استعراض لتقنية أنابيب الكربون

الملخص- تعرض هذه الورقة التقدم المحرز في مجال تقنية أنابيب الكربون النانونية (Carbon Nanotube) والجرافين(Graphene Sheet) وتطبيقاتها الممكنة، و تسلط الضوء على المفاهيم الأساسية العلمية

و القيود الحالية في تحقيق تطبيقات هذه التقنية. ثم تناقش آثارها المحتملة مع التركيز بصفة خاصة على القدرة العسكرية من خلال فحص آثارها على جميع المهارات الأساسية العسكرية للجيش، ألا وهي: المشاركة، والتنقل، والحماية، وإتخاذ القرار، و الاتصالات ، والدعم السوقي، وجمع المعلومات. كما تبين خصائص هذه التقنية، مثل تخفيض الوزن والحجم، وزيادة القوة، والتي توفر عددا من الفرص لتعزيز القدرات العسكرية. للقيام بذلك، فإننا نسلط الضوء على الآثار الأوسع نطاقا لهذه التقنية حتى نوفر أساسا يسترشد به في وضع المفاهيم القتالية الجديدة.قنية أنابيب الكربون النانوية والجرافين هي من أهم المجالات البحثية في وقتنا الحاظر، لأن هذه المادة تمتلك خصائص فريدة غير مسبوقة تجعلها مثيرة للاهتمام بالنسبة للعديد من التطبيقات فهي مادة تمتازبخفتها ومرونتها العالية، كما ان مقاومتها الميكانيكية تبشر بأنها ستكون من المواد فائقة الصلابة.

فضلا عن ذلك فإن خواصها الإلكترونية أثارت دهشة العلماء لأن سرعة النقل الإلكتروني (Electron Mobility) فيها مرتفعة بشكل لا يصدق والإلكترونات تمر عبرها من دون مقاومة تذكر كما ترتفع درجة حرارتها بنسبة قليلة جدا وفقدها لها سريع جدا لانها موصل جيد للحرارة الذي يجعلها مناسبة للإستخدام في الإلكترونات.
هذا البحث يدرس أثرهذه التقنية على القدرة العسكرية (2-5)، ويعرض بعض تطبيقاتها.

