيح LED التقليدية.

عيب هذه التقنية هو أن "احتياطي الضوء" للخيوط لا يزال يكفي لبضع ساعات فقط. ومع ذلك، فإن مطوري المواد يعتقدون بتفاؤل أنهم سيكونون قادرين على زيادة "المورد" لمنتجهم بما لا يقل عن ألف مرة. وحتى لو نجحوا، فإن حل عيب آخر يظل موضع تساؤل. سيكون من المستحيل على الأرجح غسل الملابس بناءً على مثل هذه الخيوط النانوية.

إبر النانو لترميم الأعضاء الداخلية

تم تصميم اللدائن النانوية التي تحدثنا عنها أعلاه خصيصًا لتحل محل الإبر. ماذا لو كان حجم الإبر نفسها بضعة نانومترات فقط؟ إذا كان الأمر كذلك، فيمكنهم تغيير فهمنا للجراحة، أو على الأقل تحسينها بشكل كبير.

وفي الآونة الأخيرة، أجرى العلماء اختبارات معملية ناجحة على الفئران. وباستخدام إبر صغيرة، تمكن الباحثون من إدخال الأحماض النووية إلى أجسام القوارض، مما عزز تجديد الأعضاء والخلايا العصبية وبالتالي استعادة الأداء المفقود. عندما تؤدي الإبر وظيفتها، فإنها تبقى في الجسم وبعد بضعة أيام تتحلل فيه بالكامل. وفي الوقت نفسه، لم يجد العلماء أي آثار جانبية أثناء عمليات ترميم الأوعية الدموية في العضلات الخلفية للقوارض باستخدام هذه الإبر النانوية الخاصة.

إذا أخذنا الحالات البشرية في الاعتبار، فيمكن استخدام هذه الإبر النانوية لتوصيل الأدوية اللازمة إلى جسم الإنسان، على سبيل المثال، في زراعة الأعضاء. ستقوم مواد خاصة بإعداد الأنسجة المحيطة بالعضو المزروع للتعافي السريع والقضاء على احتمالية الرفض.

الطباعة الكيميائية ثلاثية الأبعاد

الكيميائي مارتن بيرك من جامعة إلينوي هو ويلي ونكا في الكيمياء. باستخدام مجموعة من جزيئات "مواد البناء" لمجموعة متنوعة من الأغراض، يمكنه إنشاء عدد كبير من المواد الكيميائية المختلفة التي تتمتع بجميع أنواع "الخصائص المذهلة والطبيعية في نفس الوقت". على سبيل المثال، أحد هذه المواد هو الراتانين، والذي لا يمكن العثور عليه إلا في زهرة بيرو النادرة جدًا.

إن إمكانية تصنيع المواد هائلة جدًا لدرجة أنها ستجعل من الممكن إنتاج جزيئات تستخدم في الطب، وفي إنشاء الثنائيات LED، وخلايا البطاريات الشمسية، وتلك العناصر الكيميائية التي استغرق تصنيعها حتى أفضل الكيميائيين على هذا الكوكب سنوات.

لا تزال قدرات النموذج الأولي للطابعة الكيميائية ثلاثية الأبعاد محدودة. إنه قادر فقط على خلق أدوية جديدة. ومع ذلك، يأمل بيرك أن يتمكن يومًا ما من إنشاء نسخة استهلاكية من جهازه المذهل، الذي سيكون له قدرات أكبر بكثير. من الممكن تمامًا أن تعمل هذه الطابعات في المستقبل كنوع من الصيادلة المنزليين.

هل تشكل تكنولوجيا النانو خطرا على صحة الإنسان أو البيئة؟

لا يوجد الكثير من المعلومات حول الآثار السلبية للجسيمات النانوية. في عام 2003، أظهرت إحدى الدراسات أن أنابيب الكربون النانوية يمكن أن تلحق الضرر برئتي الفئران والجرذان. وجدت دراسة أجريت عام 2004 أن الفوليرين يمكن أن يتراكم ويسبب تلف الدماغ في الأسماك. لكن كلتا الدراستين استخدمتا كميات كبيرة من المادة في ظل ظروف غير عادية. وبحسب أحد الخبراء، الكيميائي كريستين كولينوفسكي (الولايات المتحدة الأمريكية)، "سيكون من المستحسن الحد من التعرض لهذه الجسيمات النانوية، على الرغم من عدم وجود معلومات حاليا حول تهديدها لصحة الإنسان".

كما اقترح بعض المعلقين أن الاستخدام الواسع النطاق لتقنية النانو قد يؤدي إلى مخاطر اجتماعية وأخلاقية. لذا، على سبيل المثال، إذا أدى استخدام تكنولوجيا النانو إلى ثورة صناعية جديدة، فإن هذا سيؤدي إلى فقدان الوظائف. علاوة على ذلك، يمكن لتقنية النانو أن تغير مفهوم الإنسان، حيث أن استخدامها سيساعد على إطالة العمر وزيادة مرونة الجسم بشكل كبير. تقول كريستين كولينوفسكي: "لا يمكن لأحد أن ينكر أن الانتشار الواسع للهواتف المحمولة والإنترنت قد أحدث تغييرات هائلة في المجتمع". "من يجرؤ على القول إن تكنولوجيا النانو لن يكون لها تأثير أكبر على المجتمع في السنوات القادمة؟"

مكانة روسيا بين الدول النامية والمنتجة لتقنيات النانو

قادة العالم من حيث إجمالي الاستثمار في تكنولوجيا النانو هم دول الاتحاد الأوروبي واليابان والولايات المتحدة الأمريكية. وفي الآونة الأخيرة، قامت روسيا والصين والبرازيل والهند بزيادة استثماراتها بشكل كبير في هذه الصناعة. وفي روسيا، سيصل حجم التمويل في إطار برنامج "تطوير البنية التحتية لصناعة النانو في الاتحاد الروسي للفترة 2008-2010" إلى 27.7 مليار روبل.

