أحدث التطورات في تكنولوجيا النانو

وأظهرت هذه التكنولوجيا الدقيقة - التي تتعامل مع مقاييس تتراوح بين 1 إلى 100 نانومتر - إمكانات هائلة في تحسين وتطوير مجموعة متنوعة من التطبيقات في مختلف المجالات، بدءاً من الطب والبيئة وصولاً إلى الإلكترونيات وعلوم المواد.

تمثِّل تكنولوجيا النانو تقدُّماً مذهلاً في قدرتنا على التحكُّم في الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمواد، ويمكننا تطوير مواد جديدة بأداء متفوق، وزيادة فاعليَّة العلاجات الطبية، وتحسين كفاءة الطاقة من خلال فهم كيفية تأثير التفاعلات في المستوى النانوي، كما تتوسَّع تطبيقات النانو بسرعة لتشمل كلاً من الصناعة والبُنية التحتية، وهذا يفتح أمامنا أفقاً جديداً في الابتكار والبحث.

ما هي تكنولوجيا النانو؟

تكنولوجيا النانو هي مجال علمي وهندسي يركِّز على دراسة وتطوير المواد والتقنيات على مقياس النانو؛ أي على مستوى الجزيئات والذرَّات التي يتراوح حجمها بين 1 و100 نانومتر (كل 1 نانومتر واحد يعادل 1 على مليار من المتر).

أهم التطوُّرات في تكنولوجيا النانو

تطوَّرت تكتولوجيا النانو تطوُّراً ملحوظاً خلال العقود الأخيرة، وهذه أبرز هذه التطوُّرات:

1. هلاميات الأوكسجين الذكية (Oxygen-Releasing Smart Hydrogels)

يُعدُّ إصلاح الأنسجة باستخدام الهلاميات المائية (hydrogels) التي تطلق الأوكسجين ابتكاراً حديثاً في تكنولوجيا النانو، وطُوِّر هذا الاختراع في جامعة "نورث إيسترن"، وتقبل هذه المواد الحقن والتحلُّل الحيوي، وهذا يسمح بإدخالها إلى الجسم بأقل تدخُّل جراحي، وتتحلَّل تحلُّلاً طبيعياً بعد أداء وظيفتها، وتتميَّز بقدرتها على إنتاج الأوكسجين ومكافحة الميكروبات، وهذا يجعلها فعَّالة في إصلاح الأنسجة التالفة، واستخدامها كلاصق أو حشوة تساعد على إعادة بناء الأنسجة، كما يمكنها توصيل الأدوية بفاعليَّة، هذا يسرِّع شفاء الجروح.

2. الجسيمات النانوية الذهبية (Gold Nanoparticles)

يساعد عبور حاجز الدماغ الدموي باستخدام الليبوسومات الذهبية (الجسيمات الذهبية) على علاج أمراض الدماغ، وهو تطوُّر هام في تكنولوجيا النانو طوَّره علماء في مؤسسة "بورتوريكو للعلوم والتكنولوجيا"، وتجمع الجزيئات النانوية بين الذهب و"الليبوسومات"؛ وهي فقاعات دهنية صغيرة توصل الأدوية إلى الدماغ إيصالاً فعَّالاً.

تساعد هذه التقنية الأدوية على تجاوز حاجز الدماغ الدموي، والذي يمنع أكثر من 98 % من الأدوية من الوصول إلى الدماغ، وهذا يعالج أورام الدماغ، وأمراض الجهاز العصبي معالجة فعَّالة.

3. تجميع الحمض النووي (DNA Assembly)

تُستخدَم تقنية تجميع الحمض النووي (DNA Assembly) في تكنولوجيا النانو، وتُصمَّم شرائط الحمض النووي (DNA) لتشكيل هياكل نانوية معقَّدة، وتُرتَّب ترتيباً دقيقاً، وتشبه هذه الفكرة إلى حد كبير لعبة البناء باستخدام قطع صغيرة، ولكن في هذه الحالة، القطع هي أجزاء من الحمض النووي، ويمكن - للعلماء باستخدام هذه التقنية - إنشاء هياكل صغيرة جداً تُستخدَم في مجموعة متنوعة من التطبيقات مثل الإلكترونيات المتقدمة، والأدوية الذكية التي تستهدف خلايا معينة، أو حتى مواد جديدة تتحكَّم في الضوء تحكُّماً خاصاً، وتُسمَّى هذه الهياكل الصغيرة "الهياكل النانوية"، وقد تكون مفيدة في العديد من المجالات العلمية والصناعية.

