تقنية النانو و الابتكارات في مجال العلوم 2024

تقنية النانو  أو النانومتر هو واحد من المليار من المتر: عشرة أضعاف قطر ذرة الهيدروجين. يبلغ قطر شعرة الإنسان، في المتوسط ​​، 80000 نانومتر. في مثل هذه المقاييس ، لم تعد القواعد العادية للفيزياء و الكيمياء سارية. على سبيل المثال، يمكن أن تختلف خصائص المواد، مثل اللون و القوة و التوصيل و التفاعل، اختلافًا كبيرًا بين المقياس النانوي و الماكرو.

تعتبر الأنابيب النانوية الكربونية أقوى 100 مرة من الفولاذ و لكنها أخف وزناً بست مرات.تم الترحيب بتقنية النانو باعتبارها لديها القدرة على زيادة كفاءة استهلاك الطاقة، و المساعدة في تنظيف البيئة، و حل المشكلات الصحية الرئيسية. يقال إنه قادر على زيادة الإنتاج الصناعي بشكل كبير بتكاليف منخفضة بشكل كبير. ستكون منتجات تقنية النانو أصغر و أرخص و أخف وزناً و لكنها أكثر فاعلية و تتطلب طاقة أقل و مواد خام أقل لتصنيعها.

في يونيو 1999، تحدث ريتشارد سمالي، الحائز على جائزة نوبل في الكيمياء، أمام لجنة العلوم بمجلس النواب الأمريكي حول فوائد تقنية النانو. و قال: إن تأثير تكنولوجيا النانو على صحة الناس و ثروتهم و حياتهم، سيكون على الأقل مكافئًا للتأثيرات المجمعة للإلكترونيات الدقيقة و التصوير الطبي و الهندسة بمساعدة الكمبيوتر و البوليمرات التي يصنعها الإنسان و التي تم تطويرها في هذا القرن…

مخاوف بشأن الآثار المحتملة على صحة الإنسان و البيئة

و مع ذلك، يتوخى آخرون الحذر مثل حماسة سمالي. حذر إريك دريكسلر، العالم الذي ابتكر مصطلح تكنولوجيا النانو، من تطوير تقنيات بالغة القوة و الخطورة للغاية. في كتابه محركات الخلق، تصور دريكسلر أن الجزيئات ذاتية التكاثر التي أنشأها البشر قد تفلت من سيطرتنا. 

على الرغم من أن الباحثين في هذا المجال قد فقدوا مصداقية هذه النظرية على نطاق واسع، إلا أن العديد من المخاوف لا تزال قائمة فيما يتعلق بتأثيرات تكنولوجيا النانو على صحة الإنسان و البيئة بالإضافة إلى التأثير الذي يمكن أن تحدثه الصناعة الجديدة على الانقسام بين الشمال و الجنوب. 

يشعر النشطاء بالقلق من أن علم التكنولوجيا النانوية و تطويرها سيتقدمان بشكل أسرع مما يمكن لصانعي السياسات وضع تدابير تنظيمية مناسبة. يقولون إنه يجب إجراء مناقشة مستنيرة لتحديد التوازن بين المخاطر و الفوائد.

السوق العالمي لمنتجات تقنية النانو

بالنظر إلى وعود تكنولوجيا النانو، فإن السباق مستمر لتسخير إمكاناتها و الاستفادة منها. تعتقد العديد من الحكومات أن تقنية النانو ستؤدي إلى حقبة جديدة من الإنتاجية و الثروة، و ينعكس ذلك من خلال الطريقة التي ارتفع بها الاستثمار العام في البحث و التطوير في مجال تكنولوجيا النانو خلال العقد الماضي. في 2002 اليابان كانت تخصص 750 مليون دولار أمريكي سنويًا لهذا المجال، بزيادة ستة أضعاف عن رقم عام 1997.

تتوقع مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية أن يتجاوز السوق العالمي للمنتجات القائمة على تكنولوجيا النانو تريليون دولار أمريكي في غضون 15 عامًا. 

