أخبار عاجلة

أ.د عبد السلام المحمدي يكتب : النانوتكنولوجي و أفق التطور المستقبلي

بقلم : أ.د عبد السلام المحمدي 

 

  المقدمة

كلمة «نانو» مشتقة من لفظة «نانوس» الإغريقية، ومعناهـا: القزم، وبالتـالي فعلم النانو، بداية، يهتم بالمقاسـات الصغيـرة للمواد والتي تسمى بالمواد النانومترية ( (Nanomaterial’s هذا من الناحية اللغوية والتاريخية ، اما من الناحية العلمية

فان مصطلح نانو يعني جزء من المليار ؛ فالنانومتر هو واحد على المليار من المتر(m 10-9 ) ولكي نتخيل صغر النانو متر نذكر ما يلي ؛ تبلغ سماكة الشعرة الواحدة للإنسان 50 ميكرومترا أي 50000 نانو متر, وأصغر الأشياء التي يمكن للإنسان رؤيتها بالعين المجردة يبلغ عرضها حوالي  10000نانو متر، وعندما تصطف عشر ذرات من الهيدروجين فإن طولها يبلغ نانو مترا واحدا فيا له من شيء دقيق للغاية.   والعلم الذي يتعامل مهذه المواد ودراسة خصائصها هو علم النانو(Nanoscince) اما تطبيق هذه العلوم وهندستها لانتاج مخترعات مفيدة فهو تقنية النانو (Nanotechnology) والذي يتعامل مع المواد ذات الابعاد التي لاتتجاوز 100 نانومتر.

 

شكل  (1) يبين مخطط توضيحي لماتعنيه كلمة نانو

 

 

الشيءالفريد في مقياس النانو أو الـ”Nano Scale” هو أن معظم الخصائص الأساسية للمواد والآلات كالتوصيلية الحرارية أو الكهربائية، والصلابة ونقطة الانصهار والخواص الفيزيائية , تعتمد على الحجم (size dependent) بشكل لا مثيل له في أي مقياس آخر أكبر من النانو، فعلى سبيل المثال السلك أو الموصل النانوي الحجم لا يتبع بالضرورة قانون أوم الذي تربط معادلته التيار والجهد والمقاومة، فهو يعتمد على مبدأ تدفق الالكترونات في السلك كما تتدفق المياه في النهر ؛ فالإلكترونات لا تستطيع المرور عبر سلك يبلغ عرضه ذرة واحدة بأن تمر عبره إلكترونا بعد الآخر.  , وكذلك فان لون المواد يتغيرفالذهب بحجم النانو سيكون مائلا للاحمر على غير الطبيعي الذي يكون اصفر  وقد يكون مسحوف الكربون النانوي فائق التوصيل للكهربائية (super conductive ) على عكس الكريون قي حالته الطبيعية . إ ن أخذ مقياس الحجم بالاعتبار بالإضافة إلى المبادئ الأساسية للكيمياء والفيزياء والكهرباء هو المفتاح إلى فهم علم النانو الواسع .

ولذا فعلينا أن نتعرف على الفوائد المكتسبة والآثار السلبية لهذه الثورة التكنولوجية الجديدة والتغييرات التي ستحدثها بحياتنا لنجني ثمارها ونتجنب أو نقلل مضارها ولنكون على يقين من أنها لن تسمنا في الوقت ذاته.

فقي مجال الطب والصيدلة دخل النانوتكنولوجي بقوة  بدءا من تشخيص الحالات المرضية والاورام (  Diagnosis )  واستخدام المواد النانومترية في في ايصال المواد المخدرة (delivery  Drug)  لتحقيق التخدير الموضعي وتجنب التخدير العام  اضافة الى ان استخدام هندسة الجزيئات التى تستعمل بهذه الطريقة تسمح بالكشف او معالجة الامراض او الاصابات ضمن الخلايا الموجهة فيمكن بهذه الطريقة استخدامNano-robots) ) لجعل الاصلاحات بشكل ادق وعلى المستوى الخلوى. واستخدمت تقنية النانو في علاج الكسور باستخدام مواد مصنعة خفيفة الوزن وتتميز بانها اكثر قوة وقابلية لتحمل اوزان تفوق مثيلاتها المصنعة بالطرق الطبيعية من نفس المواد بعشرات المرات ان لم نقل مئات واستخدمت  مواد اخرى في تصنيع حشوات الاسنان  كما استخدمت مواد مثل nano-crystalline silver  كمادة مضادة للميكروب (مطهرة) فى الجروح  اما في مجال مراهم التجميل فقد استخدمت مواد نانومترية فى صنع بعض المراهم للوقاية من اشعة الشمس فوق البنفسجيةUV) ) حيث انها تحجب الاشعة كلها وفى نفس الوقت يبقى المرهم شفافا .