4. تقنية "القطرات داخل القطرات" (Droplets within Droplets

تقنية "القطرات داخل القطرات" (Droplets within Droplets): هي تقنية نانوية حديثة تُستخدَم لإنشاء قطرات صغيرة محاطة بقطرات أكبر، وهذا يحسِّن استقرار السوائل، ويتيح تحكُّماً دقيقاً في خصائصها، ويمكن استخدامها في الصيدلة، والأغذية، ومستحضرات التجميل، ولقد طوَّر فريق بحثي من جامعة "كاليفورنيا، سانتا باربرا" هذه التقنية، ووفَّر طريقة فعَّالة لتحسين جودة وكفاءة المنتجات عبر الصناعات المختلفة.

5. كرات الركل

كرات الركل هي تقنيَّة نانوية حديثة تستخدِم كرات نانوية لتوصيل الأدوية، وعلاج الجينات، ومساعدات اللقاحات، وصُمِّمَت هذه الكرات النانوية بتركيبات جزيئية معيَّنة، وتتجمَّع ذاتياً في ظروف معيَّنة، مثل درجة الحرارة، أو الرقم الهيدروجيني، وهذا يجعلها فعَّالة في نقل العلاجات إلى المواقع المستهدفة في الجسم.

6. أنودات السليكون النانوية (Nanostructured Silicon Anodes

أنودات السليكون النانوية هي نوع من الأنودات المستخدمة في بطاريات "الليثيوم أيون"، وتعتمد هذه الأنودات على السليكون اعتماداً نانوياً، فهي مقسَّمة إلى أجزاء صغيرة جداً؛ لتحسين أداء البطاريات، ويمكن للسيليكون تخزين كمية أكبر من "الليثيوم" مقارنة بـ "الجرافيت"، وهذا يعزِّز سعة البطارية، ويزيد مدى القيادة للمركبات الكهربائية.

يساعد تصميم الأنودات تصميماً نانوياً على تحسين قدرة البطارية على الشحن والتفريغ بسرعة أكبر وكفاءة أعلى، ويقلِّل من مشكلات التشقُّق والتلف التي تحدث في الأنودات التقليدية في أثناء شحن البطارية، وهذا يُطيل عمر البطارية.

7. الأيروجيل المقاوم للحريق

الأيروجيل المقاوم للحريق هو مادة نانوية خفيفة الوزن تتمتَّع بقدرة عالية على مقاومة الحرارة والعزل الحراري، ويتميَّز الأيروجيل بتركيبه النانوي الذي يعزِّز قدرته على منع انتشار الحرارة والمواد السامَّة خلال الحريق، ويُستخدَم في العزل الحراري، والحماية من الحريق، وهذا يجعله مثالياً لتقليل مخاطر الحريق، وتحسين السلامة في المباني والتطبيقات الصناعية.

8. المستشعرات النانوية

المستشعرات النانوية هي أجهزة صغيرة تستخدم تقنية النانو؛ للكشف عن مواد أو حالات محدَّدة في البيئة المحيطة، وتتميَّز هذه المستشعرات بحجمها الصغير جداً، وهذا يسمح لها بالكشف عن التغيرات على مستوى النانو، ويمكن استخدامها لاكتشاف الأمراض قبل ظهور أعراضها، مثل النوبات القلبية أو الأمراض السرطانية، كما تقدِّم دقَّة عالية في قياس وتحليل المواد الكيميائية أو البيولوجية، وتُستخدَم غالباً في مجالات متعددة مثل الرعاية الصحية، ومراقبة البيئة، والبحث العلمي.

