علوم النانو

نبذة عن علم النانو

علم النانو او تكنولوجيا النانو في طريقها إلى تغيير حياتنا؛ فها نحن نعيش بعصر تكنولوجيا وعلوم النانو. هل يُمكنك التخيل أنَّ مواد متناهية في الصغر تنفرد بقدرات مدهشة وتتميَّز بخصائص استثنائية.

بدأت تكنولوجيا وعلوم النانو في مطلع ظهورها بتصنيع مواد متناهية جدًا في الصغر لدرجة أنَّ أبعادها تُقاس بالنانومتر. لكن ما هي وحدة قياس النانو متر؟

حسنًا، النانومتر هي وحدة لقياس الأطوال وهو جزء من مليار جزء من المتر حيث تستعمل لقياس الأطوال القصيرة جدا ً ومقدارها -910 من المتر. لهذا السبب يُطلق على علوم النانو اسمين آخرين مثل تقنية الجزيئات متناهية الصغر أو حتى تقنية الصغائر.

يُمكن تعريف علوم النانو أنَّه العلم التطبيقي الذي يدرس معالجة المواد على المقياس الجزيئي والمقياس الذري كذلك وبهذا يُعَد علم النانو إحدى مجالات علم المواد مثل الفيزياء والهندسة الميكانيكية بالإضافة إلى الهندسة الكيميائية أو الهندسة الطبية الحيوية.

لعل تخصص علم النانو هو التخصص الذي يُعنى بدراسة المبادئ الأساسية للجزيئات والمركبات التي لا يتجاوز طولها أو قياسها 100 نانومتر ومن الجدير بالذكر أنَّ تقنية النانو كانت تُستخدم في صناعة الصلب والمطاط منذ آلاف سنين.

لا نستطيع حصر الفوائد والابتكارات التي توصلت لها تقنية النانو وما زالت تتوصل لها في المستقبل لكن يُمكن ذكر بعض الأمور المهمة في مجال الطاقة مثلًا حيث تُسهم تكنولوجيا النانو في إنتاج بطاريات بوسعها تخزين كميات هائلة من الطاقة بالإضافة إلى الألبسة الذكية القادرة على إنتاج الطاقة وإزالة الميكروبات أو الأوساخ أو الجراثيم عن الملابس ذاتيًا. أما بالنسبة لمجال الطب، سوف تلعب تقنية النانو دور هام ومحوري جدًا في الأطراف الاصطناعية من حيث تعويضات أعضاء الجسم البشري الجلد أو اليدين والعين وما إلى ذلك.

السمات الشخصية لطلبة تخصص علم النانو

لا بد أن يلتحق من يرغب دراسة علم النانو بالمسار العلمي كما ينبغي أنْ يمتلك معظم رواد علوم وتكنولوجيا النانو مهارات معينة تؤهلهم للنجاح في هذا المجال وسوف نُطلعكم الآن على أهم الصفات والمؤهلات الشخصية والعلمية لمن يرغب دراسة تخصص علوم النانو سواءً على مستوى شهادة البكالوريوس أو الماجستير  أو الدكتوراه.

المؤهلات العلمية:

• حتى يحضّر طلبة المدرسة لدراسة تخصص علوم النانو في الجامعة؛ عليهم أولًا الالتحاق بالمسار العلمي في مرحلة الثانوية العامة
• كما يُمكن لحملة شهادة البكالوريوس في تخصص الكيمياء أو الفيزياء أو الأحياء الذين يرغبون الحصول  شهادة الماجستير أو الدكتوراه في تخصص علم وتكنولوجيا النانو
• يُفضل امتلاك معرفة متقدمة عن العلوم والهندسة معًا

السمات الشخصية:

يجب أن يمتلك طلبة تخصص علوم النانو ما يلي من المهارات والسمات الشخصية:

• مهارات الـ STEM، وهي مهارات العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات.
• امتلاك خلفية علمية وتكنولوجية كبيرة.
• مهارات استخدام المعدات والأدوات المخصصة في مجال النانو.
• مهارة جيدة في التعامل مع الأجزاء والمعدات متناهية الصغر.
• مهارات التحليل.
• مهارات حاسوبية.
• تسجيل أحدث وآخر المستجدات التي يتوصَّل إليها علم النانو.
• مهارات تكنولوجية.
• حل وفهم مسائل الرياضيات المعقدة والتفاضل والتكامل والإحصاء.
• كتابة ونشر الأبحاث العلمية.
• حل المشكلات.