 

شكل(2 )  يمثل العلاقة بين حجم الجزيئة والخواص البصرية لبعض المواد


واستخدمت تقنية النانو في تصنيع  ادوية وفعلا بدأت الصين بغزو الاسواق من هذه المنتجات اما ميزتها عن الادوية المصنعة بالطرق التقليدية فهي ان  امتصاص الجسم لها سيكون سريعا جدا وبهذا يمكن تقليل الجرع المعطاة للمرضى اضافة الى تقليل الوقت والمال ، والتجارب لازالت قائمة ومستمرة لاثبات نجاحها في معالجة الامراض السرطانية وقد استخدمت دقائق الذهب (Nano gold )  وكذلك دقائق الماس والكربون واخيرا استخدمت مواد مغناطيسية كالحديد ( Nano magnetic materials)  واعتقد بانها الافضل نظرا لان الحديد ليس له تاثير جانبي قوي على الجسم كونه يدخل في تركيب الدم  .ويتوقع المراقبون ان تؤدي هذه التكنولوجيا الجديدة إلى ثورة غير مسبوقة للتصدي للكائنات الدقيقة بانتاج مضادات حيوية (Antibiotics ) وهو البديل الجديد للأنتبيوتيك وتعتمد على اختراق الثقب الميكانيكي للخلايا الممرضة (الجراثيم أو الفيروسات ) وهذه المضادات يمكن لها ان تتجمع على هيئة أنابيب نانوتوب
( Nanotubes) أو دبابيس نانوية متناهية في الصغر. فعند دخول ملايين من هذه الأنابيب اللزجة داخل الجذر الهلامي للبكتريا فإنها تنجذب كيميائياً إلى بعضها البعض ، و تجمع نفسها إلى أنابيب طويلة متنامية ومتجمعة ذاتياً تقوم بثقب الغشاء الخلوي ، وتعمل مجموعات الأنابيب المتجاورة هذه على فتح مسام أكبر في جدار الخلية البكتيرية ، وخلال دقائق معدودة تموت الخلية البكتيرية نتيجة لتشتيت الجهد الكهربائي الخارجي لغشائها, وهذا ما ينهي حياة الخلية عملياً .
وقد أظهرت هذه التقنية نجاحاً ملحوظاً في القضاء على كل من الجراثيم العنقودية الذهبية و عصيات القيح الأزرق وغيرها الكثير .

     ويتوقع العلماء أن تنجح هذه التقنية النانوية في القضاء على الفطريات أيضاًعلما ان هذه المضادات النانوية  تختلف تماما عن المضادات العادية وهذا ما يجعل من الصعب  للكائنات الحية ان تطور ممانعة ذاتية ضدها .. ويتوقع أن تبدأ مثل هذه التجارب السريرية على البشر بعد حوالي 2 – 3 سنوات من الآن باذن الله.
أما تطبيقات النانو تكنولوجي الأخرى فهي كثيرة و واسعة جدا وسنأخذها بشي من الاختصار لان حصرها يبدو صعبا جدا
ففى مجال الاغذية تم تطبيقها على بعض صناعات الاغذية سواء حفظها او تعليبها كما انها تقلل من مخاطر البكتريا الضارة على الصحة عن طريق قتل البكتريا من صناديق الحفظ . و تشمل فوائد تقنية النانو تحسين أساليب التصنيع، ، وشبكات الطاقة، ، وتحسين طرق إنتاج الأغذية والتغذية على نطاق واسع والبنية التحتية لصناعة السيارات. المنتجات المصنوعة مع تقنية النانو قد تتطلب العمل قليلا، والأرض، أو الصيانة، وتكون ذات إنتاجية عالية، وانخفاض في التكلفة، ولها متطلبات متواضعة للمواد ودخلت المواد النانومترية في صناعة الخلايا الشمسية وتحسين خواصها وكذلك في مجال الالكترونيات .