ويصف أحدث تقرير (2008) الصادر عن شركة الأبحاث "سينتيفيكا" التي تتخذ من لندن مقراً لها، والذي أطلق عليه اسم "تقرير توقعات تكنولوجيا النانو"، الاستثمار الروسي حرفياً على النحو التالي: "رغم أن الاتحاد الأوروبي لا يزال يحتل المرتبة الأولى من حيث الاستثمار، إلا أن الصين وروسيا تجاوزتا الولايات المتحدة بالفعل. "

هناك مجالات في تكنولوجيا النانو أصبح فيها العلماء الروس هم الأوائل في العالم، بعد أن حصلوا على نتائج أرست الأساس لتطور اتجاهات علمية جديدة.

ومن بينها إنتاج المواد النانوية فائقة التشتت، وتصميم الأجهزة أحادية الإلكترون، وكذلك العمل في مجال القوة الذرية والمجهر المجهري الماسح. فقط في معرض خاص أقيم في إطار المنتدى الاقتصادي الثاني عشر لسانت بطرسبرغ (2008)، تم عرض 80 تطورًا محددًا في وقت واحد. تنتج روسيا بالفعل عددًا من المنتجات النانوية المطلوبة في السوق: الأغشية النانوية، والمساحيق النانوية، والأنابيب النانوية. ومع ذلك، وفقا للخبراء، في تسويق التطورات التكنولوجية النانوية، تتخلف روسيا عن الولايات المتحدة والدول المتقدمة الأخرى لمدة عشر سنوات.

تكنولوجيا النانو في الفن

تتناول عدد من أعمال الفنانة الأمريكية ناتاشا فيتا مور موضوعات تكنولوجيا النانو.

في الفن الحديث، ظهر اتجاه جديد: "nanoart" (nanoart) - نوع من الفن المرتبط بإبداع الفنان منحوتات (تركيبات) ذات أحجام صغيرة ونانو (10 −6 و 10 −9 م، على التوالي) تحت تأثير العمليات الكيميائية أو الفيزيائية لمعالجة المواد وتصوير الصور النانوية الناتجة باستخدام المجهر الإلكتروني ومعالجة الصور بالأبيض والأسود في محرر الرسومات.

في العمل الشهير للكاتب الروسي ن. ليسكوف "ليفتي" (1881) هناك جزء مثير للاهتمام: "إذا كان هناك مجهر أفضل يكبر خمسة ملايين، فسوف تكرم". يقول: "أن نرى اسم الحرفي معروضًا على كل حدوة حصان: أي معلم روسي صنع تلك الحدوة". يتم توفير التكبير بمقدار 5,000,000 مرة بواسطة مجاهر الإلكترون والقوة الذرية الحديثة، والتي تعتبر الأدوات الرئيسية لتقنية النانو. وهكذا يمكن اعتبار البطل الأدبي ليفتي أول «عالم تكنولوجيا النانو» في التاريخ.

إن الأفكار التي قدمها فاينمان في محاضرته التي ألقاها عام 1959 تحت عنوان "هناك مساحة كبيرة بالأسفل" حول كيفية إنشاء واستخدام أدوات المعالجة النانوية تتطابق تقريبًا نصًا مع قصة الخيال العلمي "ميكرووركي" للكاتب السوفييتي الشهير بوريس زيتكوف، والتي نُشرت عام 1931. تم وصف بعض العواقب السلبية للتطور غير المنضبط لتكنولوجيا النانو في أعمال M. Crichton ("السرب")، S. Lem ("التفتيش في الموقع" و"السلام على الأرض")، S. Lukyanenko ("لا شيء يجب يقسم").

الشخصية الرئيسية في رواية "Transman" للكاتب يو نيكيتينا هي رئيسة شركة تكنولوجيا النانو وأول شخص يختبر تأثيرات الروبوتات النانوية الطبية.

في سلسلة الخيال العلمي Stargate SG-1 وStargate Atlantis، بعض السباقات الأكثر تقدمًا من الناحية التكنولوجية هما سباقان من "النسخ المتماثلة"، والتي نشأت نتيجة لتجارب غير ناجحة باستخدام ووصف التطبيقات المختلفة لتقنية النانو. في فيلم The Day the Earth Stood Still، بطولة كيانو ريفز، تحكم حضارة فضائية على البشرية بالموت وتكاد تدمر كل شيء على الكوكب بمساعدة حشرات نانوية ذاتية التكاثر تلتهم كل شيء في طريقها.

في الآونة الأخيرة، يمكنك سماع كلمة "تقنية النانو". إذا سألت أي عالم ما هي ولماذا هناك حاجة إلى تكنولوجيا النانو، فإن الإجابة ستكون قصيرة: “إن تكنولوجيا النانو تغير الخصائص المعتادة للمادة. إنهم يغيرون العالم ويجعلونه مكانًا أفضل."

