Nanotechnology حقائق كاملة عن تكنولوجيا النانو

تقييم المستخدمين: / 6
سيئجيد 

تطلق كلمة نانو باللغة الإنجليزية على كل ما هو ضئيل الحجم دقيق الجسم. فالنانومتر يساوي واحد مليار من المتر ويساوي عشر مرات من قطر ذرة الهيدروجين،مع العلم إن قطر شعرة الرأس العادية في المعدل يساوي 80000 نانومتر. وفي هذا المقياس القواعد العادية للفيزياء والكيمياء لا تنطبقان على المادة. على سبيل المثال: خصائص المواد مثل اللون والقوة والصلابة والتفاعل،كما إنه يوجد تفاوت كبير بين Nanoscale وبين The micro . فمثلاَ Carbon Nanotubes أقوى 100 مرة من الفولاذ ولكنه أيضاَ أخف بست مرات. فماذا يمكن للنانو تكنولوجي أن يعمل؟؟ إن النانو تكنولوجي تمكن من امتلاك الإمكانية لزيادة كفاءة استهلاك الطاقة،ويساعد في تنظيف البيئة،ويحل مشاكل الصحة الرئيسية،كما إنه قادر على زيادة الإنتاج التصنيعي بشكل هائل وبتكاليف منخفضة جداَ،وستكون منتجات النانوتكنولوجي أصغر، فماذا يقول الخبراء حول النانو تكنولوجي؟؟ في عام 1999م،الفائز بجائزة نوبل للكيمياء "ريتشارد سمالي Richard Smalley " خاطب لجنة الولايات المتحدة الأمريكية التابعة لمجلس النواب عن علم النانوتكنولوجي تحت موضوع: "تأثير النانو تكنولوجي على الصحة،الثروة،وحياة الناس" وقال: "سيكون على الأقل مكافئ التأثيرات المشتركة لعلم الإلكترونيات الدقيقة،والتصوير الطبي،والهندسة بمساعدة الحاسوب وتكوين مركبات كيميائية اصطناعية متطورة خلال هذا القرن".

The first use of the concepts found in 'nano-technology' (but pre-dating use of that name) was in "There's Plenty of Room at the Bottom", a talk given by physicist Richard Feynman at an American Physical Society meeting at Caltech  on December 29, 1959. Feynman described a process by which the ability to manipulate individual atoms and molecules might be developed, using one set of precise tools to build and operate another proportionally smaller set, and so on down to the needed scale. In the course of this, he noted, scaling issues would arise from the changing magnitude of various physical phenomena: gravity would become less important, surface tension and van der Waals attraction would become increasingly more significant, etc. This basic idea appeared plausible, and exponential assembly enhances it with parallelism to produce a useful quantity of end products. The term "nanotechnology" was defined by Tokyo Science University Professor Norio Taniguchi in a 1974 paper[2]  as follows: "'Nano-technology' mainly consists of the processing of, separation, consolidation, and deformation of materials by one atom or by one molecule."

In the 1980s the basic idea of this definition was explored in much more depth by Dr. K. Eric Drexler, who promoted the technological significance of nano-scale phenomena and devices through speeches and the books Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology (1986) and Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation,[3] and so the term acquired its current sense. Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology  is considered the first book on the topic of nanotechnology. Nanotechnology and nanoscience got started in the early 1980s with two major developments; the birth of cluster science and the invention of the scanning tunneling microscope (STM). This development led to the discovery of fullerenes in 1985 and carbon nanotubes a few years later. In another development, the synthesis and properties of semiconductor nanocrystals was studied; this led to a fast increasing number of metal and metal oxide nanoparticles and quantum dots. The atomic force microscope (AFM or SFM) was invented six years after the STM was invented. In 2000, the United States National Nanotechnology Initiative was founded to coordinate Federal nanotechnology research and development and is evaluated by the President's Council of Advisors on Science and Technology.

تكنولوجيا النانو تغيير حياة الإنسان نحو الأفضل
بدأ مصطلح (تقنية النانو) ينتشر، في مجال الصناعات الإلكترونية، المتصلة بالمعلوماتية. فلو تفحصنا البطاقات المستخدمة في الحواسيب اليوم، وخاصة الحواسيب المحمولة لوجدت أنها مضغوطة إلى درجة كبيرة، فالبطاقة التي لا يزيد سمكها على بضعة ملليمترات، تتكون في الحقيقة من خمس طبقات، أو لنقل رقاقات مضغوطة مع بعضها.
كما أننا لو تفحصنا الكبلات والمكثفات التي كان وزنها يقدر بالكيلوجرام، لوجدنا أن وزنها لا يتجاوز أجزاء الميللي جرام. فقد تضاءل الحجم، وتضاعفت القدرة وكل ذلك بفضل اختزال سُمك الكابلات وضغط حجم المكثفات والدارات، مما قصّر المسافات، التي تقطعها الإلكترونات، وأكسب الحواسيب، سرعة أكبر في تنفيذ العمليات.




تشير عبارة تكنولوجية النانو إلى التفاعلات بين المكونات الخلوية والجزيئية والمواد المهندسة وهي عادة مجموعات من الذرات والجزيئات والأجزاء الجزيئية عن المستوى البدائي الأول للبيولوجيا. وتكون هذه الأشياء الدقيقة بشكل عام ذات أبعاد تقل عن 100 نانومتر ويمكن أن تكون مفيدة بحد ذاتها أو كجزء من أجهزة أكبر تحتوي على أشياء دقيقة متعددة.



وعند المستوى الدقيق (النانو)، نجد أن الخواص الطبيعية والكيميائية والبيولوجية تختلف جوهرياً، وغالبا بشكل غير متوقع عن تلك المواد الكبيرة الموازية لها بسبب أن خواص الكمية الميكانيكية للتفاعلات الذرية يتم التأثير عليها بواسطة التغيرات في المواد على المستوى الدقيق. وفي الواقع أنه من خلال تصنيع أجهزة طبقا لمعيار النانومتر من الممكن السيطرة على الخصائص الجوهرية للمواد بما في ذلك درجة الانصهار والخواص المغنطيسية وحتى اللون بدون تغير التركيب الكيميائي لها.



من جهة أخرى فإن هناك العديد من الاستخدامات التي تخدم مجال الصناعات الإلكترونية مثل مجال صناعة الترانزستورات حيث بدأ مصنعو الترانزيستور في الوصول إلى الحدود الطبيعية لمدى صغر رقائق السيليكون والنحاس التي تصنع منها مثل هذه المواد، وقد ساعدت هذه التقنية هؤلاء العلماء للوصول إلى طريقة مبتكرة لتصنيع ترانزيستورات أصغر بكثير من الرقائق الحالية ليس من خلال تقليل حجم الرقائق الحالية ولكن من خلال تصنيعها من الجزيئات الفردية.
فقد ساعدت الأبحاث التي تم القيام بها بواسطة أربعة علماء يعملون في مركز الأبحاث التابع لوكالة الفضاء الأمريكية (ناسا) على تمهيد الطريق لبناء ترانزيستورات من الأنابيب الكربونية البالغة الصغر التي تم صنعها من طبقة واحدة من الذرات الكربونية يتم قياسها من خلال النانومتر (واحد نانومتر يعادل واحد على بليون من المتر).



واستنتج العلماء إمكانية تصنيع الترانزستورات من الأنابيب البالغة الصغر، وشملت اكتشافاتهم الغوارتيمية لتشكيل هذه التطبيقات، والتقنيات الجديدة لإرسال المعلومات، والمكونات الكربونية التي تعمل مثل المحطات الطرفية لمفتاح تشغيل الترانزيستور ووسائل استخدام سلاسل أنابيب النانو بالأنظمة الإلكترونية.