التطبيقات في مجال الزراعة :

في عالم الزراعة، يعد النانو بثورة كبرى على صعيد إستصلاح الأراضي، وزيادة خصوبة التربة ما يضاعف من إنتاج المحاصيل وبأقل مدة زمنية ممكنة، كمثل إيجاد ثلاثة مواسم لإنتاج القمح في السنة الواحدة. كما بات بالإمكان من خلال هذا العلم المعجزة معالجة مياه الشرب وتنقيتها باستخدام فلاتر نانوية،. ومن خلال تقنية النانو أيضاً، صار بإمكان العلماء استخدامها في الفضاء بانتاج اجهزة وكامرات رقمية صغيرة وتتحمل كل الظروف المحيطة لكشف وسبر اغوار المحيط الكوني وتمكن العلماء من استخدام تطبيقات تكنولوجيا النانو في مجال المنسوجات لإنتاج أقمشة مضادة للجراثيم والفطريات، وجعل الأقمشة القطنية والصوفية غير قابلة للبلل فضلا عن إكساب هذه الأقمشة القدرة على مقاومة الحرائق وكذلك إنتاج ملابس أكثر راحة للعمال .

شكل(3)   جزيئة نانو كاربون

 

 

 

وتقسم التطبيقات في مجال الزراعية الى تطبيقات مباشرة واخرى غير مباشرة .

ومن اهم التطبيقات المباشرة :

اولا-المبيدات النانوية nanopesticides 

تعرف المبيدات النانوية بأنها اي مستحضر يتكون من مكونات بحجم النانومتر حيث ان خواص هذاالمستحضر مرتبطة بهذا المدى من الحجوم ، وتتكون المبيدات النانوية  من مواد فعالة عضوية مثل البوليمرات ومواد غير عضوية مثل اكاسيد المعادن في اشكال مختلفة من  الجسيمات او الجزيئات .

تعد التقانة النانوية من الطرائق الواعدة في مكافحة إمراض النبات المختلفة وقد استعملت المواد النانوية  كمؤشرات بيولوجية  للكشف عن المسببات الممرضة من فطريات وبكتريا فضلا عن دورها في مكافحة مسببات الإمراض النباتية المختلفة  ويمكن ذكر بعض الأمثلة في هذا الجانب:

  • استعمال جسيمات بعض المركبات النانوية في الكشف عن البكتريا  المسببة لمرض التبقع البكتيري
  • استعمال جسيمات الذهب النانوية AuNPs في الكشف عن امراض الحنطة المتسببة من بعض انواع الفطر
  • وجد ان استعمال جسيمات الفضة النانوية بتركيز معين كان فعالا في مكافحة مرض البياض الدقيقي المتسبب من بعض انواع الفطر   الذي يصيب نباتات الزينة ومنها الروز في البيوت المحمية
  • ادى استعمال جسيمات الزنك النانوية الى منع نمو وتكوين الحوامل الكونيدية والكونيديا للفطريات ووجد ان nano ZnO فعال جدا كقاتل لاكثر انواع البكتريا .
  • اســتخدام جزيئــات الفضــة النانويــة AgNPs للقضــاء علــى الأمراض التــي تســببها الفطريــات كالتعفنــات فــي محاصيــل الخضــر المختلفــة، واســتطاعت تلــك المركبــات اختـراق جـدر الخلايا الفطريـة المسببة لللامراض النباتيــة، كمــا نجحــت فــي تقليــل نمــو الكونيــدات وتثبيــط نمو الميكروبي .

ثانيا -الزراعة الدقيقة

الغرض من الزراعة الدقيقة هو زيادة المخرجات وتقليل المدخلات (الأسمدة والمبيدات الحشرية والنباتية) من خلال مراقبة المتغيرات المناخية واتخاذ بعض لإجراءات المستهدفة وتستخدم فيها أجهزة الإحساس والمراقبة النانوية حيث توزع في الحقول الزراعية وتراقب حالات التربة، الأسمدة، الكيماويات، الآفات، الملوثات واستخدام المياه وتقيس حالة المناخ لمعرفة إن كانت المحاصيل تنمو بأكبر كفاءة وتحدد طبيعة ومكان (  GPS )  المحلي وُتربط بنظام المشكلة ثم يتم معالجتها . كل هذا سيؤدي إلى إنتاج زراعي كبير بتكلفة قليلة ويؤدي إلى تقليل الفضلات الزراعية وتلوث البيئة..

