نویسنده: جواد زارعیitnewsway@yahoo.com
18 مهر 1385 - بزرگراه فناوری - اگر بینی چوبی یک‌متری پینوکیوی دروغگو را به یک میلیارد قطعه تقسیم کنید، هر قطعه آن یک نانومتر درازا خواهد داشت. پس هر یک میلیاردیم متر را یک نانومتر می‌نامند. به دانش کاربردی بررسی ماده و استفاده از خواص مواد در این مقیاس نیز نانوتکنولوژی می‌گویند. بنابراین وظیفه یک نانوتکنولوژیست، بررسی خواص مواد مختلف در مقیاس نانومتر و ارایه راه‌حلی برای استفاده بهینه از این خواص خواهد بود.
ایده استفاده از خواص مواد در مقیاس نانومتر را اول بار ریچارد فاینمن فیزیکدان نوبلیست آمریکایی دانشگاه کالیفرنیا در سال 1959 با مطرح کردن این جمله که آن پایین‌ها کلی اتاق وجود دارد مطرح کرد. ایزاک آسیموف نویسنده رمان‌های علمی، تخیلی در سال 1962 داستان اختراع ماشینی را مطرح کرد که می‌توانست اندازه‌ها را بسیار کوچک کند. در این داستان یک سفینه با سه سرنشین تا مقیاس 100 سلول کوچک شده و در خون یک بیمار وارد می‌شوند تا راه‌حلی برای نجات وی پیدا کند. اریک درکسلر در سال 1986 با انتشار کتاب موتورهای آفرینش، اولین گام‌های عملی را برداشت و نام نانوتکنولوژی را برای این حوزه از علم انتخاب کرد. در همان زمان خطرات زیست‌محیطی محصولات نانوتکنولوژی بارها توسط اریک درکسلر گوشزد شد. بیل جوی یک از بنیانگذاران شرکت Sun Microsystems نیز به درکسلر در تهیه بیش از دو هزار مقاله کمک فراوانی کرد.
اولین نانو چه بود؟
در واقع نانو چیزی نیست، بلکه این مواد در مقیاس نانومتر هستند که خواص شگفت‌انگیزی از خود نمایش می‌دهند. به‌عنوان مثال همگان می‌دانند که در طبیعت از کربن دو شکل کاملا مختلف گرافیت و الماس با تفاوت‌های مشهود و محسوس ظاهری و خواص فیزیکی وجود دارد، به‌گونه‌ای که گرافیت‌از نرم‌ترین مواد موجود طبیعت و رسانای الکتریکی و در نقطه مقابل آن الماس از سخت‌ترین مواد قابل دسترس برای بشر و نیز از بهترین‌عایق‌هاست. تفاوت این دو گونه در تشکیل یک پیوند کووالانسی در شبکه اتم‌های الماس است. در سال 1985 میلادی شکل جدیدی از کربن به‌صورت آزمایشگاهی کشف شد که به‌نوعی آغازگر عملی نانو قلمداد می‌شود. این شکل جدید فولرن (Fullerene) نام نهادند.
توپ‌های فوتبال قدیمی را به‌خاطر بیاورید که از تکه‌های سیاه و سفید تشکیل شده بود، فولرن دقیقا چنین ساختاری دارد، یعنی با شست اتم کربن توپی درست می‌کنند که از پیوند‌های شش‌تایی و پنج‌تایی کربن‌ها تشکیل شده است. در این کره هیچ پنج ضلعی مجاور هم نیستند، درست مانند توپ‌های چهل‌تکه قدیمی!
این فولرن خواص بسیار جالبی داشت. بار الکتریکی آن به‌شکل منحصربه‌فردی در مرکز کره قرار داشت که تعادل کره متشکل از 60 کربن را در مقابل فشارها و ضربات سنگین به‌شکل تحسین برانگیزی افزایش داده بود. بعدها بر تعداد کربن‌ها افزوده شد و فولرن‌هایی با 70 کربن ساخته شد که بعدها تا 560 کربن افزایش یافت. بعدها فولرن‌هایی ساخته شد که شبیه به خربزه بودند و ابتدا و انتهای این خربزه را آن‌قدر کشیدند تا شبیه به لوله شد و این‌گونه بود که نانولوله‌ها (Nanotubes) ساخته شدند که از داخل آن‌ها بیست اتم کربن مثل بچه آدم نمی‌توانستند با هم عبور کنند. با کاهش تعداد اتم‌های محیط این لوله، قطر کاهش یافت و در نهایت با رساندن قطر این لوله‌ها به 40 نانومتر، نانوسیم‌ها (Nanowires) ساخته شدند که رشته‌های DNA را می‌توان نمونه طبیعی نانوسیم‌ها دانست. این‌گونه بود که نانوتکنولوژی به‌شیوه‌ای آبرومندانه متولد شد.
