«النانو تكنولوجي» ومستقبل العالم

بقلم: أ.د.صبحي فهمي منصور

أستاذ الأراضي بمعهد بحوث الأراضي والمياه والبيئة بمركز البحوث الزراعية

في السنوات القليلة الماضية برز الى الاضواء مصطلح جديد القى بثقله على العالم واصبح محط الاهتمام بشكل كبير – هذا المصطلح هو ما يطلق عليه (النانو).

ما المقصود بالنانو تكنولوجي؟

كثيرا منا لايعلم أن النانو هو تعبير مشتق من كلمة نانوس الإغريقية وهي تعني (القزم) أو الشيء المتناهي الصغر وهي عبارة عن وحدة قياس تعادل واحد على مليون من الملليمتر وواحد على مليار من المتر وهو مايساوي واحد على عشرة ألاف من سمك شعرة رأس الإنسان يُطلق على تكنولوجيا النانو العديد من المسميات ومن بينها النانو تكنولوجى – تكنولوجيا الجيل الخامس – تكنولوجيا الصغائر – تقنية المواد المتناهية في الصغر – التكنولوجيا المجهرية الدقيقة – تكنولوجيا المنمنمات.

لماذا كل هذا الولع بتقنية النانو وبمقياسه المتناهى فى الصغر؟

إن خواص المواد لا تتغير بتغير حجمها وصولاً إلى مقياس الميكرومتر ولكن وصولاً إلى حجم النانو متر تتغير الخواص كلية وإظهار خصائص غير متوقعة ولم تكن موجودة في خصائص المادة الأم، ومن بين خواص المادة التى تتغير عند الحجم النانوى:
1 – اللون.
2- درجة التوصيل.
3- درجة الانصهار.
4- حالة صلابتها.
5- شكل الجزيئات بها.
6- نشاط المادة فى التفاعل مع المواد الأخرى وغيرها من الخواص الأخرى.

نبذة تاريخية عن تقنية النانو

من غير المعروف بداية استخدام الانسان للماده ذات الحجم النانو لكن احدى المقتنيات الزجاجية الموجودة فى المتحف البريطانى تؤكد ان صانعى الزجاج قبل حوالى 2000 عام استخدموا حبيبات الذهب النانونية الغروية للتلوين دون أن يدركوا أهميتها.

عموما يمكننا القول ان البداية الفعلية لاستخدام تكنولوجيا النانو كان فى عام 1990، والتى خصصت لها الدول الصناعية الكبرى ملايين الدولارات لدعم بحوثها وتطويرها، ومن أجل ﻓﻬم مقياس النانو نحن بحاجة الى معرﻓﺔ الوحدات المستخدمة ﻓﻲ ﻗﻴﺎس وتحديد أبعاد تلك المواد، أي أن النانومتر يساوي جزء من مليار جزء من المتر. المواد النانونية هى تلك المواد التى يترواح مقاييس ابعادها بين 0.2 – 100 نانومتر.

خصائص المواد النانونية

تتغير خصائص المواد النانونية بشكل ملحوظ جدا حسب مكوناتها النانونية ويرجع التغير فى الخصائص الى:-

1- زيادة مساحة السطح: بزيادة مساحة الاسطح يزداد النشاط الكميائى لان التفاعلات الكميائية تحدث عند الاسطح.

2- التأثير الكمي: تبدأ التاثيرات الكمية فى التحكم فى تصرفات الماده عندما تصل الى الحجم النانوى فتؤثر على خواصها الكهربائيه والمغناطيسية والبصرية مثال ذلك: تغير لون الذهب الاصفر الى البرتقال وكذا لون محلول الفضة الى اللون الاحمر عندما يصل الى الحجم النانوى.

3- الخصائص الميكانيكية: ترتفع قيم الصلادة للمواد الفلزية عندما تصل مقاييس حبيبات المادة النانوي.

4- الخصائص المغناطيسية والكهربائية: تزداد معناطﻴﺴﻴﺘﻬﺎ وقدرتها ﻋﻠﻰ التوصيل الكهربائي، لذا تستخدم الحبيبات النانوية فائقة المعناطﻴﺴﻴﺔ ﻓﻲ: صناﻋﺔ أجهزة التحليل فائقة الدقة، وصناعة أجهزة التصوير بالرنين المغناطسي.

أنواع المواد النانوية

تقسم الجسيمات النانوية الى مجموعتين رئيسيتين هما:

1- الجسيمات النانوية العضوية: تشمل جسيمات الكربون النانوية (الفلورين)، و الجسيمات النانوية غير العضوية  Inorganic nanoparticles – magnetic nanoparticles الجسيمات النانونية المغناطيسية وتشمل: الجسيمات النانوية للمعادن النبيلة (الذهب والفضة) وكذلك اشباه الموصلات (اكسيد التيتانيوم واكسيد الزنك).

أشكال المواد النانونية

يتم تصنيع المواد النانونيهﻋﻠﻰ ﻋدة أشكال يمكن تصنيفها إلى ثلاث مجموعات رئيسية هى:

1- المواد النانونية أحادية الأبعاد: تتكون هذه المواد ﻋﻠﻰ شكل طﺒﻘﺔ مسطحة رﻗﻴﻘﺔ ذات سمك نانوي ﻓﻲ بعد واحد فقط ولا يشترط بعداها الاخران، بمقاييس نانوية.

2- المواد النانونية ثنائية الأبعاد: يقصد بها المواد التى يقل فيها مقياس بعدين من أبعادها عن 100 نانومتر مثل الانابيب والالياف والاسلاك النانونية.

3- المواد النانونية ثلاثية الأبعاد: يقصد بها المواد التىتقل مقاييس أبعادها الثلاثة عن 100 نانومتر ويطلق عليها الكريات النانونية مثل الحبيبات النانونية والمساحيق فائقة النعومة.

