دنیای نانو

[yousofnejad]

cooooooooool
chand sal pish matlabi dar morede nanobot ha khoondam az Ray Kurzweil ke be nazar az pisrvane nano dar pezeshkis ketabe Age of spiriual mahines az kurzweil dar in mored rahgoshast

ta oonjai ke yadame kurzweil tamame talashesh ro mikard ta vaghti nanobotha amalan piade beshan zende bashe va azoonpas hayate javdanasho tasbit kone
hamzaman kolli bahse falsafi va... ham dar gereft....
vaghean momkene ???

 

[almaas]

در اواخر 1950، فيزيكداني به نام ريچارد فاينمن، با پيشنهاد جايزه 1000 دلاري براي اولين فردي كه موفق به ساخت موتور الكتريكي "كوچكتر از1/64 اينچ" شود، توجه مردم را به اين موضوع جلب كرد.
در كمال حيرت، ويليام مكليلان، با كوشش فراوان و صرف ساعات بسيار خستهكننده، توانست اين كار را با انبرك دستي و يك ميكروسكوپ انجام دهد

 

[almaas]

موتور مكليلان در حال حاضر در مؤسسه فنآوري كاليفرنيا در معرض نمايش بوده و مدتها است كه از چرخيدن بازمانده است. هدف فاينمن از اين كار، به حركت درآوردن چرخهاي دانشگاه ها و آزمايشگاه ها و حتي خطوط توليد صنعتي بود. سيستمهاي ميكروالكترومكانيكي (MEMS) كه به طور جدي از اواسط دهه 1980 ايجاد گرديدند، به حدي از رشد و بلوغ رسيدهاند كه اكنون فقط در مورد توليد انبوه موتورهاي كوچك ـ صدها بار كوچكتر از موتورمكليلان ـ نسبتاً به مشكل برخوردهايم. در همين راستا انجمن MEMS برخي توليدات واقعاً شگفتآور را ارائه داده است. از پروژكتورهاي ديجيتالي شامل ميليونها ميكروآيينه الكتريكي گرفته تا ميكروحسگرهاي حساس به حركت كه در كيسه هواي ماشينها به كار ميروند.

) ميكروموتور الكترواستاتيكي MEMS ساخته شده از سيليكون
b) ميكروآينيههاي مكانيكي در قلب پردازنده ديجيتال (عكس از Texas Instruments)
دانشمندان و مهندساني كه در زمينه اتصالات ميكروحسگرها و ابزارهاي ديگر تحقيق ميكنند، با استفاده از آزمايشگاه ها و ايدههاي نو، گستره جديدي در اين زمينه ايجاد كردهاند. ابزارهاي اين دانشمندان به مرزهاي بسيار دور نيز اعمال ميگردد، از اعماق دريا و پوسته زمين گرفته تا مناطق دوردست فضا و سيارات دوردست. چنين ميكروحسگرهاي راهدور با خواصي مانند مقاومت در برابر تغييرات شرايط و نيز هزينه اندكشان، اطلاعات فراواني در مورد محيط پيرامون ما در اختيارمان ميگذارد.

MEMS منجر به پيوند ميان فرآيندهاي نيمههادي و مهندسي مكانيك ميگردد؛ در مقياس بسيار كوچك اين زمينه طي دهه اخير رشد چشمگيري داشته است. شركت هاي زيادي ـ از غولهاي نيمههادي تا شركت هاي نوپا ـ به سرعت به سوي فعاليتهاي مقياس ميكرو پيش ميروند. اما تا به حال در ابعاد زير ميكرومتر توسط MEMS كارهاي اندکي انجام گرفته است.
در حالي كه كارهاي اخير در ميكروالكترونيك داراي توليد انبوه با اندازه هايي در حدود 0.18 ميکرون مي باشند.
در واقع SEMATECH( يک مجمع فکري براي مشاوره شرکت هاي نيمه هادي در آمريکا) پيش بيني ميکند که تا سال 2010 ، کمترين اندازه در چنين ابزاري به 70 نانومتر خواهد رسيد.
براي دستيابي به اين اهداف و پيشرفتهايي كه براي جريان اصلي الكترونيك پيشبيني ميگردد، وقت آن است كه انقلابي در زمينه سيستمهاي نانوالكترومكانيكي (NEMS) از جمله، ماشينها، حسگرها، كامپيوترها و الكترونيك در مقياس نانو، رخ دهد.

چنين تلاشهايي زمينه كار گروه فاينمن در Caltech و گروههاي ديگر در نقاط مختلف جهان در حال انجام است. پتانسيلهاي اين زمينه فراوان ميباشد و ميتواند در زمينههاي متنوعي از پزشكي و بيوتكنولوژي تا مباني مكانيك كوانتوم مثمرثمر باشد.
در اين مقاله به جنبههاي مهيج NEMS و تلاشهايي كه بايد براي رسيدن به آن اعمال شود، پرداخته شده است.