قال بول ميلر، كبير الباحثين في منظمة أبحاث السياسات البريطانية Demos، في عام 2002 بالفعل، ما يقرب من ثلث ميزانيات الأبحاث لأكبر الشركات القائمة على العلوم في الولايات المتحدة يذهب إلى التكنولوجيا النانوية في حين أن ميزانية مبادرة النانو الوطنية الأمريكية من 116 مليون دولار أمريكي في عام 1997 إلى مبلغ مطلوب قدره 849 مليون دولار أمريكي في عام 2004.

ماذا عن تقنية النانو في العالم النامي؟

في العالم النامي، البرازيلو تشيليو الصينو الهند، ال فيلبينيو كوريا الجنوبية و جنوب أفريقيا و تايلاند أظهروا التزامهم بتكنولوجيا النانو من خلال إنشاء برامج ممولة من الحكومة و معاهد بحثية. باحثون في جامعة ل مركز تورونتو المشتركة و تصنف لأخلاقيات هذه الدول باسم الجبهة العدائين ‘(الصينو كوريا الجنوبية و الهند) و اللاعبين الوسط (تايلاندو فيلبينيو جنوب أفريقيا و البرازيل و تشيلي). بالإضافة الى،الأرجنتين و المكسيك صاعدون و قادمون: على الرغم من أن لديهم مجموعات بحثية تدرس تكنولوجيا النانو، إلا أن حكوماتهم لم تنظم بعد تمويلًا مخصصًا.

في مايو 2004، أعلنت الحكومة التايلاندية عن خطط لاستخدام تقنية النانو في واحد في المائة من جميع المنتجات الاستهلاكية بحلول عام 2013. و من المتوقع أن تبلغ قيمتها السوقية بحلول ذلك الوقت 13 تريليون بات (أكثر من 320 مليار دولار أمريكي بأسعار الصرف المعاصرة). في الواقع،تايلاندلقد احتضنت بكل إخلاص تكنولوجيا النانو و تطويرها هو التزام رئيسي للحكومة التايلاندية. بطريقة مماثلة،الصين أعلنت في مايو 2004 أن تكنولوجيا النانو أمر محوري في خطتها الوطنية للعلوم و التكنولوجيا طويلة الأجل.

ما هي الفوائد المحتملة للبلدان النامية؟

تبشر تقنية النانو بإيجاد حلول جديدة للمشاكل التي تعيق تنمية البلدان الفقيرة، لا سيما فيما يتعلق بالصحة و الصرف الصحي و الأمن الغذائي و البيئة. في تقريرها لعام 2005 بعنوان الابتكار: تطبيق المعرفة في التنمية، كتب فريق عمل مشروع الألفية التابع للأمم المتحدة و المعني بالعلوم و التكنولوجيا و الابتكار أن تكنولوجيا النانو من المرجح أن تكون ذات أهمية خاصة في العالم النامي، لأنها تتطلب القليل من العمالة أو الأرض أو الصيانة ؛ عالية الإنتاجية و غير مكلفة ؛ و لا تتطلب سوى كميات متواضعة من المواد و الطاقة.

تعتبر تقنية النانو مفيدة بالفعل كأداة في أبحاث الرعاية الصحية. في كانون الثاني (يناير) 2005، استخدم باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بالولايات المتحدة ملاقط بصرية – يتم تجميع أزواج من الخرز الزجاجي الصغير معًا أو فصلها باستخدام أشعة الليزر – لدراسة مرونة خلايا الدم الحمراء المصابة بطفيلي الملاريا. تساعد هذه التقنية الباحثين على فهم أفضل لكيفية انتشار الملاريا عبر الجسم.

لكن يمكن أن تؤدي تكنولوجيا النانو في يوم من الأيام إلى أنظمة أرخص و أكثر موثوقية لتوصيل الأدوية. على سبيل المثال، يمكن للمواد المبنية على المقياس النانوي أن توفر أنظمة تغليف تحمي و تفرز الأدوية المغلقة بطريقة بطيئة و منضبطة. قد يكون هذا حلاً قيمًا في البلدان التي ليس لديها مرافق تخزين و شبكات توزيع كافية، و للمرضى الذين يخضعون لأنظمة الأدوية المعقدة و الذين لا يستطيعون تحمل الوقت أو المال للسفر لمسافات طويلة لزيارة طبية.

