جوائز نوبل
الاستثمار في إنجازات جائزة نوبل – إمكانات الليزر
تاريخ جائزة نوبل
جائزة نوبل هي أرفع جائزة في العالم العلمي. تم إنشاؤها وفقًا وصية السيد ألفريد نوبل لمنح جائزة “للذين، خلال العام السابق، قدموا أعظم فائدة للبشرية” في الفيزياء والكيمياء وعلم وظائف الأعضاء أو الطب، الأدب، والسلام. تم إنشاء جائزة سادسة لاحقًا للعلوم الاقتصادية من قبل البنك المركزي السويدي.
يعود قرار من يُمنح الجائزة إلى عدة مؤسسات أكاديمية سويدية.
القلق بشأن الإرث
جاء قرار إنشاء جائزة نوبل إلى ألفريد نوبل بعد أن قرأ نعيه الخاص، نتيجة خطأ من صحيفة فرنسية أساءت فهم خبر وفاة شقيقه. حملت المقالة الفرنسية عنوان “تاجر الموت ميت”، وانتقدت نوبل لاختراعه للمتفجرات غير الدخانية، وكان الديناميت هو الأكثر شهرة بينها.
كان لاختراعاته تأثير كبير في تشكيل الحروب الحديثة، واشترى نوبل مصنعًا ضخمًا للحديد والصلب ليحوّله إلى مصنع أسلحة رئيسي. وبما أنه كان في البداية كيميائيًا ومهندسًا ومخترعًا، أدرك نوبل أنه لا يريد أن يُذكر إرثه كرجل جمع ثروة على حساب الحرب وموت الآخرين.
جائزة نوبل
في الوقت الحالي، تُخزن ثروة نوبل في صندوق يُستثمر لتوليد الدخل لتمويل مؤسسة نوبل والميدالية الخضراء المطلية بالذهب، والشهادة، والجائزة المالية التي تبلغ 11 مليون كرونة سويدية (حوالي مليون دولار) تُمنح للفائزين.
المصدر: Britannica
غالبًا ما تُقسم أموال جائزة نوبل بين عدة فائزين، خاصة في المجالات العلمية حيث من الشائع أن يساهم شخصان أو ثلاثة في اكتشاف رائد معًا أو بالتوازي.
على مر السنين، أصبحت جائزة نوبل هي الجائزة العلمية، ساعية لتحقيق توازن بين الاكتشافات النظرية والعملية للغاية. لقد كافأت إنجازات أسست لأسس العالم الحديث، مثل النشاط الإشعاعي، المضادات الحيوية، أشعة إكس، أو تقنية تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR)، بالإضافة إلى العلوم الأساسية مثل مصدر طاقة الشمس، شحنة الإلكترون، بنية الذرة، أو السائل الفائق.
إمكانات الليزر
تم اختراع الليزر في عام 1960، وأصبح ظاهرة في عالم أبحاث الفيزياء تقريبًا على الفور. الليزر هو شعاع ضوء متماسك، يُنشئ شعاعًا ضيقًا جدًا من طول موجة واحد لا يتشتت على مسافات طويلة.
المصدر: Britannica
كان من المتوقع أن يُكافأ اختراع الليزر نفسه بجائزة نوبل بسرعة، في عام 1964 لتاونز، نيكولاي ج. باسوف، وألكسندر م. بروخوروف “لعملهم الأساسي في مجال الإلكترونيات الكمومية، الذي أدى إلى بناء المذبذبات والمضخمات القائمة على مبدأ الليزر-مازر”.
ذلك لأن سرعان ما أصبح واضحًا أن الليزر سيحظى بمجموعة واسعة من التطبيقات، من الإنتاج الصناعي إلى الاتصالات.
مع ذلك، لم ينظر علماء آخرون إلى الليزر من هذا المنظور، بل درسوا التقنية بعمق. وفازوا بجائزة نوبل في الفيزياء عام 2018 لاكتشافاتهم.
آرثر أشكين درس كيف يمكن استخدام الليزر لتحريك أشياء دقيقة، باستخدام “وزن” شعاع الضوء فقط. وفي الوقت نفسه، جيرار مورو ودونا ستريكلاند طوروا طريقة لإنشاء نبضات ليزر فائقة السرعة والقوة، لكن بعد عقود لا يزال لا نهاية لما يمكن أن تصل إليه هذه التقنية لتعزيز سرعة وقوة الليزر.
المصدر: Nobel Prize
الدفع بالضوء
على الرغم من كونها بلا وزن، فإن الفوتونات التي تشكل الضوء تحمل كمية صغيرة من الطاقة وبالتالي الزخم. نظريًا، هذا يكفي لإحداث حركة دون لمس الجسم.