إليك أحدث إصدارات المستشعرات النانوية:

1. المستشعرات النانوية القابلة للزرع

هي مستشعرات حيوية قابلة للزرع، ويمكن إدخالها تحت الجلد أو في الجسم؛ لمراقبة الصحة الداخلية، وتوفِّر هذه المستشعرات بيانات مستمرة عن مستويات "الجلوكوز"، أو العلامات الحيوية، أو المواد الكيميائية في الجسم.

2. المستشعرات النانوية القابلة للتنقُّل والتتبُّع

هي مستشعرات دقيقة مثل تلك التي تُستخدَم في الرقائق النانوية الصغيرة جداً، ويمكن حقنها في الجسم؛ لتتبُّع العلامات البيولوجية، مثل تلك المتعلِّقة بالنوبات القلبية أو السرطان، وتعمل هذه المستشعرات على تنبيه المستخدمين أو الأطباء عبر الهواتف الذكية أو أجهزة المراقبة الأخرى.

3. المستشعرات النانوية للتطبيقات البيئية

هي مستشعرات نانوية تُستخدَم للكشف عن الملوِّثات البيئية، مثل الغازات السامة أو المواد الكيميائية في الماء، وتوفِّر هذه المستشعرات معلومات دقيقة عن جودة الهواء والماء، وهذا يساعد على الحفاظ على البيئة وصحَّة الإنسان.

4. المستشعرات النانوية ذات التقنيات الذكية

يساعد إدخال تقنيات الذكاء الاصطناعي وتعلُّم الآلة على تحليل البيانات المجمَّعة بواسطة المستشعرات النانوية، وتسمح هذه التقنيات بتحليل بيانات أكثر تعقيداً، وتوفير تنبؤات دقيقة، وتوصيات في الوقت الفعلي.

9. السيليكون الأسود المضاد للبكتريا

السيليكون الأسود المضاد للبكتيريا هو مادة نانوية طوَّرها فريق من العلماء الأستراليين والإسبان، وتستمدُّ إلهامها من الطبيعة؛ تحديداً من أجنحة اليعسوب، وتتكوَّن هذه المادة من سيليكون أسود يحتوي على أشواك صغيرة على سطحه، وتشبه هذه الأشواك تلك الموجودة على أجنحة "اليعسوب الأسترالي المتنقِّل"، والتي تساعد على منع نمو البكتيريا.

أثبتت التجارب في المختبر أنَّ هذه المادة فعَّالة ضد مجموعة متنوعة من البكتيريا، وتُعدُّ هذه المادة فريدة من نوعها؛ لأنَّها تتميز بـ "نشاط قاتل للبكتيريا على سطح مائي"، وهذا يعني أنَّها قد تقضي على البكتيريا حتى في البيئات الرطبة.

10. روبوتات "أوكتوماج" (OctoMag)

روبوتات "أوكتوماج" (OctoMag) هي تقنية متطوِّرة تُستخدَم في جراحة العين، وتتميَّز هذه الروبوتات بصغر حجمها، ويصل قطرها إلى حوالي 285 ميكرومتر، وهذا يجعلها أصغر من حبَّة الرمل، وتعمل روبوتات "أوكتوماج" عبر التحكُّم فيها باستخدام حقول مغناطيسية خارجية، وهذا يسمح بتوجيهها بدقة داخل العين.

تستطيع هذه الروبوتات المبتكرة تنفيذ عمليات جراحية دقيقة، أو توصيل أدوية مباشرة إلى العين دون الحاجة لإجراء شقوق جراحية كبيرة، وتوفِّر تقنية "أوكتوماج" وسيلة فعَّالة وآمنة لإجراء إجراءات دقيقة، مثل إذابة الجلطات أو توصيل الأدوية، وهذا يعزِّز فاعليَّة العلاج، ويقلِّل من المخاطر المرتبطة بالجراحة التقليدية.

11. الرقائق الإلكترونية فائقة المرونة

الرقائق الإلكترونية فائقة المرونة هي تطوُّر حديث في تكنولوجيا النانو، وتتميَّز هذه الرقائق بقدرتها على الالتواء واللف حول أسطح دقيقة جداً، مثل شعرة بشرية، وطُوِّرت في "المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا" في "زيورخ".

