عندما خطا نیل آرمسترونغ Neil Armstrong على أرض القمر، وصف تلك الخطوة بأنها خطوة صغيرة للفرد وقفزة هائلة للجنس البشري. وقد تكون التقانة النانوية قفزة هائلة أخرى للجنس البشري، لكن بخطوة صغيرة تجعل آرمسترونغ يبدو مقارنة بها بحجم المنظومة الشمسية.

تعني الكلمة «نانو» جزءاً واحداً من مليار جزء. ويساوي النانومتر الواحد 1/1000000000 من المتر. ولتكوين إحساس بسلَّم المقاسات النانوية نُشير إلى أن قطر شعرة الإنسان يساوي 50000 نانومتر، ويبلغ قطر خلية جرثومة بضع مئات من النانومترات، ويساوي عرض أصغر خطوط الأشكال المحفورة الشائعة في شرائح الدارات المتكاملة الميكروية في عام 2002 نحو 130 نانومتراً. وتبلغ أبعاد أصغر الأشياء المرئية بالعين البشرية المجرّدة 10000 نانومتر. ويبلغ مقاس عشر ذرّات هدروجين مصطفة في خط مستقيم نانومتراً واحداً حقاً، إن النانومتر صغير جداً (انظر الشكل 1 ـ 2).

وعلم النانو بأبسط تعاريفه هو دراسة المبادئ الأساسية للجزيئات والبنى التي يوجد فيها بعد واحد على الأقل يقع مقاسه بين 1 و100 نانومتر. وقد سُمِّيت هذه البنى، على نحو غير موفّق بالبنى النانوية. والتقانة النانوية هي استعمال تلك البنى النانوية في تجهيزات مفيدة نانوية الأبعاد. على أن هذا التعريف ليس جذاباً أو مُرْضياً تماماً، وهو بالتأكيد ليس التعريف الذي يفسّر الضجة القائمة. فلتفسير النانو من المهم أن نفهم أن السلم النانوي ليس صغيراً فحسب، بل هو نوع خاص من الصغر.

الشكل 1 ـ 2: تبين هذه الصورة المقاسات في السلَّم النانوي مقارنة ببعض الأشياء المألوفة لنا. كل لوحة مكبرة بمقدار عشر مرات من اللوحة التي تسبقها. ووفقاً لما تراه، يساوي فرق المقاس بين النانومتر والشخص فرقَ المقاس نفسه تقريباً بين الشخص ومدار القمر.

الحقوق محفوظة لـ: (Lucia Eames/Eames Office (www.eamesoffice.com.

كلّ شيء تقلّ أبعاده عن النانومتر هو مجرّد ذرّة حرّة أو جُزَيء صغير يجول في الفضاء على شكل قطرة بخار خفيفة. لذا فإن البنى النانوية ليست مجرد أشياء أصغر من أي شيء صنعناه من قبل، بل هي أصغر الأشياء الصلبة التي يمكن صنعها. يُضاف إلى ذلك أن السلَّم النانوي فريد من حيث كونه سلَّم المقاسات الذي تلتقي عنده خواص المواد المعتادة في الحياة اليومية، ومن أمثلتها الناقلية والقساوة ونقطة الانصهار، بالخواص الغريبة للعالم الذرّي والجزيئي، ومنها الثنائية الموجية الجسيمية والمفاعيل الكمومية. ففي السلم النانوي تعتمد أكثر خواص المواد والآلات جوهرية على مقاساتها بطريقة تختلف عن اعتمادها عليها في سلالم المقاسات الأخرى. من ذلك على سبيل المثال أن سلك أو مكوّن دائرة نانوي لا يخضع بالضرورة لقانون أوم الذي يمثْل المعادلة المبجلة التي تقوم عليها الإلكترونيات الحديثة. إذ إن قانون أوم يربط بين التيار والجهد والمقاومة لكنه يعتمد على مفهوم الإلكترونات المتدفقة على طول سلك كتدفق الماء على طول نهر. لكن هذا لا يكون ممكناً عندما يكون عرض السلك هو عرض ذرّة واحدة فقط، بل عليها عبور السلك واحداً تلو الآخر.

إن ارتباط المقاس هذا بأكثر خواص المواد الكيميائية والكهربائية والفيزيائية جوهرية هو مفتاح العلم النانوي ونرى أن التعريف المقتضب، الصحيح والجيد، للعلم والتقانة النانويين الذي يُعبر عن خواص السلم النانوي المميزة هو الوارد في وثيقة لهيئة العلوم القومية كتبها مايك روكو Mike Roco وصدرت في عام 2001.

النانومتر الواحد (جزء من مليار جزء من المتر) هو نقطة سحرية في سلّم الأبعاد. تقع البنى النانوية عند تقاطع أصغر التجهيزات التي من صنع الإنسان وأكبر جزيئات الكائنات الحية. ويُقصد هنا بالعلم والهندسة النانويين الفهم الجوهري والتطورات التقنية الناجمة عن استغلال خواص فيزيائية وكيميائية وحيوية جديدة لمنظومات متوسطة في مقاساتها بين الذرات والجزيئات المنفصلة والمواد الجسيمة، حيث يمكن التحكم بالخواص الانتقالية في ما بين الحدين.

صحيح أن حقل التقانة النانوية، وأخاه حقل المنظومات الإلكتروميكانيكية الميكروية MEMS الأشد تعقيداً، يتعاملان مع الأشياء الصغيرة جداً، إلا أنه يجب عدم الخلط بينهما. فعلماء ومهندسو المنظومات الإلكتروميكانيكية الميكروية يهتمون بروبوتات صغيرة جداً ذات أذرع تداول تستطيع فعل أشياء من قبيل الحركة ضمن تيار الدم ونقل الدواء وإصلاح النُسُج. ويمكن أن تكون ثمة تطبيقات كثيرة أخرى لتلك الروبوتات الضئيلة أيضاً، منها تصنيع وتجميع وإصلاح منظومات أكبر.

ان المنظومات الإلكتروميكانيكية الميكروية مستعملة فعلا في قدح اليات ووسائد الحماية الهوائية في السيارات وفي تطبيقات أخرى. لكن وجود بعض التقاطعات بين هذه المنظومات والتقانة النانوية لا يعني انها مماثلة لها في حال من الأحوال. فأحد الاختلافات يكمن في ان المنظومات الالكتروميكانيكية الميكروية تهتم ببنى تقع مقاساتها بين 1000 و1000000 نانومتر، وهي مقاسات أكبر كثيرا من مقاسات السلم النووي (انظر الشكل 1-3) يُضاف إلى ذلك أن العلم والتقانة النانويين يهتمان بجميع خواص البنى التي في المجال النانوي، سواء أكانت كيميائية أم فيزيائية أم كمومية أم ميكانيكية، وهي أكثر تنوعاً وتوجد في عشرات المجالات الفرعية وليست التقانة النانوية روبوتات نانوية.

الشكل 1-3: المعداد النانوي. النتوءات المنفصلة هي جزيئات كربون - 60 وعرض كل منها يساوي نحو نانومتر واحد

اقتسبت بعد موافقة J. Gimzewski, UCLA.