جائزة نوبل للكيمياء لعام 2023 ليست أول جائزة نوبل تُمنح للبحث في مجال تكنولوجيا النانو. ولكن ربما يكون هذا هو التطبيق الأكثر حيوية للتكنولوجيا الذي يرتبط بالجائزة.
تُمنح جائزة هذا العام لمونجي باوندي، ولويس بروس، وأليكسي إكيموف لاكتشافهم النقاط الكمومية وتطويرها. لسنوات عديدة، كانت هذه الجسيمات الدقيقة بحجم النانومتر – والتي يبلغ قطرها بضع مئات من الألف فقط من عرض شعرة الإنسان – هي المفضلة في عروض تكنولوجيا النانو والعروض التقديمية. وباعتباري باحثًا ومستشارًا في مجال تكنولوجيا النانو، فقد استخدمتها بنفسي عندما تحدثت مع المطورين وصانعي السياسات ومجموعات المناصرة وغيرهم حول وعد التكنولوجيا ومخاطرها.
تسبق أصول تكنولوجيا النانو عمل باويندي وبروس وإكيموف على النقاط الكمومية – فقد تكهن الفيزيائي ريتشارد فاينمان بما يمكن أن يكون ممكنا من خلال الهندسة النانوية في وقت مبكر من عام 1959، وكان المهندسون مثل إريك دريكسلر يتكهنون حول إمكانيات التصنيع الدقيق ذريا في العالم. الثمانينيات. ومع ذلك، فإن الحائزين على جائزة نوبل الثلاثة لهذا العام كانوا جزءًا من الموجة الأولى من تكنولوجيا النانو الحديثة حيث بدأ الباحثون في وضع الاختراقات في علوم المواد موضع التنفيذ العملي.
تتألق النقاط الكمومية ببراعة: فهي تمتص لونًا واحدًا من الضوء وتعيد إشعاعه على الفور تقريبًا كلون آخر. قارورة من النقاط الكمومية، عندما تضاء بضوء واسع الطيف، تضيء بلون واحد زاهي. لكن ما يجعلها مميزة هو أن لونها يتحدد حسب حجمها الكبير أو الصغير. اجعلها صغيرة وستحصل على اللون الأزرق المكثف. اجعلها أكبر، على الرغم من أنها لا تزال بحجم النانو، وسيتحول اللون إلى اللون الأحمر.
وقد أدت هذه الخاصية إلى العديد من الصور المذهلة لصفوف من القوارير التي تحتوي على نقاط كمومية بأحجام مختلفة تتراوح من اللون الأزرق المذهل من أحد الأطراف، إلى اللون الأخضر والبرتقالي، إلى اللون الأحمر النابض بالحياة في الطرف الآخر. ومن الملفت للنظر أن هذا العرض لقوة تكنولوجيا النانو، هو الذي جعل النقاط الكمومية، في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، رمزًا لغرابة وحداثة تكنولوجيا النانو.
لكن، بالطبع، النقاط الكمومية هي أكثر من مجرد خدعة جذابة بصريًا. لقد أثبتوا أن التفاعلات الفريدة والمفيدة والقابلة للتحكم بين المادة والضوء يمكن تحقيقها من خلال هندسة الشكل المادي للمادة – تعديل حجم وشكل وبنية الأشياء أو المثال – بدلاً من اللعب بالروابط الكيميائية بين الذرات والجزيئات. يعد هذا التمييز أمرًا مهمًا، وهو يقع في قلب تكنولوجيا النانو الحديثة.
تخطي الروابط الكيميائية، واعتمد على فيزياء الكم
عادةً ما يتم تحديد الأطوال الموجية للضوء التي تمتصها المادة أو تعكسها أو تنبعث منها من خلال الروابط الكيميائية التي تربط الذرات المكونة لها معًا. العب بكيمياء المادة ومن الممكن ضبط هذه الروابط بحيث تمنحك الألوان التي تريدها. على سبيل المثال، بدأت بعض الأصباغ المبكرة بمادة شفافة مثل الأنالين، والتي تحولت من خلال التفاعلات الكيميائية إلى اللون المطلوب.
إنها طريقة فعالة للتعامل مع الضوء والألوان، ولكنها تؤدي أيضًا إلى منتجات تتلاشى بمرور الوقت مع تدهور تلك الروابط. كما أنها تنطوي في كثير من الأحيان على استخدام المواد الكيميائية الضارة بالإنسان والبيئة.
تعمل النقاط الكمومية بشكل مختلف. فبدلاً من الاعتماد على الروابط الكيميائية لتحديد الأطوال الموجية للضوء التي تمتصها وتصدرها، فإنها تعتمد على مجموعات صغيرة جدًا من المواد شبه الموصلة. إن فيزياء الكم لهذه العناقيد هي التي تحدد بعد ذلك الأطوال الموجية للضوء المنبعثة – وهذا بدوره يعتمد على حجم العناقيد الكبيرة أو الصغيرة.
إن هذه القدرة على ضبط سلوك المادة بمجرد تغيير حجمها تُغير قواعد اللعبة عندما يتعلق الأمر بكثافة ونوعية الضوء الذي يمكن أن تنتجه النقاط الكمومية، فضلاً عن مقاومتها للتبييض أو التلاشي، واستخداماتها الجديدة، و- إذا تم تصميمها هندسيًا بذكاء – سميتهم.