البديل الكربوني ومن إحدى المعايير المعروفة لتكنولوجية المعلومات هو قانون مور، الذي قام المؤسس الشريك في شركة انتل (جورودون مور) بوضعه، والذي ينص على أن عدد الترانزيستورات المتواجدة في بوصة مربعة واحدة بالدوائر المتكاملة سوف يتضاعف كل 18 شهر، إلا إن مصنعي الرقائق من المتوقع أن يصلوا قريبا إلى الحدود التقليدية للرقائق.
هذا وتتطلب تقنية التطوير الحالية لأشباه الموصلات تخفيض حجم ترانزستورات السيلكون أو ببساطة الإسراع في نظم الإرسال الحالية.
ومن غير المرجح أن يعمل هذا التوجه من الأعلى إلى الأسفل نحو نمنمة الترانزيستورات والليزر ذي الصمام الثنائي وهو مكونات البناء الجوهرية لنظم الكمبيوتر والاتصالات أن يتمكن من الوفاء بالطلب المتزايد على المعالجة والبث البالغ السرعة للمعلومات. حتى وإن تم تصنيع الرقائق بحجم صغير بشكل كاف، فإن هذه الدوائر الموضوعة بشكل مكثف بجانب بعضها البعض سوف تنبعث عنها حرارة شديدة يصعب تبريدها بشكل فعال.





وإذا استمر تخفيض حجم الرقائق، يتعين العثور على طريقة جديدة لتصنيعها، وبما أن الأنابيب الدقيقة تم اكتشافها في عام 1991، فقد قدمت نفسها كمرشح للخطوة القادمة في النمنمة أو التصغير الكبير في الحجم، وقد اهتم علماء الطبيعة بهذه الأنابيب بسبب خصائصها الإلكترونية حيث يمكنها العمل إما كمعادن أو أشباه موصلات.
وبصفتها معادن، يمكنها توصيل موجات بالغة الارتفاع بدون الانحلال والسخونة التي لا تزال تشكل مشاكل مع الأسلاك النحاسية، وبصفتها أشباه موصلات، يمكن استخدامها في الترانزيستورات الدقيقة العالية الأداء.

وعند استكشاف البدائل للطريقة التقليدية من أعلى إلى أسفل لتخفيض حجم ترانزستورات السيلكون، أدرك العلماء أن الأجهزة التي تعتمد على الأنابيب الدقيقة المنمنمة يمكن بناؤها من اسفل إلى أعلى من خلال الدقة الذرية.


تعتبر الأجهزة الناتجة عن ذلك بواسطة العلماء الآخرين نوعا جديدا من الترانزيستورات. فترانزيستور الأنابيب المصغرة تقل بمقدار 60.000 مرة عن الترانزيستور التقليدي.
وقال سريفستافا الذي قام بالتركيز على جعل الأنابيب الدقيقة تعمل مثل مفاتيح التشغيل (يمكنك وضع المزيد من الترانزستورات في مساحة صغيرة)، ويضيف إن زيادة كثافة الترانزستورات تعمل في العادة على زيادة كثافة الطاقة التي تقوم ببث حرارة كبيرة تجعل الجهاز يحرق نفسه، إلا أن الهيكل الكربوني يحتاج لطاقة أقل ولذلك يمكن تشغيل الترانزيستور بحرارة وطاقة اقل.

ومن ناحية أخرى قام العلماء بدراسة مواد تكنولوجية التصغير المحتملة، نظرياً أو من خلال محاكاة الكمبيوتر، حيث اكتشفوا مميزات ومساوئ بناء مفاتيح التشغيل والترانزستورات المنمنمة باستخدام أنابيب كربونية دقيقة متنوعة الارتباط، وسلاسل ذرية مصنوعة من الذرات الفردية أو حتى جزيئات DNA إلا أن مساهمتهم الرئيسية تمثلت في تركيزهم على بناء الأجهزة الدقيقة، وقالوا انه إذا تعين على المطورين بناء أجهزة دقيقة من الأسفل إلى الأعلى، فإنهم سوف يكونون بحاجة لتوجهات جديدة تماما نحو التطوير.

وفيما يلي بعض استنتاجات كل باحث من الباحثين الأربعة:
المطورون بحاجة لطريقة لصياغة شكل الأجهزة الدقيقة، وذلك لأن الطرق التقليدية لا يمكنها أن تصف كيفية تدفق التيار الكهربائي من خلال الجهاز الدقيق، وقام فريق الباحث انانترام بوضع غوارتيمية مبتكرة.
ركزت أبحاث الباحث نينج بشكل رئيسي على بث المعلومات حيث اكتشف أن نظام البث يمكن أن يعتمد على تسخين الإلكترونات في سلك دقيق لأشباه الموصلات بدلا عن تشغيل وإغلاق التيار الكهربائي.
بعد دراسة تكوين واستقرار وهيكل سلوك رد الفعل الإلكتروني للوصلات المختلفة في الأنابيب الدقيقة، قام سيرفستافا بابتكار سلسلة من الهياكل التي تعتمد تماما على الكربون والتي يمكن أن تؤدي كافة وظائف الأجهزة الثلاثية الطرق اللازمة لدوائر الكمبيوتر. قام ياماد بابتكار طريقة لصنع سلاسل ذرية لأشباه الموصلات خاصة بالتطبيقات الإلكترونية.

تكنولوجيا النانو والكمبيوتر
تتلخص فكرة استخدام تقنية النانو في إعادة ترتيب الذرات التي تتكون منها المواد في وضعها الصحيح، وكلما تغير الترتيب الذري للمادة كلما تغير الناتج منها إلى حد كبير. وبمعنى آخر فإنه يتم تصنيع المنتجات المصنعة من الذرات، وتعتمد خصائص هذه المنتجات على كيفية ترتيب هذه الذرات، فإذا قمنا بإعادة ترتيب الذرات في الفحم يمكننا الحصول على الماس، أما إذا قمنا بإعادة ترتيب الذرات في الرمل وأضفنا بعض العناصر القليلة يمكننا تصنيع رقائق الكمبيوتر. وإذا قمنا بإعادة ترتيب الذرات في الطين والماء والهواء يمكننا الحصول على البطاطس.
وما يعكف عليه العلم الآن أن يغير طريقة الترتيب بناء على النانو، من مادة إلى أخرى، وبحل هذا اللغز فإن ما كان يحلم به العلماء قبل قرون بتحويل المعادن الرخيصة إلى ذهب سيكون ممكنا، لكن الواقع أن الذهب سيفقد قيمته!!.





وتعتبر طرق التصنيع اليوم غير متقنة على مستوى الجزيئات. فالصب والطحن والجلخ وحتى الطباعة على الحجر تقوم بنقل الذرات في مجموعات ضخمة، مثل محاولة تصنيع أشياء من مكعبات الليجو أثناء ارتداء قفازات الملاكمة، وفي المستقبل، سوف تسمح لنا تكنولوجية التصغير أن نقوم بالتخلص من قفازات الملاكمة وان تقوم بترتيب مكونات البناء الجوهرية للطبيعة بسهولة وبدون تكلفة وفي معظم الأحيان حسبما تسمح به قوانين الطبيعة، وسوف يكون هذا الأمر حيوياً وهاماً إذا تعين علينا الاستمرار في ثورة مكونات الكمبيوتر لتمتد بعد القرن القادم، كما سوف تسمح بتصنيع جيل جديد تماما من المنتجات الأنظف والأقوى والأخف وزنا بل والأكثر دقة. ومن الجدير بالذكر أن كلمة (تكنولوجية التصغير) أو (نانو تكنولوجي) أصبحت شائعة إلى حد كبير ويتم استخدامها لوصف العديد من أنواع الأبحاث حيث تكون أبعاد المادة المصنعة اقل من 1.000 نانومتر، على سبيل المثال التحسينات المستمرة في الطباعة على الحجر نتج عنها عرض خطوط أقل من ميكرون واحد. ط

فالكثير من توجهات التحسن في قدرة وحدات ومكونات الكمبيوتر ظلت ثابتة خلال الـ 50 سنة الأخيرة وهناك اعتقاد شائع أن هذه التوجهات سوف تستمر على الأقل لعدة سنوات، وبعد ذلك سوف تصل الطباعة الحجرية إلى حدودها في ذلك الوقت.