مجالات وفروع علم النانو

تعرَّف على فروع علم النانو الأساسية:

• تكنولوجيا النانو الحيوية – Nanobiotechnology.
• هندسة السيراميك – Ceramic Engineering.
• علم المواد – Materials Engineering.
• هندسة نانوية – Nanoarchitectonics.

الهندسة النووية – Nuclear Engineering

أما بالنسبة للتخصصات الفرعية؛ هناك عدة مجالات وقطاعات يُمكن أن تتفرَّع من علوم وتكنولوجيا النانو نظرًا لتداخلهم سويًا بشكل محوري، ومن أهم المجالات التي تُسهم النانو في تطويرها ما يلي:

• صناعة المنسوجات والبوليمرات.
• علوم الأرض.
• الحوسبة.
• التحاليل الجنائية.
• تصنيع المعدات الرياضية.
• حماية البيئة.
• الزراعة.
• الأمن العسكري.
• صناعة الإلكترونيات.
• صناعة المركبات الفضائية.
• التكنولوجيا الحيوية.
• صناعة الأدوية.

مواد تخصص علم النانو

لا توفر كل الجامعات العربية برنامج لتدريس تخصص علوم النانو. ولهذا السبب سوف نُطلعكم على خطة دراسية تمنحكم نبذة عامة عن المواد التي يدرسها طلبة التخصص مستمدة من جامعة مدينة زويل للعلوم والتكنولوجيا في مصر:

متطلبات الجامعة الإجبارية:

تختلف المواد الإجبارية باختلاف الجامعة التي يدرس بها الطلبة لكن دائمًا في أي تخصص هناك مجموعة من المواد الإجبارية التي يدرسها طلبة جميع التخصصات بمجرد انتسابهم إلى الجامعة وتختلف هذه المواد والمقررات الدراسية من دولة إلى أخرى إلَّا أنَّها قد تنحصر على ما يلي من المواد في معظم جامعات الدول العربية:

• اللغة العربية – Arabic Language.
• اللغة الإنجليزية – English Language.
• التربية الوطنية – Citizenship Education.
• مهارات حاسوبية – Computer Skills.

مع العلم أنَّ هذه المساقات الأساسية تُدرس على مراحل استدراكية ثم ينتقل الطلبة إلى لغة إنجليزية المبحث الأول ثم المبحث الثاني وهكذا…

متطلبات الجامعة الاختيارية:

هنا يختار الطلبة مواد معينة وفقًا لعدد الساعات المطلوبة منهم حيث تكون المساقات متنوعة من كليات وأقسام مختلفة لعل أبرزها قسم العلوم الإنسانية والقسم العلمي مثلًا نظرًا لانتساب طلبة الفيزياء الحيوية إلى قسم علمي، وإليكم بعض الأمثلة على هذه المواد:

• حقوق الإنسان – Human Rights.
• مهارات التفكير – Thinking Skills.
• البيئة والصحة العامة – Environment and Public Health.
• مهارات التواصل – Communication Skills.
• الطاقة المتجددة – Renewable Energy.
• البحث العلمي – Scientific Research.