تقنيات تصنيع المواد النانونية

ـ التقنيه الاولى: يتم ﻓﻴﻪ تصغير حبيبات المادة بمقاييس أبعادها عن الأعلى إلى الأسفل أي من القمة إلى القاع وتتضمن هذه التقنية ﻋدة طرق منها:
1- الطحن الميكانيكي.
2- التذرية أو اﻻﺴﺘﺼﺎل اليزري.
3- الحفر أو الحك.
4- التنفيل أو البعثره الميكانيكية – الكميائية.
5- الطباعة الحجرية الليثوجرافى.

ـ التقنية الثانية: يتم عن طريق تجميع جزيئات المادة، أي الصعود بمقاييس الأبعاد من القاع الى القمة أو من أسفل الى أﻋﻠﻰ: تجميع الذرات حتى تصل الى المقياس النانوى، ومن الطرق المستخدمة فى ذلك:
1- طريقة السول – جل.
2- طريقة ايروسول.
3- طريقة الترسيب الكميائى.

الأجهزة المستخدمة في فحص ودراسة خصائص المواد النانوية

• المجهر الالكترونى النافذ.
• المجهر الالكترونى الماسح.
• مجهر القوة الذرية.
• حيود الاشعة السينية.
• تطبيقات التقنية النانونية.

استخدامات النانوتكنولوجي في المجال الطبي

1 ـ NANOPOWDER – مسحوق النانو: قد استفاد الطب كثيرا من مسحوق النانو؛ وذلك في تصنيع الأدوية المستنشقة.

أن المركبات الميكومترية يمكن أن تترسب على جدران الحويصلات الهوائية بالرئة ويؤدي ذلك عادة إلى الكثير من المضاعفات والآثار الجانبية لتناولها، أما باستخدام مسحوق النانو فقد تم التغلب على هذه المشاكل نهائيا لتصبح الأدوية المستنشقة اقل خطورة على المريض.

2- الأنابيب النانومترية: تم استخدام نوعين من أنواعها: ومن تطبيقاتها هى:
• أ. توصيل الأدوية والعقاقير.
• ب. في العلاج بالجينات.

3- الأجهزة الحيوية النانومترية: تعتمد فكرة هذه الأجهزة على إعادة بناء المركبات النانومترية لتكوين مركبات جديدة تساعد في التطور الطبي، ويمكننا باستخدام هذه المركبات فى تشخيص أمراض كثيرة في الخلايا بطرق أقل عنفًا من الطرق الحالية.

4- الحوامل النانومترية وعلاج السرطان: يعتمد الباحثون الآن للحكم على الأدوية والعقاقير التي تستخدم في العلاج الكيميائي على مدى كفاءة الدواء في الوصول إلى هدفه بداخل الخلية التي يجب الوصول إليها، وكذلك على مدى قدرته على اختيار هدفه بكل دقة. لذلك يتجه العلماء حاليا إلى البحث في مجال النانوتكنولوجي لتكون حاملة لهذه الأدوية.

الميزات والتطبيقات المستقبلية لتقنية النانو

1- النانوكمبيوتر Nano computers، حيث تم تصميم كمبيوترات متناهية الصغر وذاتية التحلل يتم حقنها في جسم المريض، تقوم بعمليات محددة حسب برنامجها، وسوف يتم استخدامها في كثير من المجالات بحلول عام 2010 : 2020 ومنها:

أ- القضاء على الخلايا المتسرطنة: حيث بإمكان هذه الأجهزة المتناهية الصغر أن تتحرك داخل الجسم بحثا عن الخلايا السرطانية وقتلها.

ب- الإمداد بالأوكسجين.

ت- ميتوكندريا صناعية.

2- خلايا الدم النانومترية: هى خلايا دم حمراء صناعية يمكنها حمل الأكسجين بقدرات فائقة حيث تصل قدرتها في ذلك 236 مرة مثل خلايا الدم الحمراء الطبيعية.

3- خلايا الأوعية الدموية Vasculocytes: هى خلايا تقوم باصلاح أمراض الشرايين المختلفة مثل تصلب الشرايين وانفجار الشرايين.

4- الخلايا المنظفة Microbivore: هى أجهزة تقوم بتنظيف الدم من الأجسام العالقة فيه والمسببة للأمراض.

5- توصل العلماء إلى علاج فعال لعلاج إصابات الحبل الشوكى المعيقة لحركة الإنسان لما تسببه من شلل ويطلق عليه “جيل النانو السائل” الذى يتم حقنه فى الجسم ليعمل على نمو جديد للخلايا العصبية للحبل الشوكى ويحول دون إصابة الإنسان بالشلل.

تطبيقات النانو في المجال البناء

ـ إضافة مواد نانونية الى الخرسانة لاكسابها قوة ومتانة وخفة في الوزن مثل أنابيب الكربون النانوية التي تتميز باقوى (250) مرة من الفولاذ بنفس السمك واخف بعشر مرات.

ـ تحتوي المباني الحديثة على مجسات نانوية تقوم بالتحسس لتلف المواد و التحكم في درجة حرارةالمبنى
• فرش المكاتب بمواد مغلفة بطبقة نانوية مقاومة للملوثات والبلل.

تطبيقات النانو في المجال البيئي

• استخدام مواد نانوية صديقة للبيئة تتفاعل مع الاشعة الفوق بنفسجية مما يتيح عملية التنظيف الذاتي للمواد مثل الشبابيك و زجاج السيارات.

• استخدام الجسيمات النانوية التي تعمل على التخلص من الملوثات والتخلص من الروائح الكريهة مثل استخدام جسيمات الفضة و ثاني اكسيد التيتانيوم والنانويين.

