نانوالکترونیک

نانو تكنولوژي

فناوری نانو یا نانوتکنولوژی رشتهای از دانش کاربردی و فناوری است که جستارهای گستردهای را پوشش میدهد. موضوع اصلی آن نیز مهار ماده یا دستگاههای در ابعاد کمتر از یک میکرومتر، معمولاً حدود ۱ تا ۱۰۰ نانومتر است. در واقع نانو تکنولوژی فهم و به کارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستمهایی در این ابعاد است که اثرات فیزیکی جدیدی - عمدتاً متاثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک - از خود نشان میدهند. نانوفناوری یک دانش به شدت میانرشتهای است و به رشتههایی چون مهندسی مواد، پزشکی، داروسازی و طراحی دارو، دامپزشکی، زیست شناسی، فیزیک کاربردی، ابزارهای نیم رسانا، شیمی ابرمولکول و حتی مهندسی مکانیک، مهندسی برق و مهندسی شیمی نیز مربوط میشود. تحلیل گران بر این باورند که فناوری نانو ، فناوری زیستی (Biotechnology) و فناوری اطلاعات (IT) سه قلمرو علمی هستند که انقلاب سوم صنعتی را شکل می دهند. نانو تکنولوژی میتواند به عنوان ادامهٔ دانش کنونی به ابعاد نانو یا طرحریزی دانش کنونی بر پایههایی جدیدتر و امروزیتر باشد.

نانوتکنولوژی تولید کارآمد مواد و دستگاهها و سیستمها باکنترل ماده در مقیاس طولی نانومتر و بهره برداری از خواص و پدیدههای نو ظهوری استکه در مقیاس نانو توسعهیافتهاند.

یک نانومتر چقدر است؟

یک نانومتر یک میلیاردم متر (10^-9 m)است. این مقدار حدودا چهار برابر قطر یک اتم است. مکعبی با ابعاد 2.5 نانومتر ممکناست حدود 1000اتمرا شامل شود. کوچکترینآی سیهایامروزیبا ابعادی در حدود 250 نانومتر در هر لایه به ارتفاع یک اتم ، حدود یک میلیون اتمرا در بردارند. در مقایسه یک جسم نانومتری با اندازهای حدود 10 نانومتر ، هزاربرابر کوچکتر از قطر یک موی انسان است.

امکان مهندسی در مقیاس مولکولی برایاولین بار توسطریچارد فاینمن (R.Feyman) ،برندهجایزه نوبل فیزیکمطرح شد. فاینمن طی یک سخنرانی در انستیتو تکنولوژی کالیفرنیادر سال 1959 اشاره کرد که اصول و مبانی فیزیک امکان ساخت اتم به اتم چیزها را ردنمیکند. وی اظهار داشت که میتوان با استفاده از ماشینهای کوچک ماشینهایی به مراتبکوچکتر ساخت و سپس این کاهش ابعاد را تا سطح خود اتم ادامه داد.
همینعبارتهای افسانه وار فاینمن راهگشای یکی از جذابترین زمینههای نانو تکنولوژی یعنیساخت روباتهایی در مقیاس نانو شد. در واقع تصور در اختیار داشتن لشکری از نانوماشینهایی در ابعاد میکروب که هر کدام تحت فرمان یک پردازنده مرکزی هستند، هردانشمندی را به وجد میآورد. در رویای دانشمندانی مثلجی استورس هال (J.Storrs Hall) واریک درکسلر (E.Drexler) این روباتها یاماشینهای مونتاژکن کوچک تحت فرمان پردازنده مرکزی به هر شکل دلخواهی در میآیند. شاید در آیندهای نه چندان دور بتوانید به کمک اجرای برنامه ای در کامپیوتر ، تختخوابتان را تبدیل بهاتومبیلکنید و با آن به محل کارتان بروید.

چرا این مقیاس طول اینقدر مهم است؟

خواص موجی شکل (مکانیک کوانتومی) الکترونهای داخل ماده واثر متقابل اتمها با یکدیگر از جابجایی مواد در مقیاس نانومتر اثر میپذیرند. باتولید ساختارهایی در مقیاس نانومتر ، امکان کنترل خواص ذاتی مواد ازجملهدمای ذوب،خواص مغناطیسی،ظرفیت بارو حتی رنگ مواد بدون تغییر درترکیب شیمیایی بوجود میآید. استفاده از این پتانسیل به محصولات و تکنولوژیهایجدیدی با کارآیی بالا منتهی میشود که پیش از این میسر نبود.

نظام سیستماتیکماده در مقیاس نانومتری ، کلیدی برای سیستمهای بیولوژیکی است. نانوتکنولوژی به مااجازه میدهد تا اجزاء و ترکیبات را داخل سلولها قرار داده و مواد جدیدی را بااستفاده از روشهای جدیدخود_اسمبلیبسازیم. در روشخود_اسمبلیبه هیچروباتیا ابزار دیگری برای سرهم کردن اجزاءنیازی نیست. این ترکیب پر قدرتعلم موادوبیوتکنولوژیبه فرآیندها و صنایع جدیدی منتهی خواهد شد.