 

[almaas]

يكي از اولين ابزارهاي الكترومكانيكي در سال 1785، توسط چارلز آگوستين دكولمب براي اندازهگيري بار الكتريكي ساخته شد. تعادل پيچشي الكتريكي او شامل دو توپ كروي فلزي است. يكي ثابت و ديگري متصل به يك ميله متحرك ـ كه مثل دو صفحه يك خازن عمل ميكنند. اختلاف بار بين آنها به يك نيروي جاذبه تبديل ميگردد. عناصر مهمي كه در اكثر سيستم هاي الكترومكانيكي استفاده ميگردند (عنصر مكانيكي و مبدل) در اين ابزار آشكار ميباشد.
عنصر مكانيكي در اثر نيروي اعمال شده به نحوي يا منحرف ميگردد و يا به ارتعاش درميآيد. براي اندازهگيري نيروهاي شبهاستاتيك نوعاً ميتوان از فنـر ضعيفي كه با نيروي كمي به ميزان زيادي منحرف ميگردد، استفاده كرد. براي اندازهگيري نيروهاي متغيير با زمان بهتر است كه از نوسانگرهاي مكانيكي با تلفات كم كه به خوبي به سيگنالهاي نوساني با دامنه كم جواب ميدهند استفاده گردد.
انواع متنوعي از عنصرهاي مكانيكي را براي حس كردن نيروهاي استاتيك يا متغير با زمان ميتوان به كاربرد. تعادل پيچشي (ساخت كلمب) و بازوهايي كه اكنون در ميكروسكوپي پروب پيمايشگر استفاده ميگردند، از اين نوعاند. براي دستيابي به حساسيت فوقالعاده زياد، ابزارهاي ظريفي استفاده ميگردند، از جمله: ساختارهاي نوساني مركب، شامل اجزاء پيچيده و نوسانات طولي و پيچشي. اين پيچيدگي را ميتوان براي كم كردن ارتعاش استفاده كرده و با تنظيمات خاص ميزان خطا را كم كرد.
مبدلهاي NEMS و MEMS انرژي مكانيكي را به سيگنالهاي الكتريكي يا نوري و بالعكس تبديل ميكنند. برخي مواقع مبدل ورودي به سادگي نوسانهاي ماندگار در عنصر مكانيكي ايجاد ميكند در حالي كه ويژگي هاي آن حاكي از وجود اغتشاش در سيستم است.
در اين صورت چنين اغتشاشاتي، علاوه بر سيگنال ورودي، دقيقاً همان سيگنالهايي هستند كه ما ميخواهيم اندازهبگيريم. اين امر ممكن است شامل موارد زير باشد: تغييرات فشار كه بر عمر مكانيكي ابزارها مؤثر است يا حضور مواد شيميايي جذب شده كه كه جرم نوسانگرهاي نانومتري را تغيير ميدهد يا تغييرات دما كه ميتواند الاستيسته يا كشش دروني را تغيير دهد. دو مورد آخر منجر به تغيير فركانس ارتعاش ميگردند.
به طور كلي، خروجي يك ابزار الكترومكانيكي، حركت يك عنصر مكانيكي ميباشد. دو نوع عكسالعمل عمده وجود دارد:
عنصر مكانيكي به سادگي تحت تاثير نيروي اعمالي ميتواند منحرف گردد و يا دامنه نوسانش تغيير كند

 

[almaas]

خطوط تميز در نيمههاديها
ابزارهاي نانومكانيكي نويد انقلابي جديد در اندازهگيري جابجاييهاي فوقالعاده كوچك و نيرويهاي فوقالعاده ضعيف، عليالخصوص در مقياس مولكولي را ميدهند. در واقع با فنون نانو ماشين کاري موجود ، جرم MEMS در حدود چند آتوگرم (10-18) و عرض مقطع آن در حدود 10 نانومتر مي باشند.