نانو و دنیای دیجیتال!
به‌مرور زمان استفاده‌های فراوانی برای این تکنولوژی کشف شد که کماکان نیز ادامه دارد. صنعت نفت و پتروشیمی، پزشکی و به‌خصوص چشم‌پزشکی، زیست‌شناسی، ژنتیک، شیمی، فیزیک و الکترونیک با سرعت بالایی خود را با این تکنولوژی شگفت‌انگیز وفق داده‌اند و اکنون نوبت به سخت‌افزار کامپیوترها رسیده است که سهم خود را از این دانش نوین بگیرد. اما از نانوتکنولوژی چه انتظاری می‌توان داشت؟
متولیان دنیای دیجیتال در سه حوزه پردازش، ذخیره انرژی و ذخیره داده‌ها چشم طمع به قابلیت‌های نانوتکنولوژی دوخته‌اند. در حال حاضر پردازنده‌هایی که در دستگاههای منازل و ادارات استفاده می‌شود، از ترانزیستورهایی استفاده می‌کنند که فاصله متوسط اجزای آن با یکدیگر کمتر از 100 نانومتر است. پردازنده‌های روز بازار مانند Pentium D سری 900 و پردازنده‌های Core 2 Duo از ترانزیستورهایی بهره می‌برند که فاصله آن‌ها کمتر از 70 نانومتر است. در آن سوی بازار شرکت Samsung اقدام به تولید قطعات حافظه‌ای کرده است که فاصله اجزای آن کمتر از 40 نانومتر است. تا دو سال دیگر نیز فاصله اجزای پردازنده‌ها به کمتر از 32 نانومتر خواهد رسید. تا سال 2012 میلادی نیز فاصله هشت نانومتری بین اجزای پردازنده‌ها کاملا عادی خواهد بود.
اما کاهش فاصله بین اجزای داخلی قطعات دیجیتال حد و حدودی دارد، چراکه این همسایه‌ها آن‌قدر به‌هم نزدیک می‌شوند که بدون هیچ مانعی می‌توانند وارد منزل یکدیگر شده و تردد کنند. تصور کنید که برای خرید هفته‌نامه بزرگراه فناوری به‌جای خارج شدن از درب اصلی منزل و دور زدن کوچه، به‌صورت مستقیم وارد منزل همسایه شده و میان‌بر بزنید. با توسعه و ترویج این فرهنگ که به‌دلیل نزدیکی بیش‌از اندازه همسایه‌ها (ترانزیستورها) ایجاد شده است، فرق چندانی بین کوچه و منزل نخواهد بود. اگر چنین اتفاقی در داخل پردازنده روی دهد، فاتحه پردازنده خوانده خواهد شد، یعنی پردازنده خواهد سوخت!
راه‌حل موقت!
پژوهشگران شرکت Intel با همکاری محققان دانشگاه کالیفرنیا موفق به ساخت قطعه‌ای نیمه‌رسانا از جنس سیلیکون شده‌اند که قادر به تولید پرتوی لیزری و هدایت آن در داخل نیمه‌رساناست. تولید این قطعه بسیار باارزش الکترونیکی بدین معنی است که تبادلات اطلاعات داخل این قطعه با کمک نور لیزر صورت خواهد گرفت.