يدعي العلماء أن تكنولوجيا النانو ستجد تطبيقًا في العديد من مجالات النشاط: في الصناعة والطاقة واستكشاف الفضاء والطب وغير ذلك الكثير. على سبيل المثال، ستكون الروبوتات النانوية الصغيرة التي يمكنها اختراق أي خلية من خلايا الجسم البشري قادرة على علاج بعض الأمراض بسرعة وإجراء العمليات التي لا يستطيع حتى الجراح الأكثر خبرة القيام بها.

بفضل تكنولوجيا النانو، سوف تظهر "المنازل الذكية". فيها، لن يضطر الشخص عمليا إلى التعامل مع الأعمال المنزلية المملة. وستتولى "الأشياء الذكية" و"الغبار الذكي" هذه المسؤوليات. سوف يرتدي الناس ملابس لا تتسخ، علاوة على ذلك، سيخبرون المالك، على سبيل المثال، أن الوقت قد حان لتناول الغداء أو الاستحمام.

ستتيح تقنية النانو إمكانية اختراع أجهزة كمبيوتر وهواتف محمولة يمكن طيها مثل المنديل وحملها في الجيب.

باختصار، يعتزم علماء تكنولوجيا النانو حقًا إحداث تحول كبير في حياة الإنسان.

ما هي تقنية النانو

ما هي تقنية النانو؟ وكيف تسمح لك بالضبط بتغيير خصائص الأشياء؟

تتكون كلمة "تقنية النانو" من كلمتين - "نانو" و"تقنية".

"نانو" هي كلمة يونانية تعني جزء من المليار من شيء ما، مثل المتر. حجم الذرة الواحدة أقل بقليل من النانومتر. والنانومتر أصغر من المتر بقدر أن حبة البازلاء العادية أصغر من الكرة الأرضية. إذا كان نمو الشخص نانومترًا واحدًا، فإن سماكة الورقة تبدو لشخص مساوي للمسافة من موسكو إلى مدينة تولا، وهذا يصل إلى 170 كيلومترًا!

كلمة "التكنولوجيا" تعني خلق ما يحتاجه الإنسان من المواد المتاحة.

وتقنية النانو هي خلق ما يحتاجه الإنسان من ذرات ومجموعات من الذرات (وتسمى بالجسيمات النانوية) باستخدام أجهزة خاصة.

هناك طريقتان للحصول على الجسيمات النانوية.

الطريقة الأولى والأبسط هي "من الأعلى إلى الأسفل". يتم طحن المادة الأولية بعدة طرق حتى يصبح الجسيم في حجم النانو.

والثاني هو إنتاج الجسيمات النانوية من خلال الجمع بين الذرات الفردية “من الأسفل إلى الأعلى”. وهذه طريقة أكثر تعقيدًا، لكن هذا ما يراه العلماء على أنه مستقبل تكنولوجيا النانو.

الطريقة الأولى للحصول على الجسيمات النانوية هي طحن المادة حتى تصبح بحجم النانو. الطريقة الثانية للحصول على الجسيمات النانوية هي دمج الذرات في جسيم نانوي بطرق مختلفة.

إن الحصول على الجسيمات النانوية باستخدام هذه الطريقة يذكرنا بالعمل باستخدام مجموعة أدوات البناء. يتم استخدام الذرات والجزيئات فقط كأجزاء، حيث يصنع العلماء مواد وأجهزة نانوية جديدة.

الحديث عن تكنولوجيا النانو أصبح الآن على لسان كل عالم. لكن كيف ولماذا ظهروا؟ من اخترعهم؟ دعنا ننتقل إلى مصادر موثوقة.

في الواقع، لا يوجد حتى تعريف لكلمة “تقنية النانو” حتى الآن، ولكن يتم استخدام هذه الكلمة بنجاح عند الحديث عن شيء مصغر. بتعبير أدق، المصغرة: حول الآلات التي تتكون من ذرات فردية، حول أنابيب الجرافين النانوية، والتفرد وإنتاج الروبوتات المجسمة القائمة على المواد النانوية...

من المقبول عمومًا الآن أن مصطلح وتسمية التركيز على تكنولوجيا النانو نشأ في تقرير ريتشارد فايمان "هناك متسع كبير في القاع". ثم فاجأ فاينمان الجمهور بمناقشات عامة حول ما سيحدث إذا وصل تصغير الإلكترونيات الذي بدأ للتو إلى حده المنطقي، "القاع".

كمرجع: " مصطلح انجليزي "تكنولوجيا النانو"اقترحه البروفيسور الياباني نوريو تانيجوتشي في منتصف السبعينيات. القرن الماضي واستخدم في تقرير "حول المبادئ الأساسية لتقنية النانو" (علىالأساسيمفهوملتكنولوجيا النانو) في مؤتمر دولي عام 1974، أي قبل وقت طويل من بدء العمل على نطاق واسع في هذا المجال. في معناها، فهي أوسع بشكل ملحوظ من الترجمة الروسية الحرفية لـ "تقنية النانو"، لأنها تتضمن قدرًا كبيرًا من المعرفة والأساليب والتقنيات والإجراءات المحددة ونتائجها المادية - المنتجات النانوية.