• تقنية النانو وما تقدمه لنا فى مجال الصناعات المختلفة منها على سبيل المثال: المعدن المطاطى ـ ملابس لا تبتل بالماء ـ تحلية المياه ـ روبوت نانوي ـ خشب لا يحترق بالنار ـ تنظيف مياه الشرب ـ رداء الأخفاء ـ البطارية الورقية ـ النانو بيوتك ـ تصنيع الورق المصري بالنانو تكنولوجي ـ أصغر راديو في العالم Nano radio ـ ملابس النانو تكنولوجي تغير لونها في ضوء الشمس.

تقنية النانو في صناعة الأغذية

التطبيق الأكثر إثارة هو لشركة متخصصة في صناعة الأغذية؛ فقد قامت باختراع مشروبات مبرمجة وهي مشروبات لا طعم له ولا لون يتضمن نانو جزيئات للون والطعم عندما توضع في الميكروويف عند تردد معين تتحول إلى عصير ليمون وعند تردد اَخر تتحول إلى عصير تفاح وهكذا.

النانو والزراعة

• فى السنوات الاخيرة ظهرت كثير من الدراسات والابحاث التى تناولت إدخال تقنية النانو فى Agro-Nanotechnology المجال الزراعى وهو مايسمى.

• منها ما كان له تاثيرات إيجابية مبشرة، ومنها ما لم يحدث تغييرات يمكن الإشارة لها، ومنها ما أحدث تغييرات مورفولوجية وهستولوجية أدت إلى ظهور صفات غير مرغوب فيها، ومن أهم الدراسات الواعدة هو:

1- إستخدام تقنية النانو فى حفظ الاغذية ومكافحة الافات الحشرية وألاكاروسات ورصد أماكن تواجد الإصابات الحشرية داخل الحقول الزراعية.

2- تقليل الفقد فى المحاصيل الزراعية.

3- تنقية التربة من العناصر الثقيلة التى تعيق إمتصاص النباتات للعناصر الغذائية والماء كما تساعد فى تنقية المياه من المواد الثقيلة العالقة بها بصورة تفوق عملية التناضح العكسى وبشكل أقل فى التكلفة.

• استخدام تقنية النانو في الزراعة والغذاء.

• هناك طلب متزايد على الغذاء الآمن والصحي، وهناك مخاطر كثيرة تهدد الإنتاج الزراعي والسمكي من تقلبات المناخ والأمراض وغيرها، وتقنية النانو لها القدرة على تطوير القدرات الزراعية والغذائية بأدوات جديدة للكشف السريع على الأمراض، المعالجة الجزيئية للأمراض، ومعالجة قدرات النبات على امتصاص الأغذية وغيرها. كما أن تقنيات النانو لها القدرة على تغيير الصناعات الغذائية برمتها فهي تعمل على تغيير الطريقة التي تنتج و تغلف و تنقل وكذا طريقة استهلاكها ومن أهم هذه الاستخدامات.

الزراعة الدقيقة Precision Farming

الغرض من الزراعة الدقيقة هو:

1- زيادة المخرجات (غلة المحاصيل).

2- تقليل المدخلات (الأسمد والمبيدات الحشرية والنباتية) من خلال مراقبة المتغيرات المناخية واتخاذ بعض لأجراءات المستهدفة وتستخدم فيها أجهزة الإحساس والمراقبة النانونية حيث توزع في الحقول الزراعية وتراقب حالات التربة، الأسمدة، الكيماويات، الآفات، الملوثات واستخدام المياه وتقيس حالة المناخ لمعرفة إن كانت المحاصيل تنمو بأكبر كفاءة ام لا ثم يتم معالجتها. كل هذا سيؤدي إلى إنتاج زراعي كبير بتكلفة قليلة مما يؤدي إلى تقليل الفضلات الزراعية وتلوث البيئة.

أنظمة التوصيل الذكية Smart delivery systems

• استخدام أجهزة نانونية بخواص متميزة لجعل الأنظمة الزراعية تتسم بالذكاءويصبح 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 النانوني في توصيل الأدوية للإنسان.

• العلماء يعملون على إنتاج أنظمة نانونية لتوصيل الأسمدة والمبيدات الحشرية بطريقة تستطيع أن تتفاعل فيها مع التغيرات المناخية.

• البحوث الجديدة في هذا المجال تهدف إلى جعل النباتات تستخدم الماءوالمبيدات والأسمدة بشكل أكثر كفاءة لتقليل التلوث وجعل الزراعة صديقة للبيئة.

الزراعة العملية

• كاستخدام الزراعة لأغراض صناعية مثل زراعة نبات في تربة غنية بالذهب فيمتص النبات جسيمات الذهب النانونية ويجمعها في انسجته ومن الممكن فصلها عن النبات بعد الحصاد.

• تقنية النانو من الممكن استخدامها لتنقية المياه الجوفية باستخدام الألياف النانونية لأكسيدالألومنيوم.

التغليف وأمن الغذاء

• 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 نانونية 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 النانونية التي تساعد على أمن وسلامة الأغذية.

ـ معالجة الأغذية: مجموعات بحث كثيرة تشتغل لتطوير طعام وقت الحاجة، الذي يبقى نائمًا في الجسم ويوصل التغذية عند الحاجة لها، وتطوير كبسولات نانونية موجودة في الغذاء لتوصيل التغذية وكذلك إضافة نوع من الجسيمات النانونية للطعام الحالي لزيادة امتصاص المغذيات، (بعض الشركات تدرس توصيل المغذيات في شكل جسيمات نانونية إلى الخلايا مباشرة وأخرى تدرس الأغذية الذكية التي تطلق المغذيات للاستجابة لأوجه القصور المكتشفة من أجهزة الإحساس النانونية).

