أنابيب الكربون النانوية
(Carbon Nanotubes) معجزة القرن الواحد و العشرين
الكربونهو عنصر تحمل ذرته العدد الذرى 6.
عنصر لافلزى رباعى التكافؤ.
يكون الكربون مركبات مع عناصر اخرى أكثر من أى عنصر أخر فى الكون حيث يكون ما يقرب من 10 ملايين مركب عضوى.
الكربون هو رابع اكثر العناصر انتشارا فى الكون (من حيث الكتلة) بعد الهيدروجين و الهيليوم و الاوكسجين و ثانى اكثر عنصر موجود بجسم الانسان بعد الاوكسجين (حوالى 18.5 %).
يوجد أكثر من صورة للكربون مثل أسود الكربون و الجرافيت و الماس.
أسود الكربون
الجرافيت
الماس
الان سنتكلم فى ايجاز عن الجرافيت و الماس أشهر صور الكربون المعروفة :-
الجرافيتمادة مرنة و خفيفة، معظمنا يعرف الجرافيت على أنه المادة السوداء الموجودة بأقلام الرصاص.
الجرافيت هو عبارة عن طبقات مستوية متوازية مرتبة الواحدة فوق الأخرى.
---------------------------------
تركيب طبقة الجرافيت هو عبارة عن أشكال شبكية سداسية ترتبط فيها كل ذرة كربون بثلاث ذرات كربون أخرى.
تستطيع أن تمثل طبقة الجرافيت بالسلك الرفيع الذى يحيط بحظائر الدجاج.
كل طبقة ترتبط بالتى تليها بقوى فان دير فال و هى قوة تجاذبية ضعيفة بين الجزيئات أو بين الذرات.
تكون طبقة الجرافيت بناء مستوى ثنائى الأبعاد و يمكنك أن تمثل طبقات الجرافيت و هى متراصة الواحدة فوق الأخرى بأوراق الكوتشينة، يمكن للطبقات أن تنزلق بسهولة عن بعضها و هذا السبب أن الأقلام الرصاص تترك علامة عند مرورها على الورق.
الجرافيت لا يذوب فى الماء و لا المذيبات العضوية و لكنه يوصل الكهرباء.
الان بعد أن عرفنا عن الجرافيت، ماذا عن الماس.
الماسالماس هو أقوى المواد المعروفة على الاطلاق، يستخدم فى الصناعة و ايضا بشكل أكبر كحلى و زينة .
ترتبط كل ذرة كربون فى الماس بأربع ذرات كربون أخرى بروابط تساهمية مما يكون بناء ثلاثى الأبعاد (تذكر الجرافيت، كل ذرة كربون ترتبط بثلاث ذرات أخرى مكونا بناء ثنائى الأبعاد).
الماس له نقطة انصهار مرتفعة جدا تصل الى 4000 درجة مئوية و ذلك بسبب قوة الروابط بين ذرات الكربون المكونة للماس.
الماس أيضا لا يذوب فى الماء و لا المذيبات العضوية لصعوبة كسر الروابط القوية بين ذرات الكربون المكونة للماس.
على عكس الجرافيت، الماس لا يوصل الكهرباء، الالكترونات مقيدة بشدة بين الذرات و لا تملك حرية الحركة.
الماس يعتبر أفضل موصل للحرارة بأقل فقد ممكن للطاقة.
الماس لا يتفاعل مع معظم الأحماض و القلويات.
حتى الأن تحدثنا عن الكربون و صوره المعروفة، الجرافيت و الماس و عرفنا الخواص المذهلة للماس التى تجعله يتربع عرش عائلة الكربون. ولكن هل هذا كل شىء؟؟
بالطبع لا، سنتكلم الان عن فرد جديد فى عائلة الكربون و أول صورة نانوية للكربون و هو الفوليرين.الفوليرينات (Fullerens)الفوليرين أو كرة باكى هو نظير الكربون C60 أى مكون من 60 ذرة كربون.
تم اكتشاف الفوليرين فى العام 1985 بواسطة فريق من العلماء ( هارولد كروتو، روبرت كورل، ريتشارد صاميلى و عاونهم جميس هيث و شين أوبراين) و ذلك أثناء اجرائهم لتجارب عن الاستقطاع الليزرى (Laser ablation).