فإذا تعين علينا الاستمرار في هذه التوجهات يجب أن نقوم بتطوير تكنولوجية تصنيع جيدة تسمح لنا ببناء أنظمة كمبيوتر بشكل غير مكلف بواسطة كميات من العناصر المنطقية التي تكون جزيئية في كل من الحجم والدقة، ومرتبطة ببعضها البعض من خلال أنماط معقدة وبالغة الحساسية. وسوف تسمح تكنولوجية التصغير بالقيام بذلك. ويمكننا استخدام مصطلح (تكنولوجية التصغير الجزيئية) أو (التصنيع الجزيئي) بدلا عن (النانو تكنولوجي) ولكن أيًّا كان المصطلح الذي نقوم باستخدامه، فإنه يتعين عليه أن يسمح لنا بان نقوم بشكل جوهري بوضع كل ذرة في المكان الصحيح، وان نجعل كل هيكل متناسق مع قوانين الطبيعة التي يمكن أن نحددها بالتفاصيل الجزيئية، مع عدم تجاوز تكاليف التصنيع بشكل بالغ لتكلفة المواد الخام والطاقة المطلوبة.



ومن الواضح أننا سوف نكون سعداء بأي طريقة تحقق بشكل متزامن أول ثلاثة أهداف، إلا أنه يبدو انه من الصعوبة استخدام بعض أنماط التركيب المكاني (أي وضع أجزاء الجزيئات الصحيحة في المكان الصحيح) وبعض أشكال النسخ المتطابقة الذاتية (لتقليل التكلفة). وتنطوي الحاجة للحصول على التجميع المكاني على الاهتمام بالآليات الجزيئية (أي الأجهزة الآلية التي تكون جزيئيه من حيث حجمها ودقتها). ومن المحتمل أن تقوم هذه الآليات المكانية على النطاق الجزيئي بإعادة تجميع النسخ البالغة الصغر من الأجزاء المقابلة لها الميكروسكوبية. ويتم استخدام التجميع المكاني بشكل متكرر في التصنيع الميكروسكوبي اليوم مع ربط كلتا يديك خلف ظهرك! ففكرة السيطرة على وضع الذرات الفردية والجزيئات لا تزال حديثة، إلا انه يتعين علينا أن نستخدم على المستوى الجزيئي المفهوم الذي بين فعاليته على المستوى الميكروسكوبي، ونجعل الأجزاء تذهب إلى المكان الذي نريد منها الذهاب إليه.

وينجم عن شرط التكلفة المنخفضة اهتمام بأنظمة تصنيع النسخ المتطابقة ذاتياً، حيث يمكن لهذه النظم القيام بعمل نسخ عن نفسها وتصنيع منتجات مفيدة. فإذا أمكننا تصميم وبناء هذا النظام، فإن تكلفة تصنيع هذا النظام وتكاليف تصنيع الأنظمة المشابهة والمنتجات التي تعمل على إنتاجها (بافتراض قدرتها على إنتاج نسخ عن نفسها في بيئة غير مكلفة بشكل معقول) سوف تكون منخفضة للغاية.

تكنولوجية IBM للتصغير
تهدف أبحاث شركة IBM في مجال تكنولوجية التصغير إلى تصميم مكونات وهياكل ذرية جديدة على المستوى الجزيئي لتحسين تكنولوجيات المعلومات، بالإضافة إلى اكتشاف وفهم أساسها العلمي. ومن خلال ريادة تطوير تكنولوجية التصغير أو النانو، استطاع علماء شركة IBM وضع دراسات لهذه التكنولوجيات على مستوى النانو أو التكنولوجية القزمية. وعلى وجه التحديد، فإن الأنابيب الكربونية المصغرة ومسبار الفحص الذي تم إنتاجه من ميكروسكوب الطاقة الذرية يقدم وعداً بتمكين تحسين الدوائر ووسائل تخزين البيانات.


ويؤدي البحث في جزيئات النانو إلى تطبيقات في الطب الطبيعي بالإضافة إلى التخزين على القرص الصلب للكمبيوتر.
ومما يذكر أن الأبحاث في مجال تخزين المعلومات بواسطة تكنولوجية النانو الميكانيكية، مثل مشروع شركة IBM الذي يطلق عليه MILLIPEDE سوف تستمر في زيادة احتمالات زيادة كثافة التخزين الهوائي.



علم لا يزال في المهد
وتستخدم تقنية (النانو) الخصائص الفيزيائية المعروفة للذرات والجزيئات لصناعة أجهزة ومعدات جديدة ذات سمات غير عادية وعند إحكام قبضة العلماء على جوانب هذا العلم الخارق يصبح في حكم المؤكد تحقيق إنجازات تفوق ما حققته البشرية منذ ظهورها على الأرض قبل ملايين السنين. ويقول الخبراء أن تقنية النانو تعد البشرية بثورة علمية هائلة قد تتغير معها ملامح الحياة في جميع النواحي الصحية والتعليمية والمالية.. الخ، بما يجعل الحياة أفضل، ويساعد في التخلص من الأمراض المستعصية التي يعاني منها الناس على مدى قرون طويلة.
كذلك ستعمل النانو على تحسين أساليب الإنتاج الزراعي والصناعي وتخفض التكاليف على نحو غير مسبوق مما يعني مزيدا من الراحة ونهاية المتاعب لإنسان العصر.


هذا وتشهد المختبرات في الوقت الراهن سباقاً محموماً بين الباحثين يهدف لوضع مخطط تفصيلي عام يوضح وظائف (طرق عمل البروتينات في إطارها الكيميائي فيما يهتم الفيزيائيون بدراسة هياكل هذه المواد وخصائصها الوظيفية وذلك بهدف تركيب البروتينات بنسخ صناعة ذات خصائص جديدة وبجزيئات أكبر وأكثر تعقيداً ويحصر الباحثون مهامهم في الوقت الحالي في تصميم روبوت ضئيل الحجم قادر على تحريك الجزيئات وذلك حتى يكون ممكنا لها مضاعفة ذاتها بشكل آلي دون تدخل العوامل الخارجية. وفيما يتعلق بجسم الإنسان يتوقع أن تعمل تقنية النانو على مكافحة أمراض الجسم وإعادة إنتاج الخلايا الميتة ومضاعفتها والقيام بدور الشرطي في الجسم لحماية الأجهزة لتدعيم جهاز المناعة لدى الإنسان.




تكنولوجيا المنمنمات..ثورة صناعية ثانية
لقد كان هناك تساؤل يثار منذ فترة بعيدة عن التطورات التي يمكن أن تحدث في مجال التصنيع إذا ما تمكن الإنسان من السيطرة على الذرة بشكل جيد والاستفادة منها كما ينبغي عن طريق تحريكها؟ وكان أول من أثار هذا التساؤل عالم الفيزياء ريتشارد فينمان حيث تساءل عن (ماذا سيحدث إذا أصبح بمقدور العلماء ترتيب الذرات بالطريقة التي يريدونها؟).

