بزرگراه فناوري - اگر بيني چوبي يک‌متري پينوکيوي دروغگو را به يک ميليارد قطعه تقسيم کنيد، هر قطعه آن يک نانومتر درازا خواهد داشت. پس هر يک ميليارديم متر را يک نانومتر مي‌نامند. به دانش کاربردي بررسي ماده و استفاده از خواص مواد در اين مقياس نيز نانوتکنولوژي مي‌گويند. بنابراين وظيفه يک نانوتکنولوژيست، بررسي خواص مواد مختلف در مقياس نانومتر و ارايه راه‌حلي براي استفاده بهينه از اين خواص خواهد بود.

ايده استفاده از خواص مواد در مقياس نانومتر را اول بار ريچارد فاينمن فيزيکدان نوبليست آمريکايي دانشگاه کاليفرنيا در سال 1959 با مطرح کردن اين جمله که آن پايين‌ها کلي اتاق وجود دارد مطرح کرد. ايزاک آسيموف نويسنده رمان‌هاي علمي، تخيلي در سال 1962 داستان اختراع ماشيني را مطرح کرد که مي‌توانست اندازه‌ها را بسيار کوچک کند. در اين داستان يک سفينه با سه سرنشين تا مقياس 100 سلول کوچک شده و در خون يک بيمار وارد مي‌شوند تا راه‌حلي براي نجات وي پيدا کند. اريک درکسلر در سال 1986 با انتشار کتاب موتورهاي آفرينش، اولين گام‌هاي عملي را برداشت و نام نانوتکنولوژي را براي اين حوزه از علم انتخاب کرد. در همان زمان خطرات زيست‌محيطي محصولات نانوتکنولوژي بارها توسط اريک درکسلر گوشزد شد. بيل جوي يک از بنيانگذاران شرکت Sun Microsystems نيز به درکسلر در تهيه بيش از دو هزار مقاله کمک فراواني کرد.

اولين نانو چه بود؟

در واقع نانو چيزي نيست، بلکه اين مواد در مقياس نانومتر هستند که خواص شگفت‌انگيزي از خود نمايش مي‌دهند. به‌عنوان مثال همگان مي‌دانند که در طبيعت از کربن دو شکل کاملا مختلف گرافيت و الماس با تفاوت‌هاي مشهود و محسوس ظاهري و خواص فيزيکي وجود دارد، به‌گونه‌اي که گرافيت‌از نرم‌ترين مواد موجود طبيعت و رساناي الکتريکي و در نقطه مقابل آن الماس از سخت‌ترين مواد قابل دسترس براي بشر و نيز از بهترين‌عايق‌هاست. تفاوت اين دو گونه در تشکيل يک پيوند کووالانسي در شبکه اتم‌هاي الماس است. در سال 1985 ميلادي شکل جديدي از کربن به‌صورت آزمايشگاهي کشف شد که به‌نوعي آغازگر عملي نانو قلمداد مي‌شود. اين شکل جديد فولرن (Fullerene) نام نهادند.

توپ‌هاي فوتبال قديمي را به‌خاطر بياوريد که از تکه‌هاي سياه و سفيد تشکيل شده بود، فولرن دقيقا چنين ساختاري دارد، يعني با شست اتم کربن توپي درست مي‌کنند که از پيوند‌هاي شش‌تايي و پنج‌تايي کربن‌ها تشکيل شده ‌است. در اين کره هيچ پنج ضلعي مجاور هم نيستند، درست مانند توپ‌هاي چهل‌تکه قديمي!

اين فولرن خواص بسيار جالبي داشت. بار الکتريکي آن به‌شکل منحصربه‌فردي در مرکز کره قرار داشت که تعادل کره متشکل از 60 کربن را در مقابل فشارها و ضربات سنگين به‌شکل تحسين برانگيزي افزايش داده بود. بعدها بر تعداد کربن‌ها افزوده شد و فولرن‌هايي با 70 کربن ساخته شد که بعدها تا 560 کربن افزايش يافت. بعدها فولرن‌هايي ساخته شد که شبيه به خربزه بودند و ابتدا و انتهاي اين خربزه را آن‌قدر کشيدند تا شبيه به لوله شد و اين‌گونه بود که نانولوله‌ها (Nanotubes) ساخته شدند که از داخل آن‌ها بيست ‌اتم کربن مثل بچه آدم نمي‌توانستند با هم عبور کنند. با کاهش تعداد اتم‌هاي محيط اين لوله، قطر کاهش يافت و در نهايت با رساندن قطر اين لوله‌ها به 40 نانومتر، نانوسيم‌ها (Nanowires) ساخته شدند که رشته‌هاي DNA را مي‌توان نمونه طبيعي نانوسيم‌ها دانست. اين‌گونه بود که نانوتکنولوژي به‌شيوه‌اي آبرومندانه متولد شد.