فى العام 1996 تشارك كل من صاميلى، كروتو و كورل جائزة نوبل للكيمياء عن اكتشافهم المذهل للفوليرين.
سمى الفوليرين بهذا الاسم نسبة الى باكمنستر فولر (R. Buckminster Fuller) المهندس الأمريكى الذى اشتهر ببناء قباب بشكل هندسي يماثل بناء جزىء ال C60 .
كما قلنا الفوليرين أوC60هو عبارة عن 60 ذرة كربون تترتب معا على شكل كرة منتظمة من 12 شكل خماسي + 20 شكل سداسى.
للايضاح : ( الفوليرين يتكون من 12 شكل خماسى كل شكل مكون من خمس ذرات كربون فيكون المجموع 60 ذرة كربون، و بين الأشكال الخماسية و بعضها البعض تتكون الأشكال السداسية عن طريق الروابط بين ذرات الكربون).
----------------------------
يماثل تركيب جزءى C60 شكل كرة القدم، فكما نرى تمثل الأجزاء السوداء الأشكال الخماسية بينما يمثل الأبيض الأشكال السداسية.
فى البداية بالنظر الى جزءى C60، كان يظن أن الفوليرين لابد أن يكون كرة منتظمة الا انه باستمرار الأبحاث و تقدمها اكتشفت أشكال أخرى من الفوليرين ( C70 ,C48 )، مما أدى الى تعريف الفوليرين بأنه شكل يماثل القفص Cage-like structure.
حتى 1990 كان يمكن انتاج الفوليرينات بكميات صغيرة جدا ولكن بعدها استطعنا انتاج C60 بكميات أكبر مما سمح باجراء المزيد من الأبحاث و معرفة المزيد عنه.
الان نأتى الى صورة نانوية أخرى للكربون و هى :-
كرات الكربون النانوية (Carbon Nanoballs) تنتمى إلى عائلة الفوليرينات.
تتميز كرات الكربون النانوية بأنها متعددة الطبقات (كأنها مجموعة من الكرات الواحدة داخل الأخرى).
يوجد فراغ فى مركز الكرات، بين الطبقة و الطبقة التى تليها لا توجد أى مسافات بينية (الطبقة ملتصقة بالتى تليها).
يشبه تركيب كرات الكربون النانوية طبقات البصل لذلك يطلق عليها (Bucky onions)
وأخيراً يتراوح قطر كرة الكربون النانوية من 1 نانومتر الى 500 نانومتر
والآن مع الصورة الأهم والأروع من صور الكربون والتى سنكمل معها باقى المقال وهى:-
أنابيب الكربون النانوية (Carbon nanotubes)فى العام 1991 لاحظ سوميو إيجيما من مختبرات شركة NEC بواسطة الميكروسكوب الإلكترونى (TEM) وجود أنابيب كربون نانوية أحادية الطبقة ((Single walled بعدها بسنتين لاحظ وجود أنابيب متعددة الطبقات (Multi walled)
أنابيب الكربون النانوية أشبه بطبقة من الجرافيت تم ضم أطرافها معاً لتكون أسطوانة بقطر متناهى الصغر مما يجعل نسبة طولها إلى عرضها كبيرة جدا لدرجة تجعلنا نعتبرها بناء أو تركيبا أحادى الأبعاد, وفى هذا الفيديو سنرى كيف تتحول طبقة من الجرافيت إلى أنبوبة كربون نانونية.
لمزيد من الشرح عبر الفيديو (اضغط هنا)؟
قطر الأنبوبة يتراوح من 1 الى 100 نانومتر, بينما تتراوح طولها من مئات النانومترات إلى بعض السنتيمترات.
تتركب أنابيب الكربون النانوية متعددة الطبقات من طبقتين إلى عشرات الطبقات من الجرافيت مرتبة على شكل إسطوانات الواحدة داخل الأخرى مع وجود مسافات فاصلة بين الطبقة والأخرى حوالى .34 nm : .36 nm
الرابطة بين ذرة الكربون والكربون الأخرى فى تركيب الأنبوبة أقصر من الرابطة فى حالة الماس, مما يرجح أن أنابيب الكربون النانوية أقوى من الماس حيث أن قوة الرابطة تزداد كلما قصرت.