وحيث أن اهتمامنا منصب على الآثار المحتملة لتطبيقاتها في النطاق العسكري فإننا لا نخوض في الجوانب الفنية التفصيلية في هذا المجال. وحيث أن هذا مجال سريع التطورفإننا نشمل كلا من التطبيقات التي من المتوقع إنتشارها في إطار زمني على المدى القصير أو المتوسط.
ومع ذلك، بأن معظم التقنيات الجديدة التي لا تزال في بداياتها، هناك بعض عدم قين بشأن تحقيق بعض تطبيقات هذه التقنية. وعلى هذا النحو، فإن هذا البحث يشمل كلا من التقييمات على تطبيقات هذه التقنية والعقبات التي يتعين التغلب عليها لمثل هذه التطبيقات. وبطبيعة الحال، نود أن نفهم تأثيراتها على القدرة القتالية للجيش في المستقبل. لذلك ننهي هذا التقرير بدراسة إمكانية تطبيقها في النطاق العسكري والاثار المحتملة في الحرب الحديثة.
للقيام بذلك نناقش مجالات التطبيق المحتملة وتأثيراتها في ساحة المعركة في المستقبل.
نظرا إلى مجموعة التطبيقات العسكرية المحتملة، تزايد مستوى البحث والتطوير في العالم، وطلب السوق المتزايد لهذه التقنية، فإنها أصبحت أحد أهم مجالات التكنولوجيا.
وبهذا، فمن المؤكد أن يكون لها تأثير ملحوظ على القدرات العسكرية خلال الفترة الزمنية القادمة. لذلك، تعتبردراسة مدى تأثير هذه التقنية على القدرة العسكرية للجيش في المستقبل أمر جد ضروري.
تقنية النانو أصبحت أحد أهم مجالات النمو في البحث والتطوير في السنوات الأخيرة. ووفقا لتقرير صدر مؤخرا، كانت ميزانية الولايات المتحدة لتقنية النانو للسنة المالية 2002 604 مليون دولار، زادت بنسبة 20 لتصل إلى 710.2 مليون دولار لعام 2003 . كما تستثمر أوروبا موارد ضخمة في أبحاث تكنولوجيا النانو، 180 مليون دولار في عام 2002، ارتفعت إلى ما بين 270 مليون دولار و 315 مليون دولار في عام 2003 (ما لا يقل عن 50) مليون دولار، الأهم من ذلك، أصبحت تقنية أنابيب الكربون والجرافين مجال التركيز الرئيسي بالنسبة لوزارة الدفاع الأمريكية والتي أقامت مركزا لأبحاث هذه التقنية (The Institute for Soldier Nanotechnologies) في عام 2002 بتمويل يقدر ب50 مليون دولار على مدى السنوات الخمس الأولي.
هذا النمو الكبير في تمويل البحوث ولإنشاء برامج بحثية مخصصة لتقنية أنابيب الكربون النانوية والجرافين في المجال العسكري تشير إلى أن قدرات القوات العسكرية في المسقبل القريب تكون مختلفة جذريا عن تلك التي بها اليوم.
أنابيب الكربون النانومترية هي عبارة عن جزيئات أنبوبية تتكون من طي ورقة الجرافين. هناك نوعان من الأنابيب الكربون النانومترية، مصنفة بعدد الجدران المشكلة منهم.
يتم تشكيل الأنابيب النانوية أحادية الجدار (SWCNT) من لف ورقة واحدة من الجرافين.
أماالجرافين فهو مادة شفافة بالغة الرقة (قليلة السماكة- أقل من1 نانومتر)، ثنائية الأبعاد و تتألف من شبكة من حلقات سداسية من ذرات الكربون لها شكل مشابه لبيوت النحل المتراصة . الأنابيب النانوية متعددة الجدار (MWCNT) تتكون من عدد من أنابيب الجرافين متحدة المركز.
قطر أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار حوالي 1 أو 2 نانومتر .
غرام من أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار يصل الى 70 ضعف تكلفة غرام من الذهب. وبالتالي تحقيق التوازن بين فائدة أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار توافرها في صميم القضايا الراهنة.
أنابيب الكربون النانومترية لديها مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك منتجات فائقة القوة للحماية الشخصية، وأجهزة الإضاءة ذات كفاءة عرض عالية، أجهزة استشعار كيميائية شديدة الحساسية، كما يمكن استخدام الجرافين لشفافيته في تصنيع شاشات اللمس ولوحات الانارة والخلايا الضوئية كما يمكن الاستفادة منه في صناعة مجسات الغاز والاليكترونيات ذات المرونة العالية والقابلة للطي مع إمكانية استعماله في تطوير البلاستيك فاضافة بعض منه بنسبة بسيطة سيزيد من مرونة البلاستيك ويرفع من قدرته على تحمل الحرارة ويجعله موصل جيد للكهرباء. يمكن استخدامه في البطاريات الكهربائية مما يؤدي إلى زيادة فعالية تلك البطاريات، يمكن ايضا استخدام أنابيب الكربون النانومترية إلا أن بودرة الجرافين لها ميزة أعلى لأنها أرخص في الإنتاج. وهذا غيض من فيض. فقد بدأت بالفعل شركة أمريكية هايبريون، تنتج أنابيب الكربون النانوية والجرافين بكميات هائلة والتي يتم استخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات وقد نذكر منها صناعة أجسام السيارات والطائرات كطائرة الأباتشي، والاقمار الصناعية والأقراص الصلبة لأجهزة الكمبيوتر، والتعبئة والتغليف، ولذلك ليس من الواقعي استعراض تطبيقاتها باستفاضة لأنه موضوع كبير ومتطور بسرعة كبيرة.
على هذا النحو، اختيارنا من التطبيقات لأنابيب الكربون و الجرافين يركز على تلك التي هي الأكثر فائدة للمجال العسكري.