نانو و دنياي ديجيتال!

به‌مرور زمان استفاده‌هاي فراواني براي اين تکنولوژي کشف شد که کماکان نيز ادامه دارد. صنعت نفت و پتروشيمي، پزشکي و به‌خصوص چشم‌پزشکي، زيست‌شناسي، ژنتيک، شيمي، فيزيک و الکترونيک با سرعت بالايي خود را با اين تکنولوژي شگفت‌انگيز وفق داده‌اند و اکنون نوبت به سخت‌افزار کامپيوترها رسيده است که سهم خود را از اين دانش نوين بگيرد. اما از نانوتکنولوژي چه انتظاري مي‌توان داشت؟

متوليان دنياي ديجيتال در سه‌ حوزه پردازش، ذخيره انرژي و ذخيره داده‌ها چشم طمع به قابليت‌هاي نانوتکنولوژي دوخته‌اند. در حال حاضر پردازنده‌هايي که در دستگاه‌هاي منازل و ادارات استفاده مي‌شود، از ترانزيستورهايي استفاده مي‌کنند که فاصله متوسط اجزاي آن با يکديگر کمتر از 100 نانومتر است. پردازنده‌هاي روز بازار مانند Pentium D سري 900 و پردازنده‌هاي Core 2 Duo از ترانزيستورهايي بهره مي‌برند که فاصله آن‌ها کمتر از 70 نانومتر است. در آن سوي بازار شرکت Samsung اقدام به توليد قطعات حافظه‌اي کرده است که فاصله اجزاي آن کمتر از 40 نانومتر است. تا دو سال ديگر نيز فاصله اجزاي پردازنده‌ها به ‌کمتر از 32 نانومتر خواهد رسيد. تا سال 2012 ميلادي نيز فاصله هشت نانومتري بين اجزاي پردازنده‌ها کاملا عادي خواهد بود.

اما کاهش فاصله بين اجزاي داخلي قطعات ديجيتال حد و حدودي دارد، چراکه اين همسايه‌ها آن‌قدر به‌هم نزديک مي‌شوند که بدون هيچ مانعي مي‌توانند وارد منزل يکديگر شده و تردد کنند. تصور کنيد که براي خريد هفته‌نامه بزرگراه فناوري به‌جاي خارج شدن از درب اصلي منزل و دور زدن کوچه، به‌صورت مستقيم وارد منزل همسايه شده و ميان‌بر بزنيد. با توسعه و ترويج اين فرهنگ که به‌دليل نزديکي بيش‌از اندازه همسايه‌ها (ترانزيستورها) ايجاد شده است، فرق چنداني بين کوچه و منزل نخواهد بود. اگر چنين اتفاقي در داخل پردازنده روي دهد، فاتحه پردازنده خوانده خواهد شد، يعني پردازنده خواهد سوخت!

راه‌حل موقت!

پژوهشگران شرکت Intel با همکاري محققان دانشگاه کاليفرنيا موفق به ساخت قطعه‌اي نيمه‌رسانا از جنس سيليکون شده‌اند که قادر به‌ توليد پرتوي ليزري و هدايت آن در داخل نيمه‌رساناست. توليد اين قطعه بسيار باارزش الکترونيکي بدين معني است که تبادلات اطلاعات داخل اين قطعه با کمک نور ليزر صورت خواهد گرفت.

نور ليزر به‌دليل قابليت‌هاي بسيار خاص خود کيفيت تبادل داده‌ها را چند صد برابر انتقال با الکترون‌هاي آزاد و ضريب خطاي آن را به‌کمتر از ميليونيم درصد کاهش خواهد داد. با تزريق مقداري اينديوم‌فسفايد روي سطح سيليکون و ايجاد تونل‌هاي خاص، پيچيده و بسيار دقيق اين چيپ جديد به‌صورت آزمايشگاهي توليد شده است. به‌طور حتم شرکت Intel نيازي به توليد انبوه اين چيپ ندارد چراکه هدف اصلي از توليد اين قطعه سيليکوني دستيابي به قابليت‌هاي تبادل اطلاعات با کمک نور بود که محقق شد.

