X
تبلیغات
رایتل

ساختن از پایین به بالا

جمعه 23 اردیبهشت‌ماه سال 1390

ساختن از پایین به بالا
جیمز هیث در سرمقاله مهمان چاپ‌شده در سال 1999 در شماره ویژه گزارش تحقیقات شیمی که به علوم نانو اختصاص داشت می‌گوید : "در سالهای اخیر کمتر لغتی در علوم فیزیک و شیمی به اندازه " علوم نانو" و " نانوتکنولوژی" استعمال – درست یا نادرست- داشته است."هیث -استاد شیمی دانشگاه کالیفرنیا -می‌نویسد : " چرا این همه علاقه‌مندی و اغراق‌گویی؟!" توضیح علاقه‌مندی نسبتا" ساده است: در 15 سال گذشته ما شاهد انفجار ابزارهای سنجش نسبتا" ارزان قیمت ، مثل میکروسکوپی پروب‌اسکن‌کننده برای بازبینی و دستکاری مواد در مقیاس طولی نانومتر بوده‌ایم. در همین مدت، رشته‌های فراوانی که نامربوط به این رشته بودند (مثل مهندسی برق و زیست‌شناسی) ، نیز متوجه فهم و کنترل پدیده‌های شیمیایی و فیزیکی در این مقیاس طولی و نوعا" 1 تا 100 نانومتر شده بودند. دانشمندان آموخته‌اند که چگونه اندازه و شکل مواد مختلفی را در سطح اتمی و مولکولی کنترل کنند و در جریان کار آنها خواص جالب توجه و ذاتا" مفیدی را که بسیاری از آنها غیرمنتظره بود، کشف کردند.
چادمیرکین ، یک استاد شیمی که بنیاد نانوتکنولوژی دانشگاه نورث‌وسترن را اداره می‌کند، می‌گوید: " این رشته در حال شکوفه‌زدن و تبدیل شدن به نیرویی برتر در علم در چندسال آینده است . تقریبا" یک قطار سریع‌السیر است، که هیجان زیادی در موردش وجود دارد."با این حال میرکین خاطرنشان می‌کند : " در این زمینه اغراق‌گویی‌های فراوانی وجود دارد." بسیاری از گزافه‌گویی‌ها حاصل پیش‌بینی‌های خوش‌بینانه نانوتکنولوژیست‌های آینده‌نگر از علوم نانوی ابتدایی کنونی است. مثلا" نظریه‌پرداز نانوتکنولوژی ، اریک درکسلر، مدیر موسسه Foresight - در پالوآلتوی کالیفرنیا- و بعضی از همکارانش طرح ساخت اتم به اتم بازورهای رباتیک مولکولی را که قادر به ساخت اشیای متفاوتی ازجمله بازوهای رباتیک دیگر هستند ارائه داده‌اند. در یک نظریه جسورانه دیگر، ابزارهای رباتیک برنامه‌ریزی شده کوچکتر از 100 نانومترآزادانه در جریان خون انسان حرکت کرده ، سلولهای سرطانی را شناخته و آنها را پیش از تبدیل شدن به تومور به صورت انتخابی نابود می‌کنند. بسیاری از دانشمندان مشتاق به علوم نانو، این ایده‌ها را افسانه‌های علمی تخیلی می‌دانند. مثلا" فراسر استودارت استاد شیمی دانشگاه UCLA می‌گوید :" این رشته شروع بدی داشته است . چون تصاویری از این دست در ذهن مردم نقش بسته است؛ مثلا" رباتهای شناکننده در جریان خون که این یا آن موجود پلید را می‌کشند." در نتیجه این همه علاقه و گزافه‌گویی، تعریف نانوتکنولوژی تا حدّی نامشخّص می‌باشد- تا مقداری به خاطر این که محقّقین زیادی ،حتّی آنها که روی سیستمهای میکرومتری کار می‌کنند، سعی می‌کنند خودشان را زیر چتر نانوتکنولوژی نگه دارند. بعضی نانوتکنولوژی را با مفهوم درکسلری آن برای ساخت ماشینهای مولکولی قادر به دست‌کاری ماده با دقّت اتمی بکار می‌برند. از سویی دیگر گاهی نانوتکنولوژی به صورتی دربرگیرنده همه ، زیست‌شناسی مولکولی و شیمی – تصویری که میرکین آن را " احمقانه" می‌نامد- در نظر گرفته می‌شود. برای اینکه مطمئن شوید لازم است بدانید شیمیدانان عادت به کار در مقیاس نانو متری داشته‌اند ولی به قول میرکین:" ساخت یک ترکیب آن از طریق شیمی سنتری مرسوم، یک نمونه نانوتکنولوژی نیست." ولی به اعتقاد او، استفاده از تکنیکهای خود چیدمانی برای ایجاد اندک اجزای مولکولی که به صورت یک مولکول حلقوی بزرگ با ابعاد چندین نانومتری تلفیق شوند مورد برحقی از نانوتکنولوژی است. مورد دوم دارای این تفاوت عمده است که ساختارها با دستگاههایی که از 15 سال گذشته به قبل موجود نبوده‌اند ، تولید، توصیف، دستکاری و حتّی دیده می‌شوند.میرکین تأکید می‌کند : " نانوتکنولوژی یک رشته وابسته به ابزار است و این ابزارها به مرور در حال بهتر شدن هستند."