أنبوبة الكربون النانوية أحادية الطبقة لها 3 أشكال أو ترتيبات للذرات بداخلها (Geometries) وهىzigzag , chiral , armchair ولذلك تأثيره على خواصها الكهربية كما سنرى لاحقاً.
والآن سنذكر أنواع أنابيب الكربون النانوية :-1 - Y-shaped
2 - حلزونى مزدوج (Double Helical)
3 - خيزرانى (Bamboo-like Structure)
4 - طبقى (Hierarchical Morphology Structure)
5 - حلقى (Ring Structured MWCNTs)
6 - مخروطى النهاية (Cone Shape End Caps of MWCNTs)
والآن بعد أن عرفنا بعض المعلومات عن أنابيب الكربون النانوية وتكلمنا عن تركيبها وأنواعها, ما هو المميز فيها, وما الذى يجعلها مرشحة لتغيير شكل العالم فى المستقبل القريب.
بالطبع لابد وأن تكون خواصها والتى سنتكلم عنها الآن :-
خواص أنابيب الكربون النانوية1 - الخواص الميكانيكية، القوة (Mechanical Properties)تعتبر أنابيب الكربون النانوية من أقوى المواد المعروفة على الإطلاق.
تمتلك مقاومة شد (tensile strength) عالية جداً وهذا يعنى قوة مقاومتها لأى ضغط أو جهد عليها (resist stress) وأنها قوية جداً ومن الصعوبة جداً كسرها.
كما أن لها معامل مرونة(elastic modulus) عالي جداً ويعنى هذا مقاومتها لأى تغير فى طولها أو مساحة مقطعها عند تحميلها بوزن كبير (resist deformation)
تنشأ هذه القوة بسبب وجود الروابط التساهمية القوية (Covalent sp2 bonds) بين ذرات الكربون وبعضها البعض.
فى عام 2000، وجد أن أنبوبة كربون نانوية متعددة الطبقات لها مقاومة شد tensile) (strength حوالى 63 جيجا باسكال وهذا للتوضيح يعنى قدرتها على تحمل وزن يبلغ 6300 كيلوجرام على كبل مساحة مقطعة 1 ملليمتر مربع.
تبلغ كثافة أنابيب الكربون النانوية جواله 1,4 – 1,33 gm/cm3 وهذا يعنى أنها خفيفة جداً مقارنة بمواد مثل الألومنيوم و الصلب.
لأنابيب الكربون النانوية قوة نوعية (specific strength)عالية جداً و القوة النوعية تربط القوة بالوزن فكلما كانت المادة أقوى وأخف كلما عنى ذلك أن لها قوة نوعية (Specific strength) أعلى.
2 - الخواص الحركية (kinetic properties)تمتلك أنابيب الكربون النانوية متعددة الطبقات خاصية تسمى (telescoping property) مما يعنى سهولة إنزلاق الطبقة الداخلية عن الطبقة الخارجية تقريباً بدون إحتكاك سواء على شكل إنزلاق خطى (liner) أو دورانى (rotational).
3 - الخواص الكهربية (Electrical properties)كما ذكرنا من قبل يؤثر ترتيب الذرات على قدرة الأنبوبة على توصيل الكهرباء فنجد أن أنابيب الكربون النانوية ذات التركيب (Armchair) لها خواص الموصلات فلزية (Metallic) بينما zigzag و Chiral form تعتبر أشباه موصلات (Semi conductors).
تمتلك أنابيب الكربون النانوية خاصية تسمى النقل الالكترونى القذفى (Ballistic electron transport) وهذا يعنى أنها موصلات ممتازة على طول الأنبوبة.
تستطيع أنابيب الكربون الفلزية (metallic) أن تحمل تيار كهربى كثافته حوالى4×104 A/cm2 وهذا أعلى 1000 مرة من قدرة موصل جيد للكهرباء مثل النحاس.
الأسلاك التقليدية الموصلة للكهرباء تتركب عادة من سلك نحاس يحيط به مطاط كعازل للكهرباء, بعد إكتشاف أنابيب الكربون النانوية و معرفة خواصها الكهربية, فكر العلماء بإمكانية عمل موصل للكهرباء بالكامل من أنابيب الكربون النانوية حيث تتكون من طبقتين الداخلية موصلة للكهرباء بينما الخارجية عازلة للكهرباء.
