نانوسيم ها

در سال 1965، مهندس Gorden Moore پيش بيني کرد که تعداد ترانزيستورها بر روي يک مدار مجتمع، تقريباً هر دو سال يکبار دو برابر خواهد شد. امروزه ما اين پيش بيني را تحت عنوان قانون Moore مي شناسيم، هر چند که به هيچوجه يک قانون علمي به حساب نمي آيد. قانون Moore بيشتر يک پيشگويي اثبات شده درباره صنعت کامپيوتر به حساب مي آيد. توليد کنندگان ريزپردازنده ها، به سختي براي انطباق با اين پيش بيني تلاش کرده اند، زيرا در غير اين صورت، رقبايشان اينکار را انجام مي دادند.
براي جا دادن ترانزيستورهاي بيشتري بر روي يک تراشه، مهندسين بايد ترانزيستورهاي کوچک تري را طراحي کنند. اولين تراشه تقريباً 2200 ترانزيستور بر روي خود داشت. امروزه مي توان صدها ميليون ترانزيستور را بر روي يک تراشه ريز پردازنده واحد جا داد. حتي با اين وجود نيز شرکت ها همچنان مصمم به ايجاد ترانزيستورهاي کوچکتر و کوچکتري هستند تا تعداد بيشتري از آنها را در تراشه هاي کوچکتر جا دهند. در حال حاضر تعداد زيادي از تراشه هاي کامپيوتري با ترانزيستورهائي در مقياس نانو وجود دارند ( مقياس نانو بين 1 و 100 نانومتر است. يک نانومتر معادل يک ميلياردم يک متر مي باشد). ترانزيستورهاي آينده حتي از اين حد نيز کوچکتر خواهند بود .
اما امروزه مفهوم ديگري پا به عرصه گذاشته است: نانوسيم ها ( Nonowire ) ساختاري که داراي يک نسبت طول به عرض شگفت انگيز مي باشد. نانوسيمها مي توانند به طور غير قابل تصوري باريک باشند. در واقع مي توان يک نانوسيم را با قطر تنها يک نانومتر توليد کرد، هر چند که دانشمندان و مهندسين به کار با نانوسيم هايي با قطري مابين 30 تا 60 نانومتر گرايش دارند. دانشمندان اميدوارند که بزودي بتوانيم از نانوسيم ها براي ايجاد کوچکترين ترانزيستوري که تا امروز ساخته شده است استفاده نمائيم، گرچه موانع نسبتاً دشواري در اين مسير وجود دارند.
ما در اين مقاله به بررسي خصوصيات نانوسيم ها مي پردازيم. در اين مقاله خواهيم آموخت که مهندسين چگونه نانوسيم ها را مي سازند و چه پيشرفت هائي را در مسير ايجاد تراشه هاي الکترونيکي با استفاده از ترانزيستورهاي نانوسيمي بدست آورده اند. در بخش آخر، به بعضي از کاربردهاي احتمالي نانوسيم ها، نظير کاربردهاي پزشکي آن نگاهي خواهيم انداخت.

نانوسيم ها چقدر باريک هستند؟
 

موي انسان معمولاً بين 60 تا 120 ميکرومتر قطر دارد.اجازه بدهيد فرض کنيم که شما يک رشته موي باريک استثنائي با قطر 60 ميکرومتر را در اختيار داريد. يک ميکرومتر معادل 1000 نانومتر است، بنابراين شما بايد اين رشته مو را حداقل 60000 بار از طول برش دهيد تا يک رشته با ضخامت يک نانومتر را بدست آوريد.

