ساختن از پايين به بالا

جيمز هيث در سرمقاله مهمان چاپ‌شده در سال 1999 در شماره ويژه گزارش تحقيقات شيمي كه به علوم نانو اختصاص داشت مي‌گويد : "در سالهاي اخير كمتر لغتي در علوم فيزيك و شيمي به اندازه " علوم نانو" و " نانوتكنولوژي" استعمال – درست يا نادرست- داشته است."هيث -استاد شيمي دانشگاه كاليفرنيا -مي‌نويسد : " چرا اين همه علاقه‌مندي و اغراق‌گويي؟!" توضيح علاقه‌مندي نسبتا" ساده است: در 15 سال گذشته ما شاهد انفجار ابزارهاي سنجش نسبتا" ارزان قيمت ، مثل ميكروسكوپي پروب‌اسكن‌كننده براي بازبيني و دستكاري مواد در مقياس طولي نانومتر بوده‌ايم. در همين مدت، رشته‌هاي فراواني كه نامربوط به اين رشته بودند (مثل مهندسي برق و زيست‌شناسي) ، نيز متوجه فهم و كنترل پديده‌هاي شيميايي و فيزيكي در اين مقياس طولي و نوعا" 1 تا 100 نانومتر شده بودند. دانشمندان آموخته‌اند كه چگونه اندازه و شكل مواد مختلفي را در سطح اتمي و مولكولي كنترل كنند و در جريان كار آنها خواص جالب توجه و ذاتا" مفيدي را كه بسياري از آنها غيرمنتظره بود، كشف كردند.
چادميركين ، يك استاد شيمي كه بنياد نانوتكنولوژي دانشگاه نورث‌وسترن را اداره مي‌كند، مي‌گويد: " اين رشته در حال شكوفه‌زدن و تبديل شدن به نيرويي برتر در علم در چندسال آينده است . تقريبا" يك قطار سريع‌السير است، كه هيجان زيادي در موردش وجود دارد."با اين حال ميركين خاطرنشان مي‌كند : " در اين زمينه اغراق‌گويي‌هاي فراواني وجود دارد." بسياري از گزافه‌گويي‌ها حاصل پيش‌بيني‌هاي خوش‌بينانه نانوتكنولوژيست‌هاي آينده‌نگر از علوم نانوي ابتدايي كنوني است. مثلا" نظريه‌پرداز نانوتكنولوژي ، اريك دركسلر، مدير موسسه Foresight - در پالوآلتوي كاليفرنيا- و بعضي از همكارانش طرح ساخت اتم به اتم بازورهاي رباتيك مولكولي را كه قادر به ساخت اشياي متفاوتي ازجمله بازوهاي رباتيك ديگر هستند ارائه داده‌اند. در يك نظريه جسورانه ديگر، ابزارهاي رباتيك برنامه‌ريزي شده كوچكتر از 100 نانومترآزادانه در جريان خون انسان حركت كرده ، سلولهاي سرطاني را شناخته و آنها را پيش از تبديل شدن به تومور به صورت انتخابي نابود مي‌كنند. بسياري از دانشمندان مشتاق به علوم نانو، اين ايده‌ها را افسانه‌هاي علمي تخيلي مي‌دانند. مثلا" فراسر استودارت استاد شيمي دانشگاه UCLA مي‌گويد :" اين رشته شروع بدي داشته است . چون تصاويري از اين دست در ذهن مردم نقش بسته است؛ مثلا" رباتهاي شناكننده در جريان خون كه اين يا آن موجود پليد را مي‌كشند." در نتيجه اين همه علاقه و گزافه‌گويي، تعريف نانوتكنولوژي تا حدّي نامشخّص مي‌باشد- تا مقداري به خاطر اين كه محقّقين زيادي ،حتّي آنها كه روي سيستمهاي ميكرومتري كار مي‌كنند، سعي مي‌كنند خودشان را زير چتر نانوتكنولوژي نگه دارند. بعضي نانوتكنولوژي را با مفهوم دركسلري آن براي ساخت ماشينهاي مولكولي قادر به دست‌كاري ماده با دقّت اتمي بكار مي‌برند. از سويي ديگر گاهي نانوتكنولوژي به صورتي دربرگيرنده همه ، زيست‌شناسي مولكولي و شيمي – تصويري كه ميركين آن را " احمقانه" مي‌نامد- در نظر گرفته مي‌شود. براي اينكه مطمئن شويد لازم است بدانيد شيميدانان عادت به كار در مقياس نانو متري داشته‌اند ولي به قول ميركين:" ساخت يك تركيب آن از طريق شيمي سنتري مرسوم، يك نمونه نانوتكنولوژي نيست." ولي به اعتقاد او، استفاده از تكنيكهاي خود چيدماني براي ايجاد اندك اجزاي مولكولي كه به صورت يك مولكول حلقوي بزرگ با ابعاد چندين نانومتري تلفيق شوند مورد برحقي از نانوتكنولوژي است. مورد دوم داراي اين تفاوت عمده است كه ساختارها با دستگاههايي كه از 15 سال گذشته به قبل موجود نبوده‌اند ، توليد، توصيف، دستكاري و حتّي ديده مي‌شوند.ميركين تأكيد مي‌كند : " نانوتكنولوژي يك رشته وابسته به ابزار است و اين ابزارها به مرور در حال بهتر شدن هستند."