تتكوَّن من طبقات رقيقة من "البولي فينيل" مغطَّاة بدوائر إلكترونية، وتذوب بعض الطبقات عند غمرها في الماء، لتبقى دائرة إلكترونية رقيقة جداً بسمك ميكرومتري، وتتمتَّع هذه الرقائق بمرونة استثنائية؛ لذا هي مناسبة للتطبيقات في الأجهزة القابلة للارتداء والتقنيات الطبية، مثل العيون الصناعية وأجهزة مراقبة الجلوكوما.

12. جسيمات الفضَّة النانوية

جسيمات الفضَّة النانوية هي جسيمات صغيرة جداً من الفضة ذات حجم نانوي؛ أي إنَّها تتراوح في الحجم بين 1 و100 نانومتر، وتتمتَّع هذه الجسيمات بخصائص فريدة مثل زيادة سطح التفاعل، والقدرة على التفاعل مع البكتيريا والميكروبات تفاعلاً فعَّالاً؛ بسبب حجمها الصغير.

يمكن لجسيمات الفضَّة النانوية قتل مجموعة متنوعة من البكتيريا، وهذا يجعلها مفيدة في تطبيقات مثل معاجين الأسنان، والمنتجات الطبية، ولا سيَّما المستخدمة في التعقيم والجراحة وعلاج التهابات الجروح.

13. جهاز قياس التنفُّس المدعوم بالنانو

جهاز قياس التنفُّس المدعوم بالنانو هو جهاز يستخدم تقنية النانو للكشف عن مستويات الأسيتون في التنفُّس، والذي يمكن أن يكون مؤشِّراً لمستويات السكَّر في الدم، ويعمل هذا الجهاز عن طريق استخدام أفلام بوليمرية نانوية حساسة للأسيتون، فيتغيَّر تماسك البوليمرات عندما يتفاعل الأسيتون مع هذه الأفلام، وهذا يتيح للجهاز قياس مستويات الأسيتون بدقة، وقد توفِّر تقنية النانو هذه بديلاً لقياس السكر في الدم عبر الوخز - إذا سُوِّقت تسويقاً صحيحاً - وهذا يجعل عملية المراقبة أكثر راحة وسهولة.

أبرز 5 اتجاهات مستقبلية في ابتكارات تكنولوجيا النانو لعام 2025

ستشهد هذه التكنولوجيا في عام 2025 قفزات نوعية، من خلال عدد من الابتكارات الرائدة التي تسعى لتحسين حياة البشر، وحل بعض التحديات الكبرى التي تواجهنا.

إليك أبرز 5 اتجاهات مستقبلية في تكنولوجيا النانو، مع التعرُّف إلى الشركات المطوِّرة لهذه الابتكارات، والأهداف التي تسعى لتحقيقها:

1. مختبر على شريحة للتحليل البيولوجي الجزيئي

• الشركة المطوِّرة: "INTA" وهي شركة إيطالية تعمل في مجال تكنولوجيا النانو.
• الهدف: استخدام تقنية النانو أكوستيك وقناة ميكروفلويدية على شريحة بيزو كهربائية؛ للكشف السريع والدقيق عن المؤشرات الحيوية لإصابات الدماغ الصدمية (TBI) وتحليل عدة أنواع من التحليلات البيولوجية؛ لتشخيص الأمراض، ومراقبة البيئة، وتحليل الطعام.

2. أجهزة الاستشعار النانوية من الجرافين

• الشركة المطوِّرة: "Espio" وهي شركة ناشئة في سلوفاكيا.
• الهدف: إنتاج أجهزة استشعار نانوية رقيقة من الجرافين؛ لمراقبة درجة الحرارة على أسطح متنوعة، ومن ذلك الأسطح المنحنية؛ لتحسين موثوقية قياسات الاستشعار في تقنيات البطاريات، والإلكترونيات، والطيران، والصناعات المعالجة.

3. أغشية الترشيح النانوية

• الشركة المطوِّرة: "Aavalo" وهي شركة ناشئة في المملكة المتحدة في مجال تكنولوجيا النانو.
• الهدف: تطوير تكنولوجيا الترشيح النانوية باستخدام أغشية الجرافين؛ لتنقية المياه من المعادن الثقيلة والملوِّثات والبكتيريا والملح، مع تقليل الفاقد، وتوفير مياه نظيفة توفيراً اقتصادياً ومستداماً.