نور لیزر به‌دلیل قابلیت‌های بسیار خاص خود کیفیت تبادل داده‌ها را چند صد برابر انتقال با الکترون‌های آزاد و ضریب خطای آن را به‌کمتر از میلیونیم درصد کاهش خواهد داد. با تزریق مقداری ایندیوم‌فسفاید روی سطح سیلیکون و ایجاد تونل‌های خاص، پیچیده و بسیار دقیق این چیپ جدید به‌صورت آزمایشگاهی تولید شده است. به‌طور حتم شرکت Intel نیازی به تولید انبوه این چیپ ندارد چراکه هدف اصلی از تولید این قطعه سیلیکونی دستیابی به قابلیت‌های تبادل اطلاعات با کمک نور بود که محقق شد.
در چیپ‌های آینده تونل‌های ایجاد شده به کمک خمیرهای سیلیکون با تونل‌ها یا لوله‌های واقعی جایگزین خواهند شد که از لحاظ اندازه بسیار کوچک‌تر و وزن آن نیز بسیار کمتر از نمونه تولید شده است. استفاده از نانولوله‌ها اندازه سطح چیپ و وزن آن را کاهش خواهد داد. نانولوله‌ها بیشتر از کربن یا به‌صورت ترکیبی تولید شده، خواص الکتریکی یکنواختی در طول خود داشته، رسانایی الکتریکی کم‌نظیر و نسبت قوت به تعداد اتم‌های بسیار بالایی دارند که حیرت‌انگیز است. دیواره این لوله‌ها می‌تواند یک لایه یا چند لایه و طول آن بی‌نهایت باشد. در سال 2002 یک نانولوله تک لایه با چند سانتی‌متر طول و یک نانومتر قطر تولید شد. در همین سال اولین ترانزیستور FET با استفاده از نانولوله‌های کربنی یک لایه ساخته و مورد استفاده قرار گرفت. دقت دارید که قطر این لوله‌ها تنها یک نانومتر است. شرکت Intel اندازه اجزای زیر هشت نانومتر را برای 2012 پیش‌بینی کرده است، اما نانولوله‌ها مقیاس یک نانومتر را چند سال قبل در اختیار بشر قرار داده‌اند که IBM و NEC روی آن کار می‌کنند.
راه‌حل اصلی!
تئوری کامپیوترهای کوانتومی که قابلیت پیاده‌سازی آن به اثبات رسیده است، اول بار از اروپا نشات گرفت و توسط آمریکا جدی گرفته شد. پردازش کوانتومی به‌صورت کامل از پردازش موجود در کامپیوترهای کلاسیک کنونی متفاوت و متمایز است. در تئوری کامپیوترهای کلاسیک جابه‌جایی چند هزار الکترون بین دو ترانزیستور باعث انجام عمل پردازش و تبادل داده خواهد شد و در کامپیوترهای کوانتومی جابه‌جایی یک الکترون در لایه انرژی یک اتم باعث انجام همان اتفاق خواهد بود. اگر سرعت جابه‌جایی الکترون در لایه اتمی را با سرعت جابه‌جایی بین دو قطعه مقایسه کنید، ملاحظه خواهید کرد که سرعت کامپیوترهای کوانتومی حدود یک میلیون مرتبه بیشتر خواهد بود. اما پیاده‌سازی آن نیاز به بستر خاصی دارد که آغاز آن با نانوتکنولوژی و به‌خصوص نانولوله‌ها خواهد بود، اما توسعه آن نیازمند تکنولوژی جدید است که پیکوتکنولوژی نام خواهد داشت. ابعاد این تکنولوژی یک‌هزارم ابعاد نانو است.
آینده‌نگرها تکنولوژی بعدی را فمتوتکنولوژی می‌دانند که مقیاس یک میلیونیوم نانو را شامل خواهد شد. الکترون جابه‌جا شده در لایه اتمی تغییر وضعیت خود را با انتشار یک فوتون انرژی اعلام خواهد کرد که تکنولوژی‌های کنونی قادر به ردیابی آن نیستند. در این وضعیت تکنولوژی نه از خواص مولکولی و شکل ظاهری اتم‌ها بلکه از خواص قرارگیری الکترون‌ها و هسته‌های اتمی استفاده خواهد کرد. سیستم پردازش آینده فوتون‌محور (بسته‌های انرژی) خواهد بود و تنها چاره ما برای پاسخ‌گویی به نیازهای پردازشی دهه آینده حرکت از نانوتکنولوژی به پیکوتکنولوژی است.