در چيپ‌هاي آينده تونل‌هاي ايجاد شده به‌ کمک خميرهاي سيليکون با تونل‌ها يا لوله‌هاي واقعي جايگزين خواهند شد که از لحاظ اندازه بسيار کوچک‌تر و وزن آن نيز بسيار کمتر از نمونه توليد شده است. استفاده از نانولوله‌ها اندازه سطح چيپ و وزن آن را کاهش خواهد داد. نانولوله‌ها بيشتر از کربن يا به‌صورت ترکيبي توليد شده، خواص الکتريکي يکنواختي در طول خود داشته، رسانايي الکتريکي کم‌نظير و نسبت قوت به تعداد اتم‌هاي بسيار بالايي دارند که حيرت‌انگيز است. ديواره اين لوله‌ها مي‌تواند يک ‌لايه يا چند لايه و طول آن بي‌نهايت باشد. در سال 2002 يک نانولوله تک لايه با چند سانتي‌متر طول و يک نانومتر قطر توليد شد. در همين ‌سال اولين ترانزيستور FET با استفاده از نانولوله‌هاي کربني يک لايه ساخته و مورد استفاده قرار گرفت. دقت داريد که قطر اين لوله‌ها تنها يک ‌نانومتر است. شرکت Intel اندازه اجزاي زير هشت نانومتر را براي 2012 پيش‌بيني کرده است، اما نانولوله‌ها مقياس يک نانومتر را چند سال قبل در اختيار بشر قرار داده‌اند که IBM و NEC روي آن کار مي‌کنند.

راه‌حل اصلي!

تئوري کامپيوترهاي کوانتومي که قابليت پياده‌سازي آن به اثبات رسيده است، اول بار از اروپا نشات گرفت و توسط آمريکا جدي گرفته شد. پردازش کوانتومي به‌صورت کامل از پردازش موجود در کامپيوترهاي کلاسيک کنوني متفاوت و متمايز است. در تئوري کامپيوترهاي کلاسيک جابه‌جايي چند هزار الکترون بين دو ترانزيستور باعث انجام عمل پردازش و تبادل داده خواهد شد و در کامپيوترهاي کوانتومي جابه‌جايي يک الکترون در لايه انرژي يک اتم باعث انجام همان اتفاق خواهد بود. اگر سرعت جابه‌جايي الکترون در لايه اتمي را با سرعت جابه‌جايي بين دو قطعه مقايسه کنيد، ملاحظه خواهيد کرد که سرعت کامپيوترهاي کوانتومي حدود يک ‌ميليون مرتبه بيشتر خواهد بود. اما پياده‌سازي آن نياز به بستر خاصي دارد که آغاز آن با نانوتکنولوژي و به‌خصوص نانولوله‌ها خواهد بود، اما توسعه آن نيازمند تکنولوژي جديد است که پيکوتکنولوژي نام خواهد داشت. ابعاد اين تکنولوژي يک‌هزارم ابعاد نانو است.

آينده‌نگرها تکنولوژي بعدي را فمتوتکنولوژي مي‌دانند که مقياس يک ميليونيوم نانو را شامل خواهد شد. الکترون جابه‌جا شده در لايه اتمي تغيير وضعيت خود را با انتشار يک فوتون انرژي اعلام خواهد کرد که تکنولوژي‌هاي کنوني قادر به رديابي آن نيستند. در اين وضعيت تکنولوژي نه از خواص مولکولي و شکل ظاهري اتم‌ها بلکه از خواص قرارگيري الکترون‌ها و هسته‌هاي اتمي استفاده خواهد کرد. سيستم پردازش آينده فوتون‌محور (بسته‌هاي انرژي) خواهد بود و تنها چاره ما براي پاسخ‌گويي به نيازهاي پردازشي دهه آينده حرکت از نانوتکنولوژي به پيکوتکنولوژي است.