جرم و اندازه كوچك MEMS منجر به ايجاد پتانسيل بسيار زيادي براي كاربردهاي جديد و اندازهگيري هاي بنيادي ميگردد.
سيستمهاي مكانيكي در فركانس زاويهاي طبيعي خود،0 ، نوسان ميكنند.
اين فركانس ميتواند با رابطه0=(Keff/Meff)1/2 تقريب زده شود كه در آن Keff، ثابت مؤثر فنر و Meff جرم مؤثر ميباشد. (منظور از واژه مؤثر، مجموعه مركب معادلات الاستيسیته است كه بر پاسخ مكانيكي اين اشياء حاكم ميباشد).
اگر انداره ابزار مكانيكي را بهگونهاي كاهش دهيم كه شكل كلي آنها حفظ گردد، در اين صورت همانطور كه ديمانسيون خطي، I، كاهش مييابد، فركانس بنيادي، ، نيز كاهش مييابد. اين رفتار اساسي اين واقعيت را مي رساند که جرم موثر با  متناسب مي باشد ، در صورتيکه ثابت موثر فنر با I متناسب مي باشد.اين موضوع از اين لحاظ حائز اهميت است كه عكسالعمل با فركانس بالا منجر به زمان سريع عكسالعمل به نيروي اعمالي ميگردد. نتيجه ديگري كه به دست ميآيد آن است كه ميتوان بدون نياز به ساختاري زمخت، به پاسخي سريع دسترسي داشت.
امروزه امكان ساخت نوسانگرهاي با فركانس بنيادي در حدود10GHz با استفاده از فرآيندهاي نانوماشين کاري سطح که مربوط به نانوليتوگرافي در مقياس 10 نانومتر ميباشد، وجود دارد.
اين ابزارهاي مكانيكي فركانس بالا، ما را با امكانات و تواناييهاي جديد و مهيجي، آشنا ميكند. در اين ميان فرآيندهاي مكانيكي با توان فوقالعاده كم در حدود فركانسهاي ميكرويو و گونههاي جديدي از ميكروسكوپهاي پروب پيمايشگر نيز وجود دارند كه ميتوانند در تحقيقات بنيادي و يا حتي در مباني اشكال جديد كامپيوترهاي مكانيكي به كار روند.

 

[almaas]

دومين ويژگي مهم MEMS ، تلفات بسيار اندک انرژي در آنها مي باشد. اين خاصيت مبين كيفيت يا فاكتورQ در پاسخ ميباشد. در نتيجه، MEMS به مكانيزم نيروي بيروني بسيار حساس ميباشد و اين امر براي ساخت گونههاي مختلفي از حسگرها بسيار مهم ميباشد.
علاوه بر اين، نويز ترمومكانيكي كه معادل نويز جانسون در مقاومت هاي الكتريكي ميباشد، به طور معكوس با عامل Q متناسب است. بنابراين، مقادير بزرگ Q به عنوان يك ويژگي مهم، هم براي نوسانها و هم براي حسگرهاي انحراف به شمار ميآيد، كه نوسانات ناخواسته مكانيكي را حذف كرده و اين نوع ابزارها را به نيروهاي اعمالي به شدت حساس مينمايد.
نوسانگرهاي الكتريكي با فركانس بالا نوعاً داراي فاكتور Q كمتر از چند صد مي باشند، اما حتي نخستين ابزار فركانس بالاي مكانيكي( كه در سال 1994 توسط آندرو كليلند در Caltech ساخته شد)، داراي مقدار Q صد برابر بهتر بود. چنين عامل بالاي كيفيت براي پردازش سيگنال بسيار مهم ميباشد.
جرم مؤثر كوچك در بخش مرتعش ابزارها، يا ممان اينرسي اندك ابزارهاي پيچشي، از لحاظ ديگري نيز مهم ميباشند. اين امر باعث حساسيت فوق العاده زياد ابزارهاي NEMS نسبت به جرمهاي اضافي ميشود. با توجه به تحقيقات اخير، اميد ميرود كه ابزارهاي حساسي كه اخيراً ميسازيم نسبت به تعداد اندكي از اتمهايي كه روي سطح اين ابزار جذب ميشود، حساسيت نشان دهند.
NEMS ذاتاً ابزارهاي فوقالعاده كم مصرفي ميباشند، مقياس توان اصلي اين ابزارها به صورت انرژي گرمايي تقسيم بر زمان پاسخ تعريف ميشود و با نماد0 نشان داده ميشود. در دماي سيصد کلوين، NEMS تنها با نوسانات گرمايي در حدود آتووات (10-18 w) كار ميكنند. بنابراين اگر يك ابزار NEMS، با سيگنال در حدود پيكووات (10-12w) راه اندازي شود، نسبت سيگنال به نويز، بيشتر از 106 خواهد بود. در چنين شرايطي حتي اگر يك ميليون از چنين ابزارهايي بطور همزمان در يك پردازنده سيگنال NEMS به كار روند، كل توان اتلافي توسط همه سيستم تنها در حدود چند ميكرووات خواهد بود و اين مقدار 3 يا 4 مرتبه كمتر از توان مصرفي توسط پردازندههاي الكترونيكي رايج خواهد بود كه بر مبناي جابجايي سريع بستههاي بار الكترونيكي كار ميكنند نه بر مبناي عناصر مكانيكي.