4 - الخوص الحرارية (Thermal properties)أنابيب الكربون النانوية موصلات حرارية ممتازة على طول الأنبوبة وتقريبا عازلة عمودياً على محور الأنبوبة مما يسمى التوصيل القذفى .(ballistic conduction)
من متوقع أن تبلغ قدرة أنابيب الكربون النانوية على توصيل الحرارة حوالى 6000 watt / meter/Kelvin فى درجة حرارة الغرفة العادية, وهذا مقارنة بالنحاس وهو موصل جيد للحرارة, تبلغ قدرته على التوصيل385 watt / meter / Kelvin فقط.
الثبات الحرارى (Thermal stability) لأنابيب الكربون النانوية حوالى 2800 درجة مئوية فى الفراغ وحولى 750 درجة مئوية فى الهواء (وهنا يعنى أنها تظل محتفظة بخواصها وبناء مادتها حتى تصل لدرجات الحرارة المرتفعة هذه).
وهنا يبقى السؤال, هل هى آمنة بيولوجيا؟البيانات المتاحة توضح أنه تحت ظروف معينة تستطيع أنابيب الكربون النانوية أن تعبر غشاء الخلية مسببة إلتهابات وتليفات.
وهناك دراسة قامت بها أليكساندرا بورتر من جامعة كامبريدج توضح أن أنابيب الكربون النانوية تستطيع أن تدخل خلايا الإنسان وتتراكم فى السيتوبلازم مسببة موت الخلايا.
حتى الآن تحدثنا بشكل كافى عن خواص أنابيب الكربون النانوية ولكن لكى نستفيد من هذه الخصائص لابد من تصنيعها, ولذلك سنتكلم الآن عن طرق إنتاج وتصنيع أنابيب الكربون النانوية.
تصنيع أنابيب الكربون النانوية (Synthesis of carbon nanotubes)بشكل عام تتكون أنابيب الكربون نتيجة تفكك مادة مكونة من الكربون (هيدروكربون)
(Hydrocarbon) بالحرارة وإعادة إتحاد الذرات عند درجات حرارة أقل مكونة أنابيب الكربون النانوية.
1 - الترسيب البخارى الكيميائى (Chemical vapour deposition) (CVD) يتم تشغيل المفاعل لحوالى 30 دقيقة مع درجة حرارة من 500 ل 1150 درجة مئوية مما يسمح بحدوث تفكك لذرات الهيدروكربون الموجود.
يمرعبر المفاعل تيار من غاز الأرجون أو الهيدروجين أو خليط من الاثنين.
يحمل هذا التيار الغازى ذرات الكربون الناتجة عن تفكك الهيدروكربون.
يتم إعادة تشكيل وترتيب ذرات الكربون - على صورة أنابيب كربون نانوية - على مواد (Substrates) مثل الكاربون, الكوارتز أو السيليكون أوعلى عامل حفاز (Fine floating catalyst particles) مثل Fe, Ni, Co.
2 - القوس الكهربى (Arc discharge) يتكون المفاعل من 2 إلكترود من الجرافيت مع وجود غاز خامل مثل الهيليوم أو الآرجون.
يوجد أيضاً عامل حفاز مثل Fe, Ni, Co مع وجود درجة حرارة عالية جدا تصل إلى 3700 درجة مئوية و 18 فولت و ضغط منخفض.
يحدث تبخر للجرافيت و تترسب أنابيب الكربون النانوية على الكاثود.
وحدة القوس الكهربى لا بد و أن تكون مزودة بنظام تبريد, ليس فقط لجعل المفاعل آمنا وإنما أيضاً لمنع تكوين ذرات الكربون لتركيبات أكبر فى الحجم من أنابيب الكربون النانوية.
3 - الإستقطاع الليزرى (Laser ablation)الجهاز عبارة عن أنبوبة من الكوارتز بطول متر و قطر 30 سم.
يوجد بالداخل الهدف وهو عبارة عن إسطوانة من خليط من الجرافيت وعامل حفاز Ni, Co
يتم سريان تيار من الغاز الخامل مثل آرجون مع وجود درجة حرارة مرتفعة تصل الى 1200 درجة مئوية و ضغط مرتفع.