ـ كل هذه التطورات تسعى للحصول على كثير من المزايا مثل زيادة الطاقة، تحسين وظائف الإدراك،التمتع بمناعة أفضل، وإطالة العمر.

ـ تكنولوجيا النانو في المبيدات الحشرية والتغيرات المناخية.

ـ قدمت النانوتكنولوجي حلا لمشكلة المبيدات الحشرية وتضمن الأستفادة من فوائد المبيدات وتمنع وصول أخطارها للأنسان وذلك عن طريق:

1- تصنيع هذة المبيدات في كبسولات نانومترية Nano capsulated.

2- تغليف المبيدات والمواد الكيميائيه (بمركب نانوى) ذات القدرة العالية على الذوبان والتخلل داخل النبات والاستقرار والثبات داخل حيز التطبيق (المنطقة المعاملة)، وبذلك تعمل على:
– تقليل كمية المواد الكيميائية المستخدمة.
– تقلل من عمليات تكرار التطبيق مره أخرى.
– توفر أفضل وأسهل طريقة لاختراق النباتات من طرق عدة نتيجة صغر حجمها وسرعة انتشارها.

• فى تجارب أخرى تم أستخدام جزيئات السيليكا ذات البنية النانومترية،Porous Hollow Silica Nanoparticles  PHSNs) كغلاف (بسمك 15 نانومتر وقطر الثقوب 4-5 نانومتر) لحماية المبيدات التقليدية من فعل التحلل والهدم بفعل العوامل الجوية المحيطه مثل استخدام السيليكا ذات البنية النانومتريه كغلاف لمبيد الفيرماكتين، مما أدى الى تقليل عملية التحلل لمركبات المبيد وزيادة بقاءه داخل البيئة وقدرتها على تخزين لفترات أطول تحت ظروف مختلفة، حيث تكون المادة ذات البنية النانومترية ناحية الخارج والمادة الفعالة للمبيد الكيماوى داخلها اى ان الماده النانومترية تعمل كحاملة فقط للمبيد، ومن النتائج أتضح ان أطلاق المبيد كان بصورة مثالية مما يبشر بتطبيقات واسعه فى المستقبل لانتاج قوالب متنوعة للحوامل النانومترية.

لقد توصلت الدراسات والابحاث الكثيرة الى تطوير طرق جديده تعتمد على النانوتكنولوجي في الكشف عن متبقيات المبيدات تتميز هذه الطرق بالدقة العالية والسرعة ولاتحتاج الى عينات كثيرة فضلا عن الحساسية العالية والكشف بمعدلات اسرع مقارنة بالطرق الاخرى التي تعتمد على الكروماتوجرافي والاختبارات المناعية (لذا ظهر مايعرف بالمتحسسات النانوية).

تحطيم المبيدات الكيمياوية

• استعمل الجسيمات النانوية في تحطيم المبيدات الكيمياوية ومتبقياتها حيث اظهرت الدراسات ان المبيدات مثل
(Atrazine وMalonate وChlorpyrofos).

• من المبيدات الاكثر حساسية للتحلل بواسطة جسيمات الحديد النانوية.

• كما اظهرت تلك الجسيمات كفاءة في تحطيم مبيدات مجموعة السايكلودين التي تتميز بمقاومتها لعوامل التحلل المختلفة.

• على جانب أخر: كان استخدام المواد ذات البنية النانومترية كبديل للأسمدة التقليدية أو كحوامل لمكوناتها له صفات مميزه منها زيادة السيطرة والتحكم على عملية التوجية، والقدرة على زيادة الإستجابة النباتية للاسمدة النانومترية كما إنها الية مناسبة لعملية نقل المركبات الى الاماكن المستهدفة فى النبات سواء الجذور او الثمار او الاوراق او كل الأجزاء النباتية.

فى تجربة لإستخدام الأسمدة التقليديه المغلفة ببعض المواد النانومترية مثل: Nanomaterials ـ Clay polyester او Humus-polyester أو plastic starch، على محصول القمح فكانت الأسمده ذات البنية النانومترية Nanocomposites، ذات تأثيرات أمنة على البذور وأرتفعت فيها نسبة الإنبات (99% إنبات) مما زاد من كمية المحصول والنمو وهذا يرجع إلى قدرة المركبات النانومترية على الوصول واختراق البذور وزياده حيويتها من خلال تحسين امتصاصها للمواد العضوية الهامة وتحسين وظائفها الحيوية.

كأستخدام ناجح للرقائق او الجزيئات النانومترية كمضادات لمسببات الامراض الميكروبيه (فطريات او بكتيريا او نيماتودا أو بروتوزوا او فيروسات..الخ) تم القضاء على الامراض التى تسببها الفطريات الممرضة حيث استطاعت الفضه ذات البنيه النانومترية اختراق جدر الخلايا الفطرية والهيفات الممرضة للانسجة النباتية مثل أمراض التعفنات فى محاصيل الخضر المختلفة، حيث ان الفضه ذات البنية النانومترية تسبب انفصال للهيفات من جدران الفطر أو انهيار الهيفات بكاملها كما تقلل من نمو الكونيدات قدرتها على التمدد والنمو والانتشار وتثبيط النمو الميكروبى أو عن طريق تصنيع المبيدات الحشرية في الحجم النانومتري والأستفادة من زيادة كفاءتها بأقل التركيزات الممكنة أو عن طريق تطوير جيل جديد من المبيدات عالية التخصص لحشرات معينة دون غيرها يمكن التحكم في عملها عن بعد في الوقت والمكان المناسبين.