اين‌چنين سيستم پردازشي نيازمند تکنولوژي بسيار گران‌قيمت و ارزشمندي است که در اختيار امثال Asus، Gigabyte، MSI، Foxconn يا صاايران خودمان قرار نخواهد داشت. شايد اين تئوري که آن را راه‌حل آينده سيستم‌هاي پردازشي عنوان مي‌کنند پس از 2020 ميلادي عمومي شده و در اختيار مصرف‌کنندگان قرار بگيرد. اخبار در اين زمينه با خساست منتشر مي‌شود.

ذخيره‌سازي انرژي

باتري‌هاي امروزي هر چقدر هم که پيشرفته باشند از همان ساختار قديمي استفاده مي‌کنند. در واقع کيفيت باتري‌ها بر مبناي قابليت جابه‌جايي الکترون و استفاده از تک‌تک اين الکترون‌ها سنجيده مي‌شود. نانورشته‌ها از زيرمجموعه‌هاي نانولوله‌هاي يک ‌لايه بوده و قطر بسيار کمي دارند. توزيع بار در سراسر طول آن‌ها يکنواخت بوده و قابليت رسانايي کم‌نظيري نسبت به مواد رساناي شناخته شده مانند طلا، نقره و مس دارند. يکنواخت بودن بدين معني است که مي‌توان دسته‌اي از الکترون‌ها را در مرکز لوله به دام انداخت و نگه‌ داشت.

نگهداري بارها قدري با شيوه معمول تفاوت دارد. مزيت اين‌ کار در اين است که بارها تصادم زيادي با اتم‌ها نداشته و صرفا در ميدان يکنواخت مغناطيسي نگهداري مي‌شوند که افزايش سرعت انتقال، کاهش تلفات ناشي از مقاومت‌هاي دروني و امکان کنترل دقيق تک‌تک بارها را فراهم خواهد آورد. مهم‌ترين خاصيت نانولوله در چگالي بسيار پايين، کشش سطحي بالا و انعطاف قابل ملاحظه در برابر فشارهاي بيروني است. بدين ترتيب باتري‌هاي توليد شده با نانوتکنولوژي علاوه بر طول ‌عمر بالا، وزني سبک‌و توليد گرماي بسيار کمتري خواهند داشت و مانند باتري‌هاي توليد شده توسط Sony مايه آبروريزي نخواهند بود.

سيستم‌هاي ذخيره‌سازي

هاردديسک‌ها به‌عنوان سيستم‌هاي سنتي ذخيره‌سازي محدوديت‌هاي بسياري دارند. هرچند يافته‌هاي جديد Seagate و Hitachi عمر بيشتري را براي اين دسته به‌همراه آورده است، اما محدوديت‌هاي مغناطيسي مواد چاره‌اي جز توقف رشد حجم ذخيره‌سازي در 5 يا 10 ترابايت نخواهد داشت. از سوي ديگر توسعه سيستم‌هاي ذخيره‌سازي EEPROM که در قطعات حافظه Flash استفاده مي‌شوند نيز محدوديت‌هاي خاص خود را دارد. قيمت توليد بالا، انعطاف‌پذيري محدود و مشروط در برابر عوامل خارجي و عمر حداکثر ده‌ساله داده‌ها از علل بازدارنده توسعه اين قطعات است. هرچند Samsung عزم جدي خود را براي دستيابي به حجم ذخيره‌سازي هاردديسک در قطعات Flash را به‌خوبي نشان داده است و فکر مي‌کنم قبل از سال 2010 ميلادي بدان دست يابد.

نانوسلول‌ها به‌عنوان اتاقک‌هاي بسيار کوچک که از يک يا چند ديواره تشکيل شده‌اند يا قطر حداکثر يک نانومتري خود قادرند هر گونه اطلاعاتي را در درون خود نگهداري کنند. اين سلول‌ها به‌صورت واقعي چيزي را نگهداري نمي‌کنند بلکه وضعيت خود را حفظ مي‌کنند. مانند بسياري از مواد فرومغناطيس که پس از تثبيت وضعيت مغناطيسي آن را حفظ مي‌کنند، اين سلول‌هاي بسيار خرد که تشکيل يک مولکول منسجم را خواهد داد، پس از تغيير وضعيت مغناطيسي، آن را تا ابد حفظ خواهد کرد. طول ‌عمر تقريبا بي‌نهايت نگهداري داده‌ها، حداقل مصرف انرژي براي تغيير وضعيت نانوسلول (مولکول)، چگالي بسيار پايين اين مواد، امنيت داده‌ها از جمله مواردي است که بسياري از محققان را به ‌پياده‌سازي عملي آن سوق داده است. اين نانوسلول‌ها به‌ کمک نانورشته‌ها (Nanowires) به يکديگر متصل خواهند شد که علاوه بر ثبات شبکه مولکولي، به‌عنوان مسير تغيير وضعيت سلول‌ها نيز استفاده خواهد شد.