جاء ذلك في إطار إعلانه عن ظهور تقنية حديثة في مهدها الأول في ذلك الوقت، سميت بالتقنية النانوية أو النانوتكنولوجيا (Nanotechnology) . ولقد مضى على إعلان (فينمان) ما يربو على أربعة عقود من الزمان حتى الآن، وبالرغم من أن التطور في هذه التقنية قد تأخر نسبياً بالمقارنة بالتقدم المطرد في علوم الكمبيوتر مثلا، لكن هذه التقنية عاودت الظهور بكثافة عالية مؤخراً، على هيئة مبتكرات وتقارير علمية في كثير من المطبوعات العلمية العالمية.



لكن هناك ثمة اتفاقا على أن عام 1990م هو البداية الحقيقية لعصر التقنية النانوية، ففي ذلك العام، تمكن الباحثون في مختبر فرعي لإحدى شركات الإلكترونات العالمية العملاقة من صنع أصغر إعلان في العالم، حيث استخدموا 35 ذرة من عنصر الزينون في كتابة اسم الشركة ذي الحروف الثلاثة على واجهة مقر فرعها بالعاصمة السويسرية! ويتنبأ العلماء بمستقبل واعد لهذه التقنية، التي باتت الدول الصناعية في أوروبا واليابان والولايات المتحدة تضخ إليها ملايين الدولارات من أجل تطويرها.

والولايات المتحدة وحدها التزمت هذا العام بتخصيص أكثر من 497 مليون دولار للتقنية النانوية واستخداماتها، كما أن شركات الكمبيوتر الكبرى المهتمة بالبحث العلمي، مثل (هيوليد باكارد) و(آي بي إم) و(ثري إم) تقوم بتخصيص ما يصل إلى ثلث المبالغ المخصصة للبحوث العلمية على التقنية النانوية.

وقد ظهرت عدة تقارير علمية دفعة واحدة، واحتلت أبحاث النانوتكنولوجي باباً كاملاً في مجلة العلم الأمريكية (ساينس) في تشرين الثاني نوفمبرِ (2000م)، ثم تلاها عدة تقارير في مطبوعات علمية أخرى كمجلة الطبيعة (نيتشر).

الطب والنانو تكنولوجيا
تُقاس الخلايا بالميكرونات، ويساوي الميكرون الواحد مليون جزء من المتر، وتقاس الذرات بالنانومتر الذي يعادل الواحد منه مليار جزء من
المتر أو واحدا على 80 ألف جزء من عرض شعرة الإنسان. وترمي النانو-تكنولوجيا إلى بناء وتسخير أشياء على المستوى الذري
(من حيث الحجم). وكما يعبر الدكتور جاك جودي أستاذ الهندسة الكهربائية بجامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس
University of California, Los Angeles، هناك تصوران لنمو
النانو-تكنولوجيا؛ أولاهما ما يسميه بتكنولوجيا استقطار الثمالة، حيث يسعى مهندسو الجزيئات إلى تشكيل بنيات من النانو- تكنولوجيا تم إنتاجها الواحدة بعد الأخرى من وحدات جزيئية. أما التصور الثاني فيقوم على تصغير التكنولوجيات الموجودة إلى الحد الأقصى. وقد نشأ النوع الأخير من علوم وتطبيقات الإلكترونيات الدقيقة، وتعرف مخترعاته باسم الميمات MEMS.




يقول جودي: "ظلت تكنولوجيا التصنيع المستخدمة في صنع الميمات تتطور باستمرار بفضل صناعة الدوائر الكهربية المتناهية الصغر. ولقد أصبح من الممكن الآن إنتاج بنيات كهربية أو ميكانيكية أو سائلة تتميز بدقة الحجم بصورة تكاد تكون متناهية، إذ ننتج من الزجاج أو السيلكون وحدات ومعدات أصغر حجما من الميكرون". وهذا يعني أن الآلات المعقدة يجرى استبدالها بأخرى أصغر فأصغر حجما.

في الوقت الحاضر يعمل الدكتور جودي في مجالٍ من التكنولوجيا لعزل الخلايا ومراقبة وظائفها الفسيولوجية، ويقول عن مشروعه: "إن تعريض الخلية لمؤثرات الإشعاع أو درجة الحرارة أو معدلات تدفق السوائل أو الكيماويات الأخرى سيغيّر البيئة الخلوية الخارجية. وحاليا يتم كل ذلك ولكن بوتائر بطيئة جدا. إلا أن التكنولوجيا التي نعكف على تطويرها تسمح باستخدام عدد كبير من الخلايا في وقت واحد، وهذا بدوره يسمح للعلماء بدراسة سلوكيات الخلية بدقة أكبر مما كان متوفرا في الماضي. فقد كانوا آنذاك يستطيعون مراقبة ما يحدث خارج الخلية دون أن تكون لديهم أية فكرة عما يحدث بداخلها".

الأداة المفضلة لدى جودي هي الرقاقة البيولوجية وهي قطعة صغيرة مربّعة من الزجاج مساحتها سنتيمتر في سنتيمتر، وبها قنوات صغيرة تستطيع أن تعزل الخليّة والمنافذ المتصلة بالخليّة. ويستطيع العالم أن يراقب ما يحدث للخلية عن طريق المجهر. ويخبرنا جودي أن شركات تصنيع الأدوية تبدي اهتماما كبيرا بهذه التكنولوجيا التي يعمل على تطويرها لأنها ستسمح لتلك الشركات بتطوير مكتشفاتها في علم وصناعة الدواء.



يقول توماس ويبستر، المهندس البيولوجي والأستاذ المساعد في جامعة بردو Perdue University: "إن إيصال الدواء إلى الجسم هو واحد من أول تطبيقات النانو-تكنولوجيا المرشحة للاستخدام. وعن طريقها يمكن أن ندخل إلى الخلية جرعة دوائية يقل حجمها عن 100 نانو متر دون أن تلفت النظر". والواقع أنه يمكن إعطاء الأدوية للمرضى على هيئة أقراص يقاس حجمها بالميكرون تقوم بإطلاق الدواء على الخلايا المستهدفة. والنظرية المعتمدة هنا هي أن فاعلية الدواء تزداد إذا كانت كمياته متناهية الصغر بهذا الشكل. وكلما تضاءلت الجرعة الدوائية كلما قل ضررها على المريض لأنها لن تستهدف حينها إلا الخلايا المسببة للمرض أو للعدوى.

ويبحث ويبستر أيضا في وسائل استخدام المواد النانوية لترميم وإصلاح الأنسجة الطبيعية، إذ برهنت الوسائل التقليدية مثل زرع العظام والأوعية الدموية على عجزها عن توفير النعومة واستواء السطح الذي يتوافر باستخدام المواد النانوية. ويقول وبستر: "لقد وجدنا أن البيئات النانوية تساعد الجسم على إعادة إنتاج نفسه بصورة أفضل سواء في مجال العظام أو الأوعية الدموية أو الغضروفيات وخلايا المثانة. ولقد جرى إثبات كل ذلك عمليا. ومن المتوقع أن تتوسع استخداماتها في الجسم البشري في وقت قريب نسبيا". كما أنه من المتوقع أن تبقى المواد الجديدة عاملة داخل الجسم لمدة أطول من مدة الـ15 عاما المتاحة حاليا لمعظم أشكال استزراع الأعضاء التقليدية.