خصائص أنابيب الكربون النانوية والجرافين:
أ‌. الخواص الميكانيكية:
تستند قدرة أنابيب الكربون النانوية والجرافين لتحسين قوة المواد على خصائصهم الميكانيكية الفريدة.
فيها ترتبط كل ذرة كربون إلى ثلاثة ذرات مجاورة لتسمح بتكوين واحدة من أقوى الروابط الموجودة في الطبيعة .
وبشكل أكثر تفصيلا الأنابيب النانوية و الجرافين تكون:
- حوالي 100 مرة أقوى من الفولاذ .
- المرونة بصورة استثنائية دون أي تلف في الزوايا شديدة الإنحناء .
- خفة الوزن الفائقة فهي تقل بعدة مرات وزنا من الفولاذ.
- خمس مرات أكثر صلابة من الفولاذ.

ب‌.الخواص الإلكترونية:
الأنابيب النانوية والجرافين تعرض أيضا خصائص الإلكترونية فريدة من نوعها.
بالنسبة للأنابيب النانوية، وفقا لكيفية لف أوراق الجرافين لتشكيل الاسطوانة، يمكن للأنابيب عرض خصائص إما المعادن (موصلات)،أو أشباه الموصلات، مما ينتج عنه " معدني" إذا لفت على طول الأنابيب أو شبه موصلة إذا لفت بأنحراف.أما الجرافين، وفقا لكيفية قص أوراق الجرافين للحصول على شرائط جرافين نانوية (GNR)، يمكنها عرض خصائص إما المعادن (موصلات)، أو أشباه الموصلات كما هو موضح بالشكل 1
وتستمد هذه الميزة من بنية الجرافين الإلكترونية الخاصة.
طبيقات أنابيب الكربون النانوية والجرافين:
أ‌.التطبيقات الميكانيكية:
قد تم بالفعل استخدام الأنابيب النانوية و الجرافين في عدد من التقنيات المفيدة عسكريا مثل :
o الدروع الواقية للبدن فائقة القوة وخفيفة الوزن مثل السترات الواقية من الرصاص وزنها لا يزيد عن وزن القمصان العادية.
o العضلات الاصطناعية في الروبوتات، وهياكلها الخارجية .
o تقوية هياكل السيارات والطائرات .
o بطاريات أيونات الليثيوم طويلة الأمد المستخدمة في الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة.
ب. التطبيقات الألكترونية
بينما تطبيقات الأنابيب النانوية و الجرافين في إنشاء مواد عالية المرونة، فائقة القوة وخفيفة الوزن لا تزال في بداياتها، فإن تطبيقاتها الإلكترونية تظهرفي بعض المنتجات بالفعل في السوق. بالتأكيد، الأنابيب النانوية والجرافين لها خصائص توصيل ونقل ممتازة ، والتي أهلتها للتطبيقات الإلكترونية.

