هذه بداية مقال أطول.
المحتوى: “

”

في اجتماع جمعية الفيزياء الأمريكية عام 1959 في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، ألقى الفيزيائي الحائز على جائزة نوبل ريتشارد فاينمان محاضرة بعنوان “هناك مساحة واسعة في القاع”، والتي افتتحت بسؤال بسيط: “لماذا لا يمكننا كتابة مجلدات موسوعة بريتانيكا الأربعة والعشرين كاملة على رأس دبوس؟” كان جوابه -نستطيع، إذا قمنا ببناء آلات قادرة على أداء مهام بحجم الجزيئات- في تلك المرحلة، أقرب إلى الخيال العلمي منه إلى العلم. ومع ذلك، تمكن فاينمان من إثارة خيال أقرانه، مما أدى إلى بدء تطوير مجال بحث جديد نعرفه الآن باسم تكنولوجيا النانو.

يمكن تعريف تقنية النانو اليوم بأنها عملية معالجة المادة على مقياس يتراوح بين 1 و 100 نانومتر. وبالنظر إلى أن رأس الدبوس العادي يبلغ قطره 235,000 نانومتر، فمن الآمن القول إن تقنية النانو قد حققت قفزات هائلة منذ صعود فاينمان على المسرح عام 1959. واليوم، تحدث بعض أكثر التطورات إثارة في هذا المجال في MIT.nano، وهو مرفق بحث متعدد التخصصات في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الذي فتح أبوابه لأول مرة في عام 2018.

“يقول برايان أنتوني، المدير المشارك في المختبر، لـ Freethink بعد حديثه في مؤتمر EmTech EmTech، وهو مؤتمر سنوي حول التقنيات الناشئة يُقام في حرم معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في كامبريدج: إن أحد التطورات الرئيسية التي حققناها هي القدرة على التصوير على المستوى دون الذري باستخدام المجاهر الإلكترونية”. ويشرح أن تقنية النانو لا تتعلق فقط بصنع الأدوات الموجودة أصغر حجمًا. وكما يمكن لأي فيزيائي كمي أن يخبرك، فإن طريقة تصرف المادة تختلف اختلافًا كبيرًا اعتمادًا على مدى اقتراب أو ابتعاد الراصد. وهذا يعني أنه من أجل تطوير، على سبيل المثال، جهاز قادر على توصيل الأدوية إلى خلايا فردية في أجسامنا، يجب علينا أولاً أن نفهم كيف تعمل الأشياء على هذا المقياس المجهري بالفعل.

بعد عقود من التقدم البطيء ولكن الثابت، بدأ البحث الذي يجري في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا للنانو يتسارع. يشرح أنتوني: “يمكننا الآن تجميد المادة في مكانها وملاحظة الظواهر على هذا المقياس، مثل حركة الذرات أو تشكل الخلع”. في هذه المقابلة، يُبدد المفاهيم الخاطئة الشائعة حول تكنولوجيا النانو وعلوم النانو، ويكشف عن المساهمات الضخمة التي قدمتها هذه المجالات الصغيرة بشكل مخادع للحضارة.

العالم مُبني على مقياس النانو، ولكن بما أننا كائنات على مقياس ضخم، فإننا نميل إلى التفكير على مقياس ضخم.

إنجازات كبيرة، تقنية صغيرة

إن مجال تكنولوجيا النانو، ومن المفارقات، أكبر بكثير مما يعتقده الناس. يقول أنتوني: “الإجابة المختصرة هي أن كلمة “نانو” تعني فقط “صغير”، ولكن للعمل على نطاق النانو، تحتاج أيضًا إلى أدوات تتحكم في البيئة على هذا النطاق: التأكد من نظافة الهواء، وتقليل عدد الجسيمات، والحد من الاهتزازات إلى الحد الأدنى.”

على المستويات الذرية وتحت الذرية، حتى أدنى التغيرات في درجة الحرارة أو الرطوبة يمكن أن تغير بشكل كبير القياسات المستخرجة من التجربة، ولهذا السبب تم تصميم مختبرات MIT.nano خصيصًا لمنح الباحثين أكبر قدر ممكن من التحكم في مرافقهم، مما يسمح لهم بتنظيم كل شيء من الرطوبة إلى ترشيح الهواء.

“لقد تم المبالغة في تقدير العديد من الأفكار أو إغفالها لأننا لم نمتلك طريقة مجدية اقتصاديًا لملاحظتها.”