استودارت(چپ) و هيث: زنجيره ها، تسبيح‌ها، و شبه تسبيح‌ها

جنبه كليدي ديگر نانوتكنولوژي اين است كه مواد نانومتري خواص شيميايي و فيزيكي متفاوتي نسبت به مواد انبوه ارائه ميدهند، كه مي‌تواند مبنايي براي فناوريهاي جديد باشد. مثلا" دانشمندان دريافتند كه مي‌توانند خواص الكتروني –و در نتيجه نوري – ذرات نانومتر ي را با تنظيم اندازه ذره تعيين كنند. بنابراين وقتي فلز طلا به صورت ميله‌هاي نانومتري درمي‌آيد، شدت فلوئورسانس آن بيش از 10 ميليون برابر ميشود. اين تحقيق كه اخيرا" توسط گروه مصطفي السّيّد، استاد شيمي بنياد فنّاوري جورجيا صورت گرفته، مشخّص شده است كه طول موج منتشره به طور خطي با افزايش طول ميله افزايش مي‌يابد، در حالي كه شدّت نور با مجذور طول آن زياد مي‌شود. السّيّد توضيح مي‌دهد :" اين نانوذرات نوع جديدي از مواد محسوب مي‌شوند، كه خواصشان نه تنها به تركيب شيميايي،كه به اندازه و شكل نيز وابسته است." اين خواص براي كاربردهاي ذخيره نوري اطلاعات، سيستمهاي فوق‌العاده سريع ارتباطات داده‌اي و تبديل انرژي خورشيدي مورد توجه قرار گرفته اند. نانومواد از قبل نقشي كليدي در برخي فنّاوري هاي تجاري بازي مي‌كرده است. ولي اين مقاله روي بعضي تحقيقات علوم نانو كه چندسال با ثمردهي تجاري فاصله دارد،تمركز يافته است. هرچند به دليل نويددهي ايجاد تغييرات شگرف در توليد دستگاهها ، سنسورها، موتورها و بسياري موارد ديگر، بسيار تكان‌دهنده است. اين وسايل امروزه با يك مدل " بالا به پايين" ساخته مي‌شوند. مثلا" در صنعت ميكروالكترونيك از تكنيكهاي ليتوگرافيك براي حك كردن بلورسيليكون براي ايجاد مدارات و ابزارهاي ميكرومتري استفاده مي‌شود. اين تكنيك‌ها اخيرا" به نقطه‌اي پيشرفت كرده است،كه اشكالي با ابعاد نانومتري را نيز مي‌توان ساخت. هر 18 تا 24 ماه كه ابزارها ريزتر مي‌شود تعدادي كه از آن ميتوان در يك چيپ جا داد به دو برابر افزايش مي‌يابد. ولي چيپ‌سازان براي ادامه روند كوچك‌سازي در دهه آينده به شدت تحت فشار خواهند بود. براي كوچك شدن به حوزه چند نانومتري، چيب‌ها ديگر پاسخگو نخواهند بود . به علاوه هزينه ساخت خطوط توليد جديدي براي هر نسل جديد جيپ‌گران خواهد بود. نانوتكنولوژي نويد يك راه‌حل ارزان قيمت " پايين به بالا" را در الكترونيك و ديگر وسايل ساخته‌شده از اجزاي ساده‌تر مثل مولكولها و نانوساختارهاي ديگر را مي‌دهد. اين روش مشابه عمل طبيعت در ايجاد ساختمانهاي زيستي پيچيده است .

سوئيچ كردن با مولكول‌ها :