این‌چنین سیستم پردازشی نیازمند تکنولوژی بسیار گران‌قیمت و ارزشمندی است که در اختیار امثال Asus، Gigabyte، MSI، Foxconn یا صاایران خودمان قرار نخواهد داشت. شاید این تئوری که آن را راه‌حل آینده سیستم‌های پردازشی عنوان می‌کنند پس از 2020 میلادی عمومی شده و در اختیار مصرف‌کنندگان قرار بگیرد. اخبار در این زمینه با خساست منتشر می‌شود.
ذخیره‌سازی انرژی
باتری‌های امروزی هر چقدر هم که پیشرفته باشند از همان ساختار قدیمی استفاده می‌کنند. در واقع کیفیت باتری‌ها بر مبنای قابلیت جابه‌جایی الکترون و استفاده از تک‌تک این الکترون‌ها سنجیده می‌شود. نانورشته‌ها از زیرمجموعه‌های نانولوله‌های یک لایه بوده و قطر بسیار کمی دارند. توزیع بار در سراسر طول آن‌ها یکنواخت بوده و قابلیت رسانایی کم‌نظیری نسبت به مواد رسانای شناخته شده مانند طلا، نقره و مس دارند. یکنواخت بودن بدین معنی است که می‌توان دسته‌ای از الکترون‌ها را در مرکز لوله به دام انداخت و نگه داشت.
نگهداری بارها قدری با شیوه معمول تفاوت دارد. مزیت این کار در این است که بارها تصادم زیادی با اتم‌ها نداشته و صرفا در میدان یکنواخت مغناطیسی نگهداری می‌شوند که افزایش سرعت انتقال، کاهش تلفات ناشی از مقاومت‌های درونی و امکان کنترل دقیق تک‌تک بارها را فراهم خواهد آورد. مهم‌ترین خاصیت نانولوله در چگالی بسیار پایین، کشش سطحی بالا و انعطاف قابل ملاحظه در برابر فشارهای بیرونی است. بدین ترتیب باتری‌های تولید شده با نانوتکنولوژی علاوه بر طول عمر بالا، وزنی سبک‌و تولید گرمای بسیار کمتری خواهند داشت و مانند باتری‌های تولید شده توسط Sony مایه آبروریزی نخواهند بود.
سیستم‌های ذخیره‌سازی
هارددیسک‌ها به‌عنوان سیستم‌های سنتی ذخیره‌سازی محدودیت‌های بسیاری دارند. هرچند یافته‌های جدید Seagate و Hitachi عمر بیشتری را برای این دسته به‌همراه آورده است، اما محدودیت‌های مغناطیسی مواد چاره‌ای جز توقف رشد حجم ذخیره‌سازی در 5 یا 10 ترابایت نخواهد داشت. از سوی دیگر توسعه سیستم‌های ذخیره‌سازی EEPROM که در قطعات حافظه Flash استفاده می‌شوند نیز محدودیت‌های خاص خود را دارد. قیمت تولید بالا، انعطاف‌پذیری محدود و مشروط در برابر عوامل خارجی و عمر حداکثر ده‌ساله داده‌ها از علل بازدارنده توسعه این قطعات است. هرچند Samsung عزم جدی خود را برای دستیابی به حجم ذخیره‌سازی هارددیسک در قطعات Flash را به‌خوبی نشان داده است و فکر می‌کنم قبل از سال 2010 میلادی بدان دست یابد.
نانوسلول‌ها به‌عنوان اتاقک‌های بسیار کوچک که از یک یا چند دیواره تشکیل شده‌اند یا قطر حداکثر یک نانومتری خود قادرند هر گونه اطلاعاتی را در درون خود نگهداری کنند. این سلول‌ها به‌صورت واقعی چیزی را نگهداری نمی‌کنند بلکه وضعیت خود را حفظ می‌کنند. مانند بسیاری از مواد فرومغناطیس که پس از تثبیت وضعیت مغناطیسی آن را حفظ می‌کنند، این سلول‌های بسیار خرد که تشکیل یک مولکول منسجم را خواهد داد، پس از تغییر وضعیت مغناطیسی، آن را تا ابد حفظ خواهد کرد. طول عمر تقریبا بی‌نهایت نگهداری داده‌ها، حداقل مصرف انرژی برای تغییر وضعیت نانوسلول (مولکول)، چگالی بسیار پایین این مواد، امنیت داده‌ها از جمله مواردی است که بسیاری از محققان را به پیاده‌سازی عملی آن سوق داده است. این نانوسلول‌ها به کمک نانورشته‌ها (Nanowires) به یکدیگر متصل خواهند شد که علاوه بر ثبات شبکه مولکولی، به‌عنوان مسیر تغییر وضعیت سلول‌ها نیز استفاده خواهد شد.