خصوصيات نانوسيم
 

بر حسب اينکه يک نانوسيم از چه چيزي ساخته شده باشد، مي تواند خصوصيات يک عايق، يک نيمه هادي و يا يک فلز را از خود نشان دهد. عايقها قادر به حمل يک شارژ الکتريکي نيستند، در حاليکه فلزات شارژهاي الکتريکي را بسيار خوب حمل مي کنند. نيمه هادي در فاصله ميان اين دو قرار مي گيرد و يک شارژ الکتريکي را تنها در شرايط مناسب حمل مي کند. با آرايش سيم هاي نيمه هادي در يک پيکر بندي مناسب، مهندسين مي توانند ترانزيستورها را ايجاد کنند که هر يک از آن ها بعنوان يک سوئيچ با يک تقويت کننده ( Amplifire ) عمل مي نمايند.
بعضي از خصوصيات جالب توجهي ( و البته غيرمنتظره اي ) که نانوسيم ها از خود نشان مي دهند، به مقياس کوچک آنها مربوط مي شود. وقتي شما با اشيائي کار مي کنيد که در مقياس نانو ( يا کوچکتر) هستند، وارد قلمروي مکانيک کوانتومي مي شويد. مکانيک کوانتومي مي تواند حتي براي متخصصين اين حوزه نيز گيچ کننده باشد، زيرا در اکثر مواقع اصول فيزيک کلاسيک ( که تحت عنوان فيزيک نيوتني نيز شناخته مي شود) را نقض مي نمايد.
براي مثال، يک الکترون بطور معمول نمي تواند از يک عايق عبور کند. با اينحال اگر عايق به اندازه کافي نازک باشد، الکترون مي تواند از يک طرف عايق به طرف ديگر آن عبور نمايد. اين فرآيند " Electron Tunneling" ناميده مي شود اما نام مذکور واقعاً نمي تواند ايده اي از اينکه فرآيند مربوطه تا چه اندازه مي تواند عجيب باشد را در اختيار شما قرار دهد. در واقع، الکترون از يک طرف عايق به طرف ديگر آن مي رود، بدون آنکه عملاً درخود عايق نفوذ کرده و يا فضايي را در داخل عايق اشغال نمايد. به عبارت ديگر مي توان گفت که الکترون از يک طرف عايق به طرف ديگر آن Teleport مي شود. شما مي توانيد با استفاده از لايه هاي ضخيم تر عايق از پديده Electron Tunneling جلوگيري کنيد، زيرا الکترون ها تنها در طول فواصل بسيار کوچکي قابليت جابه جايي دارند.
خصوصيت جالب توجه بعدي، اين است که بعضي از نانوسيم ها" رساناي پرتابه اي " ( Ballistic Conductor ) هستند. در رساناهاي معمولي، الکترونها با اتم هاي داخل ماده رسانا برخورد مي کنند. اين وضعيت باعث کند شدن حرکت الکترونها شده و بعنوان يک محصول فرعي، گرما توليد مي کند. در رساناهاي پرتابه اي، الکترونها مي توانند بدون اين برخوردها از طريق يک رسانا جابه جا شوند. نانوسيم ها مي توانند الکتريسيته را بطور کارآمدي بدون ايجاد محصول فرعي گرماي شديد، انتقال دهند.
در مقياس نانو، عناصر مي توانند خصوصيات بسيار متفاوتي را نسبت به آنچه که ما انتظار داريم از خود نشان دهند. براي مثال، فلز طلا در حجم هاي بزرگ داراي نقطه ذوبي بالاتر از 1000 درجه سلسيوس است. با کاهش حجم طلا به اندازه هاي نانو ذرات، مي توانيد نقطه ذوب آن را کاهش دهيد زيرا هنگاميکه هر ذره را تا مقياس نانو کوچک مي کنيد، افزايش چشمگيري در نسبت " سطح به حجم " آن ايجاد مي گردد. همچنين، طلا در مقياس نانو همانند يک نيمه هادي رفتار مي کند، اما در حجم هاي بزرگ بعنوان يک رسانا در نظر گرفته مي شود.
عناصر ديگر نيز رفتارهاي عجيبي را در مقياس نانو از خود نشان مي دهند. براي مثال، آلومينيوم در حجم هاي بزرگ فاقد رفتار مغناطيسي مي باشد، اما گروه هاي بسيار کوچک اتم هاي آلومينيوم داراي خصوصيت مغناطيسي هستند. نمي توانيم انتظار داشته باشيم خصوصياتي از عناصر که ما در تجربيات روزمره خود با آنها آشنا هستيم ( و همچنين نحوه رفتاري که از آنها انتظار داريم) را در شرايطي که اندازه همين عناصر را تا يک نانومتر کاهش داده ايم، مشاهده نمائيم.
ما هنوز در حال يادگيري خصوصيات متفاوتي در مقياس نانو هستيم. خصوصيات بعضي از عناصر نظير سيليکون، در مقياس نانو نيز دچار تغييرات چنداني نمي شوند. اين ويژگي باعث مي شود که آنها براي ترانزيستورها و ساير کاربردها ايده آل باشند. اما عده ديگري از عناصر هنوز بسيار اسرار آميز بوده و مي توانند خصوصياتي را به نمايش بگذارند که ما در حال حاضر قادر به پيش بيني آنها نيستيم.