آزمايشگاه هيث در خط مقدم تلاشهاي انجام‌شده براي ساخت كامپيوتري از پايين به بالا- چيزي كه او آن را " نانوكامپيوتر الكتروني با چيدمان شيميايي" مي‌نامد- است. گروه او با همراهي يك شيميدان به نام استانلي ويليامز و يك معمار كامپيوتر به نام فيليپ كوئك از آزمايشگاههاي Hewlett-packard واقع در پالوآلتوي كاليفرينا، سبكهاي معماري بسياري براي چنين ماشيني مطرح كرده‌اند. و چندي بيشتر با همكاري گروه استودارت در UCLA شروع به ساخت آنها نمودند . هيث خاطرنشان مي‌كند : " وقتي شما به مردم مي‌گوييد كه مي‌خواهيد كامپيوتري بسازيد، آنها فكر مي‌كنند شما در حال استخدام شدن در Intel هستيد . مقصود ما چنين چيزي نيست." هدف او نشان دادن اين مطلب است كه يك نانوكامپيوتر ساده را واقعا" مي‌توان ساخت. او با ذهني مملو از چالشها مي‌گويد :" ما فكر مي‌كنيم اين تمريني سخت خواهد بود، كه سعي كنيم بفهيم چگونه يك چنين ماشيني را مي‌توان ساخت و سپس آن را عملا" بسازيم." ابتدا هيث توضيح مي‌دهد كه پروژه شامل به نخ كشيدن دهها سوئيچ مولكولي و نانوسيم به صورت مدارات منطقي و مدارات حافظه و " فراهم‌آوري امكان گفتگوي آنها" است. سوئيچ‌هاي مولكولي‌اي كه محققيني UCLA روي آنها كار مي‌كنند ،" زنجيره"‌ها(Catennan) ، "تسبيح"‌ها (Rotaxane) و "شبه تسبيح‌"هايي است كه در دهه گذشته در آزمايشگاه استودارت ايجاد شده‌اند. ساده‌ترين مثال اين قبيل سوئيچ‌ها ، يك حلقه مولكولي است كه به صورت مكانيكي به يك حلقه متفاوت ديگر زنجير شده ( تا يك زنجيره را تشكيل دهد) يا روي يك مولكولي به بند كشيده شده است. ( تا يك تسبيح‌ يا شبه تسبيح‌ را شكل دهد) . در هركدام از اين ساختارها حلقه مزبور مي‌تواند دو موقعيت متفاوت كه بيانگر " 0" و " 1" ديجيتالي است داشته باشد، و به كمك اعمال ولتاژهاي متفاوت بين اين دو حالت سوئيچ كند.
براي اتّصال دادن سوئيچ‌هاي مولكولي، تيم UCLA در حال كاوش در زمينه استفاده از نانوسيمهاي سيليكوني و نانولوله‌هاي كربني كه در شبكه‌أي- به قول هيث "مثل يك صفحه ساعت"- قرار دارد،مي‌باشد. اين معماري مشتق‌شده از معماري كامپيوتر منحصر به فرد سيليكوني Teramac است كه توسط Hewlett –packard چندسال قبل ساخته شد . در هر بند اين شبكه، نانوسيمها با تك لايه‌اي از سوئيچ‌هاي مولكولي متصل شده‌اند. سال قبل، هيث استودارت و همكارانشان نشان دادند، كه سوئيچ‌هاي مولكولي از نوع تسبيح‌ را مي‌توان به صف كرد تا يك گيت منطقي ايجاد كرد، هرچند وضعيت اين سوئيچ‌ها تنها يكبار قابل تغيير بود در آگوست گروه گام بعدي را برداشت و گزارش داد كه سوئيچ‌هاي مولكولي زنجيره‌اي را ميتوان بارها پيكربندي مجدد – يعني بين حالت روشن و خاموش سوئيچ"- نمود اگرچه تفاوت حالات "روشن" و "خاموش" ( از نظر مقاومت الكتريكي ) بسيار كمتر از حدي است كه براي مدارات منطقي مفيد باشد، ولي اين سوئيچ‌ها، به گفته هيث، براي حافظه مناسب هستند . هيث خاطرنشان مي‌كند كه اهميت اين كار در اين بود كه براي اولين بار او فهميد كه سوئيچ‌هاي مولكولي مي‌توانند تحت شرايط عادي، بارها و بارها عمل كنند.تك لايه اي از "زنجيره‌ها" كه بين دو صفحه الكترود محدود شده، به عنوان سوئيچ مولكولي عمل مي‌كند محققين UCLA هم‌اكنون سوئيچ‌هاي مولكولي قابل تغيير ديگري دارند كه نسبت به مورد ماه آگوست پيشرفتهاي زيادي كرده است . آنها انتظار دارند به زودي، اين سوئيچ‌ها را در مدارات منطقي و حافظه بكار ببرند. هيث مي‌گويد :" پس از آن ما بايد آن سوئيچ‌ها را وارد گفتگو با هم كنيم، تا شما صاحب يك كامپيوتر شويد. نمونه اوليه چنين كامپيوتري تنها سه يا چهار سال ديگر وقت مي‌خواهد.

به سمت يك استراتژي نانوسلولي :

يك مدل كاملا" متفاوت براي ساخت كامپيوترهاي مولكولي از پايين به بالا در مركز علوم و فناوري نانوي دانشگاه رايس درهوستون پيگيري مي‌شود. استاد شيمي جيمز تور و همكارانش در آنجا سيمهاي مولكولي را ساخته و مطالعه كرده‌اند. نانوسيمهاي آنها رشته‌هاي مزدوجي است كه در آنها به عنوان مثال حلقه‌هاي عاملي‌ بنزن بطور يك در ميان با گروههاي استيلني قرار گرفته است. اين سيمها گروههاي عاملي خاصي در دو سر خود دارند كه مثل " گيره‌هاي تمساحي" موجب اتصال سيمها به طلا يا الكترودهاي ديگر مي‌شوند. با استفاده از چنين تكنيكهايي تور و همكار تمام وقتش مارك ريد، استاد مهندسي برق و فيزيك كاربردي دانشگاه ييل، توانسته‌اند جريانهاي الكتريكي كوچكي را كه از ميان اين سيمها مي‌گذشت، اندازه‌گيري كنند.آزمايشگاه تورمولكولهاي مشابه ديگري نيز ساخته است، مثل حلقه‌هاي آروماتيك با گروههاي استيلني يك در ميان كه به صورت ديوديا سوئيچ مولكولي عمل مي‌كنند. سال گذشته مثلا" تور و ريد تك لايه‌اي از چنين مولكولي گزارش كردند، كه وقتي تا 60 درجه كلوين سرد مي‌شد، رفتار سوئيچ‌كنندگي غيرعادي نشان مي‌داد كه در ابزارهاي سيليكوني مرسوم ديده نشده است.] C&EN,Nov 22,1999,Page11 [Science,286,1550(1990); وقتي به اين تك لايه ولتاژي با افزايش منظم اعمال مي‌شد مولكولها تا قبل از يك آستانه ولتاژي، جريان محسوسي را عبور نمي‌دادند و پس از آن با افزايش ولتاژ جريان به سرعت افزايش يافته و سپس قطع مي‌شد. ريد و تور اين رفتار سوئيچ‌كنندگي را كه به مقاومت تبعيضي منفي ( NDR ) معروف است، در مولكول مشابهي در دماي اتاق نيز مشاهده كردند ، هرچند كه تأثير آن چندان گيرا نبود. از آنجاكه اين مولكولها مي‌توانند بين دو حالت اكسيداسيون پايدار سوئيچ كنند، مي‌توانند اطلاعات را به شكل "0" (حالت عايق)، يا "1" (حالت رسانا) ذخيره كنند و درنتيجه به عنوان حافظه مولكولي بكار روند.