خلال النصف الثاني من القرن العشرين، تطورت تقنيات التصغير (في الإلكترونيات الدقيقة) ووسائل مراقبة الذرات. المعالم الرئيسية للإلكترونيات الدقيقة هي:

• 1947 - اختراع الترانزستور.
• 1958 - ظهور الدائرة المصغرة.
• 1960 - تكنولوجيا الطباعة الحجرية، الإنتاج الصناعي للدوائر الدقيقة؛
• 1971 - أول معالج دقيق من إنتل (2250 ترانزستور على ركيزة واحدة)؛
• 1960-2008 - تأثير "قانون مور" - تضاعف عدد المكونات لكل وحدة مساحة من الركيزة كل عامين.

المزيد من التصغير جاء ضد الحدود التي وضعتها ميكانيكا الكم. أما بالنسبة للمجاهر فإن الاهتمام بها أمر مفهوم. على الرغم من أن صور الأشعة السينية ساعدت على "رؤية" الكثير من الأشياء المثيرة للاهتمام - على سبيل المثال، الحلزون المزدوج للحمض النووي - إلا أنني أردت رؤية الكائنات الدقيقة بشكل أفضل.

دعونا نتبع التسلسل الزمني هنا:

1932 - اخترع إي. روسكا المجهر الإلكتروني النافذ. وفقًا لمبدأ التشغيل، فهو مشابه للمبدأ البصري العادي، فقط بدلاً من الفوتونات توجد إلكترونات، وبدلاً من العدسات يوجد ملف مغناطيسي. قدم المجهر التكبير 14 مرة.
1936 - اقترح إي. مولر تصميم مجهر إلكتروني ميداني مع تكبير أكثر من مليون مرة. وفقًا لمبدأ التشغيل، فهو يشبه مسرح الظل: يتم عرض صور الكائنات الدقيقة الموجودة على طرف الإبرة التي تنبعث منها الإلكترونات على الشاشة. ومع ذلك، فإن عيوب الإبرة والتفاعلات الكيميائية جعلت من المستحيل الحصول على الصورة.
1939 - بدأ المجهر الإلكتروني النافذ لروسكا في التكبير 30 ألف مرة.
1951 - اخترع مولر المجهر الأيوني الميداني وقام بتصوير الذرات عند طرف الإبرة.
1955 - تم الحصول على أول صورة في العالم لذرة واحدة باستخدام المجهر الأيوني الميداني.
1957 - أول صورة في العالم لجزيء واحد تم الحصول عليها باستخدام المجهر الإلكتروني الميداني.
1970 - صورة بالمجهر الإلكتروني النافذ لذرة واحدة.
1979 - اخترع بينيج وروهرر (زيوريخ، IBM) مجهر المسح النفقي بدقة ليست أسوأ من تلك المذكورة أعلاه.

لكن الشيء الرئيسي مختلف - "في عالم" أبسط الجزيئات، تلعب ميكانيكا الكم دورًا، مما يعني أنه لا يمكن فصل الملاحظة عن التفاعل. ببساطة، اتضح بسرعة أنه باستخدام المجهر يمكنك التقاط الجزيئات وتحريكها، أو تغيير مقاومتها الكهربائية عن طريق الضغط البسيط.

في نهاية عام 1989، انتشر ضجة كبيرة في جميع أنحاء العالم العلمي: لقد تعلم الإنسان كيفية التعامل مع الذرات الفردية. قام دونالد إيجلر، موظف شركة IBM، والذي كان يعمل في كاليفورنيا، بكتابة اسم شركته على سطح المعدن المكون من 35 ذرة زينون. هذه الصورة، التي تداولتها وسائل الإعلام العالمية فيما بعد وظهرت بالفعل على صفحات الكتب المدرسية، تمثل ولادة تكنولوجيا النانو.

تم الإبلاغ عن تكرار النجاح على الفور (في عام 1991) من قبل العلماء اليابانيين الذين قاموا بإنشاء نقش "PEACE "91 HCRL" (العالم في عام 1991 معمل أبحاث هيتاشي المركزي). صحيح أنهم صنعوا هذا النقش لمدة عام كامل وليس على الإطلاق عن طريق وضع الذرات على السطح، ولكن على العكس من ذلك - فقد التقطوا الذرات غير الضرورية من الركيزة الذهبية.

لم يكن من الممكن تكرار إنجاز إيغلر إلا في عام 1996 - في مختبر آي بي إم في زيوريخ. اعتبارًا من عام 1995، لم يكن هناك سوى خمسة مختبرات في العالم تعمل في معالجة الذرات. ثلاثة في الولايات المتحدة الأمريكية وواحد في اليابان وواحد في أوروبا. وفي الوقت نفسه، كانت المختبرات الأوروبية واليابانية مملوكة لشركة IBM، أي أنها كانت في الواقع أمريكية أيضًا.

فماذا يستطيع الساسة والبيروقراطيون الأوروبيون أن يفعلوا في مثل هذا الموقف؟ ما عليك سوى الصراخ حول الطبيعة الضارة للتقدم الذي يلحق بالبيئة وخطر التكنولوجيات الجديدة في أيدي الأمريكيين.

أين يتم استخدام تكنولوجيا النانو؟تُستخدم تقنية النانو في العالم الحديث في العديد من الصناعات، والتي ستكتشفها في هذه المقالة. يحتوي تقرير تقنية النانو على الكثير من المعلومات المفيدة.

