د مرقس ابراهيم يكتب: مجالات إستخدام تقنية النانو  في الإنتاج الحيواني

باحث اول بقسم الفيروسات – معهد بحوث الصحة الحيوانية بالدقى – مركز البحوث الزراعية – مصر  

يرجع الأصل لكلمة نانو إلى اللغة اليونانية  “نانوس” والتي تعني “القزم”، وذلك تعبيرًا عن مدى صغرها ودقتها، النانو هو أحد تقنيات تكنولوجيا الإلكترونيات التي يُعتمد إستخدامها في تصميم وإنتاج الهياكل والأجهزة المتنوعة وذلك عن طريق التحكم في شكلها وحجمها وضبطها على مقياس النانو، تدخل تقنية النانو تطبيقيًا في العديد من الصناعات التقليدية والحديثة على حدٍ سواء

رسم توضيحى لتوزيع الالكترونات بالمواد النانومترية و تطبيقات استخدامها بمجال الالكترونيات

أصبحت تقنية النانو في طليعة المجالات الأكثر أهمية وإثارة في الفيزياء، الكيمياء، الأحياء والهندسة ومجالات عديدة أخرى.

فقد أعطت أملاً كبيراً لثورات علمية في المستقبل القريب ستغير وجهة التقنية في العديد من التطبيقات.

لذا فمن المهم إعطاء فكرة عامة وموجزة لغير المختصين عن هذه التقنية. ويعود الاهتمام الواسع بتقنية النانو إلي الفترة ما بين 1996 إلي 1998م عندما قام مركز تقييم التقنية العالمي الأمريكي (WTEC) بدراسة تقويمية لأبحاث النانو وأهميتها في الإبداع التقني.

وخلصت الدراسة إلى نقاط من أهمها أن لتقنية النانو مستقبلاً عظيماً في جميع المجالات الطبية والعسكرية والمعلوماتية والإلكترونية والحاسوبية والبتروكيميائية والزراعية والحيوية وغيرها، وأن تقنية النانو متعددة الخلفيات فهي تعتمد على مبادئ الفيزياء والكيمياء والهندسة الكهربائية والكيميائية وغيرها إضافة لتخصص الأحياء والصيدلة.

ولذا فإن الباحثين في مجال ما لابد أن يتواصلوا مع الآخرين في مجالات أخرى من أجل الحصول على خلفية عريضة عن تقنية النانو ومشاركة فعالة في هذا المجال المثير. كما أن المدراء الفنيين وداعمي هذه الأبحاث لابد من أن يَلمُّوا بإيجاز عن عموم هذه المجالات.

يعتمد مفهوم تقنية النانو على اعتبار أن الجسيمات التي يقل حجمها عن مائة نانومتر (النانومتر هو جزء من ألف مليون من المتر) تُعطي للمادة التي تدخل في تركيبها خصائص وسلوكيات جديدة.

وهذا بسبب أن هذه الجسيمات (والتي هي أصغر من الأطوال المميَزة المصاحبة لبعض الظواهر) تُبدي مفاهيم فيزيائية وكيميائية جديدة مما يقود إلي سلوك جديد يعتمد على حجم الجسيمات. فقد لوحظ، كمثال لذلك، أن التركيب الإلكتروني، التوصيلية، التفاعلية، درجة الانصهار والخصائص الميكانيكية للمادة تتغير كلها عندما يقل حجم الجسيمات عن قيمة حرجة من الحجم، حيث كلما اقترب حجم المادة من الأبعاد الذرية كلما خضعت المادة لقوانين ميكانيكا الكم بدلاً من قوانين الفيزياء التقليدية.

إن اعتماد سلوك المادة على حجمها يمكننا من التحكم بهندسة خواصها، وبناءً عليه فقد استنتج الباحثون أن لهذا المفهوم آثاراً تقنية عظيمة تشمل مجالات تقنية واسعة ومتنوعة تشمل إنتاج مواد خفيفة وقوية، اختزال زمن توصيل الدواء النانوي إلي الجهاز الدوري البشري، زيادة حجم استيعاب الأشرطة المغناطيسية وصناعة مفاتيح حاسوب سريعة … الخ …  وبشكل عام فإن تقنية النانو هي تلك التي تتعامل مع تراكيب متعددة من المواد ذات أبعاد من رتبة النانومتر.

