بررسی جامع نانو تکنولوژی
مقدمه:
حدود 100 سال پیش که برای اولین بار مسئله استفاده از انرژی عظیم هسته ای مطرح شد؛ بشر همواره نمی توانست درک تجربی و صحیحی نسبت به این موضوع داشته باشد، ولی دیری نپایید که دانش و تکنولوژی این انرژی در اختیار بشر قرار گرفت و توانست استفاده از آن را تجربه نماید. دیر زمانی اگر کسی مسئله پرواز در آسمان و یا سفر به خارج از این کره خاکی و گردش بدور آن را مطرح می کرد، دیگران حتما او را خیال پرداز و مجنون قلمداد می کردند و یا به خاطر اظهار بعضی حقایق فرد را به توبه در کلیسا وامی داشتند! زمانی روباتها و ابرکامپیوترها که می توانستند چندین محاسبه ریاضی را در چند ثانیه انجام دهند، فقط در داستانهای تخیلی نویسندگان پیدا میشد و اکنون … همیشه در تمامی اعصار وقتی مطلبی فوق دانش و درک مردم آن زمان مطرح می شد در برابر مخالفتها و انتقادات شدیدی قرار می گرفت ولی بعد از طی روزگار، همگان با پیشرفتهای فوق العاده در آن زمینه مواجه می شدند و حتی این پیشرفت را موجب فراهم آمدن آسایش بیشتر خود می دیدند و حالا در عصر ما بحث نانوتکنولوژی مطرح شده است، موضوعی که در تمامی ابعاد زندگی بشر و رشته های مختلف علمی ارتباط مستقیم و مؤثر خواهد داشت. نانو تکنولوژی چنان رویکرد و نگرش به تکنولوژی را متحول ساخته که در صورت تحقق و رسیدن به مقصدی که ترسیم شده است، شاید بزرگترین جهش انسان برای صعود به قله های رفیع علم خواهد بود. اکنون جهان متوجه این رویکرد متحول کننده شده و متخصصین و دانشمندان در نقاط مختلف این کره خاکی دست به پژوهش و مطالعات وسیعی در این زمینه زده اند و طبق گفته برخی از آنان پیشرفتهای صورت گرفته و روند رو به رشد نانو، بیش از حد حد انتظار و پیش بینی است.
ذرات نانو در همه جا وجود دارند، روبات های نانو میتوانند به حالت هیجان زده و وحشیانه ای رسیده و شروع به تزاید غیرقابل کنترل نموده به گونه ای که دنیا را به خطر بیاندازند. «تکنولوژی نانو» سال هاست که به وجود آده و میتوان گفت که تازه دوران آن فرا رسیده است. چون هم اکنون ما می توانیم از آن به عنوان پوشش های ظریف و نازک استفاده کرده و یا در تولید سلول های خورشیدی و حتی ساخت داروهای ضدسرطان استفاده کنیم. البته موارد استفاده زیادتری برای آن متصور بوده، منتهی آنچه که اهمیت حیاتی دارد، این است که تکنولوژی نانو به سرعت رو به جلو پیش می رود و باید در استفاده و بهره وری از آن، تمامی جوانب در نظر گرفته شده، منافع و خطرات آن دقیقاً بررسی شود.
ابتدا اشاره ای به زمینه های نانو می نماییم. «نانو» از یک کلمه یونانی به نام Dwarf که به معنای چیزی که کوچک تر از اندازه معمولی بوده اقتباس شده است. واژه «نانوتکنولوژی» به معنی مورد استفاده قرار دادن چیزهایی در طیف ابعادی بین یک الی 100 نانومتر است. این تکنولوژی نیز همانند بسیاری از تعاریف تکنیکی سوالات بی شماری را در اذهان ایجاد کرده که برای بسیاری از آنها هنوز پاسخ مشخص و روشنی وجود ندارد.
برای روشن کردن ذهن خوانندگان گرامی به اندازه یک نانومتر باید بگوییم که طولی است برابر 9-10*1 یا 000000001/0 متر به زبان دیگر یک میلیاردم متر را یک نانومتر می گویند. باز هم برای این که درک بهتری از مطلب داشته باشیم به نمودار ارائه شده در شکل شماره یک نگاه می کنیم. در قسمت سمت راست تصویر قطر تار موی انسان که معادل 000/100 نانومتر است به نمایش درآمده و در بخش کناری آن یعنی نزدیک ترین تصویر سمت چپ آن یک ذره دود سیگار به نمایش درآمده که قطر آن در حدود 5000 نانومتر بوده و باز هم سمت چپ آن طول موج رنگ آبی به نمایش گذاشته شده که معادل 500 نانومتر است. در سمت چپ این نمودار میزان فاصله دیسک خوان با صفحه دیسک در هارد کامپیوتر به نمایش درآمده که معادل 15 نانومتر است. باز هم برای این که موردی برای مقایسه داشته باشیم اشاره می کنیم که ذرات نانو را میتوان با ویروس ها و حتی تک مولکول های تشکیل دهنده آنها مقایسه کرد.
آنها هم اکنون در اطراف ما وجود دارند.