4. الطلاءات النانوية ذات البنية الدقيقة

• الشركة المطوِّرة: "Nanostine" وهي شركة إسبانية ناشئة تعمل في مجال تكنولوجيا النانو.
• الهدف: تصنيع طلاءات نانوية ذات بنية دقيقة باستخدام تكنولوجيا الفراغ الفائق؛ لتحسين متانة المكوِّنات، وتقليل تآكل الأداء في تطبيقات الطيران والفضاء، إضافة إلى تطبيقات مضادة للعوامل المتعددة، ومضادة للميكروبات.

5. الأفلام النانوية للفصل والترشيح

• الهدف: استخدام الأفلام النانوية الطبيعية والاصطناعية، مثل الجرافين والإطارات المعدنية العضوية (MOFs) في عمليات الفصل والترشيح على مستوى الذرَّة، ومن ذلك تنقية المياه، وترشيح الهواء، وإدارة المياه العادمة.

ملخص تطورات تكنولوجيا النانو حتى عام 2024

بدأت تكنولوجيا النانو بوصفها حلماً علمياً في منتصف القرن العشرين، وتطوَّرت تطوُّراً هائلاً على مدى العقود الأخيرة، وحقَّقت إنجازات غيَّرت وجه العديد من الصناعات والمجالات العلمية، وشهدنا تقدُّماً ملحوظاً في فهمنا وتطبيقاتنا لتقنيات النانو، منذ أن قدَّم "ريتشارد فاينمان" مفاهيمه الرائدة في محاضرة "الفضاء الصغير" عام 1959.

إليك ملخَّص تطورات تكنولوجيا النانو حتى عام 2024:

1. أجهزة تنقية المياه باستخدام النانو

هي فلاتر نانوية تُستخدَم لتحسين جودة المياه من خلال إزالة الملوِّثات والشوائب بفاعليَّة أكبر من الفلاتر التقليدية.

2. مستحضرات التجميل النانوية

هي كريمات ومستحضرات تجميل تحتوي على جزيئات نانوية؛ لتحسين فاعليَّة المنتجات، وتمكينها من اختراق البشرة بعمق أكبر.

3. أجهزة العرض النانوية

هي شاشات عرض نانوية توفِّر دقة عالية، وألواناً أكثر وضوحاً، وتستهلك طاقة أقل مقارنة بالشاشات التقليدية.

4. البطاريات النانوية ذات السعة العالية

هي بطاريات صغيرة الحجم تعتمد على تكنولوجيا النانو؛ لتحسين سعة التخزين، وعمر البطارية، وهذا يزيد كفاءتها ويقلِّل حجمها.

5. المواد النانوية المقاومة للحريق

هي مواد نانوية تُستخدَم لتطوير أسطح مقاومة للحريق، ويمكن استخدامها في البناء؛ لحماية الهياكل من الحرائق حماية فعَّالة.

6. الأقمشة الذكية النانوية

هي أقمشة تحتوي على ألياف نانوية تمتاز بالقدرة على التفاعل مع البيئة المحيطة، وتغيير خصائصها مثل العزل أو التنفُّس.

7. أنظمة توصيل الأدوية النانوية

هي نظم لتوصيل الأدوية تعتمد على جزيئات نانوية؛ لضمان توصيل الأدوية مباشرة إلى الخلايا المستهدفة.

8. المواد النانوية المستخدمة في تحسين الزراعة

هي مواد نانوية تُستخدَم لتعزيز نمو النباتات، وتحسين مقاومة الأمراض، وهذا يزيد إنتاجية المحاصيل الزراعية.

9. تقنيات النانو لتحسين استجابة الخلايا المناعية

هي جزيئات نانوية تُستخدَم لتحفيز أو تعديل استجابة الجهاز المناعي لمكافحة الأمراض.

10. تقنيات النانو لتحسين التصوير الطبي

هي مواد نانوية تعمل بوصفها عوامل تباين؛ لتحسين جودة الصور في تقنيات التصوير، مثل الرنين المغناطيسي أو الأشعة المقطعية.