مرشحات نانومترية لتحسين أنظمة تنقية المياه

توفر الفلاتر التي تم تصميمها على المقياس النانوي وعدًا بأنظمة تنقية مياه أفضل رخيصة التصنيع و طويلة الأمد و يمكن تنظيفها. يمكن لتقنيات أخرى مماثلة امتصاص أو تحييد المواد السامة، مثل الزرنيخ، التي تسمم منسوب المياه الجوفية في العديد من البلدان بما في ذلكالهند و بنغلاديش.

توفر المستشعرات الصغيرة إمكانية مراقبة مسببات الأمراض على المحاصيل و الماشية و كذلك قياس إنتاجية المحاصيل. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للجسيمات النانوية زيادة كفاءة الأسمدة. و مع ذلك، حذرت شركة التأمين السويسرية SwissRe في تقرير في عام 2004 من أنها يمكن أن تزيد أيضًا من قدرة المواد السامة، مثل الأسمدة، على اختراق الطبقات العميقة من التربة و السفر لمسافات أكبر.

بالإضافة إلى ذلك، يعمل الباحثون في كل من البلدان المتقدمة و النامية على تطوير محاصيل قادرة على النمو في ظل ظروف معادية، مثل الحقول التي تحتوي فيها التربة على مستويات عالية من الملح (أحيانًا بسبب تغير المناخ و ارتفاع مستويات سطح البحر) أو انخفاض مستويات ماء. إنهم يفعلون ذلك من خلال التلاعب بالمواد الوراثية للمحاصيل، و العمل على مقياس تكنولوجيا النانو مع الجزيئات البيولوجية.

كيف يمكن استخدام طرق تقنية النانو في مجالات الطاقة المتجددة و المستدامة لمساعدة البيئة؟

يمكن أن يوفر تطبيق تكنولوجيا النانو في مجال الطاقة المتجددة و المستدامة (مثل الخلايا الشمسية و خلايا الوقود) مصادر طاقة أنظف و أرخص. هذه من شأنها تحسين صحة الإنسان و البيئة.

يمكن استخدام المرشحات النانوية و الجسيمات النانوية لتنظيف البيئة

يمكن لمرشحات مياه الصرف الصغيرة، على سبيل المثال، أن تنخل الانبعاثات من المنشآت الصناعية، و تزيل حتى أصغر المخلفات قبل إطلاقها في البيئة. يمكن لمرشحات مماثلة تنظيف الانبعاثات من محطات الاحتراق الصناعية. و يمكن استخدام الجسيمات النانوية لتنظيف الانسكابات النفطية، و فصل الزيت عن الرمل، و إزالته من الصخور، و عن ريش الطيور العالقة في الانسكاب.

أظهرت الأبحاث أن جزيئات بحجم النانو تتراكم في تجاويف الأنف و رئتي و أدمغة الفئران، و أن المواد النانوية الكربونية المعروفة باسم كرات بوكي تسبب تلفًا في الدماغ في الأسماك. Vyvyan هوارد، في علم السموم في جامعة ليفربول في المملكة المتحدة، حذر من أن صغر حجم الجسيمات النانوية يمكن أن يجعلها سامة، و يحذر من أن هناك حاجة لتقييم المخاطر الكاملة قبل ترخيص التصنيع.

أعرب العديد من الأطراف المهتمة، بما في ذلك مجموعة ETC الكندية و شركة التأمين SwissRe، عن قلقهم بشأن إطلاق جزيئات صغيرة يمكنها، نظرًا لصغر حجمها، السفر بعيدًا جدًا في البيئة. 

إنهم يحذرون من أننا لا نعرف حتى الآن كيف ستعمل هذه الجسيمات في البيئة أو ما هي التفاعلات الكيميائية التي ستطلقها عند مواجهة الجسيمات الأخرى. و مع ذلك، تتفق هذه المجموعات نفسها أيضًا مع دعاة تكنولوجيا النانو الذين يشعرون أن المجال قد يوفر تقنيات الأنظف، و في النهاية بيئة أنظف. لكن القلق ينصب في الغالب على نقص الأبحاث في التهديدات المحتملة لتكنولوجيا النانو على صحة الإنسان و المجتمع و البيئة.