نانولوله هاي کربني و نقاط کوانتومي
 

نانوسيم ها تنها يکي از ساختارهاي هيجان انگيزي هستند که دانشمندان و مهندسين در مقياس نانو به اکتشاف و بررسي آنها پرداخته اند. دو مفهوم مهم ديگر در مقياس نانو، عبارتند از نانولوله هاي کربني و نقاط کوانتومي. يک نانولوله کربني، يک ساختار استوانه اي است که به يک صفحه لوله شده از گرافيک شباهت دارد. خصوصيات اين ساختار به نحوه لوله کردن صفحه گرافيکي به صورت يک استوانه بستگي خواهد داشت. با لوله کردن اتم هاي کربن در يک جهت، شما مي توانيد يک نيمه هادي را بوجود آوريد. اما لوله کردن همين صفحه در يک امتداد ديگر باعث ايجاد ماده اي مي شود که 100 برابر سخت تر از فولاد است. نقاط کوانتومي نيز مجموعه اي از اتم ها هستند که در کنار يکديگر بعنوان يک اتم غول آسا عمل مي کنند ( هر چند که در ذکر عبارت غول آسا ما همچنان از مقياس نانو صحبت مي کنيم). نقاط کوانتومي نيمه هادي هستند.

ساخت نانوسيم ها از بالا به پائين
 

متخصصين علوم نانو درباره دو شيوه متفاوت براي ساختن موارد مختلف در مقياس نانو صحبت مي کنند: روش Top-Down و روش Bottom-Up.يک روش Top-Down اساساً به معناي آن است که شما حجم بزرگي از ماده اي که مي خواهيد از آن براي ساخت نانوسيم ها استفاده کنيد را برداشته و آن را بتراشيد تا به اندازه مناسب برسد. يک روش Bottom-Up شامل يک فرآيند مونتاژ است که در آن ذرات کوچکتر به يکديگر متصل مي شوند تا ساختار بزرگتري را تشکيل دهند.
با وجود آنکه مي توانيم نانوسيم ها را با استفاده از هر دو روش توليد کنيم، اما متخصصين شيوه اي را يافته اند که توليد انبوه را امکانپذير مي سازد. در حال حاضر، دانشمندان و مهندسين بايد زمان بسيار زيادي را براي توليد کسري از تعداد نانوسيم هاي مورد نياز يک تراشه ريزپردازنده صرف نمايند. يافتن روشي براي آرايش و سازماندهي صحيح نانوسيم ها پس از توليد آنها، حتي مي تواند چالش بسيار بزرگتري باشد. مقياس هاي کوچک باعث مي شوند که توليد ترانزيستورها بطور خودکار بسيار دشوار باشد. در حال حاضر، مهندسين معمولاً سيم ها را با ابزارهاي ويژه اي در محل خود دستکاري مي کنند، در حاليکه همه چيز را از طريق يک ميکروسکوپ قدرتمند مشاهده مي نمايند.
يک مثال از روش Top-Down شيوه اي است که دانشمندان از آن براي ساخت نانوسيم هاي فيبر نوري استفاده مي کنند. سيم هاي فيبر نوري، اطلاعات را درقالب نور انتقال مي دهند. براي ساخت يک نانوسيم فيبرنوري، مهندسين ابتدا کار خود را با يک کابل فيبر نوري معمولي آغاز مي کنند. چند شيوه مختلف براي کاهش ابعاد يک کابل فيبر نوري تا مقياس نانو وجود دارد. دانشمندان مي توانند يک ميله ساخته شده از ياقوت را گرم کرده،کابل را به دور آن پيچيده و سپس کابل را بکشند تا ضخامت آن کاهش پيدا کرده و به نانوسيم تبديل گردد. يک شيوه ديگر، از يک کوره کوچک ساخته شده از يک استوانه ياقوتي بهره گيري مي نمايد. دانشمندان يک کابل فيبر نوري را از ميان اين کوره عبور داده و آن را مي کشند تا به يک نانوسيم باريک تبديل شود. فرآيند سوم که Flame Brushing نام دارد، از يک شعله در زير کابل فيبر نوري استفاده مي کند، در حاليکه دانشمندان مشغول کشيدن کابل از طرفين هستند.

