آموزش نانو/ نانوفناوری از زبان فیزیکدانی به نام فاینمن

آخرين خبر/ نانو، علمي‌ است که هر روزه با تبديل شدن به فناوري‌هاي پيشرفته ما را شگفت زده مي‌کند. ما مي‌توانيم از خاصيت اين فناوري کاربردي در صنعت و زندگي روزمره بهره‌هاي بسياري ببريم. از طرفي مسابقه ملي فناوري نانو در پيش است. به بهانه اين رويداد ملي، خوب است با ما براي درک ساز و کار علم و تکنولوژي نانو همراه باشيد. تيم علمي آخرين خبر هر روز برايتان از نانو مي‌گويد. منبع مقالات آموزشي که هر روز مي‌خوانيد سايت آموزش فناوري نانو است که براي شرکت در مسابقه و يا براي افزايش اطلاعات مفيد خود مي‌توانيد مطالعه کنيد. با ما از مفاهيم پايه تا تجاري سازي فناوري نانو را بياموزيد. ريچارد فاينمن، فيزيکداني است که نقش به سزايي در شکل گيري علوم نانو داشته است. در زماني که کسي اطلاعات چنداني در زمينه ي علوم نانو نداشت، او در يک سخنراني در انجمن فيزيک آمريکا با عنوان «در پايين دست، فضاي زيادي وجود دارد»، سوالاتي در زمينه کار با مواد و اجسام در ابعاد خيلي ريز طرح کرد که ذهن هر شنونده اي را به خود مشغول ساخت. او همچنين با ذکرتفاوت هاي علوم نانو و فيزيک بنيادي، پيشنهادهايي مطرح کرد که هرچند براي افراد درآن دهه تعجب برانگيز و غيرممکن تصور مي شد، اما امروز شاهد اجرائي شدن بسياري از اين پيشنهادها هستيم و با پيشرفت روزافزون بشر در زمينه علوم مختلف و تکنولوژي و همچنين دست يابي انسان به ابعاد بسيار ريز ماده، پيش بيني مي گردد که تمامي پيشنهادهاي او روزي به حوزه ي واقعيت هاي علم بشر وارد شوند. 1- تاريخچه‌ي نانو 1-1- پيشنهادهاي فاينمن درباره فناوري نانو ديدگاه‌هاي ريچارد فاينمن، فيزيکدان برندة جايزه نوبل سال 1965، نقش به‌سزايي در پي‌ريزي علوم نانو داشته است. او ديدگاه‌هاي خود را در يک سخنراني در انجمن فيزيک آمريکا با نام «در پايين‌دست، فضاي زيادي وجود دارد»، مطرح کرد (29 دسامبر 1959، برابر با 23 آذر 1338). در اين سخنراني پيش‌بيني‌هاي قابل توجهي مطرح شد که در زمان ما تحقق بسياري از آنها مشهود است. متني که مي‌خوانيد، ترجمه‌اي است از سخنراني فاينمن و توضيحاتي که در مورد ميزان تحقق آن پيش‌بيني‌ها داده شده‌اند. حوزه علوم نانو فاينمن: مي‌خواهم حوزه‌اي را شرح دهم که هنوز جاي کار زيادي دارد. اين حوزه شبيه حوزة فيزيک ذرات بنيادي نيست، زيرا چيز زيادي در مورد اينکه ذرات بنيادي عجيب چه هستند نمي‌گويد. بلکه بيشتر شبيه فيزيک حالت جامد است، چون در مورد پديده‌هاي عجيبي که در شرايط پيچيده اتفاق مي‌افتند، اطلاعات جالبي مي‌دهد. به علاوه، نکته‌اي که از همه مهمتر است، تعداد زيادِ کاربردهاي تکنيکي اين حوزه است. نکته: واقعيت اين است که علوم نانو نگرشي بنيادي درباره جهان در مقياس کوچک به ما نمي‌دهند. نگرش بنيادي، پديده‌هاي عالم را با معادلات رياضي واحدي توضيح مي‌دهد. علوم نانو به مقياس کوچک‌تر از اتم کاري ندارند. در عوض، در مورد ذرات بنيادي بسيار ريزتر ــ به کوچکي کوارک‌ها و لپتون‌ها که حداقل ده مرتبه کوچک‌تر از اتم هستند ــ فيزيک بنيادي