أين يتم استخدام تقنيات النانو؟

يتم استخدام إنجازات تكنولوجيا النانو في الصناعات التالية:

تطبيقات تقنية النانو في الطب:ضمان تسريع تطوير أدوية جديدة، وإنشاء أشكال وطرق فعالة للغاية لتوصيل الأدوية إلى موقع المرض، وتقديم أدوات تشخيصية جديدة، والسماح بإجراء عمليات غير مؤلمة

بدأ استخدام تقنية النانو في إنتاج الملابس العصريةحديثاً. بدأ بعض مصممي الأزياء بالتعاون مع العلماء لإنتاج نماذج لما يسمى "الملابس الوظيفية". وسوف يختلف عن الذي اعتدنا عليه ليس فقط في المظهر، ولكن أيضًا في خصائص القماش الذي صنع منه.
الملابس المصنوعة من أنابيب الكربون النانوية لا تتطلب الغسيل، فمن المستحيل أن تصاب بالمرض، فهي لا تسمح بمرور الغازات الضارة وتحمي من البيئة الحديثة. 1 متر مربع متر من القماش يكلف حوالي 10 آلاف. $

تطبيق تكنولوجيا النانو في البناء. المواد النانوية للبناء، ومصادر الطاقة المستقلة القائمة على الألواح الشمسية القوية، والمرشحات النانوية لتنقية المياه والهواء - هذه الإنجازات في مجال تكنولوجيا النانو يجب أن تتحقق - وقد تم تحقيقها بالفعل! - أصبحت منازلنا أكثر راحة وموثوقية وأمانًا. إن إضافة الجسيمات النانوية (بما في ذلك أنابيب الكربون النانوية) إلى الخرسانة يجعلها أقوى عدة مرات. يتم تطوير الطلاء النانوي لحماية الهياكل الخرسانية من الماء. كما يصبح الفولاذ، وهو مادة بناء أساسية، أقوى بكثير عند إضافة جزيئات الفاناديوم والموليبدينوم النانوية. يتم بالفعل إنتاج الزجاج ذاتي التنظيف باستخدام جزيئات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية في الصناعة. وفي المستقبل، سوف تعمل طبقات الطلاء الزجاجية النانوية على تنظيم تدفق الضوء والحرارة عبر النوافذ على النحو الأمثل. ولحماية المباني من الحرائق، تقدم تقنيات النانو مواد جديدة غير قابلة للاشتعال (على سبيل المثال، عزل الكابلات الذي يحتوي على جسيمات نانوية طينية) وشبكات "ذكية" من أجهزة استشعار الحريق النانوية فائقة الحساسية. سيساعد ورق الجدران المطلي بجزيئات أكسيد الزنك النانوية على تنظيف الغرفة من البكتيريا. أما بالنسبة للأجهزة المنزلية - الثلاجات، وأجهزة التلفزيون، وتركيبات السباكة، وتركيبات الإضاءة، ومعدات المطبخ - فإن مجال تطبيقات تكنولوجيا النانو لا ينضب.

المواد النانوية في الصناعةفي الوقت الحالي، تعد المواد النانوية هي الأقل سمية والأكثر توافقًا حيويًا مع الخلية الحية (الإنسان، النبات، الحيوان). تجد المواد النانوية المنتجة تطبيقات عالية الجودة في أي صناعة تقريبًا:

• الوقود (محفزات الوقود، زيادة رقم الأوكتان، تقليل الانبعاثات)؛
• مستحضرات التجميل (التخصيب مع العناصر الدقيقة، وخصائص مبيد للجراثيم)؛
• النسيج والأحذية (خصائص الملابس والأحذية المضادة للجراثيم والشفاء) ؛
• الطلاء والورنيش (الورنيش والدهانات المبيدة للجراثيم والطلاءات الخاصة) ؛
• الجلود (علاج مضاد للفطريات في الجلد) ؛
• الطبية (أدوية الجيل الجديد، ومجمعات الفيتامينات النانوية للعناصر الدقيقة)؛
• في المجمع الصناعي الزراعي (الأسمدة النانوية، إضافات الأعلاف، تخزين المنتجات)؛
• صناعة المواد الغذائية (المكملات الغذائية، مجمعات الفيتامينات)؛
• وأيضًا: اللب والورق، والمواد الكيميائية، والبلدية، والإلكترونيات، والطاقة، والهندسة الميكانيكية كمكون إضافي للمواد الخام يضفي خصائص إضافية على المنتجات.

تطبيقات تكنولوجيا النانو في الهندسة الميكانيكية
صناعة السيارات هي واحدة من تلك. أنهم أول من أدرك الابتكارات، بما في ذلك الابتكارات في مجال تكنولوجيا النانو. واليوم بالفعل، يقدر حجم التداول العالمي للمنتجات التي تستخدم تكنولوجيا النانو في هذه الصناعة بأكثر من 8 مليارات دولار. وفيما يلي بعض الأمثلة فقط عن كيفية قيام الابتكارات النانوية بتحويل العناصر المألوفة في السيارة. تتيح المواد المركبة جعل أجزاء الجسم قوية وخفيفة الوزن. إن إضافة الجسيمات النانوية إلى الوقود يزيد من كفاءة احتراقه، وفي الوقت نفسه يقلل من كمية المواد الضارة المنبعثة في الغلاف الجوي. تساعد الجسيمات النانوية الموجودة في الزيت على زيادة عمر المحرك: وفقًا لبعض البيانات، فإن استخدام هذه الإضافات يقلل من تآكل الأجزاء بنسبة 1.5-2 مرة. تضاف جزيئات الكربون النانوية (ما يسمى بالكربون الأسود) إلى مطاط الإطارات، وتزداد قوتها بشكل ملحوظ. يتم اختبار السوائل المشبعة بالجسيمات النانوية المغناطيسية لاستخدامها في ممتصات الصدمات ذات الصلابة القابلة للتعديل. يمكن لتقنية النانو أن تجعل السيارة مختلفة تمامًا حتى في المظهر.