نگاه کردن به مقياس نانو
 

ميکروسکوپ يک دانشمند نانو، از همان نوعي نيست که شما در آزمايشگاه شيمي دبيرستان خود ديده ايد. هنگاميکه شما تا مقياس اتمي نفوذ مي کنيد، با اندازه هايي سر و کار داريد که عملاً کوچکتر از طول موج نور مرئي هستند. در مقابل، يک دانشمند نانو مي تواند از يک ميکروسکوپ Scanning Tunneling و يا يک ميکروسکوپ Atomic Force استفاده کند. ميکروسکوپهاي Scanning Tunneling از يک جريان الکتريکي ضعيف براي کاوش ماده اسکن شده استفاده مي نمايند. ميکروسکوپهاي Atomic Force نيز سطوح را با يک " Tip " فوق العاده ظريف اسکن مي کند. هر دو ميکروسکوپ مذکور، داده هاي خود را به يک کامپيوتر مي فرستند که اطلاعات را جمع آوري کرده و آن را به صورت گرافيکي بر روي يک نمايشگر نشان مي دهد.

نانوسيم هاي رشد کننده
 

(CVD (Chemical vapor deposition) مثالي از يک شيوه Bottom-Up است. بطور کلي CVD به يک گروه از فرآيندها اشاره دارد که در آنها يک ساختار جامد از يک مرحله گازي تشکيل مي گردد. دانشمندان، کاتاليزورهائي ( نظير نانوذرات طلا ) را بر روي يک لايه مبنا که تحت عنوان " زير لايه " ( Substrate ) شناخته مي شود،رسوب مي کنند. اين کاتاليزرها بعنوان يک محل جذب براي تشکيل نانوسيم عمل مي کنند.دانشمندان اين زير لايه را در يک محفظه با گازي که حاوي عناصر مقتضي ( نظير سيليکون ) است قرارمي دهند تا اتم هاي گاز کار خودشان را انجام دهند. در ابتدا، اتم هاي گاز به اتم هاي کاتاليزور جذب مي شوند، سپس اتم هاي بيشتري از گاز به اين اتم ها متصل مي شوند و فرآيند به همين ترتيب ادامه پيدا مي کند تا يک زنجيره يا سيم ايجاد گردد. بعبارت ديگر، نانوسيم ها خودشان را مونتاژ مي کنند.

