نوبل لتقنيات النانو.. بُعد جديد للجدول الدوري

قبل أن نعرف ما الذي اكتشفه العلماء في عالم النانو، فلنبدأ أولًا من اسمه، كلمة "نانو" في الأصل هي بادئة تعني واحدًا على المليار، فهي طريقة للقياس إذًا، أما عالم النانو فهو العالم الذي تكون فيه الأشياء متناهية الصِّغر لدرجة أن وحدات القياس العادية تصبح غير صالحة للاستخدام، فنستعين بقياسات النانو، فلو أننا وضعنا ثلاث ذرات من الذهب في صف واحد، سيكون طولها نانومترًا واحدًا، هذا هو العالم الذي نتحدث عنه الآن، وهذه هي مساحاته.

العلماء الثلاثة، وهم "منجي الباوندي" (فرنسي المولد تونسي الأصل) من معهد ماساتشوستس للعلوم والتكنولوجيا، و"لويس بروس" الأمريكي الذي يعمل في جامعة كولومبيا، و"أليكسي إكيموف" المولود في روسيا، يعملون في الولايات المتحدة في مجال الجسيمات النانوية، ونالوا الجائزة تحديدًا لاكتشافهم ما نطلق عليه "النقاط الكميّة" وتخليقها.

و"النقاط الكميّة" هي أشباه موصلات مصنوعة من جزيئات مضغوطة في مساحة صغيرة للغاية، لدرجة لم تعد فيها الإلكترونات قادرةً على الحركة.

تطبيقات هائلة من عالم متناهي الصغر

تعتمد حياتنا المعاصرة اعتمادًا كاملًا على أشباه الموصلات، هذه هي الأشياء التي تجعل من عالمنا ما هو عليه، والتي تتيح لنا استخدام الشاشات، والهواتف المحمولة، ومصادر الطاقة، وأنظمة الجي بي إس، وشاشات التلفاز الذكية، وهي في النهاية، وبدرجة كبيرة من التبسيط، كريستالات.

النقاط الكمّية التي استطاع الباحثون تصنيعها هي كريستالات أيضًا، لكنها تمتاز عن الكريستالات التقليدية بكونها أصغر حجمًا بكثير من ناحية المستوى الجزيئي الذي نتحدث عنه من البداية، ووفق تعبير اللجنة المانحة لجائزة نوبل، فإن "هذا الفارق في الحجم بين الكريستالات التقليدية وكريستالات النقاط الكمّية هو ذاته الفارق بين حجم كرة قدم وحجم كوكب الأرض".

أتاحت لنا هذه النقاط الكمِّيَّة إجراء تعديلات نوعية على أضواء الليد، واسعة الانتشار حاليًّا في عالم الشاشات الذكية، وبالتالي زيادة دقة شاشات التلفزيون وتحسينها بفارق كبير عن التقنيات السابقة، وأتاحت لنا كذلك إدخال تعديلات جوهرية في أدوات الفحوصات الطبية.

ووفق رؤية البعض، فإن "منح الجائزة هذا العام لتطبيق كهذا هو تشجيع على الاستثمار في هذه المساحة؛ إذ يعني أن هناك فرصةً ذهبيةً أمامنا لدفع تقنيات الأجهزة الإلكترونية والخلايا الشمسية وغيرها إلى الأمام، بصورة لم نشهدها من قبل".

أصل الحكاية.. والثنائي "إكيموف" و"بروس"

تبدأ الحكاية في ثمانينيات القرن الماضي، حين استطاع "إكيموف" و"بروس" -كل واحدٍ منهما بمعزل عن الآخر- أن يُصنّعا النقاط الكمّية، لكن الأمر احتاج إلى عدة سنوات أخرى حتى أمكننا الوصول إلى درجة من الدقة تسمح لنا باستخدام هذه المواد في الصناعات التكنولوجية، وهو ما حدث على يد "الباوندي"، الذي توصّل إلى طريقة كيميائية تسمح لنا بالتحكّم في سطح هذه النقاط الكمّية وحجمها.

في الكيمياء، تتحدد خواص مادةٍ ما -في العادة- بناءً على تركيبها الكيميائي، لكن في عالم النانو متناهي الصغر، تختلف الأمور كثيرًا؛ فخواص مادةٍ ما هناك تصبح معتمدةً على حجمها، بل يؤثر الحجم على لونها كذلك، ويتجاوزه إلى غيره من الخصائص.

تلك الفكرة كانت حاضرةً من الناحية النظرية فحسب، حتى قدم "إكيموف" تجارب شديدة الأهمية بينما كان يدرس الزجاج الملوّن.

لاحظ "إكيموف" أن ألوان الزجاج تتباين حين صبغها بمادة كلوريدات النحاس بناءً على درجة التسخين وفترته، لفتت هذه الظاهرة انتباهه لفترة طويلة، ثم قرر أن يتتبَّع ذلك الأمر عبر استخدام الأشعة السينية، التي كشفت له أن عملية التصنيع نفسها تؤثر على حجم كريستالات ضئيلة من كلوريدات النحاس تتكوّن داخل الزجاج ذاته، ما يعني باختصار شديد أن "الخصائص الضوئية -أي اللون- تعتمد على الحجم".