 

ثالثا-أنظمة التوصيل الذكية   Smart delivery systems

استخدام أجهزة نانوية بخواص متميزة لجعل الأنظمة الزراعية تتسم بالذكاء ويصبح معها من الممكن استخدام أجهزة تبين حالة النباتات الصحية والأمراض المحتملة قبل أن تظهر للفلاح . وهي أجهزة تعمل كواقية ومحذرة، ومن الممكن استخدامها أيضًا لتوصيل الكيماويات العلاجية بشكل متحكم فيه وموجه بنفس الطريقة المستخدمة في الطب النانوية في توصيل الأدوية للإنسان. وكذلك فإن التطورات في الطب النانوية قد بدأت في معالجة أمراض مختلفة مثل السرطان في الحيوانات، والتوصيل الموجه للأدوية. العلماء يعملون على إنتاج أنظمة نانوية لتوصيل الأسمدة والمبيدات الحشرية بطريقة تستطيع أن تتفاعل فيها مع التغيرات المناخية، والهدف أن تعمل هذه الأنظمة لتوصيل حمولتها بطريقة متحكم فيها (بسرعة أو ببطء) بالتفاعل مع إشارات مختلفة مثل الحرارة، الرطوبة وغيرها . والبحوث الجديدة في هذا المجال تهدف إلى جعل النباتات تستخدم الماء، المبيدات والأسمدة بشكل أكثر كفاءة لتقليل التلوث وجعل الزراعة صديقة للبيئة

رابعا – التغليف وأمن الغذاء  

تطوير التغليف الذكي للمنتجات من اجل المحافظة على جودة وسلامة الأطعمة وحفظها بشكل يجعلها طازجة. تقنية النانو تعمل على تحسين خواص مواد التغليف من الناحية الميكانيكية والكيماوية وجعلها قوية ومقاومة للحرارة وظروف البيئة, وتعمل على تطوير أسطح نشطة مضادة للميكروبات والفطريات وتحس بأي تغييرات بيولوجية أو كيماوية. وهناك مجموعة من الشركات والمؤسسات تطور أنظمة تغليف ذكية مثل تلك التي تستعمل أجهزة أحساس تتأثر بالغازات وتغير لونها عند فساد الغذاء وخروج الغازات منه، وأخرى تستخدم مواد نانوية تقلل دخول الأكسجين وتحافظ على رطوبة المنتج. وهناك أجهزة أحساس للكشف عن تلوث المنتجات الغذائية في نفس الوقت، وأخرى للكشف عن تواجد المبيدات في الفواكه والخضروات وغيرها من الأجهزة والأنظمة النانوية التي تساعد على أمن وسلامة الأغذية.

خامسا -الاسمدة النانوية Nano fertilizer

ظهرت فى السنوات الاخيرة الكثير من الدراسات والأبحاث التى تناولت إدخال تقنية فى  النانو فى مجال تصنيع الاسمدة النانوية لما لها من مواصفات وميزات تجعلها البديل الافضل عن الاسمدة التقليدية . حيث ان استخدام الاسمدة التقليدية يزيد

نسب التلوث بالمتبقيات فى الحاصلات الزراعية المختلفة وما يترتب عليه من تاثيرات صحية خطيرة وبالتالي خسائر اقتصادية هائلة . كان لابد من اللجوء لطرق مختلفة لتلافى ذلك, وتعظيم العائد من العملية الزراعية, وعليه تم اللجوء لاستخدام مركبات النانوالمختلفة على نطاق تجارى فى العقود الاخيرة للتغلب على هذه المشكلات. حيث ان تقليل حجم الحبيبات المستخدمة سيؤدي الى زيادة معامل الامتصاص بشكل كبير وبهذا فانها تمتص بسرعة اضافة الى ان مايسقط على التربة فانه يمتص وبهذا نقلل التاثير السلبي الذي يحصل باستخدام الاسمدة التقليدية .