تهتم جنيفر ويست الأستاذة المساعدة لقسم الهندسة البيولوجية بجامعة رايس Rice University بمدينة هيوستن بولاية تكساس والمختصة بأبحاث علاج السرطان وإطالة عمر المصابين به. وتجري أبحاثها على مادة تعرف باسم القشور النانوية تتميز بقدرتها على التشبّع بالضوء من الدرجة فوق الأشعة الحمراء، والمعروف بقدرته على التغلغل في الجسم إلى أعماق كبيرة. وتشرح جنيفر العملية قائلة: "نقوم بحقن القشور النانوية بشكل منتظم ونتركها تتحرك خلال الجسم لتصل إلى الخلايا السرطانية وتلتحم بها، ثم نقوم بتسليط أشعة قريبة من الأشعة فوق الحمراء عبر الأنسجة، وبسب ذلك ترتفع حرارة القشور النانوية. وتخلق فتحات مسامية في غشاء الخلايا السرطانية فتلتحم بها وتسبب موتها".

وتضيف جنيفر ويست: "إن ذلك تطبيق مدهش للنانو- تكنولوجيا. وقد رأينا حالات شفاء كامل من الأورام في الفئران والحيوانات المعملية الأخرى التي كنا نجري تجاربنا عليها، ومنها ما عاش لشهور وشهور دون أن تعود الأعراض التي كان يعاني منها إلى الظهور".

يتوقع العلماء أن تصبح النانو-تكنولوجيا في المستقبل القريب جزءا أصيلا من الممارسة الطبية اليومية خاصة في مجال توصيل الدواء. ومع ذلك نجد جنيفر ويست تحذر من أن ذلك لن يحصل في القريب العاجل إذ تقول: "لا زلنا على مبعدة عدة عقود من تلك الآلات الدقيقة التي تسبح عبر أجسامنا لتقاتل البكتيريا والفيروسات وتحول كل البشر إلى مخلوقات صحيحة معافاة".

فيروسات في حجم الديناصورات!
قام العلماء بتكبير صور الدقائق والجسيمات والكائنات المتناهية في الصغر كالبكتيريا والفيروسات إلى أحجام تصل لحجم ملعب كرة القدم. وتمكنوا عن طريق تقنيات متقدمة؛ من رؤية المناظر بطريقة طبيعية ثلاثية الأبعاد والتفاعل معها، بل لقد قام أحدهم بوخز بعض البكتريا الموحلة في بعض الأوساط الغذائية ووخز أنابيب الكربون التي لا يتعدى حجمها النانومتر (النانو = جزء من البليون من المتر).

وأطلق على الآلة الجديدة " نانومانيبيولاتور"nanoManipulator)) أو المعالج النانومتري، ومكنت هذه الآلة الحديثة العلماء من السباحة في عالم متناه في الصغر، عن طريق ارتداء منظار خاص. وتقبع النسخة الأكثر تقدّما من النانومانيبيولاتور في قسم الفيزياء بجامعة نورث كارولينا في "تشابل هل". ولقد تم استخدام أحدث التقنيات المتقدمة في العالم اليوم لابتكار هذا الجهاز(أحدث تقنيات الحقيقة الافتراضيّة وأحدث مسبر (مجس) حسيّ دّقيق، الذي سمح للعلماء أن يلمسوا ويشعروا بجزيئات متناهية الصغر).


يقول "إيرك هينديرسون" الأستاذ في جامعة ولاية إيوا بعد زيارته لحرم الجامعة لاختبار جهاز "النانومانيبيولاتور": هذا الجهاز يشعرك بأنك تطير بين الجزيئات، ويجعل الكروموزومات تبدو هائلة مثل حجم سلسلة جبال. ويقول "ريتشارد سوبرفاين" أستاذ الفيزياء في جامعة نورث كارولينا، الذي أشرف على الفريق المطوّر لجهاز "النانومانيبيولاتور": إنّ لديه غرضا عمليّا أهم للباحثين وهو يتمثل في توفير الوقت والجهد والمال؛ حيث يمكنهم هذا الجهاز من عمل تجربة ما؛ يلاحظون ويلمسون نتائجها فورًا ويشاهدون مفرداتها على الطبيعة في ثوان معدودة.


كيف تطوّر النانومانيبيولاتور؟!
“النانومانيبيولاتور" هو ثمرة تعاون بين باحثي العلوم الطّبيعيّة ومجموعة من خبراء علم الكمبيوتر. ولقد بدأ العمل الفعلي لإنتاجه في نهايات الثمانينيات، عندما بدأ العلماء العمل على تطوير نوع جديد لمجهر سُمي "بالمجهر المسبر الماسح". وبدلاً من استعمال أمواج الضوء أو الإلكترونات لفحص عيّنة ما وتكوين صورة محسوسة لها، يقوم هذا المجهر بتحسس العيّنة مباشرةً عن طريق مسبرّ متناه في الصغر؛ يتمثل في نقطة لا يتعدى حجمها حجم الجزيء. ويمسح هذا المجس سطح العيّنة برقّة؛ مثلما يقرأ العميان بأصابعهم على طريقة بريل. وتظهر النتيجة في الحال على هيئة صورة مجسمة ثلاثية الأبعاد يمكن تكبيرها إلى أحجام تزيد عن المليون ضعف؛ بالرغم من أنها لا يزيد حجمها الأصلي عن بضع من النانومترات.

بدأ "روبينيت وارين" باحث علم الكمبيوتر في جامعة نورث كارولينا العمل الفعلي في هذا المشروع في أوائل التسعينيات عندما كان يبحث عن طريقة لاستعمال تكنولوجيا الواقع الافتراضيVirtual Reality) )، وقد كلّف "روبينيت" طالبا للدّراسات العليا بالعمل على إيجاد وسيلة تطبيقية لهذا المجال. ثم تطور المشروع ليصبح مشروعا مشتركا بين عدة أقسام علمية في جامعة نورث كارولينا.


يتضمن النانومانيبيولاتور آلة مشيرة تبدو مثل عصا قيادة السيارات، وتتصل هذه الآلة بكمبيوتر شخصيّ مزود ببطاقة رسم بيانيّ متقدمة للغاية، تقوم بتحويل بيانات المجهر لتعرضها على هيئة صورة ثلاثية الأبعاد ذات ألوان متعدّدة، ويمكن هذا المجس الدقيق العلماء من أن يلمسوا ويشعروا بمعالم الأشياء الصغيرة التي يدرسونها، ولقد شعر العلماء بالحوافّ الصّغيرة والفجوات المتواجدة في جزيئات البروتين، وبلزوجة بعض أنواع البكتريا الممرضة. كما استطاع الفيزيائيّون دراسة أنابيب الكربون الدقيقة أو النانوتيوب nanotubes) ) التي قد تشكّل أجزاء للآلات الإلكترونيّة الصغيرة والماكينات يومًا ما. ولقد شاهد الكيمائيون شجار الذّرّات داخل أنابيب الكربون الدقيقة، مما حدا بهم بالتفكير في عمل محركات صغيرة عن طريق حث هذه الأنابيب لتتحرك مثل أسنان التّرس.


ويقول "سين واشبرن" أستاذ فيزياء وعلوم الموادّ في جامعة نورث كارولينا: إنّ فريق النانومانيبيولاتور قد تعلّم كثيرا من القواعد الفيزيائية التي تحكم حركة الجسيمات الدقيقة، على سبيل المثال الجزيئات الصغيرة لا تتأثر بالجاذبيّة، ولكنهاّ تتأثر بشدة بالقوانين الفيزيائية الأخرى مثل اللّزوجة.