المواد النانوية في الخلايا الشمسية– مصادر جديدة وواعدة للطاقة البديلة.إن توفير الطاقة بشكل شامل لاحتياجات البشرية مع الحفاظ على التوازن البيئي الكامل، والذي يمكن من خلاله تحقيق التنمية المستدامة طويلة المدى للمجتمع البشري في وئام مع البيئة، لا يمكن تحقيقه إلا باستخدام الطاقة التي لا تنضب من الطاقة البيئة. بداية، هذه المصادر هي: الطاقة الإشعاعية الشمسية الطاقة الحرارية للجاذبية الداخلية للأرض

المواد النانوية في الإنتاج النوويبدأ العمل المستهدف في مجال إنشاء المواد النانوية وتقنيات النانو في الصناعة النووية في منتصف القرن الماضي، بالتزامن تقريبًا مع اختبار أول سلاح نووي في عام 1949. تعمل VNIINM حاليًا على تطوير تقنيات لإنتاج المواد والمنتجات الوظيفية باستخدام تقنيات النانو والمواد النانوية للطاقة النووية والنووية الحرارية والهيدروجين والطاقة التقليدية والمستحضرات الطبية والمواد والمنتجات للاقتصاد الوطني. أحد شروط تطوير الطاقة النووية هو للحد من الاستهلاك النوعي لليورانيوم الطبيعي في إنتاج الطاقة، والذي يتم تحقيقه بشكل رئيسي عن طريق زيادة حرق الوقود النووي. قد يكون تنشيط عملية التلبيد من خلال الإضافات النانوية أحد الاتجاهات لإنشاء تقنيات لأنواع جديدة من أكاسيد ونيتريدات اليورانيوم والبلوتونيوم للوقود النووي سريع الطاقة.

الطب النانوي والصناعة الكيميائيةاتجاه في الطب الحديث يعتمد على استخدام الخصائص الفريدة للمواد النانوية والأجسام النانوية لتتبع وتصميم وتعديل النظم البيولوجية البشرية على المستوى الجزيئي النانوي. تكنولوجيا النانو للحمض النووي - تستخدم القواعد المحددة لجزيئات الحمض النووي والأحماض النووية لإنشاء هياكل محددة بوضوح على أساسها. التوليف الصناعي لجزيئات الدواء والمستحضرات الدوائية ذات الشكل المحدد جيدًا (الببتيدات الثنائية).

علم الروبوتاتالروبوتات النانوية هي آلات يمكنها التفاعل بدقة مع الكائنات ذات المقياس النانوي أو يمكنها التعامل مع الكائنات على المقياس النانوي. ونتيجة لذلك، حتى الأجهزة الكبيرة مثل مجهر القوة الذرية يمكن اعتبارها روبوتات نانوية، لأنها تتعامل مع الأشياء على مقياس النانو. بالإضافة إلى ذلك، حتى الروبوتات التقليدية التي يمكنها التحرك بدقة نانوية يمكن اعتبارها روبوتات نانوية. كل يوم يزيد عددهم في العالم. ربما سيكون بمقدورهم في المستقبل القريب استبدال كل النشاط البشري تقريبًا بشكل كامل أو جزئي.

في بلدنا، اعتمدت الحكومة برنامجا لتطوير صناعة النانو. أصبحت كلمة «تقنية النانو» رائجة بين عشية وضحاها، وتناقش وسائل الإعلام بشكل حثيث آفاق البلاد في ظل تطور هذا المجال العلمي الواعد. ما هي تقنية النانو وكيف يمكن أن تكون مفيدة؟

نحن نعلم جيدًا أن السنتيمتر جزء من مائة من المتر، والمليمتر جزء من ألف، والنانومتر جزء من مليار من المتر. نانو- يعني مليار من شيء ما.

تكنولوجيا النانو – هذه هي طرق إنشاء هياكل بحجم النانو تعطي المواد والأجهزة خصائص مفيدة، وأحيانًا ببساطة غير عادية، تقنيات لتصنيع هياكل فائقة المجهر من أصغر جزيئات المادة.تقنية النانو هي القدرة على إنشاء مواد جديدة ذات خصائص محددة من أصغر العناصر - الذرات، وبمرور الوقت سوف تغير حياتنا بشكل جذري نحو الأفضل.