برايان أنتوني

من المفاهيم الخاطئة الشائعة الأخرى حول تكنولوجيا النانو أنها تتعلق حصريًا بالجسيمات النانوية. يقول أنتوني: “في حين أن بعض أبحاث تكنولوجيا النانو تتضمن جسيمات نانوية، إلا أن هذا ليس ما يدور حوله MIT.nano بشكل أساسي. نحن نهتم بتوفير البنية التحتية لإجراء البحوث على نطاق النانو في مجموعة متنوعة من التخصصات”. ويؤكد أن أبحاث تكنولوجيا النانو لها تطبيقات كبيرة: “عندما تنظر إلى قوة المواد، فإن كل شيء مبني من نطاق النانو. العالم مُبني على نطاق النانو، لكن لأننا كائنات على نطاق ماكرو، فإننا نميل إلى التفكير على نطاق ماكرو. كل شيء من فولاذ دمشق إلى أشباه الموصلات يتضمن تكنولوجيا النانو.”

وينطبق الشيء نفسه على الفوتونيات (توليد الضوء والكشف عنه والتلاعب به). تتطلب مجموعة متنوعة من التقنيات الناشئة، من السيارات ذاتية القيادة إلى النظارات الذكية، أنظمة بصرية مصغرة يمكنها تحويل محيط المرء إلى بيانات قابلة للاستخدام. وفي جانب البحث والتطوير، يمكن أيضًا استخدام هذه الأنواع من الأنظمة لمراقبة ودراسة الجسيمات النانوية. يلاحظ أنتوني: “إذا نظرنا إلى تاريخ الموائع الدقيقة، أو سلوك السوائل التي تمر عبر القنوات الدقيقة، فقد تم تضخيم العديد من الأفكار أو إغفالها لأننا لم نمتلك طريقة مجدية اقتصاديًا لملاحظتها”.

لحسن الحظ، لم يعد هذا هو الحال. فبفضل التطورات في علم الفوتونيات المتكاملة، أصبح لدى الباحثين الآن الوسائل لقياس حجم العديد من الجسيمات، بل وتركيبها الكيميائي أيضًا. ووفقًا لأنتوني، فإن التحدي القادم ليس تحسين تعقيد أجهزة الاستشعار نفسها، بل إيجاد طريقة للجسيمات منخفضة التركيز للتلامس مع تلك الأجهزة الاستشعار.

من أبرز التطورات في تقنية النانو خلال السنوات الخمس إلى العشر القادمة، إنشاء معهد أشباه الموصلات الرقمية التوأم [[LINK14]]، والذي سيمكن مصنعي الرقائق الدقيقة من تطوير واختبار المنتجات افتراضياً قبل دخولها مرحلة الإنتاج. ويهدف المعهد، الذي يحظى بتمويل كبير من الحكومة الفيدرالية، إلى تعزيز صناعة الرقائق الدقيقة المحلية في الولايات المتحدة، فضلاً عن تعزيز الابتكار في مجالات أخرى مثل التكنولوجيا الحيوية، حيث سيتمكن الباحثون من إجراء اختبارات افتراضية على نطاق النانو قبل الالتزام بالتجارب العملية الواقعية.

العقبات الأكبر

إنّ أحد أكبر العقبات في أبحاث تكنولوجيا النانو المعاصرة هو – كما هو متوقع – التحدي المزدوج المتمثل في صنع أجهزة أصغر و أكثر تطوراً. يقول أنتوني: “تقليدياً، تمكّنا من تصغير الأجهزة وربطها على لوحات الدوائر. الآن، نحتاج إلى وضع وصلات كهربائية، وبصرية، وسوائل – كل ذلك ضمن حزمة واحدة.”

لحسن الحظ، تتزايد التمويلات المخصصة لهذا النوع من البحوث – ويرجع ذلك جزئيًا إلى الصراع الجيوسياسي. فلعقود من الزمن، كان المركز العالمي لتصنيع الرقائق الدقيقة، وهو جزء أساسي من صناعة النانو تكنولوجيا، متمركزًا في تايوان، وهي جزيرة – وفقًا للزعيم الصيني شي جين بينغ – من المقرر أن تعود إلى الصين، بالقوة إن لزم الأمر، مع البر الرئيسي للصين. ومع تدهور العلاقات الدبلوماسية بين تايبيه وبكين، بدأت الولايات المتحدة – الحليف الرئيسي وتايوان وشريكها التجاري – في الترويج لمبادرات لإعادة تطوير وتصنيع الرقائق الدقيقة، مما يتطلب بدوره تمويلًا لبحوث النانو تكنولوجيا.