هذه التطبيقات هي:
- الإضاءة والعرض:
عملية إنبعاث الإلكترونات تحت جهد أو مجال كهربائي تسمى عملية انبعاث المجال، والتي هي أمر مهم لأغراض الإضاءة والعرض.
الأنابيب النانوية والجرافين قادرة على انبعاث حزم إلكترونية عالية الكثافة تحت جهد منخفض نسبيا وهي بالتالي بواعث مجال ممتازة.
على هذا الأساس، بدأت شركات عدة بتطوير بواعث باستخدام هذه الأنابيب مثل مصابيح معمرة ذات كفاءة عالية (ذات إضاءة مرتين أعلى من المصابيح الكهربائية التقليدية، فترة عمر أطول ولا يقل عن 10 مرات أكثر كفاءة في استخدام الطاقة) وشاشات مسطحة ذات كفاءة عالية في الطاقة وأنحف (تعطي إضاءة كما صمامات الأشعة ولكن تستهلك 10 فقط من الطاقة) باستخدام الجرافين.
o مكونات الدوائر الإلكترونية:
من المتوقع أن الأنابيب النانومترية و الجرافين أن تلعب دورا هاما في الإكترونيات في المستقبل القريب، مثل استخدامها كأسلاك ربط بين مكونات الذارات في الرقائق الالكترونية الدقيقة.
بالنسبة للأسلاك المستخدمة حاليا، مثل النحاس تنشأ مشكلتين عند تقليص حجمها، ارتفاع درجة الحرارة وخفض الكفاءة.
يمكن حل هذه المشاكل باستخدام الأنابيب النانومترية والجرافين لأنها موصلات حرارية ممتازة ويمكنها نقل الحزم الإلكترونية بكثافة عالية دون تلف.
o مواد بلاستيكية موصلة: تطبيقات البلاستيك مألوفة في حياتنا اليومية لاستخدامها كمواد عازلة حول الأسلاك والأجهزة الكهربائية، باستطاعة بعض أنواع البلاستيك أن تعمل كأشباه موصلات أوموصلات للكهرباء.
مع إضافة الأنابيب النانوية الى البلاستيك، مثل بولي آنلين، يمكن أن تصبح موصل للكهرباء أفضل من النحاس . تخفيف الوزن (و بالتالي أقل استهلاك للوقود) عند استبدال الأسلاك النحاسية الثقيلة في الطائرات بأسلاك بلاستيكية محسنة بأنابيب الكربون النانونية .
الأسلاك البلاستيكية المحسنة بأنابيب الكربون النانونية يمكن استخدامها أيضا لتشتت الكهروستاتيكية في الأجهزة الإلكترونية وعزلها من الموجات الكهرومغناطيسية لحماية أنظمة الاتصالات في أرض المعركة من التداخل. بالإضافة إلى ذلك، فإنها والجرافين يمكن أن تحسن كفاءة الخلايا الشمسية البلاستيكية بمعامل يصل الى 50،000، وبأقل تكلفة.
o البلاستيك كهرضغطية مزودة بأنبوب نانوي: المواد الكهرضغطية هي نوع من 'المواد الذكية' التي تنتج جهد (الطاقة)..

مع إضافة الأنابيب النانوية إلى نوع معين من البلاستيك كهرضغطية تصبح ثلاث مرات حساسة أكثر للضغط.
o تخزين الهيدروجين لخلايا الوقود: تطبيقات أخرى محتملة للأنابيب النانوية هي استخدامها كخلايا الوقود.
خلايا الوقود هي أجهزة تولد الطاقة عن طريق الجمع بين الهيدروجين والأوكسجين، مما يتيح الفرصة لاستبدالها بدل المحركات القائمة على النفط والغاز. يتوقع أن تستخدم خلايا الوقود كبديل لمحرك الاحتراق الداخلي للسيارات، لما لديهم من القدرة على إنتاج سيارات بدون ضجيج و أكثر فعالية و أقل تلوث.
بالتحكم في الظروف الخارجية، مثل الضغط ودرجة الحرارة، الأنابيب النانوية يمكن أن تحفظ ذرات الهيدروجين داخل فوهاتها الأسطوانية أو في القنوات بين الأنابيب.
o أدوات بأنابيب الكاربون:
يمكن استخدام الأنابيب النانوية لتطوير تكنولوجيات النانو الأخرى عن طريق إنشاء أدوات يمكن تطبيقها على الصناعة في مقياس النانو، مثل الفحص المجهري ونانوليثوجرافي و ملاقط النانو وغيرها.
- مجهر المسح:
يمكن استخدام الأنابيب النانوية كنهايات للمجسات في مجاهيرالمسح الالكتروني (SEM).
نانوليثوجرافي: عنداستخدامها كمجسات للمجاهير الالكترونية.
ملاقط نانوية:
هي ببساطة ملاقط يمكنها نقل المواد النانوية.
وقد طبقت بالفعل هذه التجربة في المختبرات باستخدام زوج من الأنابيب النانوية النامية على نهاية إبرة ميكروسكوبية .
- أجهزة استشعار كربون نانوية:
الموصلية الكهربائية للأنابيب النانوية شبه الموصلة حساسة للغاية وسريعة الاستجابة للتركيزات الصغيرة من بعض جزيئات الغاز في درجة حرارة الغرفة (مثل أكسيد النيتروز والأمونيا).