امروزه موارد استفاده نانوتکنولوژی زیاد است که بسیاری از موارد آن از سال 1999 به این طرف طی مقالات متعددی انتشار یافته است. این روزها از ذرات نانوسیلیکا که یک نوع ماده معدنی شامل سیلیکون و اکسیژن است برای تولید رنگ های پوششی استفاده شده که مزیت آنها قابلیت الکترواستاتیک بودن آنهاست، ضمن آن که باعث تقویت و پایداری محصول نهایی می‌شوند. این ذرات ابتدا در محلول رنگ به صورت شناور درآده و سپس در طی پروسه خشک شدن با آرایش خاصی که به آن آرایش تقاطعی می گویند به یکدیگر متصل می گردند. ماحصل استفاده از ذرات نانو در رنگ های مختلف این است که پایداری آنها در مقابل خش پذیری سه برابر رنگ های معمولی است.
شرکت «هایپریون کاتالیست اینترنشنال» در ساخت خطوط انتقال سوخت که از جنس پلاستیک بوده از نانو تیوب ها به عنوان حلقه های اتصال دهنده استفاده کرده است. این تیوب ها در واقع رشته های ظریفی از کربن بوده که وجود آنها مانع تجمع بار الکتریکی شده که ممکن است به تجهیزات الکترونیکی اتومبیل صدمه بزند.
امروزه ما اجزای نانو را تقریباً در همه جا مشاهده می کنیم از قطعات زینتی اتومبیل گرفته تا حسگرهایی که وظیفه شان کنترل میزان انحراف اتومبیل بوده و از پرده های محافظ در مقابل نور آفتاب گرفته تا توپ های تنیس. وجود نانو در همه جا باعث گردیده که یک مهندس به نکته ظریفی اشاره کند: «ما عادت کرده ایم که نانوتکنولوژی را شیمی بنامیم. البته بین این دو تفاوت فاحشی وجود دارد. میزان فضایی که نانوتکنولوژی در برمی گیرد و اشغال می‌کند چیزی است حدفاصل مشخصه های حجمی مواد و آنچه که در سطح اتم آن اتفاق می‌افتد و روی می‌دهد. تغییرات اندازه ای در این حد عمدتاً باعث می گردد که ویژگی های هر ماده ای دچار دگرگونی کلی شده و با مشخصات اولیه خود به طور کلی تفاوت پیدا کند.» به طور مثال عنصر طلا در حالت عادی عنصری است فاقد هر گونه حرکت و تاثیرگذاری اما نانوگلد یا ذرات نانوی طلا فعال بوده و به وسیله آنها میتوان یک کاتالیست یا مبدل ارزشمند را تولید کرد.
مثال دیگر می‌تواند عنصر کربن باشد. الماس و گرافیت یا زغال اشکال شناخته شده این عنصر در حالت عادی هستند. اما علاوه بر این ها شکل شناخته شده دیگری از کربن وجود دارد که به آن Buchy Ball می گویند که تماما از مولکول های کربن ساخته شده و فرمول شیمیایی آن C60 است. از ذرات نانوی این عنصر یا ماده شیمیایی در ساخت و تولید پانل های خورشیدی و داروهای ضد سرطان استفاده می‌شود.
وسایل محاسباتی نانو
الف) تراشه‌های نانو: کنسرسیوم صنعتی پیشرو در بخش تولید نیمه‌هادیها، خواستار توسعه هر چه بیشتر نیمه هادیهای نانو شده است. براساس آینده‌ای که ترسیم شد، در سال 2015 طول دروازه نیمه‌هادیها «35 نانومتر» و تعداد کل عملیات در زیر پردازنده‌های تولید انبوه «4/3 میلیارد» خواهد بود و در پردازنده‌هایی با عملکرد بالا که با حجم کمتری تولید می‌شوند، این رقم شاید به «20 میلیارد» برسد؛ برای تراشه‌های حافظه‌ای مربوط نیز هدفی در حدود «64 گیگابایت» تعیین شده است.
اگر هنوز شماری از چالشهای مهندسی در پیش است اما مشکلات دستیابی به این سطوح عملکردی چندان لاینحل بنظر نمی‌رسد. اگرکاستی‌های پیش‌بینی نشده در تولید اقتصادی این تراشه‌ها را در نظر بگیریم راهکارهای متعدد دیگری امکان‌پذیر خواهد بود. البته در سالهای پس از 2015، شاید مشکلات دیگری آشکار شوند که بعضی از آنها چالشهای مهم را برابر تکنیک‌های سنتی تولید نیمه هادیها ایجاد خواهند کرد. به ویژه محدودیتهای ابعادی برای اتصالات یا سیستم‌های بین ترانزیستورها می‌تواند کارآمدی محاسباتی در وسایل را محدود نماید، زیرا به رغم پیشرفتهای تدریجی فعلی در حوزه مواد، هنوز ضعفهایی در خواص و سازگاری مواد وجود دارد. انتقال حرارت در تراشه‌های فوق‌العاده فشرده، چالش مهم دیگری است. این امر از لحاظ محدودیتهای فنی آنچنان اساسی نیست و بیشتر یک چالش اقتصادی محسوب می‌شود، زیرا مقابله با این حرارت مستلزم طراحی ساز و کارها و تکنولوژی خنک کننده‌ای است که هزینه کل سیستم را افزایش می‌دهد و در نتیجه بر هزینه حاشیه‌ای به ازای عملکرد محاسباتی این دستگاه‌ها اثر معکوس می‌گذارد.