نانو تکنولوژی و الکترونیک بیومولکولی
چکیده
تجربه پیشرفتهای سریع در دو دهه اخیردر بیو تکنولوژی, الکترونیک و سیستمهای کامپیوتری فرصتهای جدیدی را در اختیار بشر قرار داده است تا با به اشتراک گذاشتن آنها پیشرفتهای تکنولوژیکی جدیدی را فراهم سازد. نانوتکنولوژی از تلاقی این حرکتها حاصل آمده است یکی از موضوعات اصلی در نانوتکنولوژی نانوالکترونیک است که به دو بخش الکترونیک مولکولی والکترونیک بیومولکولی تقسیم میشود. در الکترونیک بیومولکولی هدف بر این اصل استوار است که امکان ایجاد سیستمها و کامپیوترهای مختلف در اثر اختلاف مبانی فیزیک و ریاضی با دانستنیهای زیست شناسی بهوجود آید.
واژههای کلیدی:
نانوتکنولوژی, نانوالکترونیک, الکترونیک بیومولکولی, الکترونیک مولکولی
مقدمه
هرچیزی که درپیرامون ما قرار دارد از اتمها ساخته شده است یعنی میتوانیم اتمها را به نوعی کوچکترین واحد سازنده مواد بنامیم.ازعصر حجر گرفته تا اعصار بعد از آن(مس، برنزوآهن)که پشت سرهم در زمانهای مختلف پدید آمدهاند و در حال حاضر هم که عصر سیلیکونها در جریان است بشر را همواره متوجه این مسأله کرده است که چگونه و با چه اصولی میلیاردها اتم در کنارهمدیگر قرارمیگیرند و بطورهم زمان، یک شکل ومدل خاصی را ایجاد میکنند تا شی ماکروسکوپیک بهوجود آید.حتی در حال حاضر در دنیای پیشرفته میکروالکترونیک یک تراشه کامپیوتر با بالاترین تکنولوژی وکوچکترین حجم وقتی با یک اتم مقایسه میشود مثل یک کوهستان در مقابل یک خرده سنگ است. تکنولوژی حاصل از قرن بیستم شاید درحال حاضر خیالی باشد ولی حالت واقعی به خود میگیرد وقتی که تصور کنیم در قرن بیست ویکم بشر قادر خواهد بود اجسامی در بالاترین سطح از نظر کیفیت کنترلی تولید کند که حدحسایست آنها هم اتمی باشد. طبیعت برای میلیونها سال است که این نقش را با ظرافت کامل انجام میدهد ومصالح ساختمانی را با دقت اتمی در کنار هم قرار میدهد. هر موجود زندهای از سلولهایی ساخته شده است که مملو از نانو ماشینهایی[1] همچون پروتئینها، DNA، RNAوغیره میباشند. و هر کدام از این نانوماشینها مجموعهای از مولکولها و اتمها هستند که تغییر در جایگاه هر کدام از آنها میتواند باعث خسارت واختلال در عملکردشان شوند. نانوتکنولوژی، علم ساختن مجموعههایی همانند ماشینها، غذاها، خانهها وسفینههای فضایی میباشد که با تجمع وجای گیری مناسب اتمها ومولکولها به وجود میآیند. با اتحاد فرآوردهها و معلومات شیمی وتواناییهای مهندسی و ماشینهای خود سامان ده خودساز،امکان تولید کالاهای مورد نیاز در زندگی روزمره از مواد خام ارزان قیمت فراهم میشود.
شکل1. شماتیک از نحوه قراردادن اتمها در کنار همدیگر
نانوتکنولوژی، علم دستکاری مولکولی واتمی میباشد. به عبارتسادهتر، اجزای ساختاری یک مجموعه را از حد اتم یا مولکول برنامهریزی میکند.یک نانو متر 9-10 متر است (عرض 3 یا 4 اتم) واگر بخواهیم آن را خوب تجسم کنیم میتوانیم یک توپ فوتبال را در اندازه جهان تصور کنیم. در این صورت، اتمهای آن قابل رویت خواهند بود و هر کدام از اتمها در اندازه یک حبه انگور مشخص و نمایان خواهند شد.
نانوتکنولوژی را میتوان یک اتقلاب بزرگ در ساختن مجموعهها نامید که بشر را میتواند در نیمه اول قرن بیست و یک به خود مشغول سازد. نانوتکنولوژی با به کارگیری اطلاعات فیزیک،شیمی ومهندسی، اشیا را اتم به اتم ومولکول به مولکول خواهد ساخت وفراگیری فوتوفن آن باعث خواهد شد که شما با مهارت و بدون نقض هیچ کدام از قوانین جاری در فیزیک، مکانیک مولکولی و مکانیک کوانتوم اتمها را هر جا که نیاز دارید قرار بدهید.نانوتکنولوژی به خوبی خصوصیات فیزیکی شناخته شده اتمها و مولکولها را برای ساختن دستگاههای جدید با خصوصیات خارقالعاده بهکار میبرد.