دستاوردهاي خوبي دارد. از سوي ديگر، علوم نانو نگرش متفاوتي در مورد ظهور پديده‌هاي جديد مي‌دهند. در اين نگرش، از کنار هم گذاشتن تعدادي برهم‌کنشِ ساده بين اجزاي تشکيل‌دهندة سيستم، خاصيت جديدي در کل سيستم، متفاوت با خواص اجزاي آن، بروز مي‌کند؛ چيزي که در شبيه‌سازي‌هاي رايانه‌اي تا حدي مشاهده شده است. بنابراين، علوم نانو به ما نگرشي بنيادي در مورد پيشرفت‌هاي فناوري در آيندة نزديک مي‌دهند. ساختن در مقياس اتمي فاينمن: چيزي که مي‌خواهم بگويم، مشکل توليد و کنترل اشيا در مقياس کوچک است. به محض طرح اين موضوع، مردم به من در مورد کوچک‌سازي و ميزان پيشرفتِ آن تا امروز مي‌گويند. آنها از موتورهاي الکتريکي‌اي به کوچکي ناخن انگشت سخن مي‌رانند. آنها مي‌گويند وسيله‌اي وجود دارد که مي‌تواند متن کتاب مقدس را در سر سوزن بنگارد. اما دنياي کوچک شگفت‌آورتري در پايين‌دست وجود دارد. در سال 2000، وقتي به روزگار ما نگاه کنند، با تعجب مي‌پرسند چرا تا سال 1960 کسي به طور جدي به اين سمت حرکت نکرده بود؟ چرا ما نمي‌توانيم 24 جلد «دايره‌المعارف بريتانيکا» را در سر يک سوزن بنويسيم؟ بگذاريد ببينيم چه مسائلي دخيل هستند. پهناي سر سوزن يک ميلي‌متر است. اگر آن را 25 هزار بار بزرگتر کنيم، سطح سر سوزن برابر با مساحت همة صفحات «بريتانيکا» مي‌شود. بنابراين، تنها لازم است که اندازه‌هاي نوشته‌هاي دايره‌المعارف را 25 هزار بار کوچک کنيم. آيا چنين چيزي ممکن است؟ قدرت تشخيص چشم انسان دو دهمِ ميلي‌متر است که برابر با يکي از نقطه‌هاي کوچک دايره‌المعارف يادشده است. اگر آن را 25 هزار بار کوچک کنيد، هنوز هشتاد آنگسترم (هشت نانومتر) پهنا دارد، يعني به پهناي 32 اتم در يک فلز معمولي. به زبان ديگر، يکي از آن نقاط هنوز هزار اتم در خود جاي مي‌دهد. بنابراين، هر نقطه مي‌تواند در اندازه لازم براي چاپ تنظيم شود؛ ديگر شکي نيست که در سر سوزن فضاي کافي براي قرار دادن «دايره‌المعارف بريتانيکا» موجود است. نکته: اين کار در زمان حاضر امکان‌پذير است. اگر سر سوزن از جنس سيليکون و تخت باشد، با ليتوگرافي پرتوي الکتروني مي‌توان نقوشي در اين ابعاد و با اين دقت ايجاد کرد. فاينمن: حال که «دايره‌المعارف بريتانيکا» روي سر سوزن جا شد، بياييد همة کتاب‌هاي عالم را در نظر بگيريم. کتابخانة کنگره حدود نُه ميليون جلد کتاب دارد، کتابخانة موزة بريتانيا پنج ميليون جلد و کتابخانة ملي فرانسه پنج ميليون جلد ديگر. مسلماً در ميان اينها نسخه‌هاي تکراري هم وجود دارند. بنابراين، فرض کنيم 24 ميليون جلد کتابِ غير تکراري در دنيا وجود دارند. کتابدار ما در کَلتِک (مرکز تحقيقاتي که فاينمن در آنجا تدريس و تحقيق مي‌کرد) هر چه قدر تند و تيز باشد، بعد از ده سال فقط مي‌تواند اطلاعات مربوط به 120 هزار جلد کتاب را توي کارت‌ها بنويسد. متن کتاب‌هايي که از کف تا سقفِ همة ساختمان کتابخانه چيده شده‌اند، و کارت‌هايي که همة کشوهاي کتابخانه را انباشته‌اند، همه مي‌توانند تنها در يک کارت نگه‌داري شوند. آيا چنين چيزي ممکن است؟ نکته: اگر فرض کنيم هر کتاب يک ميليون حرف دارد، 24 ميليون جلد کتابي که فاينمن مي‌گويد، در فضايي معادل با 24 ترابايت ذخيره مي‌شود. در چند سال آينده، يک آرايه از لوح‌هاي RAID گنجايش همة اين اطلاعات را خواهد داشت. گرچه هنوز به اندازة يک کارت کتاب نيست، اما خيلي به آن نزديک است. ارتباط بين فيزيک، شيمي و زيست‌شناسي فاينمن:بنابراين بايد بتوانيم اتم‌هاي منفرد را ببينيم. اگر اتم‌ها را از هم جدا ببينيم، چه فايده‌اي دارد؟ ما دوستاني در رشته‌هاي ديگر داريم، مثلاً در زيست‌شناسي. ما فيزيکدان‌ها معمولاً به آنها نگاه مي‌کنيم و مي‌گوييم: «مي‌دانيد چرا همکاران شما اين‌قدر کُند پيشرفت مي‌کنند؟ (در واقع، من رشته‌اي را نمي‌شناسم که در زمان ما رشدي به سرعت زيست‌شناسي داشته باشد) شما بايد رياضيات را بيشتر به کار ببريد، همان کاري که ما مي‌کنيم.» آنها مؤدبانه پاسخ مي‌دهند: «کاري که شما بايد انجام دهيد تا ما سريع‌تر پيشرفت کنيم، اين است که ميکروسکوپ الکتروني را صد مرتبه بهتر کنيد». نکته: ميکروسکوپ‌هاي پيمايشيِ امروزي قدرت تشخيص پستي و بلندي‌هايي از مرتبة دهم آنگستروم (صدم نانومتر) را دارند. يعني فيزيکدان‌ها درخواستي را که زيست‌شناسان آن زمان از زبان فاينمن بيان کرده‌اند، انجام داده‌اند. فاينمن: اصلي‌ترين مسائل در زيست‌شناسي امروز چه هستند؟ سؤال‌هايي هستند مثل: ترتيب پايه‌هاي DNA چيست؟ وقتي يک جهش ژنتيکي رخ دهد، چه اتفاقي مي‌افتد؟ ترتيب پايه‌ها در DNA چه ارتباطي با اسيدهاي آمينه در پروتئين دارد؟ ساختار RNA چيست؟ يک‌زنجيره‌اي است يا دوزنجيره‌اي و چگونه در ترتيب پايه‌ها با DNA مرتبط مي‌شود؟ ساختار ميکروزوم چيست؟ پروتئين‌ها چطور سنتز مي‌شوند؟ RNA کجا مي‌رود؟ چگونه قرار مي‌گيرد؟ پروتئين‌ها کجا قرار مي‌گيرند؟ آمينواسيدها از کجا داخل مي‌شوند؟ در فتوسنتز، کلروفيل کجاست؟ چگونه چيده شده است؟ کاروتنويدها کجا در اين فرآيند دخيل مي‌شوند؟ سيستم تبديل نور به انرژي شيميايي چيست؟ پاسخ دادن به اين سؤالات بنيادي زيست‌شناسي بسيار ساده است. کافي است به ساختارها نگاه کنيد. مي‌توانيد ترتيب پايه‌ها را در زنجيره يا ترکيب ميکروزوم را ببينيد. متأسفانه ميکروسکوپ‌ها در حال حاضر، مقياسي را مي‌بينند که بسيار زمخت است. ميکروسکوپ را صد مرتبه بهتر کنيد. در اين صورت، بسياري از مسائل زيست‌شناسي ساده‌تر مي‌شوند. نکته: امروزه با استفاده از انبرک‌هاي ليزري مي‌توان يک مولکول DNA را زير ميکروسکوپ نيروي اتمي ثابت و تصويرش را ثبت کرد. فاينمن: اگر فيزيکدان‌ها بخواهند، مي‌توانند دشواري کار شيميدان‌ها در مسائل تجزية شيميايي را حل کنند. تجزية هر ترکيب پيچيدة شيميايي بسيار ساده است، فقط بايد به آن نگاه کرد و ديد اتم‌ها کجا هستند. يک سيستمِ زيستي مي‌تواند بسيار کوچک باشد. سلول‌ها خيلي ريز، اما بسيار فعال‌اند. آنها ترکيبات مختلفي مي‌سازند، حرکت مي‌کنند، و همه جور اعمال شگفت‌انگيز انجام مي‌دهند، همه در مقياسي بسيار ريز. همچنين آنها اطلاعات ذخيره مي‌کنند. امکانش را تصور کنيد که ما هم بتوانيم چيزي بسيار کوچک بسازيم که آنچه ما مي‌خواهيم انجام دهد يا به عبارت ديگر بتوانيم شيئي بسازيم که در آن ابعاد، مانور دهد! نکته: امروزه نانوزيست‌فناور‌ها تلاش مي‌کنند تا با مهندسيِ سلول‌هاي جديد، فعاليت‌هاي اين سلول‌ها را مطابق هدف مطلوبشان کنترل کنند. نانوماشين‌ها فاينمن: امکانات يک ماشين کوچک با قابليت تحرک چيست؟ آنها ممکن است به‌دردنخور باشند، اما مسلماً ساختن آنها مُفرّح است. من نمي‌دانم به طور عملي چطور در ابعاد ريز اين کار را انجام دهم، اما مي‌دانم که ماشين‌هاي محاسبة بسيار بزرگ هستند، آنها اتاق‌هاي متعدد را اشغال مي‌کنند. چرا نمي‌توانيم آنها را خيلي کوچک بسازيم، آنها را از سيم‌هاي ريز بسازيم، از اجزاي کوچک و منظور من از کوچک اين است که به عنوان مثال سيم‌ها 10 يا 100 اتم پهنا داشته باشند و مدارها در گستره چند آنگستروم قرار گيرند. نکته: اين شبيه همان مرحله‌اي است که فناوري سنتي سيليکون امروزه در آن قرار دارد. روش‌هاي زيادي براي ساخت اجزاي سنتي الکترونيک طراحي شده است. در عين حال، اصول جديدي براي کار ماشين‌هاي محاسبه با افزايش کنترل انسان در ابعاد نانو پيشنهاد شده است. ترانزيستورهاي مولکولي، ترانزيستورهاي تک‌الکتروني و اسپينترونيک حوزه‌هاي جديدي هستند که مورد مطالعة دانشمندان حوزة نانو قرار دارند. عنوان اسپينترونيک از تشابه اين حوزه با رقيب (يا همکار) سنتي خود يعني الکترونيک ريشه گرفته است. در شيمي خوانده‌ايم که الکترون‌ها و برخي ديگر از ذرات بنيادي به غير از بار الکتريکي و جرم، خاصيت ديگري به نام اسپين هم دارند که يکي از خواص ذاتي الکترون به حساب مي‌آيد و دو مقدار مثبت يا منفي يک‌دوم به آن نسبت داده مي‌شود. جريان الکتريکي، پتانسيل الکتريکي و ميدان الکتريکي (که از روابط ماکسول پيروي مي‌کنند) ابزار اصلي در تحليل يک مدار الکترونيکي هستند و بيشتر با «بار الکترون» سر و کار دارند. محققان اسپينترونيک تلاش مي‌کنند تا با استفاده از قواعد حاکم بر برهمکنش و تغييرات «اسپين الکترون» روش‌هاي جديدي براي ساخت سيستم‌هايي معادل با مدارهاي الکترونيکي به‌خصوص براي محاسبه و ذخيره اطلاعات بيابند. فاينمن: امکانات ماشين‌هاي کوچک اما متحرک چيست؟ دوست من، آلبرت هيبس، امکان جالبي براي يک ماشين کوچک پيشنهاد مي‌کند. او مي‌گويد که اگرچه ايدة بسيار خامي است، اما بسيار جالب است اگر بتواني جراح را ببلعي. جراح مکانيکي را درون رگ قرار مي‌دهي و او به داخل قلب مي‌رود و اطراف را مشاهده مي‌کند (مسلماً اطلاعات بايد به خارج ارسال شوند). او پيدا مي‌کند که کدام دريچه مشکل دارد و با يک چاقوي کوچک آن را جراحي مي‌کند. بعضي ماشين‌هاي کوچکِ ديگر مي‌توانند به طور دائم در بدن کار گذاشته شوند تا به اعضايي که نارسايي دارند، کمک کنند. نکته: ايده بديع نانوماشين‌ها و کاربرد آنها در بدن انسان، نخستين‌بار در سخنراني فاينمن مطرح شد. هر چند هنوز هم دانشمندان نسبت به عملي بودن اين ايده در آيندة نزديک مشکوک هستند، اما بسياري از تحليلگران آينده آن را امکان‌پذير مي‌پندارند. در يک نانوروبات، ابزارهايي براي حس کردن، پردازش اطلاعات، حرکت، ارسال اطلاعات به خارج و انجام عمليات خاص لازم است. دانشمندان موفق شده‌اند نمونه‌هايي از حسگرها، ردياب‌ها و موتورهاي بسيار کوچک شيميايي را در ابعاد نانومتر ايجاد کنند، اما هر کدام از اين عناصر نياز به سيستم‌هاي پيچيدة جانبي براي تکميل عملکرد خود دارند، مثلاً براي مشاهدة ردياب‌ها نياز به ميکروسکوپ و براي تحليل سيگنال حسگرها نياز به سيستم‌هاي پردازندة ماکروسکوپيک وجود دارد. درست مانند يک کامپيوتر خانگي که هرچند پردازنده آن بسيار کوچک (در حدود چند ميلي‌متر مربع) است، اما براي ايجاد کارايي نياز به قطعات بزرگ جانبي دارد. امکان گنجاندن همه اين ابزار در ابعادي کوچک‌تر از يک باکتري، به‌شدت مورد ترديدِ بسياري از دانشمندان نانو است. فاينمن: اما من هراسي ندارم که سؤال آخرم را طرح کنم. آيا ــ در آينده بسيار دور ــ مي‌توانيم اتم‌ها را آن‌جور که مي‌خواهيم بچينيم؟ خود اتم‌هاي بسيار ريز! چه اتفاقي مي‌افتد اگر بتوانيم اتم‌ها را يکي‌يکي طوري بچينيم که مي‌خواهيم؟ نکته: اين کار در حال حاضر، با استفاده از ميکروسکوپ نيروي اتمي روي سطوح تخت، ممکن است، در عين حال قدرت طراحي اجزاي جديد با استفاده از کنترل خودآرايي مولکولي روز به روز در حال پيشرفت است. هرچند ايجاد ساختارهاي دلخواه سه‌بُعدي در اين روش‌ها و روش‌هاي مشابه محدود به چيدن لايه‌به‌لايه آنها مي‌شود. به‌تازگي اَبَربلورهايي با لايه‌نشاني توسط ليزر ساخته شده‌اند که در واقع موادي مصنوعي به حساب مي‌آيند که قبلاً وجود نداشته‌اند. در يکي از جديدترين اين دستاوردها، يک گروه هلندي با چيدن يک در ميان لايه‌هاي اتمي از يک نارسانا و يک فلز ضعيف، موفق به مشاهدة خاصيت ابررسانايي شده است. (براي مطالعه بيشتر به اين نشاني مراجعه کنيد.  (http://www.ims.tnw.utwente.nl/news/lego.doc) ريچارد فاينمن توانسته است به نحوي شگفت‌انگيز بيشتر حوزه‌هاي فعاليت دانشمندان امروزي علوم نانو را در سخنراني خود معرفي کند. آن‌هم زماني که هنوز فعاليت چشمگيري در اين رشته شروع نشده بود. او اين کار را به دور از توهم‌سازي و کاملاً حساب‌شده انجام داد. امروز به‌خوبي مي‌دانيم اهدافي که او 45 سال پيش مطرح کرد، يا به دست آمده‌اند يا در آينده نزديک به وقوع خواهند پيوست. اينها همه نشان از پختگي و شهود قوي اين فيزيکدان برجسته و رهبر علمي دارد. ريچارد فاينمن (11 مي 1918 تا 15 فوريه 1988) يکي از تأثيرگذارترين فيزيکدانان آمريکايي در قرن بيستم بود که نظريه الکتروديناميک کوانتومي را پيش برد. او سخنراني برجسته و نوازنده‌اي غيرحرفه‌اي بود. فاينمن به خاطر کارهايش روي نظريه الکتروديناميک کوانتومي، جايزه نوبل فيزيک را در سال 1965 به همراه جوليان شوينگر و شين ايچيرو توموناگا از آنِ خود کرد. سخنراني او را هنگام دريافت جايزه نوبل مي توانيد بخوانيد. سه جلد کتاب فيزيک پايه با عنوان «سخنراني‌هاي فاينمن درمورد فيزيک عمومي» بر اساس يک دوره آموزش درس فيزيک پايه در دورة کارشناسي توسط وي تهيه شده‌اند که شايد بتوان گفت به اندازه جايزه نوبل‌اش، مايه شهرت فاينمن بوده‌اند. با کانال تلگرامي «آخرين خبر» همراه شويد