يحدث تبخر للجرافيت وتحمل ذرات الكربون عن طريق سريان تيار الغاز لتترسب على شكل أنابيب كربون نانوية على مجمع نحاس مخروطى مبرد بالماء والقليل على جدران أنبوبة الكوارتز وأيضاً على الجانب الخلفى من الهدف.
و قد تم تطوير الجهاز فيما بعد و من أهم التعديلات
إستخدام شعاعين من الليزر حتى إذا بقيت أى
تجمعات من الجرافيت لم يتم تبخيرها يقوم الشعاع الثانى بتبخيرها مما يزيد من كفاءة الإنتاج.
أيضاً كان الهدف عبارة عن خليط من الجرافيت والعامل الحفاز و كلما تبخر جزء من الجرافيت كان الجزء المتبقى أغنى بالعامل الحفاز مما يقلل من جودة وإنتاجية أنابيب الكربون النانوية, ولكن بعد التعديل تم فصل كل من العامل الحفاز والجرافيت ليصبح كل منهم ملاصق للآخر ولكن ليس على شكل خليط مما زاد من كفاءة الإنتاج .
و هذه صورة للجهاز كما يبدو فى الحقيقة.
تطبيقات أنابيب الكربون النانويةبعد أن تعرفنا على الصور المتنوعة من الكربون وخواصه المختلفة وتعرفنا على الصورة الجديدة من الكربون والتى يطلق عليها إسم أنابيب الكربون النانوية بخصائصها المختلفة تماما عن خصائص صور الكربون المعروفة كالجرافيت والماس, سنتكلم الان عن تطبيقات أنابيب الكربون النانوية و أثرها بالغ الأهمية على حاضرنا و مستقبلنا.
تطبيقات صناعيةقامت بعض الشركات بالإستفادة من هذه الأنابيب فى إصدارات متعددة كإستعمالها فى صناعة أجهزة تلفاز جديدة أطلق عليها إسم الشاشات النانوية (Nano Emissive display) و فى صناعة بعض الأدوات الرياضية وأسلاك لها قدرة عالية على التوصيل الكهربى تسمى بالأسلاك النانوية (Nanowires) أو (Quantum Wires) وكذلك فى صناعة خلايا شمسية جديدة لها قدرة أعلى على إنتاج الكهرباء وأخيراً المجسات النانوية (Carbon Nanosensors).
ولنتحدث بشكل موجزعن كل تطبيق على حدة:-1 - الشاشات النانوية (NED)تأمل الشركات المصعنة لأجهزة التلفاز بصناعة نوع جديد أقل سعراً ولا يقل وضوحاً وكفاءة عن شاشات الـ LCD الجديدة ونجحت شركة موتورولا (Motorola) فى ذلك حيث كشفت عن أول تلفاز رفيع جداً مقارنة بتلفاز مثبت على الحائط, وعلى الرغم من رفعه يستطيع أن يُشغل أفلام DVD بنفس درجة الوضوح لدى شاشة LCD
2 - تطبيقات شركة ايستون (Easton enhanced resin system) شركة ايستون شركة عالمية معروفة ذات خبرة فى مجال صناعة الأدوات الرياضية منذ 83 عاماً و معروفة بمنتجاتها المبتكرة والجديدة فهى أول من إستخدم الألياف الكربونية عام 1989 وكانت الشركة الرئيسية والأولى فى صناعة مقود الدرجات منذ دخولها مجال الصناعة عام 1998.
والسبب وراء نجاح الشركة واصداراتها المتميزة هو فريق البحث الخاص بها والذى قام مؤخراً بإبتكار ألياف كربونية ذات قوة تحمل أعلى وذلك عن طريق إستبدال المادة البينية اللاصقة الموجود بين تلك الألياف (Resin) بأنابيب نانوية تزيد من صلابتها وقوة تحملها ويعود ذلك لخصائص الأنابيب النانوية بأنها أقوى من الفولاذ بحوالى 100 مرة وأخف منه وزناً بحوالى 6 مرات.
قديماً كان يستخدم الخشب كمادة أولية فى الكثير من الصناعات وبعد ظهور سبائك الألومنيوم والتيتانيوم اصبح إستخدام الخشب إسطورة, وفى القريب العاجل سيصبح الألومنيوم والتيتانيوم كذلك إسطورة بظهور تلك المواد النانوية المذهلة.