تحريك الأجسام بهذه الطريقة صعب، إذ إن الحركة المستحثة تكون صغيرة جدًا. لذا، عمليًا، يمكن أن يعمل ذلك فقط في الفضاء (الأشرعة الشمسية) أو على أشياء دقيقة.
كان هذا مجال البحث المفضل لآرثر أشكين في مختبرات بيل. بدأ باستخدام كرات شفافة بحجم ميكرومتر وأكد أنها يمكن دفعها بالليزر.
كانت ملاحظة مفاجئة أن الكرات تجذبها مركزية شعاع الليزر، وهو الجزء الأقوى. وجد أن السبب هو أن حافة شعاع الليزر أضعف، وبالتالي يبقى الجسيم في مركزه.
حجز الجسيمات بالضوء
هنا حقق أشكين الاختراق بتحويل الليزر إلى ملقط يمكنه الإمساك بالأشياء وتحريكها حسب الرغبة. للقيام بذلك، أضاف عدسة إلى الجهاز تعيد تركيز الليزر لتتجمع في نقطة محددة في الفضاء. في هذه النقطة البؤرية، يُحجز الجسيم، حيث إن ضغط ضوء الليزر يسحب الجسيم مرة أخرى إلى المركز.
المصدر: Nobel Prize
بحلول عام 1986، تم تأسيس هذه الطريقة المسماة “فخ بصري بقوة تدرجية شعاعية أحادية”، وسرعان ما عُرفت بالاسم الشائع “الملاقط البصرية”. يمكنها حجز جسيمات تتراوح من عشرات النانومتر إلى عشرات الميكرومتر.
سرعان ما أصبحت التقنية طريقة رئيسية لحجز، وتلاعب، وتبريد الذرات الفردية.
تلاعب الخلايا الحية حسب الرغبة
لكن أشكين كان يركز أكثر على إمكاناته في تلاعب الكائنات الحية مثل الفيروسات والبكتيريا. بما أن الليزر الأخضر الذي كان يستخدمه قوي جدًا، انتقل إلى ليزر تحت الأحمر أقل ضررًا للكائنات الحية. أثبتت هذه الطريقة بسرعة أنها تستطيع تحريك فيروسات أو بكتيريا كاملة، بالإضافة إلى دفع وتحريك مكونات داخل الخلايا.
قادت هذه التقنية قريبًا إلى قياس عزم الدوران الذي تُنشئه سوط البكتيريا، والقوة التي تُمارسها الأنابيب الدقيقة (جزء من “هيكل الخلية”) داخل الخلايا، وتلاعب مكونات خلايا النباتات.
المصدر: Nobel Prize
أدى المزيد من التقدم في دقة التقنية وتحكمها إلى القدرة على تلاعب مكونات بحجم زوج قواعد DNA واحد، وقياس القوى الميكانيكية للإنزيمات (البروتياز) التي تحلل البروتينات، وفك جزيئات الـRNA.
ما زالت أفكار جديدة تُطوَّر في هذا المجال العلمي، مثل الملاقط البصرية الهولوجرافية، التي يمكن لآلاف الملاقط استخدامها في آن واحد.
مفهوم مشابه، يستخدم الموجات الصوتية بدلاً من الليزر (الملاقط الصوتية)، يُجري حاليًا تحسينًا. استكشفنا كيف يمكن أن تُحدث ثورة في الجراحة والطب في مقالتنا “التوصيل المستهدف للأدوية قد يستفيد من تقنية جديدة تتضمن الموجات الصوتية”.
نبضات الليزر فائقة السرعة
عند ظهور الليزر، كانت الاستخدامات الأولى تعتمد على شعاع ليزر مستمر. لكن سرعان ما اتضح أن نبضة عالية الطاقة قد تكون أكثر فائدة للعديد من التطبيقات التي تتطلب توصيل كمية كبيرة من الطاقة تقريبًا فورًا.
في البداية، تم تحسين الأداء باستخدام الليزر المقفل النمط، وهي طريقة تسمح بزيادة نبضات النانوجول إلى مستوى الميلي جول، أي زيادة بمقدار مليون مرة في الطاقة. ومع ذلك، تعثرت هذه التقدمات في السبعينيات، حيث تسببت المستويات المتزايدة من الطاقة في إتلاف المضخمات المستخدمة.
المصدر: Nobel Prize
الطريقة الوحيدة لتجاوز المشكلة التي وُجدت هي استخدام شعاع ليزر بقطر أكبر. ومع ذلك، كانت هذه الأجهزة مكلفة ولن تتوفر إلا لعدد قليل من المعاهد البحثية الوطنية. بالإضافة إلى ذلك، كانت قادرة على إطلاق عدد محدود من النبضات يوميًا، مما عرقل الأبحاث التي تحتاج إلى مثل هذه النبضات.