استودارت(چپ) و هیث: زنجیره ها، تسبیح‌ها، و شبه تسبیح‌ها

جنبه کلیدی دیگر نانوتکنولوژی این است که مواد نانومتری خواص شیمیایی و فیزیکی متفاوتی نسبت به مواد انبوه ارائه میدهند، که می‌تواند مبنایی برای فناوریهای جدید باشد. مثلا" دانشمندان دریافتند که می‌توانند خواص الکترونی –و در نتیجه نوری – ذرات نانومتر ی را با تنظیم اندازه ذره تعیین کنند. بنابراین وقتی فلز طلا به صورت میله‌های نانومتری درمی‌آید، شدت فلوئورسانس آن بیش از 10 میلیون برابر میشود. این تحقیق که اخیرا" توسط گروه مصطفی السّیّد، استاد شیمی بنیاد فنّاوری جورجیا صورت گرفته، مشخّص شده است که طول موج منتشره به طور خطی با افزایش طول میله افزایش می‌یابد، در حالی که شدّت نور با مجذور طول آن زیاد می‌شود. السّیّد توضیح می‌دهد :" این نانوذرات نوع جدیدی از مواد محسوب می‌شوند، که خواصشان نه تنها به ترکیب شیمیایی،که به اندازه و شکل نیز وابسته است." این خواص برای کاربردهای ذخیره نوری اطلاعات، سیستمهای فوق‌العاده سریع ارتباطات داده‌ای و تبدیل انرژی خورشیدی مورد توجه قرار گرفته اند. نانومواد از قبل نقشی کلیدی در برخی فنّاوری های تجاری بازی می‌کرده است. ولی این مقاله روی بعضی تحقیقات علوم نانو که چندسال با ثمردهی تجاری فاصله دارد،تمرکز یافته است. هرچند به دلیل نویددهی ایجاد تغییرات شگرف در تولید دستگاهها ، سنسورها، موتورها و بسیاری موارد دیگر، بسیار تکان‌دهنده است. این وسایل امروزه با یک مدل " بالا به پایین" ساخته می‌شوند. مثلا" در صنعت میکروالکترونیک از تکنیکهای لیتوگرافیک برای حک کردن بلورسیلیکون برای ایجاد مدارات و ابزارهای میکرومتری استفاده می‌شود. این تکنیک‌ها اخیرا" به نقطه‌ای پیشرفت کرده است،که اشکالی با ابعاد نانومتری را نیز می‌توان ساخت. هر 18 تا 24 ماه که ابزارها ریزتر می‌شود تعدادی که از آن میتوان در یک چیپ جا داد به دو برابر افزایش می‌یابد. ولی چیپ‌سازان برای ادامه روند کوچک‌سازی در دهه آینده به شدت تحت فشار خواهند بود. برای کوچک شدن به حوزه چند نانومتری، چیب‌ها دیگر پاسخگو نخواهند بود . به علاوه هزینه ساخت خطوط تولید جدیدی برای هر نسل جدید جیپ‌گران خواهد بود. نانوتکنولوژی نوید یک راه‌حل ارزان قیمت " پایین به بالا" را در الکترونیک و دیگر وسایل ساخته‌شده از اجزای ساده‌تر مثل مولکولها و نانوساختارهای دیگر را می‌دهد. این روش مشابه عمل طبیعت در ایجاد ساختمانهای زیستی پیچیده است .

سوئیچ کردن با مولکول‌ها :