3 - الأسلاك النانوية (Nanowires)يرى العلماء أن وضع أنابيب الكربون النانوية بالتوازى سيجعل مرور الكهرباء سريعاً جدا حيث تقفز الإلكترونات بكل سهولة ويسر من أنبوب نانوى إلى اخر, ويعتقد ان هذه الأسلاك ستستخدم كموصلات كهربائية لآلاف الآميال دون فقد للطاقة. و لذلك يريد العلماء أن يصنعوا نوعا جديد من الأسلاك باستخدام أنابيب الكربون النانوية التى من المتوقع ان يكون لديها قدرة توصيل أفضل بـ 1000 مرة من أسلاك النحاس واخف واقوى من الفولاذ وذات توصيل حرارى ممتاز ولا تسبب انقطاع الكهرباء (Power outages).
4 - المجسات النانوية ((Nanosensorsهى أنابيب حساسة للجزيئات الغازية تستخدم للكشف عن الغازات والمواد العضوية المتطايرة ومعرفة تركيز كل منها بدقة ولهذا نجدها مفيدة فى مجال التحليل الكيميائي والعلوم الارضية والعلوم الفضائية ومعرفة خصائص الغلاف الجوى للكواكب الاخرى (Planetary exploration).
كما ان لها تطبيقات هامة فى الكشف عن القنابل والمواد المتفجرة وفى البطاقات المستخدمه فى التعريف بالعاملين فى المؤسسات الهامه (Personnel badge detector).
وتتكون تلك الأنابيب من أنابيب كربون نانوية او أكاسيد معدنية فى حجم النانو (metal oxide Nanowires) لها القدره على ادمصاص جزيئات الغاز على سطحها ويرجع ذلك لمساحة سطحها الكبيرة وخصائصها الفيزيائية والكيميائية.
بالاضافة الى تلك الانابيب النانوية يوجد سيليكون وقطب كهربائي (Interdegitated electrode) يعمل على نقل الطاقه و الالكترونات تحديدا الى قطب كهربائي آخر.
فكره عمل هذه الانابيب تعتمد على التفاعل بين أنابيب الكربون النانوية وجزيئات الغاز التى ينتج عنها تغير فى التوزيع الالكترونى للكربون والذى ينشأ عنه تغير فى الاشاره الكهربائية بسبب مرور تيار كهربائي او تغيرفى الجهد الكهربائي، وبحساب ذلك التغير قبل وبعد التعرض لجزيئات الغاز أمكن حساب تركيزه بدقه وحساسيه عاليه فقد تصل قدره الانابيب الى حساب تركيزات ضئيله جدا تصل الى جزء من البليون (part per billion).
5 - الخلايا الشمسية النانوية
الخلايا الشمسية المتعارف عليها حالياً هى تلك المصنوعة من مادة السيليكون, ومن صفاتها أنها غير قابلة للطلاء بمعنى ان هذه المادة لا يمكن أن نستعملها لطلاء سطح ما ولا يمكن طبعها.
لكن الخلايا الشمسية الجديدة تحتوى على انابيب نانوية مصنوعة من بوليمر معين يمكن إذابته بمذيب عضوى خاص ومناسب بحيث تتحول هذه الخلايا إلى مادة قابلة للطلاء على أى سطح ولنتخيل انك يوما ما تقود سيارتك وسطحها مطلى بهذا النوع المميز من الخلاياً.
فكم من طاقة ستوفر ؟! غير أنها لا تلوث البيئة.
فكرة عمل هذه الخلايا تعتمد على الآنابيب النانوية بشكل كبير فحين يسقط الضوء على سطح مطلى بهذه الخلايا, فإن البوليمر ينشط وينتج شحنات موجبة وسالبة وإذا تم فصل هذه الشحنات عن طريق أسلاك سنلاحظ مرور تيار كهربائى, ولأنابيب الكربون النانوية هنا دور كبير حيث أنها تمثل موصل جيد تقفز عليه الإلكترونات بكل سهولة.
وإذا أضيف إلى هذا النوع من الخلايا الشمسية الجديدة نسبة من الفوليرينات فإن عملها يتحسن كثيراً وذلك بفضل جذب الفوليرينات للإلكترونات وزيادة سرعة توصيلها للأنابيب النانوية.