القيود الحالية:
هناك عدد من العقبات التقنية التي يجب التغلب عليها قبل استخدام الأنابيب النانوية بشكل واسع في التطبيقات السائدة. وبطبيعة الحال، في بعض التطبيقات هذه العقبات قد تم التغلب عليها مسبقاً. وقد حددنا عددا من هذه العقبات وهي:
أ‌. طول الأنابيب النانوية: حاليا، لا يمكن أن تصنع الأنابيب النانوية لأطوال كافية لاستخدامها في تطوير المواد المركبة فائقة القوة وخفيفة الوزن.
التكلفة: تكلفة الأنابيب النانوية والجرافين لا تزال عالية. في عام 2000، كان سعر الأنابيب النانوية والجرافين التجارية حوالي 60 دولار لكل جرام، ما يقرب عن 10 أضعاف سعر الذهب، في حين كان سعر النقي منها يبلغ 1500 دولار لكل جرام .
ب.انعدام الترابط:
يبدو أن الأنابيب النانوية النقية جداً غير مجدية في تصنيع المواد المركبة الجديدة. تكمن القوة الغير عادية للأنابيب النانوية في الترابط القوى بين ذرات الكربون المجاورة.
ذرات الكربون هذه غير قوية لربط جزيئات المواد الأخرى في المواد المركبة.
التعامل مع الأنابيب النانوية: حاليا القدرة على إنتاج أجهزة إلكترونية باستخدام أنابيبب الكربون النانوية محدودة بسبب عدم وجود تقنيات فعالة لوضع الأنابيب النانوية في مواقع أواتجاهات معينة.
عمليا هذه المشكلة حلت جزئيا بإستخدام وسائل كهربائية. إذا لم يتم التغلب على هذه المشكلة، فإنه سيكون من الصعب إدماج مكونات من أنابيب النانو (الثنائيات، والترانزستور، أسلاك، إلخ) في الرقائق الألكترونية.
جـ‌. القدرة على الاستجابة والاسترجاع:
وجد أن أجهزة الاستشعار المستندة على الأنابيب النانوية ترجع مرة أخرى إلى وضعها الطبيعي ببطء بعد إزالة مصدر الغاز المستهدف، مما يعني أنها لم تستجب بما فيه الكفاية .
الأثر المحتمل لتكنولوجيا أنابيب الكربون النانوية والجرافين على الحرب في المستقبل: الغرض من هذا العمل ليس فقط لإعطاء نظرة عامة عن تكنولوجيا أنابيب الكربون النانوية والجرافين، ولكن أيضا لتقديم بعض التقديرات لفائدة هذه التكنولوجيا في الحرب في المستقبل القريب من خلال دراسة تأثيرها على القدرة الشاملة للجيش.
أ‌.المشاركة:
التأثير الأولي الأرجح لتكنولوجيا أنابيب الكربون والجرافين سيكون في أنظمة أخف وزنا وأقوى صلابة.
هذا من شأنه أن يوفر للمنظومة القتالية أكثر مرونة و أكبر قوة للنيران.
في الواقع، احد المسائل الهامة التي لا يزال يتعين حلها هو الوزن.