نانوسيم هاي طبيعي
 

تا همين اواخر، دانشمندان معتقد بودند که تمام نانوسيم ها ساخته دست بشر هستند، اما چند سال پيش، زيست شناسان يک باکتري را کشف کردند که مي تواند نانوسيم هاي خود را رشد دهد. يک باکتري به نام " Geobacter sulfurreducens " الکترون ها را بر روي اتم هاي فلزي تخليه مي کند( اين الکترون ها، محصول فرعي مصرف سوخت باکتري هستند) اگر باکتري در محيط خود دچار کمبود فلز باشد، يک نانوسيم فرعي را رشد مي دهد تا الکترون ها را به نزديک ترين فلز برساند. اين وضعيت به باکتري اجازه مي دهد تا سوخت بيشتري را مصرف کند. دانشمندان اميدوارند که سلول هاي سوختي ارگانيک را با استفاده از باکتريهائي نظير Geobacter Sulfurreducens براي توليد الکتريسيته ، ايجاد نمايند.
يک روش جديد براي ساخت نانوسيم ها، چاپ مستقيم آنها برروي زير لايه مناسب است. يک تيم از محققين در زوريخ، پيشگام اين شيوه بوده اند. آنها در ابتدا يک ويفر سيليکوني را بصورتي حکاکي کردند که بخش هاي برجسته بر روي ويفر با ساختار مورد نظرشان براي آرايش نانوسيم ها مطابقت داشته باشند. آنها از اين ويفر بعنوان يک کليشه استفاده کرده و آن را بر روي يک لاستيک مصنوعي با نام PDMS فشار دادند. آنها سپس يک مايع پرشده با نانو ذرات طلا که يک " تعليق کلوئيدي " ( colloidal suspension) ناميده مي شود را بر روي PDMS کشيدند. ذرات طلا در داخل کانال هاي ايجاد شده توسط کليشه ويفر سيليکوني رسوب کردند . حالا PDMS به يک قالب تبديل شده است که مي تواند يک " چاپ " از نانوسيم هاي طلايي را بر روي سطح ديگري انتقال دهد. قالبهاي PDMS مي توانند به دفعات مورد استفاده قرار گيرند و احتمالاً در آينده نقش مهمي را در توليد انبوه مدارهاي نانوسيم بر عهده خواهند داشت.
آزمايشگاه هاي متعددي، ترانزيستورهايي را با نانوسيم ها تهيه کرده اند، اما ايجاد اين ترانزيستورها مستلزم صرف زمان و نيروي انساني فراواني است. ترانزيستورهاي نانوسيمي به همان خوبي ترانزيستورهاي امروزي ( و يا حتي بهتر از آنها ) کار مي کنند. اگر دانشمندان بتوانند شيوه اي را براي طراحي يک روش جهت توليد و اتصال کارآمد ترانزيستورهاي نانوسيمي به يکديگر پيدا کنند، راه براي دستيابي به ريزپردازنده هاي کوچک تر و سريعتر هموار خواهد شد که به نوبه خود به صنعت کامپيوتر امکان مي دهند تا همچنان با قانون Moore هماهنگ بماند. تراشه هاي کامپيوتري همچنان کوچکتر و در عين حال قدرتمندتر خواهند شد.تحقيقات در زمينه توليد نانوسيم در سراسرجهان ادامه دارد. بسياري از دانشمندان بر اين باور هستند که دستيابي به يک شيوه مناسب براي توليد انبوه نانوسيم ها و ترانزيستورهاي نانوسيمي، تنها به زمان بستگي خواهد داشت. با کمي اميدواري، مي توانيم بگوييم که اگر به چنين نقطه اي برسيم، در عين حال شيوه اي را براي آرايش نانوسيم ها در ساختارهاي مورد نظر خود را نيز در اختيار خواهيم داشت و در نتيجه مي توانيم از پتانسيل کامل آنها بهره گيري نمائيم.

لوله هاي DNA
 

محققين دانشگاه Duke از DNA مصنوعي براي توليد نانوسيم هاي نقره اي استفاده مي کنند. محققين، کاشي هايي را از ملکول هاي DNA ايجاد مي نمايند. اين ملکولها سپس خودشان را در ساختارهاي لوله اي، سازماندهي مي کنند. سپس يک واکنش شيميائي دو مرحله اي باعث مي شود تا اين لوله ها به يک نانوسيم تبديل گردند. در آينده،DNA احتمالاً به دانشمندان کمک خواهد نمود تا ترانزيستورهايي در مقياس نانو را از طريق هدايت نانوسيم ها به محل هاي مناسب برروي يک تراشه ايجاد کنند.