تطبيقات طبيةبسبب الخصائص المميزة لأنابيب الكربون النانوية أمكن استعمالها فى علاج وتشخيص الكثير من الأمراض من أهمها السرطان كما يمكن إستخدامها فى علاج الجينات أو إستبدال التالف منها, أو إستعمالها كأوعية دموية نظراً لشكلها الذى يشبه الأوعية الدموية الصغيرة أو إستخدامها لزيادة سرعة نمو الخلايا العظمية.
ولنتحدث عن كل إستخدام بشكل عام:-
1 - إستخدامها لعلاج مرض السرطان (Anti – Cancer)وجد أن للكربون فى حجم النانو خاصية فريدة من نوعها حيث أن درجة حرارته قد تصل إلى 70 درجة مئوية فى خلال 120 ثانية إذا تم تعرضه للأشعة تحت الحمراء, فإذا إستطاع العلماء توجيه انابيب الكربون النانوية لكى تتركز فى الخلايا السرطانية فقط دون الخلايا السليمة الأخرى ثم تعريض المريض للأشعة تحت الحمراء فإن تلك الخلايا ستدمر بفعل درجة الحرارة العالية.
والمميز فى هذه التقنية أن الأشعة تحت الحمراء لا تضر الخلايا السليمة على عكس العلاج الكيميائى الذى يسبب الكثير من الأعراض الجانبية المؤلمة مثل القيئ المستمر وتساقط الشعر ناهيك عن ان العلاج الكيميائى لا يميز بين الخلايا الصحية والخلايا المريضة بل إنه يدمر اى خلية تقف فى طريقه.
2 - العلاج الجينى Gene therapyكان من الصعب إستبدال الأجزاء التالفة من المادة الوراثية بأجزاء أخرى سليمة من الخارج, لصعوبة مرور المادة الوراثية من خلال جدار الخلية, ولإدخالها لابد من وجود حامل لها ينقلها إلى داخل الخلية وقد لعبت الأنابيب النانوية هذا الدور بأن تم ربط جزيئات المواد الوراثية على جدارها, أو إدخالها فى تجويف الأنبوب نفسه و بذلك يدخل الأنبوب عبر جدار الخلية حاملاً معه الجزء الجديد من المادة الوراثية.
3 - استخدامها كأوعية دموية يمكن إستعمال الأنابيب النانونية كأوعية دموية خاصة تقوم بتوصيل الدواء الذى تحمله داخلها أو مثبت على سطحها إلى مكان محدد دون غيره, وبذلك تكون كفاءة الدواء أعلى من الطريق الطويل المعتاد للدواء بأن يدخل إلى المعدة ثم يمتص وقبل أن يصل إلى باقى الأعضاء يمر أولاً على الكبد الذى قد يقضى على جزء منه ومن ثم يمر الجزء الذى عبر من الكبد إلى باقى اعضاء الجسم وهذا أيضاً غير مرحب به لأن الدواء سيؤثر على جميع الأعضاء مريضة كانت أم لا.
أما الأنابيب النانوية فهى تعمل على إطلاق الدواء فى العضو المصاب فقط دون غيره وبهذا تقل الجرعة وتقل الأعراض الجانبية المصاحبة للدواء وتزيد قدرة الدواء على مواجهة المرض والقضاء عليه.
4 - زيادة سرعة نمو الخلايا العظميةإذا حدث كسر و إصابة فى العظم فإن علاجه يستغرق وقتاً طويلاً جداً, هذا ينطبق على المرضى الصغار فى السن أم إذا تحدثنا على المرضى الكبار فى السن فإن نمو العظم يكون بطيئاً جداً ويأخذ حوالى ضعف الوقت الذى يحتاجه المرضى صغار السن.
ولزيادة سرعة نمو خلايا العظم قام العلماء بصناعة قرص من مادة خاصة تسمىPPF ولابد ان يكون:
1 - مساميا أو اسفنجيا
2 - قابل للتحلل
3 - غير سام
يثبت على هذا القرص بعض الخلايا العظمية الجديدة سريعة النمو ثم يزرع ذلك القرص فى المكان المصاب أو المكسور من العظم وفى حين أن هذا القرص يتحلل, يستبدل بنسيج عظمى جديد وقوى بفعل خلايا العظم سريعة النمو.