آزمایشگاه هیث در خط مقدم تلاشهای انجام‌شده برای ساخت کامپیوتری از پایین به بالا- چیزی که او آن را " نانوکامپیوتر الکترونی با چیدمان شیمیایی" می‌نامد- است. گروه او با همراهی یک شیمیدان به نام استانلی ویلیامز و یک معمار کامپیوتر به نام فیلیپ کوئک از آزمایشگاههای Hewlett-packard واقع در پالوآلتوی کالیفرینا، سبکهای معماری بسیاری برای چنین ماشینی مطرح کرده‌اند. و چندی بیشتر با همکاری گروه استودارت در UCLA شروع به ساخت آنها نمودند . هیث خاطرنشان می‌کند : " وقتی شما به مردم می‌گویید که می‌خواهید کامپیوتری بسازید، آنها فکر می‌کنند شما در حال استخدام شدن در Intel هستید . مقصود ما چنین چیزی نیست." هدف او نشان دادن این مطلب است که یک نانوکامپیوتر ساده را واقعا" می‌توان ساخت. او با ذهنی مملو از چالشها می‌گوید :" ما فکر می‌کنیم این تمرینی سخت خواهد بود، که سعی کنیم بفهیم چگونه یک چنین ماشینی را می‌توان ساخت و سپس آن را عملا" بسازیم." ابتدا هیث توضیح می‌دهد که پروژه شامل به نخ کشیدن دهها سوئیچ مولکولی و نانوسیم به صورت مدارات منطقی و مدارات حافظه و " فراهم‌آوری امکان گفتگوی آنها" است. سوئیچ‌های مولکولی‌ای که محققینی UCLA روی آنها کار می‌کنند ،" زنجیره"‌ها(Catennan) ، "تسبیح"‌ها (Rotaxane) و "شبه تسبیح‌"هایی است که در دهه گذشته در آزمایشگاه استودارت ایجاد شده‌اند. ساده‌ترین مثال این قبیل سوئیچ‌ها ، یک حلقه مولکولی است که به صورت مکانیکی به یک حلقه متفاوت دیگر زنجیر شده ( تا یک زنجیره را تشکیل دهد) یا روی یک مولکولی به بند کشیده شده است. ( تا یک تسبیح‌ یا شبه تسبیح‌ را شکل دهد) . در هرکدام از این ساختارها حلقه مزبور می‌تواند دو موقعیت متفاوت که بیانگر " 0" و " 1" دیجیتالی است داشته باشد، و به کمک اعمال ولتاژهای متفاوت بین این دو حالت سوئیچ کند.
برای اتّصال دادن سوئیچ‌های مولکولی، تیم UCLA در حال کاوش در زمینه استفاده از نانوسیمهای سیلیکونی و نانولوله‌های کربنی که در شبکه‌أی- به قول هیث "مثل یک صفحه ساعت"- قرار دارد،می‌باشد. این معماری مشتق‌شده از معماری کامپیوتر منحصر به فرد سیلیکونی Teramac است که توسط Hewlett –packard چندسال قبل ساخته شد . در هر بند این شبکه، نانوسیمها با تک لایه‌ای از سوئیچ‌های مولکولی متصل شده‌اند. سال قبل، هیث استودارت و همکارانشان نشان دادند، که سوئیچ‌های مولکولی از نوع تسبیح‌ را می‌توان به صف کرد تا یک گیت منطقی ایجاد کرد، هرچند وضعیت این سوئیچ‌ها تنها یکبار قابل تغییر بود در آگوست گروه گام بعدی را برداشت و گزارش داد که سوئیچ‌های مولکولی زنجیره‌ای را میتوان بارها پیکربندی مجدد – یعنی بین حالت روشن و خاموش سوئیچ"- نمود اگرچه تفاوت حالات "روشن" و "خاموش" ( از نظر مقاومت الکتریکی ) بسیار کمتر از حدی است که برای مدارات منطقی مفید باشد، ولی این سوئیچ‌ها، به گفته هیث، برای حافظه مناسب هستند . هیث خاطرنشان می‌کند که اهمیت این کار در این بود که برای اولین بار او فهمید که سوئیچ‌های مولکولی می‌توانند تحت شرایط عادی، بارها و بارها عمل کنند.تک لایه ای از "زنجیره‌ها" که بین دو صفحه الکترود محدود شده، به عنوان سوئیچ مولکولی عمل می‌کند محققین UCLA هم‌اکنون سوئیچ‌های مولکولی قابل تغییر دیگری دارند که نسبت به مورد ماه آگوست پیشرفتهای زیادی کرده است . آنها انتظار دارند به زودی، این سوئیچ‌ها را در مدارات منطقی و حافظه بکار ببرند. هیث می‌گوید :" پس از آن ما باید آن سوئیچ‌ها را وارد گفتگو با هم کنیم، تا شما صاحب یک کامپیوتر شوید. نمونه اولیه چنین کامپیوتری تنها سه یا چهار سال دیگر وقت می‌خواهد.

به سمت یک استراتژی نانوسلولی :

یک مدل کاملا" متفاوت برای ساخت کامپیوترهای مولکولی از پایین به بالا در مرکز علوم و فناوری نانوی دانشگاه رایس درهوستون پیگیری می‌شود. استاد شیمی جیمز تور و همکارانش در آنجا سیمهای مولکولی را ساخته و مطالعه کرده‌اند. نانوسیمهای آنها رشته‌های مزدوجی است که در آنها به عنوان مثال حلقه‌های عاملی‌ بنزن بطور یک در میان با گروههای استیلنی قرار گرفته است. این سیمها گروههای عاملی خاصی در دو سر خود دارند که مثل " گیره‌های تمساحی" موجب اتصال سیمها به طلا یا الکترودهای دیگر می‌شوند. با استفاده از چنین تکنیکهایی تور و همکار تمام وقتش مارک رید، استاد مهندسی برق و فیزیک کاربردی دانشگاه ییل، توانسته‌اند جریانهای الکتریکی کوچکی را که از میان این سیمها می‌گذشت، اندازه‌گیری کنند.آزمایشگاه تورمولکولهای مشابه دیگری نیز ساخته است، مثل حلقه‌های آروماتیک با گروههای استیلنی یک در میان که به صورت دیودیا سوئیچ مولکولی عمل می‌کنند. سال گذشته مثلا" تور و رید تک لایه‌ای از چنین مولکولی گزارش کردند، که وقتی تا 60 درجه کلوین سرد می‌شد، رفتار سوئیچ‌کنندگی غیرعادی نشان می‌داد که در ابزارهای سیلیکونی مرسوم دیده نشده است.] C&EN,Nov 22,1999,Page11 [Science,286,1550(1990); وقتی به این تک لایه ولتاژی با افزایش منظم اعمال می‌شد مولکولها تا قبل از یک آستانه ولتاژی، جریان محسوسی را عبور نمی‌دادند و پس از آن با افزایش ولتاژ جریان به سرعت افزایش یافته و سپس قطع می‌شد. رید و تور این رفتار سوئیچ‌کنندگی را که به مقاومت تبعیضی منفی ( NDR ) معروف است، در مولکول مشابهی در دمای اتاق نیز مشاهده کردند ، هرچند که تأثیر آن چندان گیرا نبود. از آنجاکه این مولکولها می‌توانند بین دو حالت اکسیداسیون پایدار سوئیچ کنند، می‌توانند اطلاعات را به شکل "0" (حالت عایق)، یا "1" (حالت رسانا) ذخیره کنند و درنتیجه به عنوان حافظه مولکولی بکار روند.