كذلك يمكن إستخدامه للتغلب على مشكلات أرتفاع درجة حرارة الارض وماله من تأثير على نمو النباتات حيث أمكن إستخدامة لأنتاج نباتات تتحمل درجات حرارة عالية إما عن طريق مساعدة النباتات في إمتصاص المفيد من أشعة الشمس وعكس الباقي أو تطوير مبردات مائية على هيئة كبسولات نانومترية يمتصها النبات تحتفظ بكميات من المياة داخل أجزاء النبات الى فترات طويلة.

تطوير خزانات المياه النانومترية التي تخزن مياه الأمطار في التربة حتى يستخدمها النبات في أوقات الجفاف وخصوصا في الأراضي الصحراوية، وفى هذا الصدد استعمل الجل النانوي القابل للاحتفاظ بالماء والعناصر الغذائية، وبالتالي الكفاءة العالية في استعمال مياه المزروعات، حيث اظهرت التربةالمعاملة بالفضة المغلفة بالهيدروجل ان الماء يبقى بنسبة 7.5% اكثر من التربة غير المعاملة كما انه يستطيع تخزين مابين 130 -190 مرة من وزنه من مياه الامطار او الري.

كما وجد ان جسيمات السليكاالنانوية تزيد من تحمل الجفاف وذلك بتشجيع معدلات التمثيل الضوئي والتوصيل الثغري تحت إجهاد الجفاف، بالإضافة إلى زيادة قدرة الماء في خلايا الخشب تحت ظروف شد الجفاف. تتوافق هذه النتائج مع مجموعة متنامية من الأدلة التي تشير إلى أن مختلف تطبيقات السيليكون/ السيليكا والتي يمكن أن تحسن من تحمل الإجهاد اللاحيوي في العديد من أنواع المحاصيل.

تكنولوجيا النانو في مجال الأسمدة

• اتجه العالم في السنوات الأخيرة إلى استخدام التقنيات الحديثة في إنتاج الأسمدة الذكية، التى تتميز بانخفاض أسعارها، وسهولة رشها، إلى جانب أثرها الصحى الآمن على النبات والإنسان والتربة مقارنة بالأسمدة الكيماوية المتداولة حاليا وحديثا، أمكن استخدام المواد النانوية فى التسميد الزراعى كبديل فعال للأسمدة التقليدية وبأسعار تنافسية وبكميات اقل كما يمكن تخزينها لفترات اطول نتيجة ثباتها العالى تحت الظروف المختلفة؛ كما تدخل فى عملية معالجة بعض المنتجات الثانويه الاقل اهمية اقتصادية من خلال ما يسمى Nano bioprocessing، والوقاية من الامراض الحشرية والمسببات الميكروبية من خلال تعزيز دفاعات النباتات بالتعديل الجينى داخل الخلية النباتية فيما يسمى Nanogenentic Modified، أو التعديل فى أشكال المبيدات لجعلها مركبات أكثر فاعلية وأقل ضررا وأوسع إنتشارا فيما يسمى Nanocides.

كما يمكن تخليق المواد النانوية من بعض النباتات مما يقلل اضرارها على الانسان ويقلل من تكلفة استخلااصها مثل استخلاص السليكا ذات البنية النانوية من قش الارز، ومن أحدث التقنيات المستخدمة في مجال إنتاج الأسمدة النانوتكنولوجى الذى أثبت فعالية كبيرة في تحسين الإنتاجية وإطالة عمر الثمار مع توافر عوامل السلامة والأمان في عمليات التصنيع والإنتاج والاستخدام الزراعي وفقا للمعايير المتبعة في العالم، مثال ذلك تكنولوجيا النانو الخضراء فى تسميد المحاصيل بالعناصر الغذائية الصغرى.

تكنولوجيا النانو الخضراء تهدف إلى تحسين جودة الغذاء عن طريق زيادة كفاءة إستخدام أسمدة العناصر الصغرى بإستخدام الميكروكبسولات أو كبسولات النانو أو جزيئات ومواد النانو كمصدر للعناصر الغذائية الصغرى.

• أولاً: الميكروكبسولات: عبارة عن نوع من الاسمدة يتم إنتاجها عن طريق عملية تغليف أسمدة العناصر الصغرى التجارية باستخدام طبقة رقيقة من مادة بوليمر بهدف حماية العناصر الصغرى من التثبت السريع بالتربة والتحكم فى انطلاقها إلى محلول التربة خلال موسم النمو .. ميكانيكية انطلاق العناصر الصغرى من الميكروكبسولات تتم من خلال الانتشار المباشر للعناصر الصغرى من طبقة البوليمر الرقيقة.. ومركبات البوليمر الحاملة للعناصر الصغرى تذوب بقلة فى الماء ولكنها تذوب فى الأحماض العضوية وهذا يعنى الاستفادة من تلك المركبات مع النشاط الحيوى بالتربة .. ومن امثلة مواد التغليف (البوليمر)، الشيتوسان – الجينات – لجنو سلفونات – بكتين – إيثيلين فينيل اسيتات.

• ثانياً: نانو كبسولات العناصر الصغرى: عبارة عن مركبات صناعية مكونة من السليكا أو سليكا والمونيوم تتميز بالمسامية الداخلية ولها مساحة سطح كبيرة ولها مواقع للأدمصاص والتبادل الأيونى وتقوم هذه الكبسولات بتقليل معدل انطلاق العناصر الصغرى منها إلى التربة والنبات .. ويمكن لبعض المركبات الطبيعية مثل البنتونيت والصابونيت والميتاكاؤولين أن تقوم بنفس عمل النانو كبسولات فى تقليل معدل انطلاق العناصر الصغرى إلى النبات لتشابه تركيبها مع المواد المصنعة المكونة لكبسولات النانو.