تكنولوجيا النانو في الطب

من التطورات التكنولوجية النانويةفي الطبإنهم ينتظرون إنجازات ثورية في مكافحة السرطان، وخاصة الالتهابات الخطيرة، في التشخيص المبكر، وفي الأطراف الاصطناعية. وتجري أبحاث مكثفة في جميع هذه المجالات. وقد دخلت بعض نتائجها بالفعل حيز التنفيذ في الممارسة الطبية. فيما يلي مثالان ملفتان فقط:

ومن خلال قتل الميكروبات وتدمير الأورام، تهاجم الأدوية عادة أعضاء وخلايا الجسم السليمة. ولهذا السبب لا يمكن علاج بعض الأمراض الخطيرة بشكل موثوق - يجب استخدام الأدوية بجرعات صغيرة جدًا. والحل هو إيصال المادة المرغوبة مباشرة إلى الخلية المصابة دون التأثير على الباقي.

ولهذا الغرض، يتم إنشاء كبسولات نانوية، غالبًا ما تكون جزيئات بيولوجية (على سبيل المثال، الجسيمات الشحمية)، يتم وضع بداخلها جرعة نانوية من الدواء. ويحاول العلماء "ضبط" الكبسولات على أنواع معينة من الخلايا التي من المفترض أن تدمرها عن طريق اختراق الأغشية. وفي الآونة الأخيرة ظهرت أولى الأدوية الصناعية من هذا النوع لمكافحة أنواع معينة من السرطان وأمراض أخرى.

تساعد الجسيمات النانوية في حل المشكلات الأخرى المتعلقة بتوصيل الدواء إلى الجسم. وبالتالي، فإن الدماغ البشري محمي بشكل خطير بطبيعته من تغلغل المواد غير الضرورية عبر الأوعية الدموية. ومع ذلك، هذه الحماية ليست مثالية. يتم التغلب عليه بسهولة بواسطة جزيئات الكحول والكافيين والنيكوتين ومضادات الاكتئاب، لكنه يمنع الأدوية للأمراض الخطيرة في الدماغ نفسه. لتقديمها، عليك القيام بعمليات معقدة. يتم الآن اختبار طريقة جديدة لتوصيل الأدوية إلى الدماغ باستخدام الجسيمات النانوية. يلعب البروتين الذي يمر بحرية "حاجز الدماغ" دور "حصان طروادة": يتم "ربط" النقطة الكمومية (البلورة النانوية لأشباه الموصلات) بجزيئات هذا البروتين وتخترق خلايا الدماغ معها. في الوقت الحالي، تشير النقاط الكمومية فقط إلى أنه تم التغلب على هذا الحاجز، ومن المخطط استخدامها في المستقبل مع الجسيمات النانوية الأخرى للتشخيص والعلاج.

لقد اكتمل منذ فترة طويلة المشروع العالمي لفك رموز الجينوم البشري - التحديد الكامل لبنية جزيئات الحمض النووي الموجودة في جميع خلايا الجسم والتي تتحكم بشكل مستمر في تطورها وتقسيمها وتجديدها. ومع ذلك، بالنسبة للوصفات الفردية للأدوية، لتشخيص الأمراض الوراثية والتشخيص لها، من الضروري فك رموز الجينوم بشكل عام، ولكن جينوم المريض المعطى. لكن عملية فك التشفير لا تزال طويلة جدًا ومكلفة.

تقدم تقنية النانو طرقًا مثيرة للاهتمام لحل هذه المشكلة. على سبيل المثال، استخدام المسام النانوية - عندما يمر الجزيء عبر مثل هذا المسام الموضوع في محلول، يقوم المستشعر بتسجيله عن طريق تغيير في المقاومة الكهربائية. ومع ذلك، يمكن فعل الكثير دون انتظار الحل الكامل لهذه المشكلة المعقدة. توجد بالفعل شرائح حيوية يمكنها التعرف على أكثر من مائتي "متلازمات وراثية" مسؤولة عن أمراض مختلفة لدى المريض في تحليل واحد.

يعد تشخيص حالة الخلايا الحية الفردية مباشرة في الجسم مجالًا آخر لتطبيق تكنولوجيا النانو. ويجري حاليًا اختبار مجسات تتكون من ألياف بصرية تبلغ سماكتها عشرات النانومترات، ويرتبط بها عنصر نانوي حساس كيميائيًا. يتم إدخال المسبار في الخلية وينقل معلومات حول تفاعل العنصر الحساس عبر الألياف الضوئية. وبهذه الطريقة، من الممكن دراسة حالة المناطق المختلفة داخل الخلية في الوقت الفعلي والحصول على معلومات مهمة جدًا حول انتهاكات الكيمياء الحيوية الدقيقة. وهذا هو المفتاح لتشخيص الأمراض الخطيرة في مرحلة لا توجد فيها مظاهر خارجية بعد - وعندما يكون علاج المرض أسهل بكثير.

أحد الأمثلة المثيرة للاهتمام هو إنشاء تقنيات جديدة لتسلسل (تحديد تسلسل النيوكليوتيدات) لجزيئات الحمض النووي. إحدى هذه التقنيات هي تقنية تسلسل المسام النانوية، وهي تقنية تستخدم المسام لحساب جزيئات بحجم أقل من الميكرون إلى المليمتر معلقة في محلول إلكتروليت. عندما يمر الجزيء عبر أحد المسام، تتغير المقاومة الكهربائية في دائرة المستشعر. ويتم تسجيل كل جزيء جديد عن طريق التغير في التيار. الهدف الرئيسي الذي يحاول العلماء الذين يطورون هذه الطريقة تحقيقه هو تعلم كيفية التعرف على النيوكليوتيدات الفردية في الحمض النووي الريبي (RNA) والحمض النووي (DNA).

