تطبيقات تقنية النانو

تُجرى أبحاث على الأنابيب النانوية لاستخدامها المحتمل في علاج السرطان. وقد أثبتت فعاليتها في قتل الخلايا السرطانية لدى مرضى سرطان الكلى أو الثدي. ^{[ 4 ] [ 5 ]} تُحقن الأنابيب النانوية متعددة الجدران في الورم وتُعالج بإشعاع ليزر الأشعة تحت الحمراء القريبة لمدة نصف دقيقة تقريبًا. تهتز هذه الأنابيب النانوية استجابةً لليزر، مما يُولد حرارة. وعندما يسخن الورم بدرجة كافية، تبدأ الخلايا السرطانية بالموت. وقد نجحت عمليات كهذه في تقليص حجم أورام الكلى بنسبة تصل إلى أربعة أخماس. ^{[ 4 ]}

تُعدّ المواد فائقة السواد، المُكوّنة من "غابات" من أنابيب الكربون النانوية، ذات أهمية بالغة في الفضاء، حيث يوجد ضوء أكثر مما يُمكن العمل به. يُمكن تطبيق هذه المواد على أنظمة الكاميرات والتلسكوبات لتقليل كمية الضوء، مما يسمح بالتقاط صور أكثر تفصيلاً. ^{[ 6 ]}

تُبشّر الأنابيب النانوية بنتائج واعدة في علاج أمراض القلب والأوعية الدموية، إذ يُمكن أن تُسهم بدورٍ هام في تنظيف الأوعية الدموية. نظريًا، تُحفّز الأنابيب النانوية المُحمّلة بجزيئات SHP1i الخلايا البلعمية على تنظيف اللويحات في الأوعية الدموية دون إتلاف أي أنسجة سليمة. وقد اختبر الباحثون هذا النوع من الأنابيب النانوية المُعدّلة على فئران مُصابة بتراكمات عالية من اللويحات؛ حيث أظهرت الفئران التي خضعت للعلاج بالأنابيب النانوية انخفاضًا ملحوظًا إحصائيًا في تراكم اللويحات مقارنةً بالفئران في مجموعة العلاج الوهمي. ^{[ 7 ]} ولا تزال هناك حاجة إلى مزيد من الأبحاث قبل تطبيق هذا العلاج على البشر.

قد تُستخدم الأنابيب النانوية في صناعة الدروع الواقية للجنود في المستقبل. سيكون هذا النوع من الدروع قويًا للغاية وفعالًا جدًا في حماية أجسام الجنود من المقذوفات والإشعاع الكهرومغناطيسي. كما يمكن أن تُسهم الأنابيب النانوية في الدروع في مراقبة أحوال الجنود. ^{[ 8 ]}

تُتيح تقنية النانو إمكانية رصد العالم المادي والتحكم فيه على المستوى النانوي، مما يوفر إمكانات هائلة لتطوير قطاع البناء. إذ يُمكن لتقنية النانو أن تُساهم في تحسين قوة ومتانة مواد البناء، بما في ذلك الإسمنت والفولاذ والخشب والزجاج. ^{[ 9 ]}

بتطبيق تقنية النانو، يمكن للمواد اكتساب خصائص جديدة. وقد أدى اكتشاف البنية النانوية البلورية لهلام CSH غير المتبلور ، وتطبيق المحفزات الضوئية والطلاء، إلى ظهور جيل جديد من المواد ذات خصائص مثل مقاومة الماء، والتنظيف الذاتي، ومقاومة التآكل، والحماية من الصدأ. ^{[ 10 ]} ومن بين البوليمرات النانوية المُهندسة حديثًا، توجد مُلدِّنات فائقة مفيدة للخرسانة، وألياف عالية القوة ذات قدرة استثنائية على امتصاص الطاقة. ^{[ 10 ]}

يعتقد الخبراء أن تقنية النانو لا تزال في مرحلة الاستكشاف، ولديها إمكانات كبيرة لتحسين المواد التقليدية كالصلب. ^{[ 10 ]} إن فهم البنى النانوية المركبة لهذه المواد واستكشاف تطبيقاتها المختلفة قد يؤدي إلى تطوير مواد جديدة ذات خصائص موسعة، مثل التوصيل الكهربائي، فضلاً عن قدرتها على استشعار درجة الحرارة والرطوبة والإجهاد. ^{[ 10 ]}