وبطبيعة الحال، هناك عدد قليل من المواد غير السامة تماما، والنقاط الكمومية ليست استثناء. غالبًا ما كانت النقاط الكمومية المبكرة تعتمد على سيلينيد الكادميوم على سبيل المثال، والمواد المكونة لها سامة. ومع ذلك، يجب موازنة السمية المحتملة للنقاط الكمومية من خلال احتمالية الإطلاق والتعرض وكيفية مقارنتها بالبدائل.
منذ أيامها الأولى، تطورت تقنية النقاط الكمومية من حيث السلامة والفائدة ووجدت طريقها إلى عدد متزايد من المنتجات، من شاشات العرض والإضاءة إلى أجهزة الاستشعار والتطبيقات الطبية الحيوية والمزيد. وفي هذه العملية، ربما تكون بعض حداثتها قد تآكلت. قد يكون من الصعب أن نتذكر مدى القفزة النوعية التي حققتها التكنولوجيا والتي يتم استخدامها للترويج لأحدث جيل من أجهزة التلفاز المبهرجة، على سبيل المثال.
ومع ذلك، تعتبر النقاط الكمومية جزءًا محوريًا من التحول التكنولوجي الذي يُحدث ثورة في كيفية عمل الناس مع الذرات والجزيئات.
“الترميز الأساسي” على المستوى الذري
في كتابي «أفلام من المستقبل: التكنولوجيا والأخلاق في أفلام الخيال العلمي»، كتبت عن مفهوم «الترميز الأساسي». الفكرة بسيطة: إذا تمكن الناس من التلاعب بالرمز الأساسي الذي يحدد العالم الذي نعيش فيه، فيمكننا أن نبدأ في إعادة تصميمه وإعادة هندسته.
يعد هذا المفهوم بديهيًا عندما يتعلق الأمر بالحوسبة، حيث يستخدم المبرمجون “الرمز الأساسي” المكون من 1 و0، وإن كان ذلك من خلال لغات ذات مستوى أعلى. كما أنه منطقي في علم الأحياء، حيث أصبح العلماء ماهرين بشكل متزايد في قراءة وكتابة الكود الأساسي للحمض النووي الريبي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA) – في هذه الحالة، باستخدام القواعد الكيميائية الأدينين والجوانين والسيتوزين والثايمين كلغة ترميز خاصة بهم.
تمتد هذه القدرة على العمل مع الرموز الأساسية أيضًا إلى العالم المادي. هنا، يتكون الكود من الذرات والجزيئات وكيفية ترتيبها بطرق تؤدي إلى خصائص جديدة.
يُعد عمل باوندي وبروس وإكيموف على النقاط الكمومية مثالًا مثاليًا لهذا الشكل من الترميز الأساسي للعالم المادي. ومن خلال التشكيل الدقيق لمجموعات صغيرة من ذرات معينة في “نقاط” كروية، تمكنوا من الاستفادة من خصائص كمومية جديدة لم يكن من الممكن الوصول إليها لولا ذلك. لقد أظهروا من خلال عملهم القوة التحويلية التي تأتي من خلال التشفير باستخدام الذرات.
لقد مهدوا الطريق لتشفير أساسي نانوي متطور بشكل متزايد والذي يؤدي الآن إلى منتجات وتطبيقات لم تكن ممكنة بدونها. وكانوا جزءًا من الإلهام لثورة تكنولوجيا النانو المستمرة حتى يومنا هذا. إن إعادة هندسة العالم المادي بهذه الطرق الجديدة تتجاوز بكثير ما يمكن تحقيقه من خلال التقنيات التقليدية.
تم توضيح هذا الاحتمال في تقرير المجلس الوطني للعلوم والتكنولوجيا الأمريكي عام 1999 بعنوان تقنية النانو: تشكيل الذرة العالمية بواسطة الذرة. على الرغم من أنه لا يذكر النقاط الكمومية صراحةً – وهو إغفال أنا متأكد من أن المؤلفين ينتقدونه الآن – إلا أنه يوضح مدى التحويل الذي يمكن أن تحدثه القدرة على هندسة المواد على المستوى الذري.
إن تشكيل العالم على المستوى الذري هو بالضبط ما يطمح إليه باوندي وبروس وإكيموف من خلال عملهم الرائد. لقد كانوا من أوائل “المبرمجين الأساسيين” للمواد، حيث استخدموا هندسة ذرية دقيقة لتسخير فيزياء الكم للجسيمات الصغيرة – واعتراف لجنة نوبل بأهمية هذا أمر مستحق.
تم إعادة نشر هذه المقالة من The Conversation، وهو موقع إخباري مستقل غير ربحي مخصص لمشاركة أفكار الخبراء الأكاديميين. مثل هذه المقالة؟ إشترك في رسائلنا الإخبارية الأسبوعية.
كتب بواسطة: أندرو ماينارد، جامعة ولاية أريزونا.
اقرأ أكثر:
سبق أن تلقى أندرو ماينارد تمويلًا للعمل القائم على تكنولوجيا النانو من المعاهد الوطنية للصحة، والمؤسسة الوطنية للعلوم، وصناديق بيو الخيرية