• ثالثاً: جزيئات ومواد النانو للعناصر الصغرى: عبارة عن تجمعات لذرات أو جزيئات يتراوح قطرها من 1-100 نانو متر لآكاسيد الحديد والمنجنيز والزنك والنحاس والبورون والموليبديوم تستخدم كمصدر مباشر لزيادة كفاءة امتصاص العناصر الغذائية الصغرى من التربة إلى النبات أو استخدام تلك الآكاسيد فى الرش الورقى.

• قد تم ترتيب المنتجات السمادية التى تزيد من كفاءة استخدام أسمدة العناصر الصغرى على النحو التالى: جزيئات ومواد النانو (=) كبسولات النانو (≥) الميكروكبسولات (>) المخلبيات (>) املاح العناصرالصغرى.

• تطبيقات استخدام جزيئات النانو لأسمدة العناصر الصغرى: أجمعت معظم البحوث والتجارب الحقلية أن التركيز المناسب للرش الورقى من أسمدة العناصر الصغرى النانو هو لمخلوط مكون من: 20 جزء فى المليون من اكسيد الزنك و50جزء فى المليون من اكسيد الحديديك و50جزء فى المليون من اكسيد النحاس.

• استخدام مركبات أسمدة النانو للعناصر الصغرى والتى توجد فى صورة غروية إما رشاً على أوراق النبات أو إضافه أرضية أو نقعاً لبذور المحاصيل أدى إلى:

• زيادة نشاط عمليات التخليق الضوئى.
• زيادة تحمل المحاصيل لظروف الإجهاد المختلفة.
• زيادة مقاومة المحاصيل للامراض.
• المحافظة على الصفات الجينية المطلوبة للمحاصيل الزراعية.
• تكنولوجيا النانوفى معالجة نقص مياه الري وتوفيرها.
• توصل باحثون مصريون بالاشتراك مع إدارة الصحراء النرويجي إلى توفير معالجة نقص مياه الري وتوفيرها عن طريق استخدام تكنولوجيا النانو والتى تعد من الطرق الحديثة فى الزراعة والتى ستكون لها اثرها الواضح خلال المستقبل القريب.

أكد ان تكنولوجيا النانو هي عبارة عن مخلوط من معادن الطين المختلفة بنسب معينة والتى يتم ضغطها بطريقة ميكانيكية معينة ثم يتم حقنها بالتربة الرملية مع مياه الري بواسطة الماكينة الزراعية حيث يعمل مخلوط معادن الطين على توفير مياه الري وذلك عن طريق:
– زيادة درجة التشبع للتربة.
– زيادة المحتوي الرطوبي وكذلك زيادة السعة الحقلية.
– زيادة تماسك التربة وتكوين بناء أرضي للتربة.

كل هذه المميزات تؤدي بدورها:
1- اطالة فترات الري وحفظ مياة الري عند اضافتها إلي التربة الرملية.
2- تساعد علي زيادة نسبة الانبات وتقليل نسبة البخر والنتح من التربة.
3- تحسين الخصائص الفزيائية للتربة، بالاضافة إلى العديد من المميزات الاخري وتم تنفيذ هذه التجرية على مساحة 8 فدان علي أرض مشروع النظم الزراعية بالاسماعيلية علي محصول القمح صنف سخا 93 وكانت نتائجه:-

1- توفير ما يزيد عن 700 متر مكعب من مياه الري حيث أن المعدل الطبيعي هو من 1800 إلي 2300 متر مكعب في حالة الزراعة التقليدية حيث يتم ري القمح من يومين إلى ثلاث ايام فى الاراضي الصحراوية ومع استخدام تكنولوجيا النانو أدت إلى اطالة فترات الري إلي 6 ايام بين الرية والاخري مما أدي إلى توفير هذه الكمية من المياه إلتي يمكن عن طريقها زيادة مساحة الرقعة الزراعية فى الأراضي الصحراوية بأستخدام هذه التكنولوجيا.

2- زيادة المحصول كما ونوعا حيث ان المعدل الطبيعي لصنف قمح سخا 93 يتراوح في الاراضي الصحراوية من7 – 9 ارداب للفدان إلي انه بعد استخدام هذه التكنولوجيا كان المعدل من 12-13 ارداب علما بأنه تم اضافة نفس المعدلات السمادية الموصي بها.

• التغلب على المشكلات الناتجة عن التغير المناخى.

1- انتاج نباتات تتحمل درجات الحرارة العالية.

2- مساعدة النبات فى امتصاص المفيد من أشعة الشمس وعكس الباقى.

3- تطوير مبرادات مائية على هيئة كبسولات نانومترية يمتصها النبات وتحتفظ بكميات من المياه داخل اجزاء النبات فترات طويلة.

4- تطوير خزانات مياه نانومترية (جزيئات السليكون المسامية المفرغة) تخزن اوتحتفظ بمياه الأمطار داخل التربة حتى يستخدمها النبات فى وقت الجفاف، خاصة فى الأراضى الصحراوية.

مستقبل النانو تكنولوجي في مصر

تمتلك مصر قاعدة من العلماء، سواء في دول المهجر أو في الداخل، والذين يمكن اعتبارهم نواة رئيسية لبدء أبحاث محلية جادة لاستخدام النانو تكنولوجي في عدد من المجالات وأهمها تحسين الإنتاج الزراعي، مقاومة الآفات الزراعية، إنتاج الطاقة البديلة، معالجة مياه الشرب، علاج وتشخيص بعض الأمراض المزمنة، تطوير الأدوية، معالجة الطعام وتخزينه، معالجة تلوث الهواء، بالإضافة إلى تطوير صناعة الإلكترونيات.