نظراً لتعقيد المعدات، تُعدّ المواد النانوية باهظة التكلفة مقارنةً بالمواد التقليدية، مما يعني أنها لن تُستخدم على نطاق واسع في مواد البناء. ^{[ 11 ]} في حالات خاصة، يمكن لتقنية النانو أن تُسهم في خفض تكاليف حلّ المشكلات المعقدة. ولكن في معظم الحالات، تبقى الطرق التقليدية للبناء أكثر فعالية من حيث التكلفة. ^{[ 11 ]} مع تحسّن تقنيات التصنيع، انخفضت تكاليف تطبيق تقنية النانو في مجال البناء تدريجياً، ومن المتوقع أن تنخفض أكثر. ^{[ 11 ]}

يشير مصطلح الإلكترونيات النانوية إلى تطبيق تقنية النانو على المكونات الإلكترونية. وتهدف هذه التقنية إلى تحسين أداء الأجهزة الإلكترونية، لا سيما شاشات العرض، وخفض استهلاك الطاقة مع تصغير حجمها. ^{[ 12 ]} وبالتالي، يمكن للإلكترونيات النانوية أن تساهم في تحقيق الهدف الذي حدده قانون مور ، والذي يتنبأ باستمرار اتجاه تصغير حجم الدوائر المتكاملة .

تُعدّ الإلكترونيات النانوية مجالًا متعدد التخصصات يشمل فيزياء الكم، وتحليل الأجهزة، وتكامل الأنظمة، وتحليل الدوائر. ^{[ 13 ]} ونظرًا لأن طول موجة دي برولي في أشباه الموصلات قد يصل إلى 100  نانومتر، يصبح التأثير الكمي عند هذا المقياس الطولي بالغ الأهمية. ^{[ 13 ]} ويمكن أن تؤدي فيزياء الأجهزة المختلفة والتأثيرات الكمية الجديدة للإلكترونات إلى تطبيقات واعدة. ^{[ 13 ]}

يشير مصطلحا "التكنولوجيا النانوية الحيوية" و"التكنولوجيا النانوية الحيوية" إلى دمج الأفكار والتقنيات والعلوم البيولوجية والنانوية. وبشكل أكثر تحديداً، تشير التكنولوجيا النانوية الحيوية إلى استخدام الأجسام النانوية في التكنولوجيا الحيوية، بينما تشير التكنولوجيا النانوية الحيوية إلى استخدام المكونات البيولوجية في التكنولوجيا النانوية. ^{[ 1 ]}

يُعدّ مجال الطب النانوي أبرز نقاط التقاء تقنية النانو مع علم الأحياء، حيث يُستخدم النانو في العديد من التطبيقات السريرية، مثل توصيل الأدوية العلاجية، ومراقبة الحالة الصحية، وتشخيص الأمراض. ^{[ 14 ]} ونظرًا لأن معظم العمليات البيولوجية في جسم الإنسان تحدث على المستوى الخلوي، فإن صغر حجم المواد النانوية يسمح باستخدامها كأدوات تنتشر بسهولة في الجسم وتتفاعل مباشرةً مع البيئات بين الخلايا وحتى داخلها. إضافةً إلى ذلك، قد تمتلك المواد النانوية خصائص فيزيائية وكيميائية تختلف عن خصائصها في حالتها الصلبة نظرًا لصغر حجمها، ^{[ 15 ]} مما يسمح بتنوع التفاعلات الكيميائية وتأثيرات الانتشار، والتي يمكن دراستها وتعديلها لتطبيقات متنوعة.