تور: آموزش دهي نانوسلولها براي محاسبه

مولكولهاي داراي خواص دستگاهي غيرعادي مثل NDR از منظر علمي ، به گفته هيث ،"بسيار جالب توجه اند. اين هيجان‌انگيز است كه شما بتوانيد خاصيتي را در يك مولكول با استفاده از تكنيكهاي مرسوم بيافرينيد و مشاهده كنيد كه آن خاصيت در يك دستگاه قابل اطمينان با قراردادن آن مولكول بين دو الكترود ، ظهور پيدا كند. اين نتيجه‌اي است كه هيچ‌كس انتظار ديدنش را نداشت. اين به معناي آن است كه شما مي‌توانيد به قصر كاملي از وسايل با خواص منحصر به فرد فكر كنيد." توروريد در تحقيقاتشان دريافتند كه اين مولكول در 60 درجه كلوين ، مقاومت منفي جزئي (يك نوع رفتار سوئيچي) از خود بروز مي‌دهد و مثل يك حافظه قادر به ذخيره اطلاعات است. تور اميدوار است كه چنين مولكولهاي عمل‌كننده‌اي را براي ساخت يك كامپيوتر مولكولي بكار بگيرد. همانطور كه درماه آگوست در يك سخنراني در همايش ملّي جامعه شيمي آمريكا در واشنگتن ايراد كرد، اين كامپيوتر از واحدهاي ساده‌اي كه " نانوسلول" ناميده مي‌شوند تشكيل شده است. اين واحدها بطور شيميايي خودچيدمان هستند و براي انجام كار لازم برنامه‌ريزي مي‌شوند. فرايندهاي خودچيدماني كه در قلب اقدامات دانشگاههاي رايس\ييل و UCLA براي ساخت كامپيوتر مولكولي قرار گرفته است، ناكاملند. يعني قادر به تضمين موقعيت و جهت صحيح يك مولكول خاص نيستند. البته اين خيلي مهم نيست، چون هر دو طرح كامپيوتري نسبت به نقايص اغماص زيادي دارند.از اين جهت تمايز خشني با كامپيوترهاي امروزي دارند كه با يك عنصر معيوب زمين‌گير مي‌شوند. نانوسلولي كه تور و همكارانش بدست آورده‌اند، حدود يك ميكرومترمربع است و شامل يك آرايه دو بعدي از چندصد نانوذره فلزي است كه توسط حدود 1500 مولكول عمل‌كننده (مثل آنهايي كه NDR را بروز مي‌دهند) به هم متّصل شده‌اند. اين مولكولها ، نانوذرات را به درگاههاي ورودي و خروجي پيرامون نانوسلول نيز متّصل مي‌كند. بنابراين با تركيبات متفاوتي از اين دريچه‌هاي ورودي و خروجي ، مي‌توان مسيرهاي حامل جريان مختلفي را مشخّص كرد.
يك چيپ آزمايشي (چپ) كه توسط ريد طراحي شده و براي مطالعه مشخّصات جريان /ولتاژ مولكولهايي كه تور آماده كرده است بكار گرفته شده است . دو تصوير سمت راست نماهاي بزرگتر شده مركز دو الگوي مربعي مختلف روي چيپ است. در تصاوير بزرگ‌شده ، سيمهاي در طول لبه‌ها تا دنياي ماكروسكوپي امتداد يافته‌اند. دراينجا دريچه هاي تست قادر به قلاب شدن و گير كردن هستند. بعضي از خطوط ليتوگرافي كه در مناظر بزرگ‌شده، ديده مي‌شوند، در تماس با صفحات طلايي كه 3/0 تا 1]ميكرو[ متر فاصله دارند، قرار مي‌گيرند. وقتي چيپ بطور آني در محلولي از تركيب آزمايشي قرار مي‌گيرد، مولكولها خودشان را در عرض اين صفحات سوار مي‌كنند . خواص الكتريكي اين مولكولها را مي‌توان مطالعه كرد. به گفته تور، ترتيب نانوذرات و مولكولهاي اتّصال‌دهنده در اين مسيرها، تصادفي است و مسيرها احتمالا" در ابتدا قادر به انجام هيچ عمل منطقي نخواهند بود ولي با اعمال پالس‌هاي ولتاژي به تركيبات مختلف دريچه‌هاي ورودي و خروجي، امكان آن وجود دارد كه مولكولها را گروهي " روشن" يا " خاموش" كرد. اين كه كدام سوئيچ روشن (رسانا) و كدام يك خاموش (عايق) است، مشخّص نيست، ولي اهميتي هم ندارد. در يك روال حدس و خطايي ، الگوريتم‌هاي كامپيوتري خاصي بطور پشت سرهم كار تست و تعمير را (با استفاده از پالس‌هاي ولتاژي با مقادير متفاوت) انجام مي‌دهند تا اين كه آن مسير عمليات مطلوب را مثلا" به عنوان يك گيت يا افزاينده منطقي انجام دهد. يك كامپيوتر مولكولي واقعي حداقل شامل صدهزار تا يك ميليون نانوسلول خواهد بود ، كه با ليتوگرافي معمولي به هم مرتبط شده‌اند. پس از اين كه اولين نانو سلولها تعليم داده شدند، آنها به صورت تست‌كننده و تعليم‌دهنده نانوسلولهاي اطرافشان عمل خواهند كرد . بنا به گفته تور، اين نحوه " خود راه‌اندازي" امكان برنامه‌ريزي و تعليم‌دهي سريع و اتوماتيك نانوسلولها را فراهم مي‌آورد. او همكارانش قبلا" با مدلسازي (شبيه‌سازي) نشان داده بودند كه به يك نانوسلول مي‌توان انجام يك عمل خاص را تعليم داد. ولي تور مي‌گويد:"ما هنوز يك نانو سلول كامل را نساخته‌ وبه آن برنامه نداده ايم. هرچند چنين برنامه‌ريزي‌اي در عرض شش‌ماه صورت خواهد گرفت." گذشته از اين مسئله، او و اعضاي تيم‌اش هنوز بايد بر معضلات دشوار بسيار ديگري فائق آيند تا يك نمونه موفق از كامپيوتر مولكولي‌شان را عرضه كنند. مشابه دانشمندان UCLA ، تور نيز فكر نمي‌كند كه كامپيوتر مولكولي در كوتاه‌مدت جايگزين كامپيوترهاي سيليكوني فعلي شود. با اين حال، الكترونيك مولكولي اولين مورد مصرف خود را در سيستمهاي مخطوط كه مولكولها در هماهنگي با سيليسيم عمل مي‌كنند" خواهد يافت.