لذا من الضرورة توطين صناعة الإلكترونيات والصناعات الدقيقة في وادي التكنولوجيا بالإسماعيلية، ضمن مشروع تنمية محور قناة السويس، وأنه بإمكان مصر امتلاك تكنولوجيا النانو بكفاءة عالية خلال سنوات قليلة عن طريق تطوير الخبرة المصرية في مجال أبحاث وتقنيات النانو تكنولوجي وإعداد كوادر بشرية مدربة في هذا المجال خاصة بعد دعم وزارة الاتصالات مركز النانو تكنولوجي بجامعة القاهرة، بنحو 150 مليون جنيه كأول مركز من نوعه بالمنطقة العربية، سيبدأ تنفيذ عدد من المشروعات البحثية بمجالات تحلية المياه والطاقة الشمسية واستخدام تكنولوجيا المعلومات في المحاكاة.

يتنبأ العلماء بمستقبل واعد لهذه التقنية والتي باتت الدول الصناعية تضخ الملايين من الدولارات من أجل تطويرها ووصل تمويل اليابان لدعم بحوث النانو تكنولوجي لهذا العام إلى مليار دولار والولايات المتحدة الأمريكية لديها أكثر من 400 شركة أمريكية من أصل 1700 شركة في العالم تعمل في هذا المجال، تليها اليابان ثم كندا وبعدها ألمانيا، وتأتي الهند والصين في مقدمة الدول الأسيوية المهتمة بتقنية النانو. أما إسرائيل فهي أحد رواد هذه التقنية بسبب دعمها وتشجيعها لمراكز البحوث العلمية العديدة، إذ أنفقت مئات الملايين من الدولارات لدعم مراكز البحوث وبدعم كبير ومساعدة من الولايات المتحدة ، وتم حشد أكثر من 200 عالم وباحث من مختلف الاختصاصات للبحث في أسرار هذة التقنية ، علما بأنها تمتلك وتدير أكثر من 80 شركة متخصصة في هذا الميدان.

في تصوري أن دخولنا لمجال النانو تكنولوجي لم يعد محل اختيار و في اعتقادي أن الجامعات ومراكز الابحاث تعد بالطبع هي المعمل الرئيسي لتطوير قدراتنا الوطنية في النانو تكنولوجي إلا أنه وللأسف رغم أن العالم المتقدم يتحدث بقوة عن هذه التقنية منذ منتصف السبعينيات ويتم تدريسها في الكليات التكنولوجية والهندسية إلا أن الغالبية العظمى من جامعاتنا ما زالت بعيدة كل البعد عن هذا المجال ، وكأننا نعيش في كوكب، ولم تتولد لدينا القناعة أن البحث العملي يجب أن يكون لتحسين حياة البشر وإيجاد الحلول العملية لمشاكل مجتمعنا.

منذ عامين تقريبا، بدء محاولات جادة لبعض الجامعات المصرية – جامعة القاهرة بالتعاون مع جامعة النيل، ومركز البحوث الزراعية بالجيزة، أكاديمية البحث العلمي وأخيرا جامعة الإسكندرية – لإقامة مجموعة من المراكز المعنية بتعظيم الاستفادة من النانو تكنولوجي في عدد المجالات وفي نفس الوقت بناء قاعدة محلية من الكوادر البشرية المتخصصة في هذه التقنية بالتعاون مع العلماء المصريين بالخارج والمراكز البحثية، بهدف تبادل الخبرات، ونرجوا من الله ان يكون مشروع وادي السليكون هو الحضانة الرئيسية للدخول لعصر النانو تكنولوجي حتى يمكننا اللحاق بركب هذه الثورة الجديدة في عالم الذرة والجزيئيات؟

مخاطر النانو تكنولوجي

ـ يخشى بعض العلماء من استخدام مثل هذه التقنيات لأغراض لا إنسانية، وبحسب العالم نبيل جوي «هي تقنية مبيدة، عديدة المخاطر يمكن أن تؤدّي لظهور «جود الرمادي» وهو عبارة عن آلة متقدمة تكنولوجياً، دقيقة الحجم، تستطيع أن تستنسخ نفسها، كما تفعل الكائنات الحيّة الدقيقة، وتتحول إلى جحافل من التجمعات الآلية الصغيرة، تقتلع أي شيء في طريقها، وتبيد كل أشكال الحياة على وجه الأرض.

ـ لقد صدر حديثا عن “الدار العربية للعلوم ـ ناشرون” في بيروت بلبنان، للباحثة الدكتورة صفات سلامة، كتابٌ بعنوان: النانوتكنولوجي: عالمٌ صغيرٌ ومستقبل كبير.. مقدمةٌ في فهم علم النانوتكنولوجي. وقدَم للكتاب عالم الفيزياء الأمريكي ورائد النانوتكنولوجي العربي الأصل البروفيسور منير نايفة، الأستاذ بجامعة ايلينوي الأمريكية. تناولت المؤلفة الحديث عن المخاوف من الآثار الصحية والبيئية المحتملَة لتقنية النانوتكنولوجي، وكذلك المخاوف من تطبيقات النانوتكنولوجي في المجالات العسكرية، وأشارت إلى أن تمويل الأبحاث الخاصة بالآثار الصحية والبيئية المترتبة على النانوتكنولوجي يجب أن يتناسب مع تمويل الأبحاث الخاصة بتطوير تلك التكنولوجيا، وإيجاد السبل اللازمة لرصد المخاطر الجديدة المحتملة، والتعامل معها بكفاءة، من أجل مستقبل آمن لهذه التكنولوجيا الجديدة.

ـ تعقد منظمات البيئة والصحة العالمية في كافة أرجاء العالم مؤتمرات لبحث المخاطر التي قد تنجم من استخدام هذه التقنية هذا بالاضافه الى ان “تكنولوجيا النانو تتسرب من المختبرات إلى حقول الحياة المختلفة من دون النظر في مخاطرها أو تطوير قوانين تنظيمية تتحكم به.بالاضافه الى أن الخطير في الموضوع أن استعمالات هذه التكنولوجيا قد بدأت تتسرب إلى حقل المواد الغذائية والقطاع الزراعي، من دون معرفة المستهلكين أو حتى فتح باب النقاش المجتمعي حولها، وإجراء الاختبارات الكافية حول سلامتها.