وعلى الرغم من أن تقنية النانو حديثة نسبياً، فإن وجود أجهزة تعمل بهذا المفهوم وتراكيب ذات أبعاد نانوية ليس بالأمر الجديد، والواقع أن وجودها يعود إلي عمر الأرض وبدء الحياة فيها، حيث من المعروف أن الأنظمة البيولوجية في الجسم الحي تقوم بتصنيع بعض الاجهزة الصغيرة جداً والتي تصل إلي حدود مقياس النانو، فالخلايا الحية تعد مثالاً مهما لتقنية النانو الطبيعية، حيث تُعد الخلية مستودعاً لعدد كبير من الآلات البيولوجية  بحجم النانو ويتم تصنيع البروتينات داخلها على شكل خطوط مجتمعة بحجم النانو تسمى ليبوزومات ثم يتم تشكيلها بواسطة جهاز نانوي آخر يسمى جولجي، بل إن الإنزيمات هي بنفسها تعد آلة نانوية تقوم بفصل الجزيئات أو جمعها حسب حاجة الخلية، وبالتالي فيمكن للآلات النانوية المصنعة أن تتفاعل معها وتؤدي الهدف المنشود مثل تحليل محتويات الخلية، إيصال الدواء إليها أو إبادتها عندما تصبح مؤذية..

لقد حظيت تقنية النانو في الوقت الحاضر بالاهتمام الكبير نظراً لما أبدته من تطبيقات واعدة وكثيرة شملت المجالات الطبية، العسكرية، الاتصالات، الالكترونية، الحاسوبية، البيتروكيميائية، الزراعية والحيوية …..الخ.

وأدى ذلك إلي دعم عالمي سخي واسع لأبحاث النانو في السنوات الأخيرة. وقد أعلنت الولايات المتحدة عام 2000م مبادرة “تقنية النانو الوطنية NNI” التي جعلت تقنية النانو تقنية استراتيجية وطنية وفتحت مجال الدعم الحكومي الكبير لهذه التقنية في جميع المجالات الصناعية والعلمية والجامعية، وبدأت بمبادرة الرئيس كلنتون برصد 422 مليون دولار عام 2001م لأبحاث تقنية النانو، تلاها رصد 849 مليون دولار عام 2003 م.

وتلا ذلك قيام اليابان عام 2002م بإنشاء مركز متخصص للباحثين في تقنية النانو وذلك بتوفير جميع الأجهزة المتخصصة ودعم الباحثين وتشجيعهم وتبادل المعلومات فيما بينهم، كما خصصت 900 مليون دولار سنوياً لهذا الغرض ولمدة 5 سنوات بدءاً من عام 2005م.

وقدر الإنفاق العالمي على أبحاث النانو عام 2003م بأربعة ملايين دولار، وخصصت كوريا ما يزيد على بليون دولار لتقنية النانو خلال خطة عشرية تنتهي عام 2010م بحيث تسعى لتكون إحدى خمس دول رائدة عالمياً في هذا المجال بنهاية الخطة، كما قدر إنفاق الحكومة الصينية مبلغ 280 مليون دولار على تقنية النانو خلال الفترة 2001 – 2005م، أما اهتمامها بالكوادر فقد بلغ عدد المشتغلين بهذه التقنية في الصين 4500 متخصص في العام 2005م، 30% منهم يحملون الدكتوراه أو أعلى و40% منهم يحملون شهادة الماجستير أو ما يعادلها.

وعلى الرغم من جميع ما ذُكِر فإن هنالك العديد من الصعوبات التي تحتاج للمزيد من البحث، من أهمها إمكانية الوصول إلي طرق رخيصة وعملية لتحضير مواد نانوية مختلفة بشكل تجاري لاستخدامها في التطبيقات المختلفة، كما أن هناك صعوبة صناعية أخرى وهي التواصل بين مفهوم عالم النانو الحديث وعالم الماكرو المستخدم حاليا في تصنيع الأجهزة الإلكترونية

 هناك عدة طرق لتحضير النانو مثل:

ا- الطرق الفيزيائية(Physical ways)  عن طريق تسخين المادة بخاريًا أو بإلقائها بحزمة من الإلكترونات، وقد يتم حلها حراريًا عن طريق استخدام تقنية الليزر ومن ثم تبريد البخار الصادر عنها وتعريضه لصدمة بغازٍ محايد، ثم يوضع على سطحٍ بارد حتى لا يحدث بناء بلوري، وهنا يبدأ التحضير الفعلي لمواد النانو عن طريق الليزر او بإستخدام الموجات chemical vapor deposition(cvd)

2- الطرق الكيميائية (Chemical ways)حيث التفاعلات في الحالة البخارية، يتم تحضيرها في مفاعل ، ومن ثَم فتندمج جزيئات المادة وذلك مع درجة حرارة محددة، يحدث أيضًا تفاعل مع العديد من الغازات ليتكون في نهاية الأمر شريطٌ صلب، ومن المواد التي تستخدم تلك الطريقة في التحضير أشباه الموصلاتsemiconductors

3- الطرق الميكانيكية(Mechanical attrition) فهناك العديد من الوسائل التي تساهم في تحضير النانو مثل طريقة الرصد والتزجيج، اتباع طرق التشويه القوية، طريقة الإستئصال بإستخدام الليزر، طريقة التنفيل، طريقة الطحن، وطريقة التركيب الميكانيكي وأخيرًا الطريقة الإلكتروكيميائية(attrition ball mill,planetary ball mill, vibrating ball mill , low energy     tumbling mill,high energy ball mill).