کاربردهاي نانوسيم ها
 

احتمالاً آشکارترين استفاده نانوسيم ها در مدارات الکترونيکي است. بعضي از نانوسيم ها، نيمه هادي ها و يا رساناهاي خوبي هستند و اندازه بسيار کوچک آنها به معني اين است که توليد کنندگان مي توانند ميليونها ترانزيستور بيشتر را بر روي يک ريزپردازنده واحد جا دهند. در نتيجه، سرعت کامپيوترها بطور چشمگيري افزايش خواهد يافت.
نانوسيم ها احتمالاً نقش مهمي را در حوزه کامپيوترهاي کوانتومي ايفا خواهند کرد. يک تيم از محققين در هلند، نانوسيم هائي را از " indium arsenide" ايجاد کرده و آنها را به الکترودهاي آلومينيومي متصل نموده اند. در دمائي نزديک به صفر مطلق، آلومينيوم به يک ابررسانا تبديل مي شود و اين بدان معني است که الکتريسيته را بدون هيچ مقاومتي از خود عبور مي دهد. نانوسيم ها نيز به خاطر تأثير مجاورت به ابررسانا تبديل مي شوند. محققين مي توانند ابررسانائي نانوسيم ها را با عبور ولتاژهاي مختلف از زير لايه اي که نانوسيم ها بر روي آن قرار گرفته اند، کنترل نمايند.
دانشمندان نانو با استفاده از مواد پيزوالکتريک توانسته اند نانوسيم هائي را ايجاد کنند که از انرژي جنبشي الکتريسيته توليد مي نمايند.تأثير پيزوالکتريک، پديده اي است که مواد معيني از خود نشان مي دهند: هنگامي که شما نيروي فيزيکي را بر روي يک ماده پيزوالکتريک اعمال مي کنيد، ماده مذکور يک شارژ الکتريکي توليد مي نمايد. اگر يک شارژ الکتريکي را بر روي همين ماده اعمال کنيد، خواهد لرزيد. نانوسيم هاي پيزوالکتريک در آينده مي توانند تغذيه برق نانوسيم هائي با اندازه هاي نانو را فراهم کنند، هر چند که در حال حاضر هيچ کاربرد عملي براي آنها وجود ندارد.
در دنياي الکتريک ، صدها کاربرد احتمالي ديگر براي نانوسيم ها وجود دارد. محققين در ژاپن بر روي سوئيچ هاي اتمي کار مي کنند که مي توانند روزي جايگزين سوئيچ هاي نيمه هادي در ابزارهاي الکتريکي شوند. دانشمندان آزمايشگاه ملي انرژي تجديد پذير اميدوارند که نانوسيم هاي کواکسيال ( هم محور ) بتوانند بازدهي انرژي سلول هاي خورشيدي را بهبود بخشند. از آنجائيکه ما هنوز مشغول يادگيري درباره خصوصيات نانوسيم ها و ساير ساختارها در مقياس نانو هستيم، احتمالاً هزاران کاربرد ديگر براي آنها وجود دارند که ما حتي نمي توانيم آنها را تصور کنيم.

نانوسيم ها در پزشکي
 

تمام کاربردهاي نانوسيم ها در حوزه الکتريک نخواهند بود. محققين در دانشگاه آرکانزاس تلاش مي کنند تا از نانوسيم ها براي روکش ايمپلنتهاي تيتانيومي استفاده نمايند. پزشکان کشف کرده اند که بافت ماهيچه گاهي اوقات بخوبي به تيتانيوم نمي چسبد، اما وقتي که اين ايمپلنتها با نانوسيم ها روکش شوند، بافت مي تواند خودش را به آنها متصل نموده و ريسک عدم موفقيت ايمپلنت را کاهش دهد.
دانشمندان در انستيتوي بيماري هاي قلب - عروقي Gladstone در حال تجربه نانوسيم ها با سلولهاي بنيادي هستند. آنها اميدوارند که با گذراندن يک جريان الکتريکي از طريق نانوسيم ها به سلول بنيادي، بتوانند نحوه تمايز آن را کنترل کنند.
منبع:نشريه بزرگراه رايانه شماره 122