يشير الكاتب الى بعض الاخطار ترجع الى:-

ـ أن أنابيب الكربون النانومترية التي تعد بثورة تكنولوجية غير مسبوقة، قد تكون ضارة وقاتلة للكائنات الحية بما فيها الانسان، لذا يجب التعامل مع هذا العلم بحرص شديد، وقد طالب باستبعاد الأغذية من هذا التطور التكنولوجي حفاظا على البشر.

ـ أظهرت تجربة جديدة من جامعة روتشيستر أجريت على فئران تنفست جزيئات النانو وتبين فيما بعد انها استقرت في الدماغ والرئتين، ما أدى إلى مضاعفات صحية خطيرة.

ـ آخر التطورات التي طرأت على تكنولوجيا النانو أنه تم تطوير جوارب تحتوي على جزيئات نانو سيلفر تمنع رائحة القدمين، لكن تبين ان لها عواقب وخيمة على جسم الإنسان. فهذه الجزيئات بكتيرية وهي قادرة على قتل البكتيريا النافعة المهمة في تحطيم المواد العضوية في النفايات ومحطات المعالجة أو المزارع.

ـ أظهرت دراسة جامعة اكسفورد أن نانو جزيئات ثاني أكسيد التيتانيوم الموجودة في المراهم اصابة الجلد بالضرر.

ـ أظهرت دراسة ان نانو أنابيب الكربون تعد أكثر ضرراً من غبار الكوارتز الذي يسبب السيليكوسيس، وهو مرض مميت يحصل في أماكن العمل.

ـ النفايات الناتجة من تصنيع مواد تقنية الصغائر أو من استخدام أجهزتها هى نفايات تمثل خطورة كبيرة على البيئة وعلى صحة الإنسان – على الرغم من أنه حتى وقتنا الحالى لم يتم التنبؤ على نحو دقيق بما ستجلبه لنا هذه التقنية من آثار سلبية للبيئة ولصحة البشر، كما أنه فى نفس الوقت لم يتم التوصل إلى الآليات التى يمكن من خلالها التحكم والسيطرة على أية سلبيات قد تنجم عن استخدامها أو تطبيقها. تأتى خطورة النفايات فى:-
ا- أنها سهلة الانتشار والتطاير من حولنا فى الهواء لصغر حجمها المتناهى وقدرتها على تخلل أنسجة الكائنات الحية بشرية وحيوانية ونباتية.
ب- صغر حجمها الذى يكون غير مرئياً فى العديد من الأحوال لا يُمكن الإنسان البشرى من التعامل معها والتخلص منها الطرق الآمنة .. فهى صغائر غير مرئية وبالتالى تمثل خطورة بيئية وصحية غير مرئية.

ـ المخاطر التى تكمن من استخدام تقنية الصغائر أو التقنية النانونية هى مخاطر لا تتمثل فيما ينبعث من مواد ضارة عند القيام بعمليات التصنيع أو عند استخدامها، ولكنها مخاطر ترتبط بجميع مراحل هذه التقنية، فهى مخاطر قد تنجم من عملية التصنيع أو من عملية التخزين والتوزيع أو من تطبيقاتها أو من إساءة استخدامها أو من التخلص الخاطىء منها.

فعلى الصعيد العسكرى إليكم مختصر شديد لتصورات استخدامات النانو تكنولوجي في المجال العسكري:

ـ فالدول المتقدمة توصلت لصنع طائرات تجسسية بحجم راحة اليد بواسطة تقنية النانو وفي مجال صناعة الأسلحة والقنابل فالميدان خصب لإنتاجها بتقنية النانو, فعلى سبيل المثال فإن أصغر حشرة تكون بحجم 200 مايكرون وهذا يمثل الحجم المناسب للأسلحة القادرة على تعقب الأشخاص غير المحميين وحقن السموم في أجسادهم. هذه الجرعات المميتة تبلغ 100 نانوجرام أو 1/100 من حجم السلاح.

ومن الأفكار المطروحة وتوجهات التوظيف العسكري الراهن للتكنولوجيا:-

أ- ايجاد بديل إلكتروني للجزء الحيوي من الأدمغة البشرية المعروف باسم (قرن آمون)، للوصول إلى وضع يستطيع معه صاحب الدماغ المعدل إلكترونياً تحميل الذاكرة بمئات أضعاف ما هو متاح طبيعياً، وتخزين التعليمات المعقدة، والقدرة على تحقيق الاتصال والتواصل بين دماغ بشري وآخر.

• ب- ابتكار أعضاء وبدائل مصنعة لأجزاء من الجسم بما يتيح رفع مستوى وقدرات الأداء البشري.

• ج- صناعة أقراص تغير عمليات الاستقلاب في خلايا أجسام الجنود بما يمنحهم القدرة على البقاء لعدة أيام بدون نوم أو طعام.

د- صنع روبوتات تكاد تطابق الكائنات الحية، مصممة على غرار الصراصير، تستطيع التسلق على الجدران والسلالم والتضاريس الصخرية المختلفة بالاضافه الى استخدام نحل قادر على اكتشاف المتفجرات.

ذ- صنع أنظمة ترصد من مسافة بعيدة الحالة الذهنية للأشخاص المشكوك بهم، أو المرغوب بمراقبتهم والتجسس على أفكارهم، باستخدام تقنية قريبة من التصوير بالرنين المغناطيسي وسواه، بحيث تتمكن هذه الأنظمة من كشف نوايا الشخص وقراءة أفكاره مسبقاً.