نگهداري داده‌ها در اين شبکه نانوسلول‌ها نيازي به تامين انرژي پشتيبان نداشته و تنها تغيير وضعيت آن به انرژي مختصري نياز خواهد داشت. اين‌گونه تصور مي‌شود که در آينده‌اي نه‌چندان دور از پالس‌هاي پرتوهاي ليزر براي تغيير خواص نوري سلول‌ها استفاده شود که کيفيت، سرعت و امنيت اين سيستم ذخيره‌سازي را يک‌مرتبه ارتقا خواهد داد.

کسب انرژي

نانوتکنولوژي حوزه‌هاي بسيار جذابي دارد که به‌دليل تجاري شدن سريع آن مغفول مانده است. نانورشته‌ها به‌دليل خواص کشساني عجيب خود قابليت جذب و نگهداري امواج موجود در محيط اطراف خود را دارند. تا به‌حال دقت داشته‌ايد که چگونه تور دروازه فوتبال مي‌تواند توپ شوت شده توسط روبرتو کارلوس برزيلي با 130 کيلومتر در ساعت را مهار کند و پاره نشود؟

يکي از خواص شبکه‌هاي توري اين است که انرژي دريافتي را در جهت رشته‌هاي خود توزيع مي‌کند و در کسري از ثانيه آن را مهار مي‌کند. به‌بيان ديگر شوت جناب کارلوس به ‌اندازه شوت يک نوآموز 10 ساله تور را تکان خواهد داد. محققان دانشگاه MIT از اين خاصيت شبکه‌هاي تورها براي توليد البسه ضدگلوله استفاده کرده و آن را توليد کرده‌اند. پارچه‌هاي به‌کار رفته در اين البسه همگي از نانورشته‌ها بافته شده است که هم سبک و هم بي‌نهايت مقاوم هستند.

محققان MIT روي شبکه‌هاي نانورشته‌اي جديدي کار مي‌کنند که مي‌تواند امواج سرگردان در محيط را جذب و به‌صورت شکلي از انرژي در داخل خود ذخيره کند. بعد مي‌توان اين انرژي را به‌صورت الکتريکي يا نوري از شبکه دريافت کرد. بسياري از امواج راديويي منتشر شده در محيط بدون هيچ اثر مثبتي در محيط جذب و به‌نوعي از دسترس ما خارج مي‌شوند. اين ايده آينده‌اي را نشان مي‌دهد که در آن امواجي که مورد استفاده قرار نگرفته‌اند توسط شبکه‌هاي نانورشته‌اي جذب و انرژي آن‌ها مورد استفاده قرار خواهد گرفت.

بدين ترتيب براي سي تا چهل سال آينده براي انتقال انرژي به مناطق صعب‌العبور يا در ميان صحرا نيازي به کابل‌کشي برق نخواهد بود. يکي از اين شبکه‌ها نياز يک فرد را تامين خواهد کرد. در واقع شبکه‌هاي نانو آينده مي‌توانند در بيرون از شبکه خود به‌صورت کامل از قابليت‌هاي امواج راديويي براي تبادل داده و انرژي استفاده کرده و در داخل از قابليت‌هاي پرتوهاي ليزري براي سرعت، دقت و کيفيت پردازش و ذخيره‌سازي داده‌ها استفاده کنند. برخي از قابليت‌هاي دنياي نانو که در اين نوشتار ذکر شد، پياده‌سازي شده و بسياري از آن‌ها در مرحله تحقيق است. اگر از اغلب قابليت‌هاي نانو استفاده شود و راه‌حل‌هايي نيز براي مشکلات زيست‌محيطي آن پيدا شود، بدون شک دنياي شگفت‌انگيزي در مقابل خواهيم داشت.