4-طريقة السائل- الجل: تشمل:

شكل توضيحى لمقارنة  نسب مقياس  النانوميتر بين المواد البيولوجية و الكيميائية المختلفة

استخدامات النانو القديمة 

معلومة من أشهر معلومات لا تعرفها عن تقنية النانو تقول أبحاث اُقيمت في جامعة درسدن بألمانيا أن السيف الدمشقي المعروف بقدرته الفائقة على القطع الحاد ومدى قوته المذهلة ومرونته الشديدة، تبين أن ذلك السيف تمت صناعته من موادٍ مؤلفة بمقياس النانومتر، كما استُخدم النانو قديمًا في صناعة المطاط والصلب، كانت تتم الصناعة إعتمادًا على الخصائص التابعة للمجموعات الذرية النانومترية وذلك عن طريق التشيكلات العشوائية المتكونة

كما أنه ليس من المعروف بداية استخدام الإنسان للمادة ذات الحجم النانوي، لكن من المعلوم أن أحد المقتنيات الزجاجية وهو كأس الملك الروماني لايكورجوس (Lycurgus) في القرن الرابع الميلادي الموجودة في المتحف البريطاني يحتوي على جسيمات ذهب وفضة نانوية، حيث يتغير لون الكأس من الأخضر إلى الأحمر الغامق عندما يوضع فيه مصدر ضوئي. وكذلك تعتمد تقنية التصوير الفوتوغرافي منذ القرنين الثامن عشر والتاسع عشر الميلاديين على إنتاج فيلم أو غشاء مصنوع من جسيمات فضية نانوية حساسة للضوء

هناك دراسات لبعثات أجنبية أجريت على المعابد الأثرية وخاصة معبد دندرة وأثبتت وجود مواد النانو فى الألوان الموجودة فى جدران وأسقف المعبد، وهو يدل على أن علم النانو تكنولوجى موجود منذ القدم

استخدامات النانو الحديث

الطاقة النانوية تستعمل تقنية النانو تكنولوجي في مجالات متعددة في مجال الطاقة، ومنها: التحويل، والتخزين، وتحسين التصنيع، فيوجد المصباح الثنائي المصدر للضوء،diode led والذي يساهم في ترشيد استخدام الطاقة الكهربائية في مجال الإضاءة، إضافة لذلك فهي تساهم في زيادة نشاط عملية تحول الضوء الحراري بوساطة استعمال الهياكل النانوية المتواجدة في الحزم ذات الثقوب والفجوات.

والجدير ذكره أنّ هذه التقنية تلعب دوراً كبيراً في تحسين كفاءة وفعالية محرك الاحتراق الداخلي من خلال تطوير بعض المواد النانوية الجزئية التي يتم نثرها على السطح، مما يؤدي إلى تحوله لمصدر للطاقة الشمسية، عدا عن أن الطاقة النانوية تعتبر صديقة للبيئة، إذ أنها تلعب دوراً كبيراً في تقليل التلوث المنبعث من محرك الاحتراق، ويكون ذلك بوساطة مرشحات مسام نانوية تساهم في تنظيف وتنقية العوادم عن طريق جزيئات المعادن النبيلة المدعومة بالكربون النانوية ومحولات محفزة.

تطبيقات تقنية النانو في مجال معالجة المياه تستخدم هذه التقنية في عملية تصنيع المواد النانوية، والتي تساهم في معالجة المياه السطحية، والمياه الجوفية، ومياه الصرف الصحي، فلديها قدرة كبيرة على التخلص من جميع الملوثات.

الطب النانوي حيث تساهم هذه التقنية في علاج الأمراض السرطانية، وذلك من خلال استعمال الجسيمات النانوية في عملية التصوير بوساطة الرنين المغناطيسي، حيث يتم بواسطتها تحديد مكان الورم السرطاني بشكل دقيق، إضافة لذلك تستخدم هذه التقنية في تصنيع العقاقير والأدوية باستعمال مسحوق النانو، والذي هو مركب نانومتري لا يتجاوز قطره 100 نانوميتر، عدا عن تقنية توصيل العقاقير والأدوية بوساطة الأنابيب النانومترية.كالادوية المضادة للسرطان و المضادات الحيوية مع نانو الفضة.

وقد أسهمت في إقامة العديد من الصناعات مثل الآلات الدقيقة جدًا التي تم تصنيعها للتدخل في العلميات الجراحية لعلاج الأمراض التي تستدعي تلك التدخلات كإستئصال الأورام مثلًا، كما تم اختراع ما يُسمى بالأنف الإلكتروني وذلك عن طريق إستخدام أنابيب الكربون النانونية حيث يتم تشخيص أمراض السرطان عن طريقه.