سوئيچ كردن با نانولوله‌ها :

همه مدلهاي محاسبه مولكولي الزاما" برمبناي مولكولها نيست، كه با سنتز آلي مرحله به مرحله قابل دسترسي باشند. مثلا" در دانشگاه هاروارد ، استاد شيمي چارلز ليبر و همكارانش - توماس روئكس، كيونگ‌ها كيم، و ارنستو جوزلويچ - در حال بكار انداختن نانولوله‌هاي تك ديواره (SWNTها) براي استفاده در اجزاي دستگاهي (مثل سوئيچ‌ها) و سيمها براي خواندن و نوشتن اطلاعات هستند. ايده ليبر عبارتست از الگودهي يك آرايه از نانولوله‌هاي موازي- روي يك لايه نازك دي‌الكتريك (عايق) كه نمونه رسانا را پوشش مي دهد- كه سپس در بالاي اين آرايه ، آرايه موازي ديگري از نانولوله‌ها، به زوايه قائمه به صورت آويزان قرار مي‌گيرد. نانولوله‌هاي بالايي بطور غيرهم‌سطح پاييني‌ها را قطع مي‌كنند، چون به كمك بلوك‌هاي تكيه‌گاهي با فواصل منظم 5 نانومتر بر فراز نانولوله‌هاي پاييني نگه داشته‌شده‌اند. هر نانولوله در انتهايش به يك الكترود فلزي متّصل است. ليبر و همكارانــش در مقالــه جديدشان اين چنين بيان كردند : " هر نقطه تقاطع در اين ساختار يك عنصر دستگاهي محسوب مي‌شود". و هر عنصر دستگاهي در دو حالت مي‌تواند باشد : در حالت " خاموش" لوله‌هاي متقاطع كاملا" از هم جدا بوده و لذا مقاومت تماسي در اين نقطه بسيار بالاست. در مقابل، در حالت " روشن" نانولوله‌هاي بالايي به سمت لوله‌هاي پايين آنقدر كشيده مي‌شوند تا با آنها تماس يابند ، كه در نتيجه مقاومت تماسي فوق‌العاده كم خواهد شد.