تور: آموزش دهی نانوسلولها برای محاسبه

مولکولهای دارای خواص دستگاهی غیرعادی مثل NDR از منظر علمی ، به گفته هیث ،"بسیار جالب توجه اند. این هیجان‌انگیز است که شما بتوانید خاصیتی را در یک مولکول با استفاده از تکنیکهای مرسوم بیافرینید و مشاهده کنید که آن خاصیت در یک دستگاه قابل اطمینان با قراردادن آن مولکول بین دو الکترود ، ظهور پیدا کند. این نتیجه‌ای است که هیچ‌کس انتظار دیدنش را نداشت. این به معنای آن است که شما می‌توانید به قصر کاملی از وسایل با خواص منحصر به فرد فکر کنید." تورورید در تحقیقاتشان دریافتند که این مولکول در 60 درجه کلوین ، مقاومت منفی جزئی (یک نوع رفتار سوئیچی) از خود بروز می‌دهد و مثل یک حافظه قادر به ذخیره اطلاعات است. تور امیدوار است که چنین مولکولهای عمل‌کننده‌ای را برای ساخت یک کامپیوتر مولکولی بکار بگیرد. همانطور که درماه آگوست در یک سخنرانی در همایش ملّی جامعه شیمی آمریکا در واشنگتن ایراد کرد، این کامپیوتر از واحدهای ساده‌ای که " نانوسلول" نامیده می‌شوند تشکیل شده است. این واحدها بطور شیمیایی خودچیدمان هستند و برای انجام کار لازم برنامه‌ریزی می‌شوند. فرایندهای خودچیدمانی که در قلب اقدامات دانشگاههای رایس\ییل و UCLA برای ساخت کامپیوتر مولکولی قرار گرفته است، ناکاملند. یعنی قادر به تضمین موقعیت و جهت صحیح یک مولکول خاص نیستند. البته این خیلی مهم نیست، چون هر دو طرح کامپیوتری نسبت به نقایص اغماص زیادی دارند.از این جهت تمایز خشنی با کامپیوترهای امروزی دارند که با یک عنصر معیوب زمین‌گیر می‌شوند. نانوسلولی که تور و همکارانش بدست آورده‌اند، حدود یک میکرومترمربع است و شامل یک آرایه دو بعدی از چندصد نانوذره فلزی است که توسط حدود 1500 مولکول عمل‌کننده (مثل آنهایی که NDR را بروز می‌دهند) به هم متّصل شده‌اند. این مولکولها ، نانوذرات را به درگاههای ورودی و خروجی پیرامون نانوسلول نیز متّصل می‌کند. بنابراین با ترکیبات متفاوتی از این دریچه‌های ورودی و خروجی ، می‌توان مسیرهای حامل جریان مختلفی را مشخّص کرد.
یک چیپ آزمایشی (چپ) که توسط رید طراحی شده و برای مطالعه مشخّصات جریان /ولتاژ مولکولهایی که تور آماده کرده است بکار گرفته شده است . دو تصویر سمت راست نماهای بزرگتر شده مرکز دو الگوی مربعی مختلف روی چیپ است. در تصاویر بزرگ‌شده ، سیمهای در طول لبه‌ها تا دنیای ماکروسکوپی امتداد یافته‌اند. دراینجا دریچه های تست قادر به قلاب شدن و گیر کردن هستند. بعضی از خطوط لیتوگرافی که در مناظر بزرگ‌شده، دیده می‌شوند، در تماس با صفحات طلایی که 3/0 تا 1]میکرو[ متر فاصله دارند، قرار می‌گیرند. وقتی چیپ بطور آنی در محلولی از ترکیب آزمایشی قرار می‌گیرد، مولکولها خودشان را در عرض این صفحات سوار می‌کنند . خواص الکتریکی این مولکولها را می‌توان مطالعه کرد. به گفته تور، ترتیب نانوذرات و مولکولهای اتّصال‌دهنده در این مسیرها، تصادفی است و مسیرها احتمالا" در ابتدا قادر به انجام هیچ عمل منطقی نخواهند بود ولی با اعمال پالس‌های ولتاژی به ترکیبات مختلف دریچه‌های ورودی و خروجی، امکان آن وجود دارد که مولکولها را گروهی " روشن" یا " خاموش" کرد. این که کدام سوئیچ روشن (رسانا) و کدام یک خاموش (عایق) است، مشخّص نیست، ولی اهمیتی هم ندارد. در یک روال حدس و خطایی ، الگوریتم‌های کامپیوتری خاصی بطور پشت سرهم کار تست و تعمیر را (با استفاده از پالس‌های ولتاژی با مقادیر متفاوت) انجام می‌دهند تا این که آن مسیر عملیات مطلوب را مثلا" به عنوان یک گیت یا افزاینده منطقی انجام دهد. یک کامپیوتر مولکولی واقعی حداقل شامل صدهزار تا یک میلیون نانوسلول خواهد بود ، که با لیتوگرافی معمولی به هم مرتبط شده‌اند. پس از این که اولین نانو سلولها تعلیم داده شدند، آنها به صورت تست‌کننده و تعلیم‌دهنده نانوسلولهای اطرافشان عمل خواهند کرد . بنا به گفته تور، این نحوه " خود راه‌اندازی" امکان برنامه‌ریزی و تعلیم‌دهی سریع و اتوماتیک نانوسلولها را فراهم می‌آورد. او همکارانش قبلا" با مدلسازی (شبیه‌سازی) نشان داده بودند که به یک نانوسلول می‌توان انجام یک عمل خاص را تعلیم داد. ولی تور می‌گوید:"ما هنوز یک نانو سلول کامل را نساخته‌ وبه آن برنامه نداده ایم. هرچند چنین برنامه‌ریزی‌ای در عرض شش‌ماه صورت خواهد گرفت." گذشته از این مسئله، او و اعضای تیم‌اش هنوز باید بر معضلات دشوار بسیار دیگری فائق آیند تا یک نمونه موفق از کامپیوتر مولکولی‌شان را عرضه کنند. مشابه دانشمندان UCLA ، تور نیز فکر نمی‌کند که کامپیوتر مولکولی در کوتاه‌مدت جایگزین کامپیوترهای سیلیکونی فعلی شود. با این حال، الکترونیک مولکولی اولین مورد مصرف خود را در سیستمهای مخطوط که مولکولها در هماهنگی با سیلیسیم عمل می‌کنند" خواهد یافت.