و الجهاز يشبة الانف البشرى يستنشق رائحة السرطان عن طريق التنفس و يستطيع تتحديد مرحلة المرض و نوعة عبر مجسات نانومترية مرتبطة بدماغ الكترونى و قد اكتشفها الدكتور حسام حايك و حصل على جائزة ماليكرى الاوربية للعلماء المميزين  (حسام حايك ويكيبيديا ,الموسوعة الحرة)(ar .m.wikipedia.org)

جهازالنانو الكانتيلفير احد اجهزة النانو المستقبلية التى تستطيع رصد و اكتشاف الخلايا المصابة بالسرطان دخلت فى صناعة اللقاحات البيطرية حيث تزيد من ثبات الانتيجين و ابطاء  خروجة  للمناعة و كذلك المشخصات البيطرية زادت من القدرة التشخيصية الجزيئية و بالتالى تم ابتكار مشخصات متناهية الدقة و سريعة كالمستخدمة لتشخيص الحقلى لبعض الامراض كالبارفو و السعار .

 الأغذية النانوية باتت عملية إنتاج وتصنيع الأطعمة تعتمد على هذه التقنية.

 زيت الكانولا:

حتوى على قطرات نانوية مكونة من معادن، وفيتامينات، ومواد كيميائية نباتية، الشاي النانوى، شوكولاتة الحمية، والتي تحتوي على العديد من الكتل النانوية التي تساهم في تحسين المذاق.

Beverger Michael 2007

 بصريات النانو تم إنتاج نظارات شمسية صممت باستخدام طلاءات سطحية مكافحة للخدش باستخدام مكوّنات نانوية، هذا عدا عن أن بصريات النانو تساهم في زيادة دقة عملية تصحيح بؤبؤ العين، كما تستعمل في مجال صناعة قرنيات العيون.

الأدوات المنزلية بات هناك أصنافاً متعددة من الزجاج والسيراميك، والتي تحتوي على العديد من الجزيئات النانوية التي تساهم في زيادة نعومتها، كما تجعلها أكثر مكافحةً للحرارة، وأسهل في عملية التنظيف.

 الزراعة النانوية تساهم هذه التقنية في تحسين عملية إنتاج الغذاء والأطعمة بدءاً من عملية التصنيع، ووصولاً إلى تعبئة المنتجات ومعالجة النفايات، هذا عدا عن دورها الكبير في خفض الكفاءة الإنتاجية للأراضي المزروعة..

في مجال الطيران تمكنت وكالة ناسا الفضائية من صنع آلات دقيقة جدًا تعمل عن طريق تقنية النانو، يقومون بحقنها في أجساد رائدي الفضاء حيث يُمكنهم ذلك من مراقبة أوضاعهم الصحية ويتعاملوا معها مباشرة دون الحاجة إلى إسعافهم بطبيب مُرسل

في مجال الصناعة يدخل النانو في تصنيع ملابس ذات مواصفات خاصة جدًا فهي تعمل على إنتاج الطاقة وإزالة الأوساخ ذاتيًا !، أيضًا تساهم في صناعة الزجاج الطارد للأتربة والعازل للحرارة، هذا بالإضافة إلى الشاشات ثلاثية الأبعاد التي يدخل النانو في تصنيعها وهي تتميز بقدرات فائقة لا تتواجد في غيرها.

تقنية النانو بين النفع والضرر

تقنية النانو بين النفع والضرر

من مساويء تقنية النانو أنه في الأصل يتكون من جزئيات صغيرة الحجم جدًا للحد الذي يجعلها تتمكن من التسلل خلف جهاز المناعة في جسم الإنسان، كما يمكنها أن تتسلل عبر أغشية خلايا الجلد والرئتين، والأمر الأكثر قلقًا على الإطلاق أن بإمكانها تخطي وتجاوز حاجز دم الدماغ.

أيضًا في عام 1997 قامت دراسات في جامعة اكسفورد، قيل فيها أن النانو المتواجد في المراهم المضادة لأشعة الشمس يصيب الجلد بالضرر قد أصابت حمض الـ دى ان اية، كما أجرى مركز جونسون للفضاء والذي يتبع وكالة ناسا دراسة وضح فيها أن النانو المستخدم في أنابيب الكربون يُعد أكثر ضررًا من غبار الكوارتز والذي بدوره يتسبب في إحدى الأمراض المميتة يُسمى بـ “السيليكوسيس”.

المراجع:

https://nano.ksu.edu.sa/ar/nanotech-introduction1-

https://www.ibda3world.com/facts-about-nano-technique-should-know/2-

http://mawdoo3.com/3-

4-Beverger  Michael ,2007 The promises of food and technology ,nano werk llc