تكنولوجية النانو وعلاج السرطان
يمكن للأجهزة الدقيقة أن تعمل بشكل جذري على تغيير علاج السرطان إلى الأفضل وان تزيد بشكل كبير من عدد العناصر العلاجية، وذلك لأن الوسائل الدقيقة، على سبيل المثال يمكن أن تعمل كأدوات مصممة حسب الطلب تهدف لتوصيل الدواء وقادرة على وضع كميات كبيرة من العناصر الكيميائية العلاجية أو الجينات العلاجية داخل الخلايا السرطانية مع تجنب الخلايا السليمة وسوف يعمل ذلك بشكل كبير من تخفيض أو التخلص من المضاعفات الجانبية السلبية التي تصاحب معظم طرق العلاج الحالية للسرطان.

وهناك مثال جيد من العالم البيولوجي وهي كبسولة الفيروس، المصنعة من عدد محدد من البروتينات، كل منها له خصائص كيميائية محددة تعمل معا على إنشاء وسيلة متعددة الوظائف دقيقة لتوصيل المواد الجينية. سوف تعمل تكنولوجية التصغير على تغيير أساس تشخيص وعلاج والوقاية من السرطان، ومن خلال الوسائل الدقيقة المبتكرة القادرة على القيام بوظائف طبية بما في ذلك الكشف عن السرطان في مراحله المبكرة وتحديد موقعه في الجسم وتوصيل الأدوية المضادة للسرطان إلى الخلايا السرطانية وتحديد إذا كانت هذه الأدوية تقتل الخلايا السرطانية أم لا.

تطوير خطة تكنولوجية التصغير لمعالجة السرطان

تقوم خطة تكنولوجية التصغير لمعالجة السرطان على تزويد دعم مهم في هذا المجال من خلال مشاريع داخلية وخارجية ومعمل لتوحيد مقاييس التكنولوجية الدقيقة الذي سوف يعمل على تطوير معايير هامة لأجهزة ووسائل التكنولوجية الدقيقة التي سوف تمكن الباحثين من تطوير واجهات عمل متعددة الوظائف وتقوم بمهام متعددة.





قنابل نانوية لتفجير الخلايا السرطانية





طور علماء من مركز السرطان (ميموريان كيتيرنج) الأمريكي قنابل مجهرية ذكية تخترق الخلايا السرطانية، وتفجرها من الداخل. استخدم العلماء بقيادة (ديفيد شينبيرج) التقنية النانوية في إنتاج القنابل المنمنمة، ومن ثَم استخدامها في قتل الخلايا السرطانية في فئران المختبر. وعمل العلماء على تحرير ذرات مشعة من مادة (أكتينيوم 225) ترتبط بنوع من الأجسام المضادة من (قفص جزيئي)، ونجحت هذه الذرات في اختراق الخلايا السرطانية ومن ثم في قتلها.

وأكد (شينبيرج) أن فريق العلماء توصل إلى طريقة فعالة لربط الذرات بالأجسام المضادة ومن ثَم إطلاقها ضد الخلايا السرطانية. واستطاعت الفئران المصابة بالسرطان أن تعيش 300 يوم بعد هذا العلاج، في حين لم تعِش الفئران التي لم تتلقَّ العلاج أكثر من 43 يوماً.

وتوجد في كل (قنبلة) خلية ذات عناصر إشعاعية قادرة على إطلاق ثلاث جزيئات عند اضمحلالها. وكل جزيئة من هذه الجزيئات تطلق ذرة (ألفا) ذات الطاقة العالية، لذلك فإن وجودها داخل الخلية السرطانية يقلص من احتمال قيام ذرات ألفا بقتل الخلايا السليمة.


وتم تجريب الطريقة على خلايا مستنبَتة مختبرياً من مختلف الأنواع السرطانية التي تصيب الإنسان، مثل الأورام السرطانية في الثدي والبروستاتة وسرطان الدم. وستجرَّب الطريقة أولا في مكافحة سرطان الدم بعد أن تأكد العلماء أن التجارب على الفئران سارت دون ظهور أعراض جانبية.

(النانوبيوتيك).. أحدث بديل للمضاد الحيوي
توصل العلماء الأمريكيون إلى طريقة علمية جديدة لمكافحة البكتيريا القاتلة التي طورت مقاومة ضد المضادات الحيوية، وللبكتريا القاتلة الفتاكة التي طورت مناعة ذاتية للمضادات الحيوية، والبكتريا المحورة وراثيا المستخدمة عادة في الحرب البيولوجية. ويعتبر هذا النوع الجديد من الأدوية الذكية بديلا غير مسبوق للمضادات الحيوية، ويساعد على حل مشكلة مقاومة هذه الأنواع البكتيرية للأدوية.

ومن المعروف أن الجراثيم نشطت المقاومة للأدوية؛ بسبب إفراط المرضى في استخدام المضادات الحيوية، وعدم إدراك الأطباء لقدرة البكتيريا الكبيرة على تطوير نفسها لمقاومة المضادات الحيوية، كما تدخلت علوم الهندسة الوراثية والمناعة والكيمياء الحيوية في هندسة بعض الكائنات وراثياً بحيث لا تؤثر فيها المضادات الحيوية، كما لا تؤثر فيها الطعوم أو اللقاحات التي تم تحضيرها بناء علي التركيب الجيني للكائنات الطفيلية المُمرِضة العادية . وكانت منظمة الصحة العالمية قد أصدرت مؤخراً تحذيراً من أن جميع الأمراض المُعدية تطور مناعة ضد المضادات الحيوية بصورة منتظمة.



مخاوف حول التأثيرات الممكنة على الصحة الإنسانية والبيئة:
إيريك دريكسلر Eric Drexler العالم الذي وضع أسس النانو تكنولوجي حذر من التطوير القوي جداَ والتقنيات الخطيرة،في كتابه Engines of Creation ،تصور دريكسلر بأن الجزيئات الذاتية الإستنساخ التي عمل بها الناس قد تتجنب سيطرتنا. ولو أن هذه النظرية أساءت إلى سمعة الباحثين في هذا الحقل على نحو واسع،والعديد من المخاوف تبقى بخصوص تأثير النانو تكنولوجي على الصحة الإنسانية والبيئية بالإضافة إلى تأثير الصناعة الجديدة. يقلق النشطاء بإن العلم وتطوير النانو تكنولوجي سيتقدمان سريعاَ ويستطيعان إبتكار الإجراءات التنظيمية المناسبة.

One nanometer (nm) is one billionth, or 10−9, of a meter. By comparison, typical carbon-carbon bond lengths, or the spacing between these atoms in a molecule, are in the range 0.12–0.15 nm, and a DNA double-helix has a diameter around 2 nm. On the other hand, the smallest cellular life-forms, the bacteria of the genus Mycoplasma, are around 200 nm in length.

To put that scale in another context, the comparative size of a nanometer to a meter is the same as that of a marble to the size of the earth.[4] Or another way of putting it: a nanometer is the amount an average man's beard grows in the time it takes him to raise the razor to his face.[4]

Two main approaches are used in nanotechnology. In the "bottom-up" approach, materials and devices are built from molecular components which assemble themselves chemically by principles of molecular recognition. In the "top-down" approach, nano-objects are constructed from larger entities without atomic-level control.[5]

Areas of physics such as nanoelectronics, nanomechanics and nanophotonics have evolved during the last few decades to provide a basic scientific foundation of nanotechnology.