قام العلماء بعد ظهور الأنابيب الكربون النانوية بعمل تجربة أثبتت أن وجود تلك الأنابيب قد حسن كثيراً من نمو الخلايا فقد زرعوا أقراص من البوليمر تسمى (poly propylene fumarate) أو اختصارا (PFF) فقط فى مجموعة من الأرانب وأقراص مصنوعة من البوليمر ومعه أنابيب كربون نانوية بنسبة 0.5 % وبعد أربع أسابيع لم يكن هناك فرق بين عمل الإثنين لكن بعد 12 أسبوع وجد أن القرص الذى يحتوى على انابيب كربون نانوية قد أنتج ثلثى النسيج العظمى الأصلى أما القرص الخالى من تلك الأنابيب قد أنتج خمسه فقط.
تطبيقات الفضاء1 - سفن فضاء أخف وزنايحلم العلماء بصنع سفينة فضاء خفيفة جداً وقوية جداً فى نفس الوقت وها قد توفرت المادة التى ستساعدهم على ذلك, فقد درس العلماء فكرة صناعة سفينة فضاء من أنابيب الكربون النانوية و وجدوا أنها ستكون أخف بنسبة 50% من السفن الحالية.
2 - مصعد الفضاء (Space elevator)نعم .... مصعد تركبه وتضغط على زر لتجد نفسك فوق السحاب بل وفوق الأرض نفسها لتستمتع برؤية الأرض والكواكب والنجوم و تجرب إحساس إنعدام الوزن !!!!
ومن أوائل من حلموا بذلك آرثر كلارك (Arthur C.Clarke) الذى وصفه فى كتابه (The foundations of paradise)
وقد درس العلماء صنع المصعد نظرياً و وجدوه ممكناً, والفكرة هى صنع محطة او منصه فى البحرعلى خط الإستواء وقد إختير البحر لكى يكون بعيداً عن أى إضطرابات او حوادث ممكنه بل وقد إختير أيضاً ليكون بعيداً عن حركة السفن ومن ثم يرسلون صاروخاً يحمل حبلا أو كبلا طويلا جداً مصنوع من أنابيب الكربون النانوية وبمجرد وصول الصاروخ لمسافة معينة بعيداً عن الأرض يثبت نفسه بأن يكون فوق المحطة بالظبط ليرسل هذا الكبل إلى الأرض, و يتوقع أن تأخذ هذه الرحلة ما لا يقل عن إسبوع و مع وصول الحبل إلى المحطة على الأرض سيتم تثبيه وبذلك يكون المصعد جاهزاً للعمل.
ومن أهمية صنع هذا المصعد هو أنه سيوفر كثيراً على رحلات الفضاء فإن رحلة الفضاء الواحدة تكلف حوالى 15,000$ للكيلوجرام الواحد ولكن إذا تمت بإستخدام المصعد ستكلف حوالى 50$ فقط للكيلوجرام الواحد غير أن وقود السفن الفضائية العالى التكلفة لن يكون مهماً فى هذه الحالة.
و أيضاً حينها لن تحتاج السفن إلى غلاف عازل للحرارة وهو غلاف يحمى السفينة أثناء عودتها من الفضاء إلى الأرض ويعود سبب عدم إحتياجنا له هو الحركة البطيئة نسبياً للمصعد غير أنه سيستعمل لإطلاق صورايخ وسفن جديدة أو لإستقبالها وإستعماله أيضا كوسيلة ترفيه كما ذكرنا سابقاً.
و هذا فيديو يوضح فكرة عمل مصعد الفضاء
هذا فيديو يوضح فكرة عمل مصعد الفضاء (اضغط هنا)؟
و الان اتمنى ان نكون قد افدناكم بالقدر المناسب من المعرفة عن هذا الفرع من العلم ليكون هذا المقال محفزا لمزيد من الأبحاث فى هذا المجال باللغة العربية و من يرغب بمعرفة المزيد هذه قائمة بالمراجع التى استعنا بها لاتمام مثل هذا العمل:-
Encyclopedia Britannica
Wikipedia
Micromanufacturing and Nanotechnology - By N. P. Mahalik
Nanotechnology Demystified - By Linda Williams and Dr. Wade Adams
www.understandingnano.com
=-=
المؤلفان من طلبة كليه الصيدله جامعه الاسكندريه
الرئيسية 
المنشورات 