تقنية تضخيم النبضة المشوشة (CPA) للإنقاذ
كان من الواضح أن تكنولوجيا نبضات الليزر كانت في حالة ركود، ومعها جميع برامج البحث التي تعتمد عليها. هنا فاز دونا ستريكلاند، طالبة دكتوراه، ومشرفها جيرار مورو، في جامعة روتشستر بالولايات المتحدة بجزء من جائزة نوبل هذه.
الفكرة المركزية كانت أولاً “تمديد” نبضة الليزر، لتقليل ذروة طاقتها. هذا يعني أنه يمكن تضخيمها الآن دون إتلاف مادة المضخم. ثم تُ “إعادة ضغط” لتعود إلى نبضة قصيرة، مما يزيد طاقة النبضة بشكل كبير عن ما كان ممكنًا من قبل. سُميت التقنية بـ “تضخيم النبضة المشوشة” (CPA).
المفهوم كان بسيطًا، لكن تنفيذه لم يكن كذلك. استغرق الأمر عدة سنوات حتى تمكن الباحثان من تحقيقه. استخدما أكثر من كيلومتر من الألياف البصرية وتعاملا مع صعوبة مزامنة جميع المكونات. لم ينجح الأمر إلا في عام 1985، ومنذ ذلك الحين استُخدمت تقنية CPA لإنشاء نبضات ليزر أقوى فأقوى.
المصدر: Nobel Prize
تطبيقات نبضات الليزر فائقة السرعة
ملاحظات زمنية لا نهائية
إحدى تطبيقات نبضات الليزر الفائقة القصيرة هي “إضاءة” هدف لفترة وجيزة جدًا، بمدة femtosecond، أي مليون من مليار جزء من الثانية. هذا يجعل مراقبة الظواهر مثل التفاعلات الكيميائية للجزيئات التي كانت تُعتبر فورية ممكنة.
المصدر: Nobel Prize
التقدم المستمر يفتح مجالًا علميًا جديدًا تمامًا، علم الأتوثانية (1/1000 من femtosecond). من خلاله يمكن للعلماء دراسة ديناميكيات الإلكترون داخل الذرات والجزيئات، والمادة في الحالة المكثفة.
الاستخدامات الطبية
تُستخدم هذه الليزرات أيضًا لإنشاء تسارع بلازما ليزرية، تُسرّع الجسيمات مثل البروتونات والإلكترونات إلى مستويات طاقة هائلة. يمكن استعمالها في العلاج الإشعاعي، واستخدام الليزر يتيح تصنيع آلات صغيرة بما يكفي لتناسب بيئات المستشفيات.
تُستعمل الليزرات فائقة السرعة أيضًا في جراحة العين، من جراحة LASIK لإزالة الحاجة إلى النظارات إلى الفوتوكواغولاسيون لعلاج اعتلال الشبكية السكري (أمراض الشبكية).
المصدر: Nobel Prize
علوم المواد
يمكن استخدام الليزر لنقش المواد بدقة عالية. إلا أن المشكلة تكمن في أن الاستخدام الطويل للليزر يسبب تسخينًا سريعًا للمادة، ما يولد موجات صدمية ضارة.
تستمر الليزرات الفيمتوثانية في النحت لكنها قصيرة بما يكفي لتجنب السخونة الزائدة، مما يزيل هذه المشكلة.
المصدر: Nobel Prize
كما ذكرنا، يتيح ذلك استخدام الليزر في جراحة العين، تخزين البيانات، وتصنيع الدعامات الجراحية، أسطوانات ميكرومترية من معدن مشدود تُزرع في أوعية دم الجسم، وغيرها من القنوات.
الاستثمار في تكنولوجيا الليزر
الليزر حاضر في لا حصر له من أجزاء التكنولوجيا الحديثة، من الأقراص الضوئية إلى أدوات الجراحة، والطباعة ثلاثية الأبعاد، وأشباه الموصلات، والتصنيع، وأجهزة تسلسل الجينوم، مع سوق بقيمة 17.8 مليار دولار من المتوقع أن ينمو بنسبة 7.8٪ CAGR حتى عام 2030.
يمكنك قراءة المزيد عن إمكانات الليزر في مقالتنا “الليزر على وشك أن يلعب دورًا محوريًا في العقود القادمة مع تقدم التكنولوجيا”، بما في ذلك الاستخدامات المستقبلية الجديدة، مثل الدفاع، والصحة، والاندماج النووي.
يمكنك الاستثمار في الشركات المرتبطة بالليزر عبر العديد من الوسطاء، ويمكنك العثور هنا، على securities.io، على توصياتنا لأفضل الوسطاء في الولايات المتحدة الأمريكية، كندا، أستراليا، المملكة المتحدة، وكذلك العديد من الدول الأخرى.