التأكد من أن التقدم في تقنية النانو مصحوب بدراسات في الأخلاق و الآثار المجتمعيةفي بحث نُشر في أوائل عام 2003، كتب أنيسة مينوسوالا و عبدالله دار و بيتر سينجر، من جامعة تورنتو، كندا، بينما يقفز علم تكنولوجيا النانو إلى الأمام، تتخلف الأخلاق عن الركب.

نعتقد أن هناك خطر الانحراف عن المسار تكنولوجيا النانو إذا لم تصل الدراسة الجادة لآثارها الأخلاقية و البيئية و الاقتصادية و القانونية و الاجتماعية إلى سرعة التقدم في العلوم . وفقًا لسينجر و زملائه، في عام 2001، خصصت المبادرة الوطنية لتقنية النانو و مقرها الولايات المتحدة 16-28 مليون دولار أمريكي لدراسة الآثار المجتمعية، لكنها أنفقت أقل من نصف هذا المبلغ.

تقييم المخاطر و المخاوف التي أثيرت بشأن تقنية النانو

العديد من المنظمات غير الحكومية تدعو إلى مزيد من تقييمات المخاطر أو في حالة كندامجموعة ETC، و هي عبارة عن وقف لأبحاث تكنولوجيا النانو. لقد أثاروا، و غيرهم، بما في ذلك مركز تكنولوجيا النانو المسؤولة و مقره الولايات المتحدة، مخاوف بشأن الجوانب التالية لتكنولوجيا النانو:

• سمية المواد السائبة، مثل الفضة الصلبة، لا تساعد في التنبؤ بسمية الجسيمات النانوية من نفس المادة.
• الجسيمات النانوية لديها القدرة على البقاء و التراكم في البيئة.
•  يمكن أن تتراكم في السلسلة الغذائية.
• يمكن أن يكون لها آثار غير متوقعة على صحة الإنسان.
• لم يشارك الجمهور بشكل كاف في المناقشات حول تطبيقات و استخدامات و تنظيم تكنولوجيا النانو.
• غراي غو: يمكن أن تكتسب الروبوتات الصغيرة التي تم إنشاؤها باستخدام تقنية النانو القدرة على التكرار الذاتي.
• إذا كانت الدول الغنية هي المحرك الرئيسي لتطوير تكنولوجيا النانو، فإن التطبيقات التي تفيد الدول النامية ستكون منحازة.
• ما لم يتم اتخاذ إجراءات سريعة، يمكن أن يتقدم البحث في مجال تكنولوجيا النانو بشكل أسرع من الأنظمة التي يمكن وضعها في مكان لتنظيم تطبيقاتها و استخداماتها.

ماذا تقول مجموعة ETC عن تقنية النانو

على الرغم من أن بعض هذه المخاوف، و لا سيما نظرية غراي غو، فقد مصداقيتها على نطاق واسع من قبل الباحثين في هذا المجال، إلا أن معظمها لا يزال على رأس جدول أعمال النشطاء. 

طالبت مجموعة ETC بفرض حظر من الأمم المتحدة على جميع تطبيقات تكنولوجيا النانو التي يمكن أن تتلامس مع جسم الإنسان. كما أعربت مجموعة ETC عن قلقها من أن السيطرة على أبحاث و تطوير تكنولوجيا النانو قد تظل بقوة في أيدي الدول الصناعية. و ستكون النتيجة انحيازاً نحو تطوير التطبيقات التي تفيد البلدان الغنية و لكنها تهمل احتياجات الفقراء.

كتب فريق عمل مشروع الألفية التابع للأمم المتحدة حول العلوم و التكنولوجيا و الابتكار في تقريره لعام 2005: هناك نشاط كبير في مجال التكنولوجيا النانوية يحدث بالفعل في البلدان النامية. 

هذا النشاط قد يخرج عن مساره بسبب مناقشة لا تأخذ في الاعتبار منظور البلدان النامية. ثم يحذر المؤلفون من أن هذا النشاط يمكن أن يفسد إذا فشلت المناقشات العامة و المتعلقة بالسياسة في مراعاة منظور البلدان النامية. 

في وقت كتابة هذا التقرير، كان الحوار العالمي بين أصحاب المصلحة جاريًا لتحديد التأثيرات المحتملة لتكنولوجيا النانو على هذه البلدان (انظر هل يمكن للعلم الصغير أن يجلب حلولًا كبيرة لفقراء العالم؟).