متطلبات الكلية والتخصص الإجبارية والاختيارية:

نقدم من خلال هذا القسم بعض المواد التي على جميع طلبة الكلية دراستها بالإضافة إلى مواد التخصص التي لا بد أن يجتازها جميع الطلبة:

• علوم المواد – Materials Sciences.
• الفيزياء – Physics.
• الكيمياء – Chemistry.
• الرياضيات – Math.
• مقدمة في العلوم والتكنولوجيا – Introduction to Science and Technology.
• مقدمة في علم الحاسوب – Introduction to Computer Science.
• الجبر الخطي – Linear Algebra.
• الفيزياء الحديثة – Modern Physics.
• أساسيات علوم المواد والهندسة – Principles of Materials Science and Engineering.
• المعادلات التفاضلية العادية – Ordinary Differential Equations.
• مقدمة في الديناميكا الحرارية والحركة الموجية والبصريات –  Introduction to Thermodynamics, Wave Motion, and Optics.
• الكيمياء العضوية – Organic Chemistry.
• الكيمياء الفيزيائية – Physical Chemistry.
• العلوم الاجتماعية والإنسانية – Humanities and Social Sciences.
• التحليل الطيفي – Spectrum Analysis.
• تقنيات التوصيف الحديثة (1) – (1) Modern Characterization Techniques.
• المواد النانوية البيولوجية – Biological Nanomaterials.
• كيمياء الجزيئات – Supramolecular Chemistry.
• التحفيز وعلوم الأسطح – Surfaces and Colloidal Science .
• كيمياء الحالة الصلبة – Solid State Chemistry.
• البيولوجيا النانوية – Nanobiology.
• تناوُب مختبرات البحوث – Nano Sciences Research Lab Rotations.
• الأخلاقيات العلمية والسلامة – Safety and Scientific Ethics.
• طرق حسابية – Computational Methods.
• الديناميكا الحرارية – Thermodynamics.
• تجميع/تصنيع المواد النانوية – Synthesis/Fabrication of Nanomaterials.
• مشروع بحثي متقدم في علم النانو – Advanced Research Project in Nano Science.
• علوم النانو الغروية – Colloidal Nanoscience.
• العلاج بالنانو – NanoTherapy.
• تقنية النانو الحيوية – Biological Nano Technique.
• إلكترونيات النانو –  Nanoelectroncis.
• بصريات النانو – Nanophotonics.
• أنظمة النانو – Nanosystems.
• إنشاءات النانو – Nanoconstruction.
• تقنيات ابتكارات النانو – Nano Fabrication Techniques.
• تصنيف المواد – Materials Characterization.
• ميكانيكا الكم – Quantum Mechanics.

عدد سنوات دراسة تخصص علم النانو

تبلغ المرحلة الدراسية لتخصصات العلوم جميعها مدة زمنية مقدارها أربعة سنوات حيث تستغرق درجة البكالوريوس في تخصص علوم النانو المدة ذاتها وذلك على عكس بقية التخصصات مثل تخصصات هندسة النانو الذي يحتاج خمس سنوات.

نسبة الطلب ونسبة الركود على تخصص علم النانو

تُقسم جميع التخصصات حسب نسبة الطلب عليها إلى تخصصات مطلوبة وتخصصات راكدة ومشبعة،فماذا يُقصد بالإشباع والركود؟ وما هو الطلب؟

يُقصد بالركود والإشباع وصول سوق العمل في دولة ما إلى الركود أو الإشباع بسبب عدم حاجة سوق العمل إليه أو بسبب وجود عدد هائل من خريجي هذا التخصص. ممَّا يُؤدِّي إلى اكتفاء سوق العمل وصعوبة الحصول على وظيفة للخريجين.

أما بالنسبة لعلوم وتكنولوجيا النانو، يُمكن اعتبارهما ضمن أهم مجالات المستقبل حيث تبلغ نسبة الطلب على علوم النانو ما مقداره 8% حتى عام 2028 في أوروبا بينما تترقب جميع الدراسات مستقبلًا مذهلًا لتقنيات وتكنولوجيا وهندسة النانو في العالم أجمع.

فوائد وأضرار تخصص علم النانو

لا يخلو أي علم من الفوائد والأضرار لكن تتراوح نسبة خطورة الأضرار والسلبيات من علم إلى آخر. لكن كلما كان العلم أكثر حداثة تزداد نسبة السلبيات وخطورتها نظرًا لعدم توافر بحوث علمية وتجارب وأعمال مكثفة حول الحقل لهذا أعدَّت لكم قائمة تسلط الضوء على أهم الفوائد والأضرار المتعلقة بعلم النانو:

الفوائد:

• تحسين أساليب التصنيع.
• تحسين أنظمة تنقية المياه.
• تحسين طرق إنتاج التغذية.
• الزيادة من جودة البنية التحتية في صناعة السيارات.
• تعزيز كفاءة شبكات الطاقة.
• تعزيز الصحة البدنية.
• المساهمة في إنجازات واكتشافات الطب النانوي.