“كثيرا ما تُخفى تقنية النانو خلف الجدران، في المختبرات أو مصانع أشباه الموصلات… نحاول إدخال الطلاب إلى مصنع أشباه الموصلات خلال سنتهم الدراسية الأولى.”

برايان أنتوني

بحسب أنتوني، فإن التشريعات مثل قانون رقائق أشباه الموصلات – وهو مشروع قانون من عام 2022 يوفر حوافز اقتصادية incentives لمنتجي الرقائق الدقيقة – قد سرعت بشكل كبير من حجم التمويل المتاح لتقنيات المقياس الصغير والنانوي، حتى لو كانت الدولارات الاتحادية جزءًا صغيرًا من إجمالي الاستثمار.

ومن أهم العقبات التي تواجه تطوير تقنية النانو والتي تستحق الدراسة، توافر الكفاءات، وتحديدًا الطلاب. ففي معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، ازداد عدد الطلاب الذين يدرسون تقنية النانو سنويًا – وهي ظاهرة يعزوها أنتوني جزئيًا إلى انخفاض الاهتمام بتقنية المعلومات الكبرى وبرمجة الحاسوب. ويقول: “في الماضي، عندما كانت شركات مثل جوجل وأمازون توظف مبرمجين بمرتبات عالية، كان من السهل الانجراف نحو هذا المسار. أما في المستقبل، فقد تتسبب أدوات مثل الذكاء الاصطناعي في حدوث تحول. وقد يصبح برنامج ChatGPT على وجه الخصوص تطبيقًا قاتلًا للبرمجة، يساعد غير المبرمجين على كتابة الشيفرات البرمجية. وبالرغم من أنه لا يزال يحتاج إلى تصحيح الأخطاء، إلا أنه يمكن أن يحسن كفاءة البرمجة بشكل كبير، مما قد يقلل من الطلب على المبرمجين البشر”.

ونتيجة لذلك، “قد يبدأ الناس في البحث عن سبل أخرى يمكن تطبيق المهارات العملية فيها. وقد يكون التصنيع – سواء على نطاق النانو أو النطاق الكلي – مسارًا طبيعيًا لذلك.” ويضيف أنه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، لا يظهر الطلاب مستويات أعلى من الاهتمام بتكنولوجيا النانو فحسب، بل أيضًا في العلوم الفيزيائية، والتي تتطلب أيضًا عملًا عمليًا لا يمكن للذكاء الاصطناعي – في الوقت الحالي – استبداله.

إن الاستثمار في برامج نانو تكنولوجي تمهيدية للمدارس الثانوية قد يؤدي إلى زيادة الالتحاق بالجامعات أكثر من ذلك. ففي حين أن العديد من المدارس الثانوية تقدم دورات أو برامج ما بعد المدرسة تُعرّف طلابها بمجموعة كبيرة من التخصصات العلمية، بما في ذلك الهندسة وعلوم الكمبيوتر، إلا أن تكنولوجيا النانو تتطلب معدات وبرمجة لا تستطيع المدرسة الثانوية العادية تحمل تكلفتها.

ونتيجة لذلك، يستنتج أنتوني أن “تكنولوجيا النانو غالباً ما تكون مخفية خلف الجدران، في المختبرات أو المصانع، لذلك فهي ليست شيئاً يراه أو يلمسه معظم طلاب المدارس الثانوية”. ولهذا السبب، في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، “نحاول إدخال الطلاب إلى المصنع خلال سنتهم الأولى، حتى يكون لديهم المزيد من الوقت للاستكشاف والقرار بشأن ما إذا كان هذا هو ما يريدون متابعته”. وقد صُمّم مبنى MIT.nano مع مراعاة ذلك، حيث تسمح النوافذ الكبيرة للطلاب برؤية ما يجري في الداخل، مما يثير فضولهم بنفس الطريقة التي أثار بها فاينمان زملاءه.

هذا القسم الأخير من مقال أطول.

نُشر هذا المقال [[LINK18]]في الأصل بواسطة موقعنا الشقيق، فريثينك.