نگهداری داده‌ها در این شبکه نانوسلول‌ها نیازی به تامین انرژی پشتیبان نداشته و تنها تغییر وضعیت آن به انرژی مختصری نیاز خواهد داشت. این‌گونه تصور می‌شود که در آینده‌ای نه‌چندان دور از پالس‌های پرتوهای لیزر برای تغییر خواص نوری سلول‌ها استفاده شود که کیفیت، سرعت و امنیت این سیستم ذخیره‌سازی را یک‌مرتبه ارتقا خواهد داد.
کسب انرژی
نانوتکنولوژی حوزه‌های بسیار جذابی دارد که به‌دلیل تجاری شدن سریع آن مغفول مانده است. نانورشته‌ها به‌دلیل خواص کشسانی عجیب خود قابلیت جذب و نگهداری امواج موجود در محیط اطراف خود را دارند. تا به‌حال دقت داشته‌اید که چگونه تور دروازه فوتبال می‌تواند توپ شوت شده توسط روبرتو کارلوس برزیلی با 130 کیلومتر در ساعت را مهار کند و پاره نشود؟
یکی از خواص شبکه‌های توری این است که انرژی دریافتی را در جهت رشته‌های خود توزیع می‌کند و در کسری از ثانیه آن را مهار می‌کند. به‌بیان دیگر شوت جناب کارلوس به اندازه شوت یک نوآموز 10 ساله تور را تکان خواهد داد. محققان دانشگاه MIT از این خاصیت شبکه‌های تورها برای تولید البسه ضدگلوله استفاده کرده و آن را تولید کرده‌اند. پارچه‌های به‌کار رفته در این البسه همگی از نانورشته‌ها بافته شده است که هم سبک و هم بی‌نهایت مقاوم هستند.
محققان MIT روی شبکه‌های نانورشته‌ای جدیدی کار می‌کنند که می‌تواند امواج سرگردان در محیط را جذب و به‌صورت شکلی از انرژی در داخل خود ذخیره کند. بعد می‌توان این انرژی را به‌صورت الکتریکی یا نوری از شبکه دریافت کرد. بسیاری از امواج رادیویی منتشر شده در محیط بدون هیچ اثر مثبتی در محیط جذب و به‌نوعی از دسترس ما خارج می‌شوند. این ایده آینده‌ای را نشان می‌دهد که در آن امواجی که مورد استفاده قرار نگرفته‌اند توسط شبکه‌های نانورشته‌ای جذب و انرژی آن‌ها مورد استفاده قرار خواهد گرفت.
بدین ترتیب برای سی تا چهل سال آینده برای انتقال انرژی به مناطق صعب‌العبور یا در میان صحرا نیازی به کابل‌کشی برق نخواهد بود. یکی از این شبکه‌ها نیاز یک فرد را تامین خواهد کرد. در واقع شبکه‌های نانو آینده می‌توانند در بیرون از شبکه خود به‌صورت کامل از قابلیت‌های امواج رادیویی برای تبادل داده و انرژی استفاده کرده و در داخل از قابلیت‌های پرتوهای لیزری برای سرعت، دقت و کیفیت پردازش و ذخیره‌سازی داده‌ها استفاده کنند. برخی از قابلیت‌های دنیای نانو که در این نوشتار ذکر شد، پیاده‌سازی شده و بسیاری از آن‌ها در مرحله تحقیق است. اگر از اغلب قابلیت‌های نانو استفاده شود و راه‌حل‌هایی نیز برای مشکلات زیست‌محیطی آن پیدا شود، بدون شک دنیای شگفت‌انگیزی در مقابل خواهیم داشت.