ساختارهایی در مقیاس نانو مانندنانو ذرات و نانولایهها دارای نسبت سطح به حجم بالایی هستند که آنها را برایاستفاده درمواد کامپوزیت، واکنشهای شیمیایی ، تهیهدارو وذخیرهانرژیایدهال میسازد. سرامیکهای نانوساختاری غالبا سختتر و غیرشکنندهتر ازمشابه مقیاس میکرونی خود هستند. کاتالیزورهای مقیاس نانو راندمان واکنشهای شیمیاییو احتراق را افزایش داده و به میزان چشمگیری از مواد زائد و آلودگی آن کم میکنند. وسایل الکترونیکی جدید ، مدارهای کوچکتر و سریعتر و … با مصرف خیلی کمتر میتوانندبا کنترل واکنشها در نانوساختار بطور همزمان بدست آیند. اینها تنها اندکی از فوایدو مزایای تهیه مواد در مقیاس نانومتر است.

منافع نانوتکنولوژی چیست؟

مفهوم جدید نانوتکنولوژی آنقدر گسترده وناشناخته است که ممکن است روی علم و تکنولوژی در مسیرهای غیرقابل پیش بینی تأثیربگذارد. محصولات موجود نانوتکنولوژی عبارتند از: لاستیکهای مقاوم در برابر سایش کهاز ترکیب ذرات خاک رس با پلیمرها بدست آمدهاند، شیشههایی که خودبه خود تمیزمیشوند، مواد دارویی که در مقیاس نانو ذرات درست شدهاند، ذرات مغناطیسی باهوشبرای پمپهای مکنده و روان سازها ،هد دیسکهای لیزریومغناطیسیکه با کنترل دقیق ضخامت لایهها ازکیفیت بالاتری برخوردارند، چاپگرهای عالی با استفاده از نانو ذرات با بهترین خواصجوهر و رنگ دانه و ... .

قابلیتهای محتمل تکنیکی نانوتکنولوژی

1.محصولات خود_اسمبل

2.کامپیوترهایی با سرعت میلیاردها برابر کامپیوترهای امروزی

3.اختراعات بسیار جدید (که امروزه ناممکن است(

4.سفرهای فضایی امن و مقرون به صرفه

5.نانوتکنولوژی پزشکی که در واقع باعث ختم تقریبی بیماریها ، سالخوردگی و مرگ ومیر خواهد شد.

6.دستیابی به تحصیلات عالی برای همه بچههای دنیا

7.احیاء و سازماندهی اراضی

برخی کاربردها

مدلسازی مولکولی و نانوتکنولوژی

در سازمان xadدهی و دستکاری مواد در مقیاسنانو ، لازم است تمامی ابزار موجود جهت افزایش کارایی مواد و وسایل بکار گرفته شود. یکی از این ابزار ،شیمی تحلیلی، خصوصامدل سازی مولکولیوشبیه سازیاست. امروزه ابزار تحقیقاتیفراگیری مانند روشهای شیمی تحلیلی مزیتهای فراوانی نسبت به روشهای تجربی دارند. میهیل یورکاز شرکتContinental Tire North America میگوید:"روشهای تجربی مستلزمبهرهگیری از نیروی انسانی ، شیمیایی ، تجهیزات ، انرژی و زمان است. شیمی تحلیلیاین امکان را برای هر فرد مهیا میسازد که فعالیتهای شیمیایی چندگانهای را در 24ساعت شبانه روز انجام دهد. شیمیدانها میتوانند با انجام آزمایشها توسط رایانه ،احتمال فعالیتهای غیرمؤثر را از بین ببرند و گستره احتمالی موفقیتهای آزمایشگاهی راوسعت دهند.

نتیجه نهایی این امر ، کاهش اساسی در هزینههای آزمایشگاهی (مانند مواد ، انرژی ، تجهیزات) و زمان است." از طرف دیگر ، در شیمی تحلیلی سرمایهگذاری اولیه جهت تهیه نرمافزار و هزینههای وابسته از جمله سختافزار جدید ، آموزشو تغییرات پرسنل بسیار بالا خواهد بود. ولی با بکار گیری هوشمندانه این ابزارمیتوان هریک از هزینههای اولیه را نه تنها از طریق صرفهجویی در هزینه آزمایشگاهبلکه بوسیله فراهم نمودن دانشی که منجر به بهینه سازی فرآیندها و عملکردها میشود،جبران ساخت.