A number of physical phenomena become pronounced as the size of the system decreases. These include statistical mechanical effects, as well as quantum mechanical effects, for example the “quantum  size effect” where the electronic properties of solids are altered with great reductions in particle size. This effect does not come into play by going from macro to micro dimensions. However, quantum effects become dominant when the nanometer size range is reached, typically at distances of 100 nanometers or less, the so called quantum realm. Additionally, a number of physical (mechanical, electrical, optical, etc.) properties change when compared to macroscopic systems. One example is the increase in surface area to volume ratio altering mechanical, thermal and catalytic properties of materials. Diffusion and reactions at nanoscale, nanostructures materials and nanodevices with fast ion transport are generally referred to nanoionics. Mechanical properties of nanosystems are of interest in the nanomechanics research. The catalytic activity of nanomaterials also opens potential risks in their interaction with biomaterials.[6]

Materials reduced to the nanoscale can show different properties compared to what they exhibit on a macroscale, enabling unique applications. For instance, opaque substances become transparent (copper); stable materials turn combustible (aluminum); insoluble materials become soluble (gold). A material such as gold, which is chemically inert at normal scales, can serve as a potent chemical catalyst at nanoscales. Much of the fascination with nanotechnology stems from these quantum and surface phenomena that matter exhibits at the nanoscale.[7]


Modern synthetic chemistry has reached the point where it is possible to prepare small molecules to almost any structure. These methods are used today to manufacture a wide variety of useful chemicals such as pharmaceuticals or commercial polymers. This ability raises the question of extending this kind of control to the next-larger level, seeking methods to assemble these single molecules into supramolecular assemblies consisting of many molecules arranged in a well defined manner.

These approaches utilize the concepts of molecular self-assembly and/or supramolecular chemistry to automatically arrange themselves into some useful conformation through a bottom-up approach. The concept of molecular recognition is especially important: molecules can be designed so that a specific configuration or arrangement is favored due to non-covalent intermolecular forces. The Watson–Crick basepairing rules are a direct result of this, as is the specificity of an enzyme being targeted to a single substrate, or the specific folding of the protein itself. Thus, two or more components can be designed to be complementary and mutually attractive so that they make a more complex and useful whole.

Such bottom-up approaches should be capable of producing devices in parallel and be much cheaper than top-down methods, but could potentially be overwhelmed as the size and complexity of the desired assembly increases. Most useful structures require complex and thermodynamically unlikely arrangements of atoms. Nevertheless, there are many examples of self-assembly based on molecular recognition in biology, most notably Watson–Crick basepairing and enzyme-substrate interactions. The challenge for nanotechnology is whether these principles can be used to engineer new constructs in addition to natural ones.


Molecular nanotechnology, sometimes called molecular manufacturing, describes engineered nanosystems (nanoscale machines) operating on the molecular scale. Molecular nanotechnology is especially associated with the molecular assembler, a machine that can produce a desired structure or device atom-by-atom using the principles of mechanosynthesis. Manufacturing in the context of productive nanosystems  is not related to, and should be clearly distinguished from, the conventional technologies used to manufacture nanomaterials such as carbon nanotubes and nanoparticles.

When the term "nanotechnology" was independently coined and popularized by Eric Drexler (who at the time was unaware of an earlier usage by Norio Taniguchi) it referred to a future manufacturing technology based on molecular machine systems. The premise was that molecular scale biological analogies of traditional machine components demonstrated molecular machines were possible: by the countless examples found in biology, it is known that sophisticated, stochastically optimised biological machines can be produced.

It is hoped that developments in nanotechnology will make possible their construction by some other means, perhaps using biomimetic principles. However, Drexler and other researchers[8] have proposed that advanced nanotechnology, although perhaps initially implemented by biomimetic means, ultimately could be based on mechanical engineering principles, namely, a manufacturing technology based on the mechanical functionality of these components (such as gears, bearings, motors, and structural members) that would enable programmable, positional assembly to atomic specification.[9] The physics and engineering performance of exemplar designs were analyzed in Drexler's book Nanosystems.

In general it is very difficult to assemble devices on the atomic scale, as all one has to position atoms on other atoms of comparable size and stickiness. Another view, put forth by Carlo Montemagno,[10] is that future nanosystems will be hybrids of silicon technology and biological molecular machines. Yet another view, put forward by the late Richard Smalley, is that mechanosynthesis is impossible due to the difficulties in mechanically manipulating individual molecules.

This led to an exchange of letters in the ACS publication Chemical & Engineering News in 2003.[11] Though biology clearly demonstrates that molecular machine systems are possible, non-biological molecular machines are today only in their infancy. Leaders in research on non-biological molecular machines are Dr. Alex Zettl and his colleagues at Lawrence Berkeley Laboratories and UC Berkeley. They have constructed at least three distinct molecular devices whose motion is controlled from the desktop with changing voltage: a nanotube nanomotor, a molecular actuator,[12] and a nanoelectromechanical relaxation oscillator.[13]

An experiment indicating that positional molecular assembly is possible was performed by Ho and Lee at Cornell University in 1999. They used a scanning tunneling microscope to move an individual carbon monoxide molecule (CO) to an individual iron atom (Fe) sitting on a flat silver crystal, and chemically bound the CO to the Fe by applying a voltage.


[edit] Nanomaterials

The nanomaterials field includes subfields which develop or study materials having unique properties arising from their nanoscale dimensions.[15]

* Interface and colloid science has given rise to many materials which may be useful in nanotechnology, such as carbon nanotubes and other fullerenes, and various nanoparticles and nanorods. Nanomaterials with fast ion transport are related also to nanoionics and nanoelectronics.
* Nanoscale materials can also be used for bulk applications; most present commercial applications of nanotechnology are of this flavor.
* Progress has been made in using these materials for medical applications; see Nanomedicine.
* Nanoscale materials are sometimes used in solar cells which combats the cost of traditional Silicon solar cells
* Development of applications incorporating semiconductor nanoparticles to be used in the next generation of products, such as display technology, lighting, solar cells and biological imaging; see quantum dots.

[edit] Bottom-up approaches

These seek to arrange smaller components into more complex assemblies.

* DNA nanotechnology utilizes the specificity of Watson–Crick basepairing to construct well-defined structures out of DNA and other nucleic acids.
* Approaches from the field of "classical" chemical synthesis also aim at designing molecules with well-defined shape (e.g. bis-peptides[16]).
* More generally, molecular self-assembly seeks to use concepts of supramolecular chemistry, and molecular recognition in particular, to cause single-molecule components to automatically arrange themselves into some useful conformation.

[edit] Top-down approaches

These seek to create smaller devices by using larger ones to direct their assembly.

* Many technologies that descended from conventional solid-state silicon methods for fabricating microprocessors are now capable of creating features smaller than 100 nm, falling under the definition of nanotechnology. Giant magnetoresistance-based hard drives already on the market fit this description,[17] as do atomic layer deposition (ALD) techniques. Peter Grünberg and Albert Fert received the Nobel Prize in Physics in 2007 for their discovery of Giant magnetoresistance and contributions to the field of spintronics.[18]

* Solid-state techniques can also be used to create devices known as nanoelectromechanical systems or NEMS, which are related to microelectromechanical systems or MEMS.
* Atomic force microscope tips can be used as a nanoscale "write head" to deposit a chemical upon a surface in a desired pattern in a process called dip pen nanolithography. This fits into the larger subfield of nanolithography.
* Focused ion beams can directly remove material, or even deposit material when suitable pre-cursor gasses are applied at the same time. For example, this technique is used routinely to create sub-100 nm sections of material for analysis in Transmission electron microscopy.

[edit] Functional approaches

These seek to develop components of a desired functionality without regard to how they might be assembled.

* Molecular electronics seeks to develop molecules with useful electronic properties. These could then be used as single-molecule components in a nanoelectronic device.[19] For an example see rotaxane.
* Synthetic chemical methods can also be used to create synthetic molecular motors, such as in a so-called nanocar.