ليبر: آرايه‌هاي نانولوله ‌\ نانوسيم

اين محققين مي‌نويسند: " با باردار كردن گذراي نانولوله‌ها- به منظور توليد نيروهاي الكترواستاتيك جاذبه يا دافعه‌اي- يك عنصر دستگاهي مي‌تواند بين اين دو حالت تعريف شده- روشن و خاموش- سوئيچ كند." اين كار با اعمال پالس ولتاژي به زوج‌الكترودهايي كه يك نقطه تقاطع خاص را نشانه گرفته‌اند، صورت مي‌گيرد. به گفته ليبر، وضعيت – روشن يا خاموش – هر نقطه تقاطع را با سنجيدن مقاومت تماسي به راحتي مي‌توان خواند. چنين آرايه متقاطعي را نه تنها براي شكل‌دهي عناصر منطقي كامپيوترها ، كه به عنوان يك حافظه دسترسي اتفاقي (RAM) غير فرار نيز مي‌توان بكار برد، چراكه مزاياي‌قابل ملاحظه‌اي نسبت به RAMهاي نيمه‌هادي مرسوم از نظر اندازه، سرعت و هزينه دارا مي‌باشند. ليبر مثلا" مي‌گويد، كه 1012 عنصر دستگاهي را مي‌توان در 2 Cm 1 از يك چيپ جا داد. اين در حالي است كه يك چيپ پنتيوم با اين اندازه 107 تا 108 قطعه را در خود جا مي‌دهد. به علاوه، هر عنصر اين حافظه نانولوله‌اي قادر به ذخيره يك بيت است، در حالي كه ابزارهاي سيليكوني فعلي، به يك ترانزيستور و يك خازن براي ذخيره يك بيت در RAM متغير (كه بايستي پي در پي از نو پر شود ) يا چهار تا شش ترانزيستور براي ذخيره يك بيت در RAM ايستا نيازمندند. اضافه بر اين، بنا به ازمايشات و محاسبات انجام شده،RAM نانولوله‌اي عمل سوئيچينگ را با سرعت GHz100 ، يعني 100 برابر سريعتر از نسل جديدچيپ هاي شركت اينتل انجام مي دهند. آزمايشات گروه هاروارد تاكنون روي اتّصالات منفرد كلاف‌هاي با قطر 20 تا 50 نانومتر نانولوله كه به "طناب" موسوم هستند، صورت گرفته است. در چندين دستگاه مشابه ، ليبر و همكارانش سوئيچينگ بازگشت‌پذير را بين دو حالت تعريف‌شده روشن و خاموش مشاهده كرده‌اند : " ما فكر مي‌كنيم اين آزمايشات كاملا" ايده معماري ارائه‌شده از طرف ما را اثبات مي‌كند." بااين حال اتّكا صرف به نانولوله‌ها براي اين آرايه متقاطع مشكل‌زاست. محققين هاروارد بطور آرماني دوست دارند ، آرايه‌ها را با SWNT هاي منفرد با ضخامت نانومتري بسازند – نانولوله‌هاي نيمه‌هادي در پايين و نانولوله‌هاي فلزي در بالا. ليبر در اين باره مي‌گويد : " ما هميشه نيازمند اتّصالات فلز /نيمه‌هادي خواهيم بود" – براي عمل يكسوسازي؛ يعني به جريان فقط در يك جهت اجازه عبور مي‌دهند.
اتّصالات يكسوساز موجب اطمينان از اين مي‌شود، كه وضعيت هر اتّصال را مستقل از بقيه بتوان خواند. متأسفانه كسي نمي‌داند چگونه نانولوله‌ها را بنا به نياز به شكل فلزي يا نيمه‌هادي بسازد.اين محققين نوعا" كار خود را با بكارگيري مخلوطي از انواع متفاوت نانولوله‌ها يا انجام مشاهدات شانسي صورت مي‌دهند. يك راه براي فائق آمدن براين مشكل استفاده از نانوسيمهاي نيمه‌هادي آغشته در كنار نانولوله‌هاست. گروه ليبر چند سال گذشته را صرف توسعه يك روش كاتاليتيكي ليزري براي ايجاد نانوسيمهاي با اندازه‌هاي گوناگون، منجمله نيمه‌هادي‌هاي سيليسيم، ارسنيدگاليم، فسفيد اينديم و غيره كرده‌اند . اين روش به قول ليبر، امكان ، " كنترل سنتزي بالايي" را روي قطر ، طول و خواص الكتريكي اين نانوسيمها فراهم مي‌آورد. اخيرا" به عنوان مثال گروه او نشان داده اند، كه نانوسيمهاي سيليكوني را مي‌توان با ديگر عناصر آغشته كرد تا مواد نيمه‌هادي نوع N (آغشته به الكترون) يا نوع P (آغشته به حفره) را بدست دهد.,104,5213,(2000)] J.Phys.Chem.B [ليبر خاطرنشان مي‌كند : " يك نانوسيم سيليكوني نوع N، هميشه با يك نانولوله‌ اتّصالي يكسوساز را شكل مي‌دهد؛ چه نانولوله فلزي و چه نيمه‌هادي باشد." بعلاوه با تقاطع نانوسيمهاي آغشته با نانولوله‌ها، اتّصالات دستگاهي با انواع مختلفي از خواص الكترونيكي را مي‌توان داشت. و لذا اگر شما به ساخت ابزارهاي مخلوط علاقه‌مند باشيد، وارد كردن اجزاي سيليكوني] آغشته[ به دستگاهتان معني‌دار خواهد بود. نماي سه بعدي ايده ليبر براي يك آرايه متقاطع معلّق با چهار اتّصال نانولوله (عناصر دستگاهي) ، كه دو تا آنها در وضعيت " روشن" (در حال تماس) و دوتاي ديگر در وضعيت " خاموش" (جدا ازهم) قرار دارند. نانولوله‌هاي پاييني روي يك لايه نازك دي‌الكتريك ( مثلا" Sio2) هستند، كه در بالاي يك لايه رسانا ( مثلا" سيليسيم با آغشتگي بالا) قرار گرفته‌است. نانولوله‌هاي بالايي به كمك چند تكيه‌گاه (بلوكهاي خاكستري) آويزان شده‌اند. هر نانولوله به يك الكترود فلزي (بلوكهاي زرد) متّصل است.چگونه اين آرايه‌هاي متقاطع ساخته مي‌شوند؟ يك استراتژي نويدبخش ، به گفته ليبر ، الگودهي شيميايي سطح به صورت خطوط موازي با فاصله چندنانومتر و سپس استفاده از يك جريان مايع روي سطوح الگودهي شده براي رديف كردن نانوسيمها در آن الگوهاست. وي مي‌گويد : " ايجاد آرايه معلّق نيازمند حقّه بيشتري است،" ولي ممكن است با رشد كنترل شده نانولوله‌ها ازنانو ذرّات كاتاليستي، ]فرايند ساخت نانولوله[ اين كار را بتوان انجام داد. ليبر مي‌گويد گروهش ديوانه‌وار كار مي‌كند تا آرايه‌هاي متقاطعي را بسازد كه شامل 16000 اتّصال و " دانسيته‌اي فراتر از آنچه در چند سال آينده فناوري سيليسيم مي‌تواند انجام دهد" باشد. به گفته او، چنين چيپي به معناي طي كردن بخش مهمي از راه است – البتّه يك قسمت خيلي كوچك از راه دراز تجاري شدن فناوري نانوالكترونيك.