وهناك العديد من الدراسات الواعدة عن إستخدام تقنية النانو فى تسميد النباتات لتقليل كميات الأسمدة المضافة للتربة, وتقليل تلوثها بمتبقيات الأسمدة والمبيدات, والحفاظ على البيئة,. حيث يؤدى استخدام التطبيقات النانوية فى العملية الزراعية لتحسين إنتاج الغذاء بالكامل بداية من بدء عملية الإنتاج وانتهاءا بالتعبئة، كما أن لها تأثيرا كبيرا في زيادة الكفاءة الإنتاجية للمساحة المزروعة.

ان استخدام الاسمدة النانوية له جوانب ايجابية كثيرة منها ان الكميات المستخدمة قلية جدا وتمتاز بسرعة امتصاص وبهذا سنقلل التاثيرات السلبية اضافة ان استخدامها على الجزء الخضري فان الاستفادة تكون اسرع ومايسقط منها على الارض قليل جدا وسيمتص خلال الجذور , بعبارة اخرى فمن الناحية الاقتصادية فان الاسمدة النانوية تحقق تقليل في الانفاق كبير جدا , ومن ناحية اخرى فانها لاتحتاد الى مساحات كبيرة للخزن وبهذا نقلل الايدي العاملة ايضا . كما ان الاسمدة النانوية تقلل التلوث البيئي ومن جهة اخرى فبالمقارنة بين مصانع الاسمدة التقليدية والنانوية فان تقنية تصنيع الاسمدة النانوية اقل كلفة وليس في مصانعها ضررا بيئيا كبيرا مقارنة بمصانع الاسمدة التقليدية .

 

 

أما التطبيقات غير المباشرة في مجال الزراعة فهي :

  • معالجة مياه الصرف الصحي لاعادة استخدامها في الزراعة
  • تحلية مياة الابار والبحار لغرض الاستخدام الزراعي .
  • استخدام تقنية النانو في مجال تحسين كفاءة الطاقة والطاقة البديلة يقلل الكلفة في المجال الزراعي وخاصة في مجال الخلايا الشمسية وطاقة الرياح
  • استخدام بعض انواع المركبات النانوية كمصائد مياه لتوفير كميات ولو بسيطة للاستخدام الزراعي .
  • التطوير الحاصل بالمجال الصناعي سيكون له تاثير ايجابي في القطاع الزراعي .

 

 

المصادر :

1- Mochalin ،Vadym N.؛ Shenderova ،Olga؛ Ho ،Dean؛ Gogotsi ،Yury (2012-01-01). “The

properties and applications of nanodiamonds”. Nature Nanotechnology (11–23. doi:10.1038/nnano.2011.209. ISSN 1748-3387

2- 4th Nanoforum Report: Benefits, Risks, Ethical, Legal and Social Aspects of Nanotech- nology, june 2004. P.50.

3- Down on the Farm: The impact of Nanoscale Technologies on Food & Agriculture, ETC Group, Ottawa, November, 2004. Philip Anton; Richard Silbirglitt and James

4– Schneider, The Global Technology Revolu- tion, RAND NationalDefence Research insti-tute, Santa Monica, 2001, P.xvii.

5- Borm PJA, 2003. Toxicology of ultrafine particles. Rapport d’un atelier du BIA sur « ultrafine aerosols at workplaces ». BIA Report, Berufsgenossenschaftlich

es Institut für Arbeitsschutz, Germany, p 41-92

6–Borm PJA, 2005. Hazards and risks of nanomaterials: a look forward. Compte-rendu du   First International Symposium on Occupational Health Implications of Nanomaterials, 12 to 14 october 2004, Buxton, Great-Britain, Edited

by the Health and Safety Executive, Great-Britain and the National Institute for Occupational Safety and Health, USA, July 2005, p 65-71.

http://www.hsl.gov.uk/capabilities/nanosymrep_final.pdf

7- Kolosnjaj J, Szwarc H, Moussa F (2007). “Toxicity studies of carbon nanotubes”. Adv Exp Med Biol. 620: 181–204. doi:10.1007/978-0-387-76713-0_14. PMID 18217344.