[edit] Biomimetic approaches

* Bionics or biomimicry seeks to apply biological methods and systems found in nature, to the study and design of engineering systems and modern technology. Biomineralization is one example of the systems studied.

* Bionanotechnology the use of biomolecules for applications in nanotechnology.

[edit] Speculative

These subfields seek to anticipate what inventions nanotechnology might yield, or attempt to propose an agenda along which inquiry might progress. These often take a big-picture view of nanotechnology, with more emphasis on its societal implications than the details of how such inventions could actually be created.

* Molecular nanotechnology is a proposed approach which involves manipulating single molecules in finely controlled, deterministic ways. This is more theoretical than the other subfields and is beyond current capabilities.
* Nanorobotics centers on self-sufficient machines of some functionality operating at the nanoscale. There are hopes for applying nanorobots in medicine,[20][21][22] but it may not be easy to do such a thing because of several drawbacks of such devices.[23] Nevertheless, progress on innovative materials and methodologies has been demonstrated with some patents granted about new nanomanufacturing devices for future commercial applications, which also progressively helps in the development towards nanorobots with the use of embedded nanobioelectronics concepts.[24][25]
* Productive nanosystems are "systems of nanosystems" which will be complex nanosystems that produce atomically precise parts for other nanosystems, not necessarily using novel nanoscale-emergent properties, but well-understood fundamentals of manufacturing. Because of the discrete (i.e. atomic) nature of matter and the possibility of exponential growth, this stage is seen as an the basis of another industrial revolution. Mihail Roco, one of the architects of the USA's National Nanotechnology Initiative, has proposed four states of nanotechnology that seem to parallel the technical progress of the Industrial Revolution, progressing from passive nanostructures to active nanodevices to complex nanomachines and ultimately to productive nanosystems.[26]
* Programmable matter seeks to design materials whose properties can be easily, reversibly and externally controlled though a fusion of information science and materials science.
* Due to the popularity and media exposure of the term nanotechnology, the words picotechnology and femtotechnology have been coined in analogy to it, although these are only used rarely and informally.



There are several important modern developments. The atomic force microscope (AFM) and the Scanning Tunneling Microscope (STM) are two early versions of scanning probes that launched nanotechnology. There are other types of scanning probe microscopy, all flowing from the ideas of the scanning confocal microscope developed by Marvin Minsky in 1961 and the scanning acoustic microscope (SAM) developed by Calvin Quate  and coworkers in the 1970s, that made it possible to see structures at the nanoscale. The tip of a scanning probe can also be used to manipulate nanostructures (a process called positional assembly). Feature-oriented scanning-positioning  methodology suggested by Rostislav Lapshin appears to be a promising way to implement these nanomanipulations in automatic mode. However, this is still a slow process because of low scanning velocity of the microscope. Various techniques of nanolithography such as optical lithography, X-ray lithography dip pen nanolithography, electron beam lithography or nanoimprint lithography  were also developed. Lithography is a top-down fabrication technique where a bulk material is reduced in size to nanoscale pattern.

Another group of nanotechnological techniques include those used for fabrication of nanowires, those used in semiconductor fabrication such as deep ultraviolet lithography, electron beam lithography, focused ion beam machining, nanoimprint lithography, atomic layer deposition, and molecular vapor deposition, and further including molecular self-assembly techniques such as those employing di-block copolymers. However, all of these techniques preceded the nanotech era, and are extensions in the development of scientific advancements rather than techniques which were devised with the sole purpose of creating nanotechnology and which were results of nanotechnology research.

The top-down approach anticipates nanodevices that must be built piece by piece in stages, much as manufactured items are made. Scanning probe microscopy is an important technique both for characterization and synthesis of nanomaterials. Atomic force microscopes and scanning tunneling microscopes can be used to look at surfaces and to move atoms around. By designing different tips for these microscopes, they can be used for carving out structures on surfaces and to help guide self-assembling structures. By using, for example, feature-oriented scanning-positioning approach, atoms can be moved around on a surface with scanning probe microscopy techniques. At present, it is expensive and time-consuming for mass production but very suitable for laboratory experimentation.

In contrast, bottom-up techniques build or grow larger structures atom by atom or molecule by molecule. These techniques include chemical synthesis, self-assembly and positional assembly. Dual polarisation interferometry is one tool suitable for characterisation of self assembled thin films. Another variation of the bottom-up approach is molecular beam epitaxy or MBE. Researchers at Bell Telephone Laboratories like John R. Arthur. Alfred Y. Cho, and Art C. Gossard developed and implemented MBE as a research tool in the late 1960s and 1970s. Samples made by MBE were key to the discovery of the fractional quantum Hall effect for which the 1998 Nobel Prize in Physics was awarded. MBE allows scientists to lay down atomically precise layers of atoms and, in the process, build up complex structures. Important for research on semiconductors, MBE is also widely used to make samples and devices for the newly emerging field of spintronics.

However, new therapeutic products, based on responsive nanomaterials, such as the ultradeformable, stress-sensitive Transfersome vesicles, are under development and already approved for human use in some countries.


As of August 21, 2008, the Project on Emerging Nanotechnologies  estimates that over 800 manufacturer-identified nanotech products are publicly available, with new ones hitting the market at a pace of 3–4 per week.[27] The project lists all of the products in a publicly accessible online.[28]  Most applications are limited to the use of "first generation" passive nanomaterials which includes titanium dioxide in sunscreen, cosmetics and some food products; Carbon allotropes used to produce gecko tape; silver in food packaging, clothing, disinfectants and household appliances; zinc oxide in sunscreens and cosmetics, surface coatings, paints and outdoor furniture varnishes; and cerium oxide as a fuel catalyst

The National Science Foundation  (a major distributor for nanotechnology research in the United States) funded researcher David Berube to study the field of nanotechnology. His findings are published in the monograph Nano-Hype: The Truth Behind the Nanotechnology Buzz.[30]  This study concludes that much of what is sold as “nanotechnology” is in fact a recasting of straightforward materials science, which is leading to a “nanotech industry built solely on selling nanotubes, nanowires, and the like” which will “end up with a few suppliers selling low margin products in huge volumes." Further applications which require actual manipulation or arrangement of nanoscale components await further research. Though technologies branded with the term 'nano' are sometimes little related to and fall far short of the most ambitious and transformative technological goals of the sort in molecular manufacturing proposals, the term still connotes such ideas. According to Berube, there may be a danger that a "nano bubble" will form, or is forming already, from the use of the term by scientists and entrepreneurs to garner funding, regardless of interest in the transformative possibilities of more ambitious and far-sighted work

Because of the far-ranging claims that have been made about potential applications of nanotechnology, a number of serious concerns have been raised about what effects these will have on our society if realized, and what action if any is appropriate to mitigate these risks.

There are possible dangers that arise with the development of nanotechnology. The Center for Responsible Nanotechnology suggests that new developments could result, among other things, in untraceable weapons of mass destruction, networked cameras for use by the government, and weapons developments fast enough to destabilize arms races ("Nanotechnology Basics").

One area of concern is the effect that industrial-scale manufacturing and use of nanomaterials would have on human health and the environment, as suggested by nanotoxicology research. Groups such as the Center for Responsible Nanotechnology have advocated that nanotechnology should be specially regulated by governments for these reasons. Others counter that overregulation would stifle scientific research and the development of innovations which could greatly benefit mankind.

Other experts, including director of the Woodrow Wilson Center's Project on Emerging Nanotechnologies David Rejeski, have testified[32] that successful commercialization depends on adequate oversight, risk research strategy, and public engagement. Berkeley, California is currently the only city in the United States to regulate nanotechnology;[33] Cambridge, Massachusetts in 2008 considered enacting a similar law,[34] but ultimately rejected this