سوئیچ کردن با نانولوله‌ها :

همه مدلهای محاسبه مولکولی الزاما" برمبنای مولکولها نیست، که با سنتز آلی مرحله به مرحله قابل دسترسی باشند. مثلا" در دانشگاه هاروارد ، استاد شیمی چارلز لیبر و همکارانش - توماس روئکس، کیونگ‌ها کیم، و ارنستو جوزلویچ - در حال بکار انداختن نانولوله‌های تک دیواره (SWNTها) برای استفاده در اجزای دستگاهی (مثل سوئیچ‌ها) و سیمها برای خواندن و نوشتن اطلاعات هستند. ایده لیبر عبارتست از الگودهی یک آرایه از نانولوله‌های موازی- روی یک لایه نازک دی‌الکتریک (عایق) که نمونه رسانا را پوشش می دهد- که سپس در بالای این آرایه ، آرایه موازی دیگری از نانولوله‌ها، به زوایه قائمه به صورت آویزان قرار می‌گیرد. نانولوله‌های بالایی بطور غیرهم‌سطح پایینی‌ها را قطع می‌کنند، چون به کمک بلوک‌های تکیه‌گاهی با فواصل منظم 5 نانومتر بر فراز نانولوله‌های پایینی نگه داشته‌شده‌اند. هر نانولوله در انتهایش به یک الکترود فلزی متّصل است. لیبر و همکارانــش در مقالــه جدیدشان این چنین بیان کردند : " هر نقطه تقاطع در این ساختار یک عنصر دستگاهی محسوب می‌شود". و هر عنصر دستگاهی در دو حالت می‌تواند باشد : در حالت " خاموش" لوله‌های متقاطع کاملا" از هم جدا بوده و لذا مقاومت تماسی در این نقطه بسیار بالاست. در مقابل، در حالت " روشن" نانولوله‌های بالایی به سمت لوله‌های پایین آنقدر کشیده می‌شوند تا با آنها تماس یابند ، که در نتیجه مقاومت تماسی فوق‌العاده کم خواهد شد.