11. الطاقة الشمسية النانوية

هي خلايا شمسية تعتمد على تكنولوجيا النانو؛ لزيادة كفاءتها في تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية.

12. أجهزة استشعار نانوية للبيئة

هي أجهزة استشعار نانوية تُستخدَم لمراقبة جودة الهواء والماء، والكشف عن الملوِّثات في الوقت الفعلي.

13. أجهزة نانوية لتحسين التحليل الجيني

هي أدوات نانوية تُستخدَم لتحليل الحمض النووي تحليلاً سريعاً ودقيقاً، وهذا يسهم في تطوير أبحاث الجينوم والعلاج الجيني.

أحدث 10 شركات عالمية ناشئة في تكنولوجيا النانو

ازداد عدد الشركات الناشئة التي تعتمد على تقنيات النانو ازدياداً ملحوظاً، وهذه قائمة بأحدث 10 شركات عالمية تعمل في هذا المجال:

• شركة "Nanosys" في الولايات المتحدة الأمريكية، متخصِّصة في تطوير مواد نانوية متقدمة لزيادة كفاءة شاشات العرض وأجهزة الإضاءة.
• شركة "NanoXplore" في كندا، تركِّز على إنتاج وتطوير الجرافين لأغراض متعدِّدة، ومن ذلك تحسين أداء المواد وعمليات التصنيع.
• شركة "TOMI Environmental Solutions" في الولايات المتحدة الأمريكية، تستثمر في استخدام تكنولوجيا النانو؛ لتنقية المياه، ومعالجة التلوُّث البيئي.
• شركة "Inovio Pharmaceuticals" في الولايات المتحدة الأمريكية، تستفيد من تكنولوجيا النانو؛ لتطوير لقاحات جديدة، وأنظمة توصيل الأدوية.
• شركة "Carbon Nanotube Technologies" في الولايات المتحدة الأمريكية، تعمل على تصنيع وتحسين أنابيب الكربون النانوية لاستخدامات متعددة في الإلكترونيات والمواد.
• شركة "Nanobiotix" في فرنسا، متخصِّصة في استخدام الجسيمات النانوية؛ لتوجيه العلاجات الإشعاعية للسرطان، وهذا يعزِّز فاعليَّة العلاج، ويقلِّل الآثار الجانبية.
• شركة "BenevolentAI" في المملكة المتحدة، تستثمر تكنولوجيا النانو في تطوير الأدوية، مع التركيز على تحسين الفاعليَّة، واستهداف الأمراض المستعصية.
• شركة "Silicon Biosystems" في إيطاليا، تركِّز على تطوير أدوات نانوية لتحليل البيانات البيولوجية والخلوية، وهذا يسهم في البحث الطبي والعلاج الشخصي.

في الختام

توضح أحدث تطوُّرات تكنولوجيا النانو كيف أصبح هذا المجال محرِّكاً رئيساً للتقدُّم العلمي والتكنولوجي في العصر الحديث، ويظهر بوضوح كيف تُعيد تكنولوجيا النانو تشكيل جوانب عديدة من حياتنا، من الابتكارات في الطب، إلى التقدُّم في مجال الطاقة والمواد، وتتيح هذه التطوُّرات تحسين جودة الحياة، وتعزيز القدرات التكنولوجية، وتقديم حلول مبتكرة لمشكلات معقَّدة، ويُتوقَّع أن تفتح تكنولوجيا النانو أفقاً واسعاً من الفرص والتحديات الجديدة مع استمرار البحث والتطوير.

يتطلَّب الاستمرار في استكشاف إمكانات هذا المجال شراكة بين العلماء والمهندسين والصنَّاع، إضافة إلى الالتزام بالمعايير الأخلاقية والمستدامة، ويبقى الأمل في المستقبل بأن نتمكَّن من تحقيق مزيد من الإنجازات التي لا تسهم فقط في تحسين تقنياتنا، ولكن أيضاً في تقديم فوائد ملموسة للمجتمع والبيئة، وتظلُّ تكنولوجيا النانو - بقدرتها على تغيير قواعد اللعبة - من أكثر المجالات إثارة في عالم الابتكار.