 نشر "إكيموف" نتائجه في مجلة (JETP)، وهي إحدى أشهر المجلات العلمية في عهد الاتحاد السوفيتي، ولأسباب سياسية بالأساس، لم تلق هذه الأفكار أي انتشار في الوسط العلمي.

وبالطريقة نفسها تقريبًا، ولكن عبر مسار مختلف، استطاع "بروس" في الولايات المتحدة الوصول إلى نتيجة مشابهة، موضحًا أن "الخواص البصرية التي تُظهرها الجزيئات تتغيّر -على ما يبدو- اعتمادًا على حجمها، وأن ذلك يحدث نتيجة تأثير كمّي يعتمد على الحجم بشكل أساسي".

وبالتدريج.. تكتسب هذه الفكرة زخمًا، وتبدأ الفكرة في التبلور.

"الباوندي".. وتعديلات ثورية

هنا يأتي دور "الباوندي"، الذي أدخل عدة تعديلات ثورية على الطرق التي تُصنّع بها النقاط الكمّية، بمزج تقنيات عضوية وعضوية معدنية معًا، لإنتاج جزيئات من شبه الموصلات يمكن التحكم في حجمها، وبالتالي تحديد الخصائص التي تُظهرها.

أدت تعديلات "الباوندي" الثورية إلى تطوير فهمنا لهذا العالم النانوي، وأتاحت لنا -للمرة الأولى- أن نتحكم بالكامل في الخصائص التي تُظهرها، وأمكننا الآن أن نستخدم قدرتنا هذه في مجالات تجارية وتطبيقات عامة في مجال الطب مثلًا.

يمكننا القول إذًا -وفق البيان الصادر عن الجائزة- إن الجدول الدوري الذي تتراص فيه العناصر، واحدًا تلو الآخر، اكتسب بُعدًا جديدًا؛ فخواص العناصر المختلفة لم تعد متأثرةً بعدد أغلفة الطاقة في ذراتها، ولا عدد الإلكترونات في مداراتها الخارجية فحسب، بل ظهر عنصر جديد في المستويات النانوية، وهو الحجم، وبالتالي فإن المتخصصين الذين يعملون مع هذه المواد أصبحوا قادرين على تعديل الأحجام للخروج بخواص جديدة، كما أن مساحة جديدة أُضيفت فجأةً إلى عالم المواد، ولم تعد الأشكال التقليدية من خواص المادة معتمدةً على ما نعرفه من كيمياء، هذا بالضبط هو ما يعنيه البعض حين يتحدثون عن "كون كيمياء النانو نوعًا جديدًا بالكامل من الكيمياء تكتسب فيه العناصر بُعدًا جديدًا يختلف بالكامل عمّا كنا نعرفه".

مساحات اتساع مذهلة

النقاط الكمّية واكتشافها من أهم ما توصلت إليه البشرية في السنين الأخيرة، وأمام الباحثين في المستقبل مساحات مذهلة للاتساع -بقدر ضآلة العالم الذي يعملون عليه- في تطوير استخدامات مستقبلية لهذه الخصائص التي تُظهرها المادة، والتي لم نكن نعرف عنها أي شيء على الإطلاق في السابق.

فلنعد لتلخيص الأمر كله إذًا: النقاط الكمّية -وتحمل كذلك اسم الذرات الصناعية- هي كريستالات نانوية، مُصممة بطريقة بالغة الدقة، قُطرها لا يتجاوز عدة نانومترات، وهي صغيرة للغاية لدرجة أن لها خصائص كمّية، وكأنها ذرة واحدة، رغم أن حجمها يساوي حجم آلاف الذرات، وكما قيل في البداية، لا تستطيع الإلكترونات أن تتحرّك كما تشاء، وبالتالي تُطلق الكريستالات النانوية هذه أطوالًا موجيةً معينة، وبالتحكم في حكم هذه الجزيئات، يصبح بإمكاننا التحكّم في اللون الذي ستطلقه هذه النقاط الكمّية حين تحفيزها.

لا تزال هذه التقنيات كلها، حتى الآن، في طور التشكّل، وربما كان هذا بالتحديد ما يجعل من هذه الجائزة انحيازًا واضحًا إلى هذا المسار من العلم؛ ففي هذه اللحظة، يتشكّل علم جديد، ربما يكون قادرًا على تغيير واقعنا، بتقنيات لم تخطر على بال أعتى خيالاتنا وأكثرها اتساعًا، وكلها تنطلق من عالم لا يمكن تخيُّل ضآلته.

اشترك للحصول على النشرة الإلكترونية المحدّثة كل أسبوعين لكي تبقى على اطلاع بكافة المستجدات على الموقع.