لیبر: آرایه‌های نانولوله ‌\ نانوسیم

این محققین می‌نویسند: " با باردار کردن گذرای نانولوله‌ها- به منظور تولید نیروهای الکترواستاتیک جاذبه یا دافعه‌ای- یک عنصر دستگاهی می‌تواند بین این دو حالت تعریف شده- روشن و خاموش- سوئیچ کند." این کار با اعمال پالس ولتاژی به زوج‌الکترودهایی که یک نقطه تقاطع خاص را نشانه گرفته‌اند، صورت می‌گیرد. به گفته لیبر، وضعیت – روشن یا خاموش – هر نقطه تقاطع را با سنجیدن مقاومت تماسی به راحتی می‌توان خواند. چنین آرایه متقاطعی را نه تنها برای شکل‌دهی عناصر منطقی کامپیوترها ، که به عنوان یک حافظه دسترسی اتفاقی (RAM) غیر فرار نیز می‌توان بکار برد، چراکه مزایای‌قابل ملاحظه‌ای نسبت به RAMهای نیمه‌هادی مرسوم از نظر اندازه، سرعت و هزینه دارا می‌باشند. لیبر مثلا" می‌گوید، که 1012 عنصر دستگاهی را می‌توان در 2 Cm 1 از یک چیپ جا داد. این در حالی است که یک چیپ پنتیوم با این اندازه 107 تا 108 قطعه را در خود جا می‌دهد. به علاوه، هر عنصر این حافظه نانولوله‌ای قادر به ذخیره یک بیت است، در حالی که ابزارهای سیلیکونی فعلی، به یک ترانزیستور و یک خازن برای ذخیره یک بیت در RAM متغیر (که بایستی پی در پی از نو پر شود ) یا چهار تا شش ترانزیستور برای ذخیره یک بیت در RAM ایستا نیازمندند. اضافه بر این، بنا به ازمایشات و محاسبات انجام شده،RAM نانولوله‌ای عمل سوئیچینگ را با سرعت GHz100 ، یعنی 100 برابر سریعتر از نسل جدیدچیپ های شرکت اینتل انجام می دهند. آزمایشات گروه هاروارد تاکنون روی اتّصالات منفرد کلاف‌های با قطر 20 تا 50 نانومتر نانولوله که به "طناب" موسوم هستند، صورت گرفته است. در چندین دستگاه مشابه ، لیبر و همکارانش سوئیچینگ بازگشت‌پذیر را بین دو حالت تعریف‌شده روشن و خاموش مشاهده کرده‌اند : " ما فکر می‌کنیم این آزمایشات کاملا" ایده معماری ارائه‌شده از طرف ما را اثبات می‌کند." بااین حال اتّکا صرف به نانولوله‌ها برای این آرایه متقاطع مشکل‌زاست. محققین هاروارد بطور آرمانی دوست دارند ، آرایه‌ها را با SWNT های منفرد با ضخامت نانومتری بسازند – نانولوله‌های نیمه‌هادی در پایین و نانولوله‌های فلزی در بالا. لیبر در این باره می‌گوید : " ما همیشه نیازمند اتّصالات فلز /نیمه‌هادی خواهیم بود" – برای عمل یکسوسازی؛ یعنی به جریان فقط در یک جهت اجازه عبور می‌دهند.
اتّصالات یکسوساز موجب اطمینان از این می‌شود، که وضعیت هر اتّصال را مستقل از بقیه بتوان خواند. متأسفانه کسی نمی‌داند چگونه نانولوله‌ها را بنا به نیاز به شکل فلزی یا نیمه‌هادی بسازد.این محققین نوعا" کار خود را با بکارگیری مخلوطی از انواع متفاوت نانولوله‌ها یا انجام مشاهدات شانسی صورت می‌دهند. یک راه برای فائق آمدن براین مشکل استفاده از نانوسیمهای نیمه‌هادی آغشته در کنار نانولوله‌هاست. گروه لیبر چند سال گذشته را صرف توسعه یک روش کاتالیتیکی لیزری برای ایجاد نانوسیمهای با اندازه‌های گوناگون، منجمله نیمه‌هادی‌های سیلیسیم، ارسنیدگالیم، فسفید ایندیم و غیره کرده‌اند . این روش به قول لیبر، امکان ، " کنترل سنتزی بالایی" را روی قطر ، طول و خواص الکتریکی این نانوسیمها فراهم می‌آورد. اخیرا" به عنوان مثال گروه او نشان داده اند، که نانوسیمهای سیلیکونی را می‌توان با دیگر عناصر آغشته کرد تا مواد نیمه‌هادی نوع N (آغشته به الکترون) یا نوع P (آغشته به حفره) را بدست دهد.,104,5213,(2000)] J.Phys.Chem.B [لیبر خاطرنشان می‌کند : " یک نانوسیم سیلیکونی نوع N، همیشه با یک نانولوله‌ اتّصالی یکسوساز را شکل می‌دهد؛ چه نانولوله فلزی و چه نیمه‌هادی باشد." بعلاوه با تقاطع نانوسیمهای آغشته با نانولوله‌ها، اتّصالات دستگاهی با انواع مختلفی از خواص الکترونیکی را می‌توان داشت. و لذا اگر شما به ساخت ابزارهای مخلوط علاقه‌مند باشید، وارد کردن اجزای سیلیکونی] آغشته[ به دستگاهتان معنی‌دار خواهد بود. نمای سه بعدی ایده لیبر برای یک آرایه متقاطع معلّق با چهار اتّصال نانولوله (عناصر دستگاهی) ، که دو تا آنها در وضعیت " روشن" (در حال تماس) و دوتای دیگر در وضعیت " خاموش" (جدا ازهم) قرار دارند. نانولوله‌های پایینی روی یک لایه نازک دی‌الکتریک ( مثلا" Sio2) هستند، که در بالای یک لایه رسانا ( مثلا" سیلیسیم با آغشتگی بالا) قرار گرفته‌است. نانولوله‌های بالایی به کمک چند تکیه‌گاه (بلوکهای خاکستری) آویزان شده‌اند. هر نانولوله به یک الکترود فلزی (بلوکهای زرد) متّصل است.چگونه این آرایه‌های متقاطع ساخته می‌شوند؟ یک استراتژی نویدبخش ، به گفته لیبر ، الگودهی شیمیایی سطح به صورت خطوط موازی با فاصله چندنانومتر و سپس استفاده از یک جریان مایع روی سطوح الگودهی شده برای ردیف کردن نانوسیمها در آن الگوهاست. وی می‌گوید : " ایجاد آرایه معلّق نیازمند حقّه بیشتری است،" ولی ممکن است با رشد کنترل شده نانولوله‌ها ازنانو ذرّات کاتالیستی، ]فرایند ساخت نانولوله[ این کار را بتوان انجام داد. لیبر می‌گوید گروهش دیوانه‌وار کار می‌کند تا آرایه‌های متقاطعی را بسازد که شامل 16000 اتّصال و " دانسیته‌ای فراتر از آنچه در چند سال آینده فناوری سیلیسیم می‌تواند انجام دهد" باشد. به گفته او، چنین چیپی به معنای طی کردن بخش مهمی از راه است – البتّه یک قسمت خیلی کوچک از راه دراز تجاری شدن فناوری نانوالکترونیک.

چیدمان و محاسبه متکی بر DNA :

ایده آرایه‌ها، سیمهای متقاطع، و محاسبات در کارهای استاد شیمی نادریان سیمن در دانشگاه نیویورک نیز نمود یافته است. ولی در این مورد، سیمها ، رشته های زیگزاک ، به هم بافته و متقاطع DNA هستند که مشابهشان در طبیعت دیده نشده است. برخی از این مولکولها برای ساخت اشیا و ابزارهای نانومتری برپایه DNA یا حتی محاسبه DNA ای مناسب هستند. در طول دو دهه گذشته ، سیمن از پتانسیل DNA برای ساختن یا به عنوان مواد ساختمانی ساختارهایی مثل بلورها یا نانوابزارها، بهره جسته است. او و همکارانش با استفاده از مولکولهای DNA شاخه‌دار دو رشته‌ای با سرهای چسبنده ( لبه‌های رشته‌های‌ DNA که می‌توانند به لبه‌های مکّمل رشته‌های DNA دیگر متّصل شوند)، اشیای نانومتری پیچیده‌ای مثل مکعب، هشت‌وجهی ناقص و دیگر اشکال ساخته شده ازDNA را بدست آورده‌اند. سیمن امیدوار است در نهایت قادر به ساخت ساختمانهایی تو در تو به شکل دو و سه بعدی باشد، به نحوی که نیازی به تعیین مکان ویژه ای روی- برای یک جزء خاص که بایستی وارد آرایه شود- نباشد. وی می‌گوید : " من معتقدم این مسئله ما را واقعا" به جامدات طرّاح و مواد هوشمند می‌رساند." بااین حال خاطرنشان می‌کند،که به عنوان یک ماده ساختمانی ، DNA شاخه‌دار معمولا" فاقد سفتی است. بنابراین در سالهای اخیر گروه او، نحوه‌های چیدنی از رشته‌های DNA ارائه داده‌اند که استحکام ساختمانی بیشتری داشته، و برای ساخت آرایه‌های دو بعدی DNA و یک ابزار نانومکانیکی که بازوهای صلب آن فقط بین دو حالت ثابت قادر به چرخش‌اند، بکار گرفته شده‌اند. آخرین شاهکار سیمن در این راستا، مولکولهای موسوم به چلیپای سه گانه است که چهار رشته DNA با هم ترکیب شده‌اند تا سه مارپیچ دو رشته‌ای مسطح موسوم به کاشی را به وجود بیاورند. این مارپیچ‌ها ازطریق چهار نقطه، که رشته‌های یک مارپیچ به مارپیچ دیگر وصل می‌شوند ، به همدیگر زنجیر شده‌اند. و البتّه می‌توانند رشته‌های چسبیده همتای خود را مبادله ‌کنند. مارپیچ مرکزی با حلقه‌های سنجاقی در دو سر بسته شده است،ولی مارپیچ های دیگر سرهای چسبنده‌ای دارند که به کاشی‌ها امکان می‌دهد یکدیگر را بشناسند. بنا به گفته سیمن و همکارش جان‌ریف ، یک استاد علوم کامپیوتر دانشگاه دوک، سرهای چسبنده شامل اطلاعاتی هستند که به کاشی امکان می‌دهد خودچیدمانی را به صورتی که یک محاسبه منطقی صورت گیرد، انجام دهند. [Nature,407,493(2000)] آنها و همکارانشان چنگ‌دی مائو و توماس لابین به کمک عمل منطقی موسوم به "XOR فزاینده" از این کاشی‌ها برای انجام چهار مرحله محاسباتی روی رشته‌ای از صفر و یک‌ها استفاده کرده‌اند. نتیجه عمل XOR، "0" است که اگر دو عدد پیاپی مشابه باشند (0 و 0 یا 1 و 1) و 1 است، اگر دو عدد متوالی متفاوت باشند. ارزش هر کاشی (0 یا 1) به کمک یک “محل محدودیت” (توالی خاصی از DNAکه شناخته‌شده و با آنزیمهای "محدودیت" بریده می‌شوند) مشخّص می‌شود. کاشی‌های ورودی و خروجی ، سرهای چسبنده متفاوتی دارند.و در محلول با کاشی‌های" نبشی" مخلوط هستند. کاشی‌های نبشی ارزشهای محاسبه را در ابتدای کار وارد کرده و به تاسیس یک قالب کاری برای ارتباط کاشی‌های ورودی و خروجی کمک می‌کنند. کاشی‌ها مطابق الگوریتمی که توسط کاشی‌های خروجی تعیین شده است، عمل خود چیدمانی را انجام می‌دهند (به طور اتوماتیک کنار هم قرار می‌گیرند.) کـاشی‌های ورودی در ابتدا در یک وضعـیت مسطح پلکانی چیده می‌شوند.و بسته به نحوه مرتّب شدنشان، کاشی‌های خروجی خود را- ازطریق جفت شدن سرهای چسبنده مکمل یکدیگر- در شکافهای کوچک موجود روی پلکان جا می‌دهند.