الأضرار:

• ظهور دراسات طبية تؤكد خطورة المواد المصنعة باستعمال الأنابيب النانوية الكربونية على الصحة.
• تسبب مواد النانو الكربونية أورام خبيثة تُصيب الأشخاص الذين يتعاملون معها بشكل مباشر كون هذه المواد تدخل بشكل مباشر إلى جسم من يتعامل معها مباشرة ولا يُوجد علاج طبي للتخلص منها في حال دخلت جسم الإنسان.
• النانو جزيئات دقيقة جدًا مما يُسهل دخولها عبر جهاز المناعة والرئتين ومن الممكن في بعض الأحيان أن تتخطى حاجز دم الدماغ.
• قلق العاملين في مجال تصنيع شرائح النانو حيال الارتفاع الهائل لكلفة التصنيع بالإضافة إلى حيث من المتوقع أن تزداد التكلفة بمقدار الضعف كل 36 شهر.

مجالات عمل تخصص علم النانو

تتمثَّل أبرز الشركات التي يستطيع خريجي علم النانو العمل فيما يلي:

• الجامعات ومراكز الأبحاث العلمية.
• مصانع الإلكترونيات وأشباه الموصلات.
• شركات الملاحة والطيران.
• شركات الهندسة.
• المستشفيات.
• الشركات المصنعة للأجهزة الطبية.
• شركات ومصانع الأدوية.
• قطاع الدفاع.
• مصانع الأغذية والمشروبات.

كما يُمكن أن يختص خبراء علم النانو في العمل في المجالات الأكاديمية وكتابة المقالات والأبحاث والمستجدات العلمية في المجلات العلمية وما إلى ذلك أو في مجال الكتابة التقنية.

أفضل الجامعات لدراسة تخصص علم النانو حول العالم

• جامعة موسكو التقنية الحكومية – BAUMAN Moscow State Technical University.
• معهد Tijuana للتكنولوجيا في المكسيك.
• جامعة كاوناس للتكنولوجيا – Kaunas University of Technology.
• جامعة ليبيريتس التقنية.
• جامعة سابانجي – Sabanci University.
• مدينة زويل للعلوم والتكنولوجيا – Zewail City of Science and Technology.
• الجامعة الشمالية (القطب الشمالي) الاتحادية.
• جامعة شولالونغكورن – Chulalongkorn University.
• جامعة شمال غرب ولاية ميسوري – Northwest Missouri State University.
• جامعة لودز – University of Lodz.

أشهر الشخصيات في مجال علم النانو

حقيقة: من الجدير بالذكر أنَّ النانو أدق وحدة قياس حتى يومنا هذا. على سبيل المثال، لو أردنا قياسه بالنانومتر؛ يبلغ قطر شعرة الرأس تقريبًا 57000 نانومتر. والآن دعونا نتعرَّف على بعض الأشخاص الذين ساهموا في إيجاد المزيد من الحقائق المشوقة حول علم النانو.

ريتشارد فاينمان، Richard Feynman

عالم الفيزياء الأمريكي ريتشارد هو أول من أشار إلى مجال النانو العلمي ممَّا دعا إلى استكشافه وذلك من خلال إحدى المحاضرات التي ألقاها عام 1959.

ساعدت ماريان ريبولد إلى جانب زملائها في جامعة درسدن الألمانية في أبحاثهم العلمية إلى الكشف عن سر السيف الدمشقي الشهير بقدرته الهائلة على القطع حيث توصلوا إلى أنَّ السيف مصنوع من أنابيب الكربون النانوية.

أندريه غييم، Andre Geim

قام الباحث أندريه وهو باحث هولندي روسي الأصل باكتشاف مادة الغرافين وبناءً عليه حصل على جائزة نوبل في الفيزياء عام 2010.