همانطور که اشاره شد، زمینههای فعالیتی نانوتکنولوژی وسیع بوده و میتواند حوزههای مختلف عملی را زیر پوشش قرار دهد و اگر بخواهیم یک جمع بندی کلی از حوزه فعالیتهای نانوتکنولوژی داشته باشیم میتوانیم به موارد زیر اشاره کنیم:
1. نانوالکترونیک[2] و تکنولوژی اطلاعات.
2. مدیریت وسرپرستی مدلسازی[3] وشبیهسازی[4] ساختارها و فرایندهایی در اندازه نانو.
3. توسعه روشها ودستگاههای آزمایشگاهی برای اندازهگیری خصوصیات کمّی و کیفی در حد نانومتری.
4. ارتباط بازیستشناسی (ساختارهای زیستیوسیستمهایی با الگوهای زیستی) –نانوبیوتکنولوژی[5] –
5. سنتز، سامان دهی و توسعه مواد نانوساختاری[6] با طراحی.
6. معماری وطراحی دستگاه ها وسیستم ها.
نانوالکترونیک [16]
تقریباً از 40سال پیش یک رشد بسیار زیادی در کامپیوترهای الکترونیکی شروع شده است که باگذشت زمان قدرت آنها نسبت به حالت های اولیه آن بسیار زیادتر میشود و در همین حین نیز از حجم ترانزیستورها[7] کاسته میشود. با وجود این قوانین مکانیک کوانتوم، محدودیت تکنیکهای ساخت وساز ممکن است به زودی ازکاهش بیش از این، از لحاظ اندازه در ترانزیستورهای FET [8] معمولی جلوگیری شود. بیشتر تحقیقات در پروژههای الکترونیکی نسل آینده در مدت 10 تا15 سال حول وحوش این مسأله خواهد بود که کوچکترین اندازه ممکن ترانزیستور را تولیدکنند که حجم آن از250 نانومتربه 100 نانومتر کاهش پیداکند، دستگاههایی که تولید آنها پرهزینه وبسیار مشکل خواهد بود.
به این ترتیب، کوچکسازی[9] عناصر مدارها و جریانات تا به حد نانومتری حتی در اندازه مولکولی،محققان را به سمتی سوق میدهد که در جهت افزایش قدرت وکارآیی ترانزیستورها، خیلی خیلی بیشتر از حالت معمول فعالیت و تحقیق کنند. این دستگاههای الکترونیکی نانومتری جدید (نانوالکترونیک) میتوانند در دو حالت سویچ[10] وآمپلیفایر[11] ایفای نقش کنند (همانند ترانزیستورهای امروزی). با وجود این، برعکس FETهای امروزی که عمل آنها براساس جابهجایی اجرام الکترونها در حجم ماده میباشد دستگاههای جدید براساس پدیده مکانیک کوانتومی عمل میکنند و در اندازه نانومتری ظاهر میشوند.
با توجه به سیر حرکتی نانوالکترونیک که شیب خطی مثبتی را در جهت کوچک سازی دستگاههای الکترونیکی طی میکند زمینههای مختلف تحقیقاتی نیز برحسب نیاز در آن ایجاد شده و یا ایجاد خواهد شد. برهمین اصل، به دو حیطه فعالیتی نانوالکترونیک که مرتبط با زمینههای تحقیق در بیوفیزیک میباشد اشاره میکنیم:
الکترونیک مولکولی[12]
واژه الکترونیک مولکولی شاید برای اولین بار در سال 1980 بهطور جدی بهکار گرفته شد. درست است که سالهای قبل از آن نیز دانشمندان زیادی در فرآیندهای الکترونیکی در سطوح مولکولی این واژه را به کار برده بودند با وجود این تازمانی که نانوتکنولوژی ظهورنکرده بود وساختمان مولکولی و دستگاههایی با قدرت تفکیک اتمی شناختهنشده بودند نیازی به الکترونیک مولکولی احساس نمیشد. اما با ظهور اینها، الکترونیک مولکولی به عنوان یکی از شاخههای جدید علم شناخته شد. این واژه بعضی وقتها برای تعریف یک کلاس جدید از دستگاههایی با تفکیک مولکولی بهکار برده میشود (مانند STMیا یک روش مانند Langmuir-Blodgett).