8- Porter ،Alexandra؛ Gass ،Mhairi؛ Muller ،Karin؛ Skepper ،Jeremy N.؛ Midgley ،Paul A.؛ Welland ،Mark (2007). “Direct imaging of single-walled carbon nanotubes in cells”. Nature Nanotechnology. 2 (11): 713. doi:10.1038/nnano.2007.347. PMID 18654411.

9- Zumwalde, Ralph and Laura Hodson (March 2009). “Approaches to Safe Nanotechnology: Managing the Health and Safety Concerns Associated with Engineered Nanomaterials”. National Institute for Occupational Safety and Health. NIOSH (DHHS) Publication 2009-125.

10- Lam CW, James JT, McCluskey R, Arepalli S, Hunter RL (2006). “A review of carbon nanotube toxicity and assessment of potential occupational and environmental health risks”. Crit Rev Toxicol. 36 (3): 189–217. doi:10.1080/10408440600570233. PMID 16686422.

11- Poland ،CA؛ Duffin ،Rodger؛ Kinloch ،Ian؛ مايو nard ،Andrew؛ Wallace ،William A. H.؛

Seaton ،Anthony؛ Stone ،Vicki؛ Brown ،Simon؛ MacNee ،William (2008). “Carbon

nanotubes introduced into the abdominal cavity of mice show asbestos-like pathogenicity in a pilot study.”. Nature Nanotechnology. 3 (7): 423. doi:10.1038/nnano.2008.111. PMID 18654567

12- Bordes, Perrine, Eric Pollet, and Luc Avérous. 2009. Nano-biocomposites: Biodegradable polyester/nanoclay systems. Progress in Polymer Science 34 (2):125-155. doi: 10.1016/j.progpolymsci.2008.10.002.

 

13- Bouwmeester, H., S. Dekkers, M. Noordam, W. Hagens, A. Bulder, C. de Heer, S. ten Voorde, S. Wijnhoven, and A. Sips. 2007. Health impact of nanotechnologies in food production. Wageningen UR: Institute of Food Safety, and National Institute of Public Health & the Environment; Center for Substances and Integrated Risk Assessment.

14- Busch, Lawrence. 2008. Nanotechnologies, food, and agriculture: next big thing or flash in the pan? Agriculture and Human Values 25 (2):215-218. doi: 10.1007/s10460-008-9119-z.

 

16- Chaudhry, Qasim, Michael Scotter, James Blackburn, Bryony Ross, Alistair Boxall, Laurence Castle, Robert Aitken, and Richard Watkins. 2008. Applications and implications of nanotechnologies for the food sector. Food Additives & Contaminants: 25 (3):241-258. doi: 10.1080/02652030701744538.

.                 17- M. Rai and A. Ingle, “Role of nanotechnology in agriculture with special reference to management of insect pests,” Appl. Microbiol. Biotechnol., vol. 94, no. 2, pp. 287–293, Apr. 2012.

18- S. Viswanathan, H. Radecka, and J. Radecki, “Electrochemical biosensor for pesticides based on acetylcholinesterase immobilized on polyaniline deposited on vertically assembled carbon nanotubes wrapped with ssDNA,” Biosens. Bioelectron., vol. 24, no. 9, pp. 2772– 2777, May 2009.

 

19-D. Pimentel and M. Burgess, “Environmental and Economic Benefits of Reducing Pesticide Use,” in Integrated Pest Management, D. Pimentel and R. Peshin, Eds. Dordrecht: Springer Netherlands, 2014, pp. 127– 139.

20- Prasanna B.M. (2007). Nanotechnology in Agriculture. Available online at http://www.iasri.res.in/design/ebook/EBADAT/ 6-Other%20Useful%20 Techniques/10- nanotech_in_Agriculture__BM_Prasanna__1. 2.2007.pdf.

 

21- Jones Nicole, Binata R, Koodali T Ranjit and Adhar C M (2008), “Antibacterial Activity of ZnO

Nanoparticle Suspensions on a Broad Spectrum of Microorganisms”, Fems

Microbiology Letters, Vol. 279, No. 1, pp. 71-76.

 

 

اترك تعليق

عن الفلاح

الفلاح

شاهد أيضاً

أ.د/ على بحبو يكتب :معاملات اللبن الحفظية

بقلم أ.د/على بحبو  عندما يصل اللبن إلى المصنع فإنه يحتوى على عدد كبير جداً من …

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

%d مدونون معجبون بهذه: