الکترونیک کوچک سازی شده

این مقاله برخی پیش زمینه های تاریخی در زمینه ی نانوتکنولوژی را ارائه کرده است. یک سوال جالب توجه این است که "چه زمانی نانوتکنولوژی ابداع شد؟ نانوتکنولوژی در حقیقت انقلاب سایر تکنولوژی های مهندسی مواد (مانند تکنولوژی لایه ی نازک) می باشد. این واژه، یک عبارت چتر مانند است و الزامات مختلفی را شامل می شود که ریشه در تاریخ قدیمی دارد. چیزی که شگفت آورتر است، این است که اکنون دانشمندان ابزارهایی دارند که بوسیله ی آنها می توانند هر محصول مصنوعی قدیمی را مورد مطالعه قرار دهند. محققین فهمیده اند که در بسیاری موارد، این بخش ها از نانوذرات تولید شده اند. تکنولوژی های بر پایه ی نانو، در طبیعت و در تاریخ وجود داشته اند.

سخنرانی فایمن

مفهوم نانوتکنولوژی موجب شد تا ریچارد فایمن برنده جایزه ی نوبل شود. این مسئله در واقع به دلیل سخنرانی قابل توجهی بود که او در سال 1959 انجام داده است. در طی این سخنرانی، او گفت که "اصول مربوط به فیزیک، تا جایی که ما می توانیم مشاهده کنیم، مخالف امکان تولید چیزها به صورت اتم به اتم نیست". در آن زمان، کلمه های بیان شده بوسیله ی فایمن به عنوان یک افسانه ی علمی خالص در نظر گرفته می شد. امروزه، ما ابزارهایی داریم که اجازه می دهند تا چیزی را که فایمن پیش بینی کرده بود، ایجاد کنیم.

میکروسکوپ روبشی- تونل زنی

توسعه ی نانوتکنولوژی بوسیله ی ابداع دو ابزار تحلیلی بسیار مهم انجام شده است. این دستگاه ها، علاوه بر تصویر برداری، قابلیت دستکاری سطوح در مقیاس نانو را دارا هستند. این ابزارها میکروسکوپ روبشی- تونل زنی (STM) و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) نامیده شد. STM و AFM قادر به تصویربرداری از سطح با رزولیشن اتمی می باشند.
هر دو ابزار بوسیله ی Binning و همکارانش در IBM زوریخ، ساخته شده اند. Binning، Rohrer و Ruska (همگی در IBM زوریخ) توانستند با اختراع این ابزارهای جالب توجه، جایزه ی نوبل فیزیک را در شال 1986 دریافت کنند. این ابزارها، موجب باز شدن درها به سمت توسعه ی علم نانو برای محققین شده است. با پیشرفت STM، محققین ابزاری به دست آوردند که نه تنها برای تصویربرداری از سطح استفاده می شوند، بلکه همچنین برای حرکت اتم های منفرد در سطح، نیز استفاده می شوند. STM اولین مرحله از نزدیک شدن دیدگاه فایمن به واقعیت را تشکیل می دهد.

شیشه های رنگی

کلوئیدهای فلزی (نانوذرات پراکنده شده در یک محیط) بهترین مثال از استفاده از نانوتکنولوژی در زمان های قدیم و جدید می باشد. این نانوذرات دارای خواص نوری (رنگ های مختلف) هستند که در واقع به پلاسمون های سطحی وابسته می باشد. اندازه و شکل نانوذرات فلزی در حقیقت بر روی رنگ آنها مؤثر می باشد. وجود کلوئیدهای فلزی موجب ایجاد رنگ های جذاب مختلفی می شود.
• یکی از شگفت انگیزترین این مواد، قطعات شیشه ای رومی است. مثلا جام Lycurgus که از جمله شیشه های رومی حاوی کلوئیدهای فلزی می باشد که در قرن پنجم تولید شده است. این جام با شکوه که در موزه ی انگلیس نگهداری می شود، متعلق به شاه Lycurgus بوده است. وقتی این جام از بیرون نوردهی می شود، جام سبز به نظر می رسد. وقتی از داخل نور به آن تابیده شود، جام قرمز به نظر می رسد، به جز برای شاه که بفنش به نظر می رسید. دلیل این دو رنگ بودن ناشناخته بود تا زمانی که آنالیزهای SEM بر روی این جام، در سال 1990 انجام شد. این فهمیده شد که وجود نانوذرات نقره (66.2 %)، طلا (31.2 %) و مس (2.6 %) که اندازه ی ای زیر 100 میکرون داشتند، در این شیشه وجود دارد. جذب نور و پراکندگی نور بوسیله ی نانوذرات تعیین کننده ی این رنگ های مختلف است.
• پنجره های شیشه ای رنگی زیبا که در قرون وسطا تولید شده اند و در برخی از کلیساها قابل مشاهده می باشد. این شیشه از کامپوزیت های شیشه ای و نانوذرات فلزی تشکیل شده است. شیشه های یاقوتی رنگ اغلب مخلوطی از شیشه با پودر نانوسایز طلا می باشد. رنگ بنفش مربوط به استفاده از نانوذرات طلا و دی اکسید قلع می باشد.
• تاریخ هنر چین نیز پر از مثال هایی از نانوتکنولوژی می باشد. برای مثال، پرسلان های چینی که به آنها famille rose می گویند، حاوی نانوذرات طلایی با اندازه ی 20 تا 60 نانومتر می باشد.

مطالعه های فارادی بر روی کلوئیدهای فلزی

اگر ما به تاریخ علم توجه کنیم، می بینیم که کلوئیدهای طلا در بسیاری از تحقیقات قرن نوزدهم، مورد توجه قرار گرفته است. در واقع این فارادی بود که اولین بار مطالعات سیستماتیکی بر روی خواص کلوئیدهای فلزی (به طور خاص بر روی ناوذرات طلا) انجام داد. در سال 1857، او در طی مقاله ای که در مجمع سلطنتی انگلیس به چاپ رساند، یک اسلاید بنفش ارائه کرد که حاوی ذرات نانوطلا بود. پس از انتشار این مایع به صورت قرمز در می آمد. کلوئیدهای طلای تولیدی، خواه قرمز، سبز، بفنش و یا آبی باشند، حاوی موادی فلزی در حالت کلوئیدی هستند.
فارادی در مورد حالت فیزیکی کلوئیدها صحبت کرد و همچنین بیان کرد که با افزودن نمک به این کلوئیدها، کلوئید آبی رنگ می شود.
در اوایل قرن 20 ام، Gustav Mie تئوری Mie را بیان کرد. این تئوری یک عملیات ریاضی در مورد تفرق نور است که توصیف کننده ی رابطه ی میان فلزات با اندازه ی نانومتری و خواص نوری محلول های حاوی این نانوذرات می باشد.

الکترونیک کوچک سازی شده

یکی از اولین پیشرفت های انجام شده در زمینه ی نانوتکنولوژی در عرصه ی وسایل الکترونیک مانند کامپیوتر، تلفن های همراه، بازی های الکترونیک پرتابل و ... انجام شد. این واقعا گیج کننده است که بگوییم اولین تلفن همراه در دهه ی 1980 معرفی شد. این مشاهده می شود که هر روزه این وسیله کوچک سازی می شود. این کوچک سازی در حقیقت وابسته به مزیت های قابل توجه در صنعت نیمه رسانا و قابلیت تولید مدارهای مجتمع (ICs) کوچکتر می باشد. هسته ی ICs ترانزیستور است. هر چیپ از تعداد زیادی ترانزیستور تشکیل شده است که به عنوان گیت هایی برای جریان الکترون عمل می کنند. آنها می توانند باز و بسته شوند. برای ترسیم یک تصور مناسب در ذهن، باید گفت که در سال 1965، 30 ترانزیستور در یک چیپ قرار داشت، این تعداد در سال 1971 به 2000 رسید و امروزه تعداد این ترانزیستورها در داخل هر چیپ، در حدود 40 میلیون می باشد. رشد روزافزون در حقیقت در سل 1965 بوسیله ی گوردون مور پیش بینی شد. مور پیش بینی کرد که پیچیدگی چیپ های مجتمع، هر 18 ماه، دو برابر می شود. این مسئله در آن زمان، یک پیش بینی خیالی بود اما در حقیقت قانون مور تاکنون خود را به اثبات رسانده است. دانسیته ی داده های موجود در چیپ های کامپیوتری در سال گذشته از نرخ پیش بینی شده، فراتر رفت و هر 18 ماه، دو برابر شد.
تاریخچه ی چیپ های مجتمع در حقیقت می توان به عنوان تاریخچه ی نانوتکنولوژی، تلقی شود. اولین ترانزیستور در سال 1947 ابداع شد. این ترانزیستور بزرگ و با ابعادل میکرونی بود (شکل 1). به منظور برطرف شدن نیازهای موجود، ابعاد این ترانزیستور به طول قابل توجهی در طی 20 سال، کاهش یافت و در سال 2002، به اندازه ی نانومتری رسید. در این زمان یک ترانزیستور حدود 90 نانومتر اندازه داشت. در سال 2009، یک ترانزیستور منفرد از نسل Core 2 از شرکت اینتل، اندازه ای 45 میکرون داشته است. اگر سرعت قانون مور حفظ شود، اندازه ی ترانزیستورها در سال 2016 باید برابر 9 نانومتر باشد. امروزه ترانزیستورهایی با اندازه ی زیر 5 نانومتر نیز ساخته شده اند. این ابعاد زیر ظرفیت تولید آخرین ابزارهایی است که امروزه در میکروالکترونیک استفاده می شود. علاوه بر این، در این ابعاد، الکترون ها قادرند به دلیل انرژی گرمایی خود، از گیت ها فرار کنند. روش های جدیدی برای تولید این ترانزیستورها در حال ابداع می باشد. این روش ها شامل الکترونیک مولکولی و محاسبات کوانتمی می باشد که در حقیقت هر دوی آنها، مثال هایی از نانوتکنولوژی می باشد.

اثر GMR

محصولات الکترونیک متعددی مانند آی پدهها، دارای اجزایی هستند که در آنها از یک اثر به نام مقاومت مغناطیسی بزرگ (GMR) استفاده شده است. به عبارت ساده، مقاومت الکتریکی ساختارهای تولید شده از لایه های مغناطیسی بسیار نازک و فلزات غیر مغناطیسی، می تواند بوسیله ی در حضور میدان مغناطیسی، به طور قابل توجهی تغییر کند. این اثر در سال 1988 بوسیله ی Albert Fert و Peter Grunberg کشف شد. آنها به طور مشترک در سال 2007، نوبل رشته ی فیزیک را به خاطر این کشف، از آن خود کردند. وقتی این جایزه اعلام شد، آکادمی علوم سوئد، اعلام کرد که تکنولوژی GMR ممکن است همچنین به عنوان یکی از اولین کاربردهای نانوتکنولوژی باشد که امروزه در بسیاری از زمینه، متداول می باشد.

مواد پیشرفته

تاریخچه ی مهندسی مواد پر از مثال هایی از نانومواد می باشد. اغلب این مواد به طور غیر عمدی تولید شده اند و به دلیل اینکه ابزارهای تحلیلی کنونی وجود نداشته است، شناسایی نشده اند. برای مثال، فرایند آنودایزینگ اولین بار در دهه ی 1930 ثبت اختراع شد. این فرایند یکی از مهم ترین فرایندهای مورد استفاده در صنعت است که به منظور محافظت از آلومینیوم در برابر خوردگی، استفاده می شود. در این فرایند یک لایه ی اکسید محافظ و نازک بر روی سطح آلومینیوم رسوب دهی می شود. مخترعین این روش آگاه نبودند که این لایه ی محافظ در واقع یک نانوماده است. این لایه ی آنودی از کانال های شش وجهی متراکمی تشکیل شده اند که دارای قطری در گستره ی 10 تا 250 نانومتر می باشد.
سایر مثال های متداول عبارتند از: نانوذراتی که در تولید اجزای رابری و یا لاستیکی ماشین، استفاده می شود. پیگمنت های تیتانیم دی اکسیدی که در برخی از نسل های کرم ضد آفتاب استفاده می شود، اجزای چیپ های کامپیوتری، مولکول های سنتزی مورد استفاده در ترکیب داروهای کنونی و پوشش های سخت کننده و نازک.
نانومواد مختلفی وجود دارد که دارای تاریخچه ی طولانی هستند. در اینجا، نمی توان همه ی آنها را مورد بررسی قرار داد، بلکه تنها دو مثال از آنها، به طور جزئی، بررسی خواهد شد.

فلرن ها و نانوتیوب های کربنی

در سال 1985، R. E. Smalley ، H. W. Kroto و R. F. Curl شکل جدیدی از کربن عنصری را کشف کردند: باکی بال که در حقیقت یک مولکول حاوی 60 اتم کربن است، شکلی مشابه توپ فوتبال دارد (شکل 2). محققین سپس قادر به توسعه ی روشی شدند که بوسیله ی آنها این نانومواد جدید، سنتز می شوند. وجود باکی بال در حقیقت در سال 1970 بوسیله ی Eiji Osawa از دانشگاه Toyohashi ژاپن پیش بینی شده بود. این آلوتروپ کربن به احترام Buckminster Fuller، Buckminsterfullerene نامیده شدند. این فرد یک معمار معروف است که بیشتر اعتبارش به خاطر طراحی گنبدهای ژئودوزی بوده است. اندکی پس از کشف این ماده در سال 1985، انواع دیگر فلرن ها نیز کشف شد. در سال 1996، Kroto، Curl و Smalley جایزه ی نوبل سال 1996 را در رشته ی شیمی به خود اختصاص داده اند. علت این اعطا، کشف این گروه از ترکیبات بوده است.
کریستال های مایع
کریستال های مایع اولین بار به صورت تصادفی در سال 1888 بوسیله ی Friedrich Reinitzer کشف شد. این فرد، یک فیزیولوژیست داروهای گیاهی است که در انستیتوی گیاهان دانشگاه Prague کار می کرد. Reinitzer در حال کار بر روی زیرلایه های بر پایه ی کلسترول بود و تلاش داشت تا فرمول دقیق و وزن مولکلولی کلسترول را تعیین کند. وقتی او به صورت دقیق نقطه ذوب را تعیین کرد، او با این حقیقت روبرو شد که این ماده به نظر دارای دو نقطه ذوب می باشد. او اولین بار فهمید که نقطه ی ذوبی در دمای 145.5 درجه ی سانتیگراد وجود دارد که در حقیقت ماده ی جامد در این دما، به یک توده ی مایع ابری شکل در می آید. این توده ی ابری شکل در دمای 178.5 درجه ی سانتیگراد، به طور ناگهانی از حالت ابری در آمده و به مایع شفاف و تمیزی تبدیل می شود. در ابتدا، Reinitzer فکر کرد که این مسئله، نشانه ای از وجود ناخالصی ها در این ماده می باشد اما خالص سازی بیشتر هیچ گونه تغییر در این مسئله نشان نداد. او نتیجه گیری کرد که این ماده دارای دو نقطه ی ذوب است اما از همکار خود که یک فیزیکدان آلمانی بود، خواست تا به او در یادگیری این رفتار غیر منتظره، کمک کند. فیزیک دان آلمانی Otto Lehmann در زمینه ی اپتیک کریستالی تخصص داشت. آنها ابر ایجاد شده را ایزوله کرده و مورد ارزیابی قرار دادند و دیدن این کرستال ها را گزارش دادند. Lehmann سپس یک مطالعه ی سیستمی بر روی کلسترول بنزوآت و سایر مواد جامد انجام دادند که دارای رفتار ذوب شدن دوگانه می باشند. او متقاعد شد که مایع ابری شکل، دارای نظم منحصربفردی است. این ابر مانند مایع جریان دارد اما تحت میکروسکوپ، مانند جامد به نظر می رسد. در عوض، مایع شفاف در دماهای بالا دارای حالت بی نظم خاص مانند تمام مایع ها، می باشند.
مجامع علمی با نتایج بدست آمده بوسیله ی Reinitzer و Lehmann به چالش کشیده شد زیرا در آن زمان، محققین سه حالت از ماده می شناختند: گاز، مایع و جامد. ایده ی کلی این بود که تمام مواد به طور نرمال دارای یک نقطه ی ذوب و یک نقطه ی جوش، می باشند.
با وجود این، کار انجام شده بوسیله ی Lehmann در شروع قرن 20 ام نیز ادامه یافت اما کریستال های مایع بوسیله ی جوامع علمی به عنوان یک مورد علمی کمیاب، در نظر گرفته شد. تنها در زمان های بعدی، محققین تشخیص دادند که این مواد در حقیقت حالت چهارم ماده هستند و می توانند استفاده های تجاری داشته باشند. در سال 1969، Hans Kelker موفق به سنتز ماده ای شد که دارای یک فاز نماتیکی در دمای اتاق بود. این ماده، N- (4- متوکسی بنزیلیدین) – 4- بوتینالینین (MBBA) نامیده شد. بعدها،سایر مواد با پایداری شیمیایی مناسب (مانند سیانوبیفنیل ها) با دماهای ذوب پایین سنتز شدند. این مواد درها در زمینه ی استفاده از کریستال های مایع در کاربردهایی همچون صفحات نمایش را باز کرد. از زمان این کشف ها، تحقیق های انجام شده بر روی این مواد افزایش یافت و در سال 1991، Pierre-Gilles de Gennes برنده ی جایزه ی نوبل فیزیک شد. این جایزه به دلیل کشف روش هایی اعطا شد که با استفاده از آن، پدیده ی نظم در سیستم های ساده به اشکال پیچیده ی ماده عمومیت داده می شد. این مسئله به طور خاص برای کریستال های مایع و پلیمرها، بود.
امروزه این فهمیده شده است که خواص عجیب و غریب یک کریستال مایع به نحوه ی اثر فاکتورهای خارجی مانند میدان الکتریکی یا دما، وابسته می باشد. و در واقع این فاکتورهای خارجی موجب آرایش مجدد در نانوساختارهای ابرمولکولی می شود.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Nanotechnologies Principle, Application and Implication and Hands- on activities / Matteo Bonazzi