سیمن: محاسبه نانوهرتز با DNA

پس از کامل شدن مجموعه، پاسخ باید استخراج شود . یک رشته گزارشگر که درون هرکدام از کاشی‌ها بافته می‌شود، شامل محل محدودیتی است که ارزش کاشی را مشخّص می‌کند. رشته‌های گزارشگر مربوط به کاشی‌های مجاور به یکدیگر جوش خورده ، رشته‌ای درازتر ایجاد می‌کنند، که از مجموعه خارج می‌شود رشته به هم جوش خورده،پس از تقویت شدن، باکمک آنزیمهای محدودیت بریده‌شده و اجزای حاصل به کمک الکتروفوریزیس ژل سنجیدهمی‌شوند. سیمن می‌گوید : " این کار از همه جهت شبیه توالی‌سنجی DNA است ،مگر اینکه دقّت عمل خیلی کمتر است!" ؛ پاسخ- ارزش کاشی‌های خروجی که خودچیدمانی کرده‌اند- را مستقیما" از الگوی خطوط در ژل می‌توان خواند. این مدل فقط از چهار ورودی سود می‌برد. محاسبات طولانی‌تر نیز به گفته سیمن با یک مرحله ساده خودچیدمانی انجام می‌شود. ولی با افزایش تعداد مراحل محاسباتی، احتمال خطا بیشتر می‌شود. در تجربه‌ای که در مجلّه Nature بیان شده، میزان خطا 2 تا 5% برآورد شده است. سیمن خاطرنشان می‌کند که این خودچیدمانی الگوریتمی ، نسبت به چیدمانیهای DNAای که او روی آنها کار کرده است، به صحّت بیشتری نیاز دارد .درکار قبلی‌ او روی آرایه‌های تناوبی، یک کاشی " صحیح" با کاشی‌های " غلط" رقابت می‌کرد و " لذا فراهم‌آوری شرایط کارکرد صحیح زیاد سخت نبود." او می‌گوید : " در این مسئله ، کاشی صحیح با کاشی‌های نسبتا" صحیح رقابت می‌کند. شما در این مسئله باید سخت‌گیرانه‌تر از مسئله ترتیب تناوبی کار کنید. شما باید به تمام صحت و درستی دست یابید و نه نصف آن! " اریک وین ‌فری ، یک دانشیار علوم کامپیوتر و سیستمهای محاسباتی و عصبی در موسسه فناوری کالیفرنیا، چندسال قبل برای اولین بار پیشنهاد استفاده از DNA برای تقلید کاشی‌های وانگ را ارائه کرده بود- مربع‌هایی با گوشه‌های رنگی که وقتی طوری کنار هم چیده شوند که گوشه‌های همرنگ کنار هم قرار گیرند برای انجام محاسبات قابل استفاده‌اند. سرهای چسبنده روی کاشی‌های DNA معادلهای منطقی گوشه‌های رنگی کاشی‌های وانگ اند. وین فری با ذوق زدگی از مقاله سیمن-ریف می‌گوید: " این اولین ظهور تجربی ایده‌هایی است که من در تز دکترایم مطرح کردم." هر چند، قسمت مشکل کار حرکت از نظم یک بعدی به دو و سه بعدی است، وین فری می‌گوید : " این کار، موجب پردازش اطلاعات بسیار پیچیده‌تری خواهد شد"- البته در صورت عملی شدن. دیوید هارلان‌وود، یک استاد علوم کامپیوتر در دانشگاه دلاویر معتقد است، روشن سیمن برای ساخت بیش از محاسبه مفید است.
وود می‌گوید : " وقتی من این مقاله را خواندم و به ساختن فکر کردم؛ نظرات شگفت‌انگیزی در مورد سیخ‌ها یا تخته‌های پروازکننده در فضا داشتم." ولی او فکر کرد که: " اعمال این تکنیک محاسباتی در 1012 مولکول مجزا از یکدیگر،واقعاْ مشکل است. ولی در عوض، یک کامپیوتر الکترونیکی قوی می‌تواند در کمتراز یک میکرو ثانیه مشکلات این مقیاس را در هم بکوبد." سیمن تأیید می‌کند :" ما در اینجا در مورد گیگاهرتز صحبت نمی‌کنیم منظور ما 100 نانوهرتز است." در هر صورت، سیمن می‌گوید ، که هدف اولیه‌اش چند محاسبه در هر ثانیه نیست، بلکه چیدمانی الگوریتمی DNA برای ساخت نانوساختارهای جدید و ذاتا" مفید است. نانوساختارها ، درهر حال چه برای انجام محاسباتی با سرعت نور، شناسایی مولکولها در طبیعت، حذف عوامل بیماریزا از بدن، یا بهبود خواص مواد طراحی شوند، کلید راهگشایی برای نانوتکنولوژی خواهند بود. و کلید ساخت نانوساختارها، شیمی است . به معنای دیگر سیمن نانوتکنولوژی را به عنوان یک زمزمه بسیار هوس‌بازانه برای شیمی در قرن آتی می‌داند. این ممکن است، ولی قطعا" به همکاری فیزیکدانان ، زیست‌شناسان ، دانشمندان علوم مواد، مهندسین شیمی و برق و دیگر متخصصینی که با هم کار خواهند کرد ، نیاز خواهد بود. هیث از UCLA می‌گوید : " اکنون زمان هیجان‌انگیزی برای به انجام رساندن علوم نانوست. این رشته با سرعت بسیار زیادی به جلو در حال حرکت است." او از تصمیم دولت آمریکا برای شتاب بخشیدن به تحقیقات علوم نانو به عنوان بخشی از پیشگامی ملّی نانوتکنولوژی به هیجان آمده، می‌گوید :" تنها شکایت من این است که آنها چرا نام این طرح را پیشگامی ملّی علوم و فناوری نانو نگداشته‌اند. علّت چنین نامگذاری‌ای ساده است : فناوریهای نانویی که از علوم نانو برمی‌خیزد، به نظر می‌رسد نانوتکنولوژی اکثر صنایع کلیدی ما را دگرگون سازد ولی در ابتدای کار به علوم نانو نیاز است. " چهار رشته رنگی DNA برای ایجاد سه مارپیچ دوگانه به هم مرتبط مسطح موسوم به کاشی، در هم بافته شده‌اند. قسمتهای راه‌راه، به طور تقریبی معرف " زوجهای بازی" است . سه فلش نشانگر سه سر هستند . خط قطور قرمز، رشته گزارشگر است. سیمن از این کاشی‌ها برای ساختن و محاسبه استفاده می‌کند.
نظرات (0)
برای نمایش آواتار خود در این وبلاگ در سایت Gravatar.com ثبت نام کنید. (راهنما)

نام :
پست الکترونیکی :
وب/وبلاگ :
ایمیل شما بعد از ثبت نمایش داده نخواهد شد