الهندسة النانوية و الهندسة على النطاق الجزيئي

بنيت التطورات في تكنولوجيا النانو على التقدم في الفحص المجهري. بالإضافة إلى السماح بتصوير الجزيئات، سمح مجهر المسح النفقي (الحاصل على براءة اختراع عام 1982) للباحثين بالتلاعب بها عن طريق التقاط و تحريك الذرات الفردية. هذا هو جوهر تقنية النانو الجزيئية من أسفل إلى أعلى – فكرة أن الهياكل الجزيئية يمكن أن تُبنى ذرة تلو ذرة.

يدعي البعض أن تقنية النانو يمكن أن تؤدي في النهاية إلى تصغير الإنتاج المتحكم فيه إلى المستوى الجزيئي بنفس الطريقة التي يحدث بها في الخلايا البشرية، على سبيل المثال، عندما تكسر الإنزيمات الروابط التي تربط الجزيئات ببعضها البعض و تعيد ترتيبها. 

تتمثل الرؤية في المجمعات التي يمكن تكرارها ذاتيًا و هي أجهزة صغيرة تعمل في انسجام مثل الإصدارات المصغرة لخطوط تجميع المصنع لإنتاج مواد متناهية الصغر، و هي منتجات جديدة ستحدث ثورة في البناء و الطب و استكشاف الفضاء و الحوسبة.

الحزام الناقل بالنانو، و روبوتات الحمض النووي، و البنى الجزيئية الدوارة

تتفوق النظرية على الحقائق الحالية، و بينما يحذر البعض من أن الروبوتات النانوية ذاتية التكرار تشكل تهديدًا هائلاً للبشرية، فإن آخرين يرفضون الفكرة باعتبارها مستحيلة. و مع ذلك، فإن الإنتاج الحديث لحزام ناقل نانوي يحرك تيارات من الجسيمات بدلاً من الجسيمات الفردية على طول الأنبوب النانوي يمثل إنجازًا كبيرًا، و كذلك تطوير روبوت DNA بطول عشرة نانومتر قادر على السير على طول الرصيف أيضًا. مصنوع من الحمض النووي. 

التطورات المهمة الأخرى هي اكتشاف الهياكل الجزيئية الدوارة، و التي تبشر بإمكانية توليد الطاقة و التحكم في الحركة على المستوى الجزيئي.

في نهج من الأعلى إلى الأسفل، الذي لا يزال يهيمن على المجال، يتم تشكيل قطع من المواد و حفرها في هياكل نانوية.

إلى أين تتجه تقنية النانو؟

المعرفة بتقنية النانو تنمو بسرعة. نما عدد المنشورات العلمية في هذا المجال من حوالي 200 في عام 1997 إلى أكثر من 12000 في عام 2002. على الرغم من ذلك، هناك عدد قليل نسبيًا من المنتجات التي تستخدم الجسيمات النانوية في السوق حاليًا. إجمالاً، تلك التي هي معروضة للبيع بالفعل لا تعالج القضايا الموضحة أعلاه، المتعلقة بالصحة و الأمن الغذائي و البيئة. 

و بدلاً من ذلك، فقد ركزوا على التطبيقات الاستهلاكية التي تشمل الواقيات الشمسية المحسنة، و الدهانات المقاومة للتشقق، و العدسات المقاومة للخدش. مثل الكهرباء و محرك الاحتراق الداخلي، تعتبر تقنية النانو تقنية تمكينية. على هذا النحو، فمن المتوقع أن تعجل مجموعة من الابتكارات.

لكن ماذا عن المجهول؟ هل تكنولوجيا النانو مبالغ فيها؟ هل يمكن أن تفي بوعدها دون احتواء الأعراف الاجتماعية و الأمن؟ هل أنصارها واقعيون في ادعاءاتهم حول ما يمكن أن تحققه تكنولوجيا النانو؟ أم أنها تقنية جامحة تهدف إلى إحداث فوضى في صحة الإنسان و البيئة الطبيعية؟

الخلاصة: النقاش المتضمن هو الطريق إلى الأمام لتقنية النانو