این موضوع برای شیمیدانها بسیار مناسب است، ولی روشهایشبیهسازی چطور میتوانند برای نانوتکنولوژیستها مفید واقع شود؟ محدودیتهایآزمایشگر در مقیاس نانو ، زمانی آشکار میشود که شگفتی جهان دانشمندان نظری واردعمل میشود. در اینجا هنگامی که دانشمندان قصد قرار دادن هر یک از اتمها را در محلمورد نظر دارندقوانین کوانتوموارد صحنه میشود. پیشبینیرفتار و خواص در محدودهxadای از ابعاد برای نانوتکنولوژیستها حیاتیاست.

مدلسازی رایانهای با بکارگیری قوانین اولیه مکانیک کوانتوم و یاشبیهسازیهای مقیاس میانی ، دانشمندان را به مشاهده و پیشبینی رفتار در مقیاس نانوو یا حدود آن قادر میسازد. مدلهای مقیاس میانی با بکارگیری واحدهای اصلی بزرگتر ازمدلهای مولکولی که نیازمند جزئیات اتمی است، به ارائه خواص جامدات ، مایعات و گازهامیxadپردازند. روشهای مقیاس میانی در مقیاسهای طولی و زمانی بزرگتری نسبت بهشبیهxadسازی مولکولی عمل میکنند. میتوان این روشها را برای مطالعه مایعات پیچیده ،مخلوطهای پلیمر و مواد ساختهشده در مقیاس نانو و میکرو بکار برد.

مدل سازی خاک رس

محققین دانشگاه لندن در انگلستان و دانشگاه Paris Sud در فرانسه ، شبیهسازیهایی بر اساس مکانیک کوانتوم برای مطالعه و کامپوزیتهای خاکرس–پلیمر بکار بردهاند. امروزه این ترکیبات یکی از موفقترین مواد نانوتکنولوژیهستند، زیرا بطور همزمان مقاومت بالا و شکلپذیری از خود نشان میدهند؛ خواصی کهمعمولاً در یکجا جمع نمیشوند. نانو کامپوزیتهای پلیمر–خاک رس میتوانند باپلیمریزاسیون در جا تهیه شوند؛ فرآیندی که شامل مخلوط کردن مکانیکی خاک معدنی بامونومر مورد نیاز است. بنابراین مونومر در لایه درونی جایگذاری میشود (خودش را درلایههای درون ورقههای سفال جای میدهد) و تورق کل ساختار را افزایش میدهد. پلیمریزاسیون ادامه مییابد تا سبب پیدایش مواد پلیمری خطی و همبسته گردد.

دانشمندان با بکارگیریCastep (یک برنامه مکانیک کوانتوم که نظریه کارکردی چگالی را بکار میگیرد) تحول کشف شدهدر این روش را که پلیمریزاسیون میان گذار خود کاتالیست نامیده میشود مطالعهکردند. این پروژه ، دانشی نظری در زمینه ساز و کار این فرآیند جدید را بوسیله مشخصکردن نقش سفال در کامپوزیت فراهم نمود. ضروری است که دانش حاصل از شبیهسازیها ،جهت کنترل و مهندسی نمودن فعل و انفعالات پلیمر-سیلیکات به کمک دانشمندانآید.

دانشمندان در شرکت BASF شبیه سازیهای مقیاس میانی را برای بررسی علم ورفتارریزوارههابکاربردند. ریزوارهها ذراتیکروی شکل با ابعاد نانو هستند که به صورت خود به خود در محلولهای کوپلیمری ایجادمیشوند و در زمینههایی مانند سنسورها وسایل آرایشی و دارو رسانی کاربرد دارند. دانشمندانBASF با بکار گیری esoDyn ، یک ابزار شبیه سازی برای پیشبینی ساختارهایمقیاس میانی مواد متراکم محلولهای تغلیظ شده کوپلیمرهای آمفیفیلیک را بررسیکردند.

شبیهسازیها مشخص نمود که کدام شرایط مولکولی و فرمولی به شکلگیری "ریزوارههای معکوس" مانند نانو ذرات آب در یک محیط فعال منتهی میxadشود. چنیننتایجی برای درک رفتار عوامل فعال سطحی ضروری هستند. به کمک روشهایی مانند پرتابمحلول در آزمایشگاه میتوان به نتایجی در این زمینه دست یافت، اما دستیابی به ایننتایج ماهها به طول میانجامد، درحالی که آزمایشهای شبیهسازی شده تنها طی چند روزنتیجه میدهند.

محدودیتهای این روشهاچیست؟

در حالیکه امروزه ابزار مدلسازی در سطح کوانتومی ومقیاس میانی به خوبی توسعه یافتهاند، همچنان محدودیتهایی در این عرصه وجود دارد. برای مثال کاربردهایی در زمینه وسایل الکترونیک مستلزم انجام محاسبات مکانیککوانتوم برای تعداد اتمهایی بیش از روشهای حاضر میباشد که بیش از توان عملیاتیمنابع محاسبهگر فعلی است. همچنین مدلسازی کل وسایل امکانپذیر نیست، بویژهعملکردها و خواص آنها.