يُعدّ توصيل الأدوية العلاجية أحد التطبيقات الشائعة للطب النانوي، حيث تُدخل جسيمات نانوية تحتوي على أدوية لعلاج الأمراض إلى الجسم، وتعمل كأوعية تنقل الأدوية إلى المنطقة المستهدفة. ويمكن تصنيع هذه الأوعية النانوية من مكونات عضوية أو اصطناعية، كما يمكن تعديل وظائفها من خلال ضبط حجمها وشكلها وشحنتها السطحية والروابط السطحية (البروتينات، والطلاءات، والبوليمرات، وغيرها). ^{[ 2 ]} وتُعدّ إمكانية تعديل وظائف الجسيمات النانوية بهذه الطرق مفيدةً للغاية عند استهداف مناطق في الجسم ذات خصائص فيزيائية وكيميائية معينة تمنع وصول الدواء المقصود إليها بمفرده؛ فعلى سبيل المثال، تستطيع بعض الجسيمات النانوية اختراق الحاجز الدموي الدماغي لتوصيل الأدوية العلاجية إلى الدماغ. ^{[ 16 ]} وقد استُخدمت الجسيمات النانوية مؤخرًا في علاجات السرطان واللقاحات. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]} كما أظهرت الروبوتات النانوية المغناطيسية قدراتٍ على الوقاية من البكتيريا المقاومة للمضادات الحيوية وعلاجها. تم اقتراح استخدام غرسات المحركات النانوية لتحقيق تطهير شامل للعاج. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

يُعدّ التصوير الحيوي جزءًا أساسيًا من الطب النانوي، إذ يُمكن استخدام الجسيمات النانوية كعوامل تباين في تقنيات التصوير الشائعة، مثل التصوير المقطعي المحوسب (CT) والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET). ^{[ 14 ]} تُتيح قدرة الجسيمات النانوية على التمركز والدوران في خلايا أو أنسجة أو أعضاء مُحددة، بفضل تصميمها، تباينًا عاليًا يُؤدي إلى تصوير أكثر حساسية، وبالتالي يُمكن تطبيقها في دراسة حركية الدواء أو التشخيص البصري للأمراض. ^{[ 14 ] [ 2 ]}

تساهم الجسيمات النانوية المستخدمة في الخلايا الشمسية في زيادة كمية الطاقة الممتصة من ضوء الشمس. ^{[ 23 ]}

تُتيح تقنية النانو استخدام طاقة الهيدروجين بقدرة أكبر بكثير. ^{[ 24 ]} خلايا وقود الهيدروجين، رغم أنها ليست مصدرًا للطاقة بحد ذاتها، تسمح بتخزين الطاقة من ضوء الشمس ومصادر متجددة أخرى بطريقة صديقة للبيئة دون أي انبعاثات _لثاني أكسيد الكربون . ^{[ 24 ]}   من أبرز عيوب خلايا وقود الهيدروجين التقليدية ارتفاع تكلفتها وعدم متانتها الكافية للاستخدامات التجارية. ^{[ 25 ]} مع ذلك، باستخدام الجسيمات النانوية، تتحسن كل من المتانة والسعر بشكل ملحوظ مع مرور الوقت. ^{[ 25 ]} علاوة على ذلك، فإن خلايا الوقود التقليدية كبيرة الحجم جدًا بحيث لا يمكن تخزينها بكميات كبيرة، لكن اكتشف الباحثون أن الشفرات النانوية قادرة على تخزين كميات أكبر من الهيدروجين، والتي يمكن حفظها داخل أنابيب الكربون النانوية للتخزين طويل الأمد. ^{[ 25 ]}

تُسهم تقنية النانو في تطوير بطاريات النانوغرافين التي تتميز بقدرتها على تخزين الطاقة بكفاءة أعلى ووزن أخف. ^{[ 26 ]} وقد هيمنت بطاريات الليثيوم أيون على قطاع الإلكترونيات خلال العقد الماضي، إلا أن القيود الحالية لهذه التقنية تُصعّب زيادة كثافة البطاريات نظرًا لمخاطر الحرارة والانفجار المحتملة. ^{[ 24 ]} وقد أظهرت بطاريات الغرافين، التي تُجرى عليها اختبارات في سيارات كهربائية تجريبية، قدرات تفوق البطاريات الحالية بأربعة أضعاف، مع انخفاض تكلفتها بنسبة 77%. ^{[ 26 ]} إضافةً إلى ذلك، توفر بطاريات الغرافين دورات حياة مستقرة تصل إلى 250,000 دورة، ^{[ 27 ]} مما يُتيح للسيارات الكهربائية والمنتجات طويلة الأمد مصدر طاقة موثوقًا به لعقود.