پیشرفت الکترونیک مولکولی بسیارمحسوس است. اگر یک نمودار در نظر بگیرید که مؤلفه اندازه بر حسب زمان باشد یک حالت پیوستهای از کوچک سازی را مشاهده میکنیم برحسب اینکه محور اندازه لگاریتمی میباشد. ]17[
نمودار1. کاهش اندازه با زمان
اگر بخواهید همان مسیر حرکتی را به سمت کوچکسازی ادامه دهید در این صورت به ترکیباتی خواهید رسید که اندازهای در حدود1nm دارند با این شرط که اندازه هر اتم حدود 2/. یا 3/. نانومتر است پس چنین ترکیباتی دارای کمترین تعداد اتم میباشند واگر این توانایی در دسترسی به اتمها را بهدست آوریم بهطور حتم شیمیدانها میتوانند با توجه به نوع عملکردی که از یک سیستم انتظار دارندآن را طراحی کنند. در این مسیر ما به یک فاز جدیدی از الکترونیک و شیمی میرسیم که اصطلاحاً الکترونیک مولکولی نامیده میشود. ]17[
برای اینکه قادر باشیم مولکولها را در الکترونیک آینده بهکار ببریم بایستی هرچیزی از الکترونیک نیمههادی حالت – جامد موجود به اندازه مناسب کوچک شود.این شامل همه اجزا همچون اتصال سیمها نیز میباشد بنابراین ضرورت دارد سیمهای مولکولی نیز از همان نوع ساخته شوند.
یکی از جالبترین گروه مولکولها برای این منظور، زنجیرههای حلقوی بنزنآروماتیک مانند پلیفنیلینها،[13] پلیپورفیرینها[14] و پلیتیوفنها[15] میباشند [18 و 19]. در اینجا مناسب است یک جمعبندی کلی از رویکردهای دانش الکترونیک مولکولی ارایه دهیم[25]:
1. بهکارگیری روشهای شیمیایی سنتز جهت ساخت سیستمهای شبهزیستی.
2. الگوگیری از ساختار و فعالیتهای سیستمهای حیاتی.
3. بهکارگیری مولکولهای زیستی به عنوان عناصر یک سیستم الکترونیکی.
4. یافتن راهکارهایی که عدم تطابق زیستی و غیرزیستی راحل و فصل نماید.
5. بهرهگیری از مهندسی ژنتیک به جهت طراحی و ساخت پروتئینهایی که در حالت طبیعی وجود ندارند.
6. بررسی مکانیسمهای شناخت مولکولی در جهت تبیین خودسامانی عناصر یک سیستم در اندازههای مولکولی یا بزرگتر.
به وضوح میتوان دریافت که دانش الکترونیک مولکولی امروزه به طبیعت زنده و روندهای مولکولی حیات رویآورده است. چنین رویکردی کاملاً هوشمندانه است چرا که طبیعت زنده از پس گذران میلیونها سال تغییرو تحول در جهت انطباق با شرایط گوناگون محیطی، به تکامل یافتهترین سازو کارهای مولکولی دست یافته است. از اینرو، پیشرفتهای کنونی دانش الکترونیک، در زمینه الکترونیک بیومولکولی تجسم یافته است.
الکترونیک بیومولکولی
« آیا یک مولکول به تنهایی میتواند هوشمند عمل کند؟» شاید جزو اولین سؤالهایی بود که بشر را به سمت دنیای میکرو و نانوکشاند در پاسخ به این سؤال دانشمندان اول به ناتواناییهای کامپیوترها اشاره کردند که میتوان این نارساییها را با الهام از الگوهای زیستی به حداقل رساند. موجودات زیستی با عناصر کاربردی عمل میکنند که دارای دیمانسیونهای مولکولی، کوانتومی و پدیده نوسان دمایی هستند.
مواد بیولوژیکی جهت ساخت دستگاههای الکترونیکی تا قبل از آقای سِوِلدوُف چندان جدی گرفته نمیشد ولی سولدوف اولینبار با ساخت دستگاه عکسبرداری و میکروفیلم از موادبیولوژیکی که فیلم بیوکروم نامیده میشود انقلابی در صنعت الکترونیک ایجاد کرد. ماده کلیدی برای این کار باکتریوروداپسین[16] بود. بعد از سولدوف گروههای تحقیقاتی مختلفی در کشورهای پیشرفته جهان شروع به کار کردند و هدف اصلی آن پایهریزی تکنولوژی آینده براساس کوچکسازی دستگاههای الکترونیکی طبق مبانی تئوریهای کوانتوم و فیزیک میباشد ]20[.
در حقیقت هدف اصلی براین استوار است که امکان ایجاد سیستمها و کامپیوترهای مختلف در اثر اختلاط مبانی فیزیک و ریاضی با دانستنیهای زیستشناسی بهوجود آید. بهعنوان مثال، میتوان کامپیوترهایی با توان خیلی بالاتر از حالتهای کنونی ایجاد کرد که ساخت آنها براساس الگوی مغز بشر طراحی شده باشد. تکنولوژیی که طبق الگوگیری از مغز ساخته میشود دارای دانسیته اطلاعات بالا، مصرف انرژی پایین، انعطافپذیری بیشتر، حافظه تداعی معانی عالی وغیره میباشد. سیستمهای بیولوژیکی نیز با پیشرفت علوم کامپیوتر میتوانند کارآیی بالاتری از خود نشان دهند که البته این میتواند زمانی صورت بگیرد که مطابق داشتهها و پیشگوییهایی که بهتوسط این کامپیوترها انجام میگیرد کیفیت و کمیّت تولید توسط سیستمهای بیولوژیکی افزایش یابند.
دیدگاه خود را بنویسید