الجمال وتكنولوجيا النانو

تعد صناعة التجميل إحدى المجالات التي يتم فيها تطبيق أحدث التقنيات بشكل أسرع. إن تقنيات النانو، التي توقف استخدامها مؤخرًا نسبيًا حصريًا في الأجهزة التقنية، يمكن العثور عليها الآن بشكل متزايد في منتجات مستحضرات التجميل. وقد ثبت أن 80 بالمائة من جميع المواد التجميلية التي توضع على الجلد تبقى عليه، بغض النظر عن التكلفة. وهذا يعني أن تأثير استخدامها يؤثر بشكل رئيسي فقط على حالة الجزء العلوي من الجلد. ولذلك، فإن نجاح صناعة مستحضرات التجميل يعتمد بشكل متزايد على تطوير أنظمة لتوصيل المكونات النشطة إلى الطبقات العميقة من الجلد. لقد ساعدت تقنية النانو في حل هذه المشكلة التي طالما واجهها خبراء التجميل. ترجع شيخوخة الجلد إلى حقيقة أن تجديد الخلايا يتباطأ مع تقدم العمر. لتحفيز نمو الخلايا الشابة، التي يحدد عددها مرونة الجلد ولونه وغياب التجاعيد، من الضروري العمل على الطبقة الجرثومية العميقة للأدمة. ويتم فصله عن سطح الجلد بواسطة حاجز من القشور القرنية، التي يتم ربطها ببعضها البعض بواسطة طبقة دهنية. لا يمكن القيام بذلك إلا من خلال المساحات بين الخلايا التي لا يزيد قطرها عن 100 نانومتر. لكن "البوابة" المجهرية ليست العقبة الوحيدة. هناك صعوبة أخرى: المواد التي تملأ هذه الفجوات لا تسمح بمرور المركبات القابلة للذوبان في الماء. ولكن هذه المواد، التي تسمى الدهون، يمكن خداعها باستخدام تكنولوجيا النانو. كان أحد الحلول لمشكلة توصيل المواد النشطة بيولوجيا هو إنشاء "حاويات" اصطناعية، والجسيمات الشحمية، والتي، أولا، صغيرة الحجم، تخترق المساحات بين الخلايا، وثانيا، تعترف بها الدهون على أنها "ودية". الجسيمات الشحمية عبارة عن نظام غرواني يحيط فيه قلب مائي من جميع الجوانب بتكوين كروي مغلق. يمر المركب القابل للذوبان في الماء المتخفي بهذه الطريقة دون عوائق عبر حاجز الدهون. تحارب مستحضرات التجميل التي تحتوي على الجسيمات الشحمية العلامات الأولى لشيخوخة الجلد – زيادة الجفاف والتجاعيد. المواد الغذائية، وذلك بفضل نظام المجمعات الدهنية، قادرة على اختراق عميقا بما فيه الكفاية. ولكن، لسوء الحظ، لا يكفي للتأثير بشكل كبير على عمليات التجدد في الجلد. المذيلات هي جزيئات مجهرية تتشكل في المحاليل وتتكون من قلب وقشرة. اعتمادًا على حالة المحلول ومادة اللب والقشرة، يمكن أن تتخذ المذيلات أشكالًا خارجية مختلفة. الجسيمات الشحمية هي نوع من المذيلات.

كانت المرحلة التالية في تطوير مستحضرات التجميل المضادة للشيخوخة هي إنشاء الرواسب. تكون مجمعات النقل هذه أصغر حجمًا مقارنة بالجسيمات الشحمية وهي عبارة عن هياكل كروية مليئة بالفيتامينات أو العناصر الدقيقة أو غيرها من المواد المفيدة. نظرًا لصغر حجمها، فإن الجسيمات النانوية قادرة على اختراق الطبقات العميقة من الجلد. ولكن على الرغم من كل مزاياها، فإن الجسيمات النانوية غير قادرة على نقل المجمعات النشطة بيولوجيا اللازمة للتغذية السليمة للخلايا. كل ما هم قادرون عليه هو نقل مادة واحدة، على سبيل المثال، فيتامين. لقد مكنت التطورات الأخيرة في مجال التكنولوجيا الحيوية من إنشاء مستحضرات تجميل لا يمكنها اختراق منطقة الطبقة الجرثومية من الأدمة فحسب، بل تسبب أيضًا تلك العمليات التي تمت برمجتها في المختبر. مستحضرات التجميل المستهدفة القائمة على المركبات النانوية لا تنقل العناصر الغذائية إلى الطبقات العميقة من الجلد فحسب - اعتمادًا على المهمة التي تقوم بها، تشتمل ترسانتها على الترطيب والتطهير وإزالة السموم وتنعيم الندبات وغير ذلك الكثير. علاوة على ذلك، يتم إنشاء المجمعات النانوية بحيث يحدث إطلاق المواد النشطة بيولوجيًا في منطقة الجلد حيث تكون هناك حاجة إليها. الميزة الرئيسية لهذه مستحضرات التجميل هي الوقاية المستهدفة من الشيخوخة. بعد كل شيء، تصحيح العمليات التي تحدث في الجلد أكثر فعالية بكثير من محاربة نتائج هذه العمليات. الخامس.