في حين أنه من المتوقع أن المنظومة التي يتعين الجندي حملها في أرض المعركة تزن حوالي 40 كجم، فإنه هناك مخاوف بشأن عبء الوزن الإضافي مع تطور التقنية، تقنية أنابيب الكربون النانوية والجرافين تتيح فرصة التغلب على هذه العقبات. يمكن التغلب على الوزن باستعمال الدروع الجديدة المصنوعة من أقمشة أنابيب الكربون أو الجرافين، وباستخدام الأنابيب النانوية والجرافين في العناصر الإلكترونية والضوئية، وأجهزة الذاكرة في الكمبيوتر والاتصالات والعرض.
وبالإضافة إلى استخدام أسلاك بلاستيكية مزودة بأنابيب نانوية يؤدي أيضا الى الانخفاض في الوزن.
ب‌.الإسناد:
يمكن لتكنولوجيا أنابيب الكربون النانوية والجرافين تعزيز قدرة الدعم السوقي لقوة الجيش في المستقبل. معظم التأثيرات من المرجح أن تكون تأثيرات ثانوية، مثل سيارات أخف وزنا و أكثر تعميرا وتتطلب قدرا أقل من الدعم السوقي والصيانة. إن الآثار المترتبة على هذه التقنية والمتعلقة بالاكتفاء ينبغي أن تكون عالية المقدرة، لأن المعركة المقبلة من المرجح أن تتطلب إمدادات طاقة أعلى بكثير.
وأيضا المراقبة الصحية للجندي وذلك عن طريق تقنية أنابيب النانو والجرافين إذا ما استخدمت جنبا إلى جنب مع التقنيات البيولوجية والمعلومات والاتصالات، هذا من شأنه أن يوفر القدرة على رصد ودعم والمحافظة على قدرات الجندي أثناء العمليات، وتحسين كل من القدرة الفسيولوجية للجنود ومعدلات بقائهم على قيد الحياة.
ج‌. الحماية:
استخدام تكنولوجيا أنابيب النانو و الجرافين له عدد من الآثار المترتبة على الحماية. ربما كافة الخصائص الميكانيكية والبصرية والإلكترونية للأنابيب النانوية و الجرافين يمكن استخدامها لتعود بالفائدة الكبيرة. دروع أخف وزنا وأكثر قوة تحسن معدلات البقاء على قيد الحياة.
كما يمكن استخدام أنابيب النانو لتعزيز التمويه والحد من التداخل الكهرومغناطيسي للنظم العسكرية وحجب الأجهزة من الكهرومغناطيسية تسمح للأنظمة أن تبقى غير مكتشفة، كما من شأن المجسات المصغرة. والمجسات البيولوجية النانوية إعطاء إنذار ضد الأسلحة البيولوجية و الكيميائية.
د‌.الحركة و التنقل:
مجسات أنابيب النانو والدروع الخفيفة جدا تحسن مهارات الحركة للجيش في المستقبل. تصغيرالمعدات يعني أن السيارات يمكن أن تحمل أكثر (تتطلب أقل مركبات)، تتحرك بشكل أسرع.
جمع المعلومات:
من المحتمل أن تقنية أنابيب النانو والجرافين ستدعم تطوير إمكانيات جمع المعلومات. هذا يشمل تحسين القدرات الوظيفية لأجهزة الكشف من خلال دمج وتقديم تلك المعلومات. من المؤكد أن القدرة على نشر أعداد كبيرة من المجسات دون مراقبة وغير قابلة للكشف ودائمة مهم للغاية.
هـ‌. إتخاذ القرارات:
مبدئيا على الأقل، تقنية أنابيب النانو والجرافين لن يكون لها سوى تأثير محدود مباشر على صنع القرار. ومع ذلك، أي تعزيزات للمهارات الأساسية الأخرى (وخاصة الاتصالات وجمع المعلومات) من المحتمل أن تؤثر تأثيرا كبيرا غير مباشر على هذه المهارة.
الاتصالات:
تكنولوجيا أنابيب النانو و الجرافين توفر عددا من الفرص لتحسين إمكانيات الاتصالات. هذا ومن المرجح أن تساعد على تعزيز تكنولوجيات الاتصال والمعلومات الأخرى.

الخـــــاتمة:
دراستنا تهدف إلى تقديم انطباع عام على تقنية أنابيب الكربون النانوية والجرافين، كما إنها تستعرض بعض إستخداماتها، والعقبات التقنية التي يجب التغلب عليها وآثارها على قدرات الجيش في المستقبل القريب.
فالأهمية المتزايدة لهذه التكنولوجيا في شتى المجالات وخاصة في المجال العسكري يعني أنه يجب أن يكون لدينا بعض التقدير بماهيتها، وتطبيقاتها الممكنة و كيفية تعزيزها للمهارات الأساسية للجيش من خلال توفيرأنواع جديدة من الدروع وأجهزة الاستشعار، و تخزين البيانات عالية الكثافة وأنواع جديدة من أجهزة الكمبيوتر والاتصالات. في الواقع نحن في المراحل المبكرة لهذه التكنولوجيا والتي من شأنها أن تحدث ثورة كبيرة في معدات الجيش والبحوث التقنية.

النانوية والجرافين وتطبيقاتها العسكرية إعداد / نصرالدين الشركسي / محسن كاره ورقة بحثية منشورة في المؤتمر العلمي الأول للجيش الليبي