إذا لم تكن مهتمًا باختيار شركات محددة، يمكنك أيضًا النظر في صناديق المؤشرات المتداولة (ETFs) التقنية مثل iShares U.S. Technology ETF (IYW) أو ProShares Nanotechnology ETF (TINY)، رغم عدم وجود صندوق ETF مخصص لليزر فقط، إلا أن ذلك سيمنحك تعرضًا أكثر تنوعًا للاستفادة من أسهم الليزر والتكنولوجيا.
شركات الليزر
1. II-VI Marlow / Coherent
(COHR )
Coherent هي مجموعة صناعية كبيرة تضم أكثر من 26,000 موظف وتُعد رائدة في تكنولوجيا الليزر، نتيجة دمج شركة المواد المتقدمة II-VI Marlow مع صانع الليزر Coherent.
تتخصص الشركة في المواد المتقدمة المستخدمة في الليزر، والبصريات، والفوتونيات، مثل الفسفوريد الإنديوم، الرقائق الوبائية، والزرنيخ الغاليوم. نمت الشركة بشكل كبير بفضل عدة عمليات استحواذ خلال العقد الماضي.
المصدر: Coherent
تستمد الشركة 29٪ من إيراداتها من الليزر، بينما يرتبط الباقي بالمعدات المرتبطة مثل الألياف البصرية، والإلكترونيات، والأجهزة.
المصدر: Coherent
وجود الشركة في مواد متقدمة مثل الخلايا الحرارية الضوئية (التي ناقشناها في مقالة سابقة)، وكربيد السيليكون، والليزر، والإلكترونيات يساعدها على الاستفادة من الاتجاهات الهيكلية مثل نمو التصنيع الدقيق، التصنيع الإضافي (الطباعة ثلاثية الأبعاد)، الكهربة، والطاقة المتجددة.
قامت الشركة مؤخرًا بفصل أعمال كربيد السيليكون إلى كيان جديد، تمتلك Coherent 75٪ منه، بينما يمتلك شركاؤها Mitsubishi Electric (الذي يجلب حقوق ملكية طاقة كربيد السيليكون) وDenso (الذي يجلب نشاطه كمورد للسيارات في مجال الكهربة وأشباه الموصلات القوية) النسبة المتبقية بالتساوي.
2. Corning
(GLW )
Corning هي شركة تكنولوجيا تصنيع ورائدة في أسواق الليزر، مع تركيز على 3 تقنيات أساسية: علوم الزجاج، الفيزياء البصرية (بما فيها الليزر)، وعلوم السيراميك.
المصدر: Corning
مع أكثر من 50,000 موظف، تتواجد الشركة في العديد من الأسواق، بما فيها الألياف البصرية (اخترعت أول ألياف بصرية منخفضة الفقدان في عام 1970)، التصنيع الدقيق، الزجاج المقاوم للضرر والدقة، الشبكات اللاسلكية، والتحكم في انبعاثات السيارات (السيراميك للمحولات الحفازة).
نظرًا لأن الليزر نفسه يعتمد على مواد نقية جدًا وزجاجات مصقولة بدقة، فهناك الكثير من التآزر بين التقنيات المختلفة التي تمتلكها Corning.
بشكل عام، تمتلك الشركة تاريخًا طويلًا من الابتكار الناجح في تقنياتها الأساسية، بما في ذلك:
- زجاج مقاوم للحرارة PIREX.
- زجاج شاشات LCD.
- زجاج مضاد للميكروبات.
- تقنية التقاط الصور لتلسكوب جيمس ويب.
- عدسات تركيز الشعاع للاندماج النووي.
المصدر: Corning
كما تبيع الشركة العديد من الأدوات القائمة على الليزر، مثل قطع وصقل الزجاج والمواد الهشة الأخرى.
المصدر: Corning
تزداد أهمية العدسات المتقدمة، والليزر، والسيراميك في جميع أنواع التطبيقات التقنية العالية، من تصنيع أشباه الموصلات إلى علوم الحياة.
تمتلك الشركة حضورًا في الفضاء الجوي، والتكنولوجيا الحيوية والصناعات الصيدلانية، والإلكترونيات والشاشات، والاتصالات البصرية، والسيارات، بالإضافة إلى ريادة تقنية في تخصصاتها.
تنمو جميع هذه القطاعات بسرعة وتصبح أكثر اعتمادًا على المعدات التقنية العالية التي تزودها مزودات متخصصة. لذا، من المتوقع أن تواصل الشركة النمو بثبات وتظل قوة رائدة في قطاعاتها المتعددة.