چيدمان و محاسبه متكي بر DNA :

ايده آرايه‌ها، سيمهاي متقاطع، و محاسبات در كارهاي استاد شيمي نادريان سيمن در دانشگاه نيويورك نيز نمود يافته است. ولي در اين مورد، سيمها ، رشته هاي زيگزاك ، به هم بافته و متقاطع DNA هستند كه مشابهشان در طبيعت ديده نشده است. برخي از اين مولكولها براي ساخت اشيا و ابزارهاي نانومتري برپايه DNA يا حتي محاسبه DNA اي مناسب هستند. در طول دو دهه گذشته ، سيمن از پتانسيل DNA براي ساختن يا به عنوان مواد ساختماني ساختارهايي مثل بلورها يا نانوابزارها، بهره جسته است. او و همكارانش با استفاده از مولكولهاي DNA شاخه‌دار دو رشته‌اي با سرهاي چسبنده ( لبه‌هاي رشته‌هاي‌ DNA كه مي‌توانند به لبه‌هاي مكّمل رشته‌هاي DNA ديگر متّصل شوند)، اشياي نانومتري پيچيده‌اي مثل مكعب، هشت‌وجهي ناقص و ديگر اشكال ساخته شده ازDNA را بدست آورده‌اند. سيمن اميدوار است در نهايت قادر به ساخت ساختمانهايي تو در تو به شكل دو و سه بعدي باشد، به نحوي كه نيازي به تعيين مكان ويژه اي روي- براي يك جزء خاص كه بايستي وارد آرايه شود- نباشد. وي مي‌گويد : " من معتقدم اين مسئله ما را واقعا" به جامدات طرّاح و مواد هوشمند مي‌رساند." بااين حال خاطرنشان مي‌كند،كه به عنوان يك ماده ساختماني ، DNA شاخه‌دار معمولا" فاقد سفتي است. بنابراين در سالهاي اخير گروه او، نحوه‌هاي چيدني از رشته‌هاي DNA ارائه داده‌اند كه استحكام ساختماني بيشتري داشته، و براي ساخت آرايه‌هاي دو بعدي DNA و يك ابزار نانومكانيكي كه بازوهاي صلب آن فقط بين دو حالت ثابت قادر به چرخش‌اند، بكار گرفته شده‌اند. آخرين شاهكار سيمن در اين راستا، مولكولهاي موسوم به چليپاي سه گانه است كه چهار رشته DNA با هم تركيب شده‌اند تا سه مارپيچ دو رشته‌اي مسطح موسوم به كاشي را به وجود بياورند. اين مارپيچ‌ها ازطريق چهار نقطه، كه رشته‌هاي يك مارپيچ به مارپيچ ديگر وصل مي‌شوند ، به همديگر زنجير شده‌اند. و البتّه مي‌توانند رشته‌هاي چسبيده همتاي خود را مبادله ‌كنند. مارپيچ مركزي با حلقه‌هاي سنجاقي در دو سر بسته شده است،ولي مارپيچ هاي ديگر سرهاي چسبنده‌اي دارند كه به كاشي‌ها امكان مي‌دهد يكديگر را بشناسند. بنا به گفته سيمن و همكارش جان‌ريف ، يك استاد علوم كامپيوتر دانشگاه دوك، سرهاي چسبنده شامل اطلاعاتي هستند كه به كاشي امكان مي‌دهد خودچيدماني را به صورتي كه يك محاسبه منطقي صورت گيرد، انجام دهند. [Nature,407,493(2000)] آنها و همكارانشان چنگ‌دي مائو و توماس لابين به كمك عمل منطقي موسوم به "XOR فزاينده" از اين كاشي‌ها براي انجام چهار مرحله محاسباتي روي رشته‌اي از صفر و يك‌ها استفاده كرده‌اند. نتيجه عمل XOR، "0" است كه اگر دو عدد پياپي مشابه باشند (0 و 0 يا 1 و 1) و 1 است، اگر دو عدد متوالي متفاوت باشند. ارزش هر كاشي (0 يا 1) به كمك يك “محل محدوديت” (توالي خاصي از DNAكه شناخته‌شده و با آنزيمهاي "محدوديت" بريده مي‌شوند) مشخّص مي‌شود. كاشي‌هاي ورودي و خروجي ، سرهاي چسبنده متفاوتي دارند.و در محلول با كاشي‌هاي" نبشي" مخلوط هستند. كاشي‌هاي نبشي ارزشهاي محاسبه را در ابتداي كار وارد كرده و به تاسيس يك قالب كاري براي ارتباط كاشي‌هاي ورودي و خروجي كمك مي‌كنند. كاشي‌ها مطابق الگوريتمي كه توسط كاشي‌هاي خروجي تعيين شده است، عمل خود چيدماني را انجام مي‌دهند (به طور اتوماتيك كنار هم قرار مي‌گيرند.) كـاشي‌هاي ورودي در ابتدا در يك وضعـيت مسطح پلكاني چيده مي‌شوند.و بسته به نحوه مرتّب شدنشان، كاشي‌هاي خروجي خود را- ازطريق جفت شدن سرهاي چسبنده مكمل يكديگر- در شكافهاي كوچك موجود روي پلكان جا مي‌دهند.

سيمن: محاسبه نانوهرتز با DNA

پس از كامل شدن مجموعه، پاسخ بايد استخراج شود . يك رشته گزارشگر كه درون هركدام از كاشي‌ها بافته مي‌شود، شامل محل محدوديتي است كه ارزش كاشي را مشخّص مي‌كند. رشته‌هاي گزارشگر مربوط به كاشي‌هاي مجاور به يكديگر جوش خورده ، رشته‌اي درازتر ايجاد مي‌كنند، كه از مجموعه خارج مي‌شود رشته به هم جوش خورده،پس از تقويت شدن، باكمك آنزيمهاي محدوديت بريده‌شده و اجزاي حاصل به كمك الكتروفوريزيس ژل سنجيدهمي‌شوند. سيمن مي‌گويد : " اين كار از همه جهت شبيه توالي‌سنجي DNA است ،مگر اينكه دقّت عمل خيلي كمتر است!" ؛ پاسخ- ارزش كاشي‌هاي خروجي كه خودچيدماني كرده‌اند- را مستقيما" از الگوي خطوط در ژل مي‌توان خواند. اين مدل فقط از چهار ورودي سود مي‌برد. محاسبات طولاني‌تر نيز به گفته سيمن با يك مرحله ساده خودچيدماني انجام مي‌شود. ولي با افزايش تعداد مراحل محاسباتي، احتمال خطا بيشتر مي‌شود. در تجربه‌اي كه در مجلّه Nature بيان شده، ميزان خطا 2 تا 5% برآورد شده است. سيمن خاطرنشان مي‌كند كه اين خودچيدماني الگوريتمي ، نسبت به چيدمانيهاي DNAاي كه او روي آنها كار كرده است، به صحّت بيشتري نياز دارد .دركار قبلي‌ او روي آرايه‌هاي تناوبي، يك كاشي " صحيح" با كاشي‌هاي " غلط" رقابت مي‌كرد و " لذا فراهم‌آوري شرايط كاركرد صحيح زياد سخت نبود." او مي‌گويد : " در اين مسئله ، كاشي صحيح با كاشي‌هاي نسبتا" صحيح رقابت مي‌كند. شما در اين مسئله بايد سخت‌گيرانه‌تر از مسئله ترتيب تناوبي كار كنيد. شما بايد به تمام صحت و درستي دست يابيد و نه نصف آن! " اريك وين ‌فري ، يك دانشيار علوم كامپيوتر و سيستمهاي محاسباتي و عصبي در موسسه فناوري كاليفرنيا، چندسال قبل براي اولين بار پيشنهاد استفاده از DNA براي تقليد كاشي‌هاي وانگ را ارائه كرده بود- مربع‌هايي با گوشه‌هاي رنگي كه وقتي طوري كنار هم چيده شوند كه گوشه‌هاي همرنگ كنار هم قرار گيرند براي انجام محاسبات قابل استفاده‌اند. سرهاي چسبنده روي كاشي‌هاي DNA معادلهاي منطقي گوشه‌هاي رنگي كاشي‌هاي وانگ اند. وين فري با ذوق زدگي از مقاله سيمن-ريف مي‌گويد: " اين اولين ظهور تجربي ايده‌هايي است كه من در تز دكترايم مطرح كردم." هر چند، قسمت مشكل كار حركت از نظم يك بعدي به دو و سه بعدي است، وين فري مي‌گويد : " اين كار، موجب پردازش اطلاعات بسيار پيچيده‌تري خواهد شد"- البته در صورت عملي شدن. ديويد هارلان‌وود، يك استاد علوم كامپيوتر در دانشگاه دلاوير معتقد است، روشن سيمن براي ساخت بيش از محاسبه مفيد است.
وود مي‌گويد : " وقتي من اين مقاله را خواندم و به ساختن فكر كردم؛ نظرات شگفت‌انگيزي در مورد سيخ‌ها يا تخته‌هاي پروازكننده در فضا داشتم." ولي او فكر كرد كه: " اعمال اين تكنيك محاسباتي در 1012 مولكول مجزا از يكديگر،واقعاْ مشكل است. ولي در عوض، يك كامپيوتر الكترونيكي قوي مي‌تواند در كمتراز يك ميكرو ثانيه مشكلات اين مقياس را در هم بكوبد." سيمن تأييد مي‌كند :" ما در اينجا در مورد گيگاهرتز صحبت نمي‌كنيم منظور ما 100 نانوهرتز است." در هر صورت، سيمن مي‌گويد ، كه هدف اوليه‌اش چند محاسبه در هر ثانيه نيست، بلكه چيدماني الگوريتمي DNA براي ساخت نانوساختارهاي جديد و ذاتا" مفيد است. نانوساختارها ، درهر حال چه براي انجام محاسباتي با سرعت نور، شناسايي مولكولها در طبيعت، حذف عوامل بيماريزا از بدن، يا بهبود خواص مواد طراحي شوند، كليد راهگشايي براي نانوتكنولوژي خواهند بود. و كليد ساخت نانوساختارها، شيمي است . به معناي ديگر سيمن نانوتكنولوژي را به عنوان يك زمزمه بسيار هوس‌بازانه براي شيمي در قرن آتي مي‌داند. اين ممكن است، ولي قطعا" به همكاري فيزيكدانان ، زيست‌شناسان ، دانشمندان علوم مواد، مهندسين شيمي و برق و ديگر متخصصيني كه با هم كار خواهند كرد ، نياز خواهد بود. هيث از UCLA مي‌گويد : " اكنون زمان هيجان‌انگيزي براي به انجام رساندن علوم نانوست. اين رشته با سرعت بسيار زيادي به جلو در حال حركت است." او از تصميم دولت آمريكا براي شتاب بخشيدن به تحقيقات علوم نانو به عنوان بخشي از پيشگامي ملّي نانوتكنولوژي به هيجان آمده، مي‌گويد :" تنها شكايت من اين است كه آنها چرا نام اين طرح را پيشگامي ملّي علوم و فناوري نانو نگداشته‌اند. علّت چنين نامگذاري‌اي ساده است : فناوريهاي نانويي كه از علوم نانو برمي‌خيزد، به نظر مي‌رسد نانوتكنولوژي اكثر صنايع كليدي ما را دگرگون سازد ولي در ابتداي كار به علوم نانو نياز است. " چهار رشته رنگي DNA براي ايجاد سه مارپيچ دوگانه به هم مرتبط مسطح موسوم به كاشي، در هم بافته شده‌اند. قسمتهاي راه‌راه، به طور تقريبي معرف " زوجهاي بازي" است . سه فلش نشانگر سه سر هستند . خط قطور قرمز، رشته گزارشگر است. سيمن از اين كاشي‌ها براي ساختن و محاسبه استفاده مي‌كند.
منبع: nano.ir
/خ