نانوالکترونیک

کاربردها و چگونگی استفاده از نانو الکترونیک در آینده

نکات برگزیده مقاله

  • تاریخچه فناوری نانو
  • کاربرد نانوالکترونیک در صنایع مختلف

نگاهی کلی بر تاریخچه فناوری نانو و علم نانو الکترونیک

از آن جایی که نانو الکترونیک یکی از شاخه های نانو فناوری است قبل از بررسی علم نانو الکترونیک به بررسی تاریخچه فناوری نانو (یا همان نانو تکنولوژی) می پردازیم. حدودا چهارصد سال قبل از میلاد، فیلسوفی از کشور یونان ( دموکریتوس) توانست نخستین بار اتم را به عنوان ذره ای غیر قابل تقسیم برای ذره های سازنده مواد استفاده کند. به همین دلیل شاید بتوانیم او را پدر علوم مربوط به نانو معرفی کرد.

اصطلاح نانو به معنای ۱ میلیاردم بوده و می توان اتم های بسیاری را با هم ترکیب کرد و یا اثری که بر همدیگر می گذارند را مشاهده کرد. با گذر سال ها بشر پیشرفت ها و رشد های بسیاری در زمینه های مختلف از جمله صنعت، کشاورزی، ساختمان سازی و غیره داشته و همواره به فکر توسعه و افزایش بهره وری و بازده بیشتر از دستاوردهای خود بوده است.

در اوایل سال ۱۹۸۰ در زمینه تولیدات و طراحی های ساختمانی در بخش های ابزار و مصالح، سازندگان آن سعی داشته میزان کارایی، شکل گرفتن، مقاومت، توان تحمل بار مصالح به کار رفته را نسبت به نمونه های قدیمی و ابتدایی افزایش دهند. با توجه به اینکه نانو فناوری دانشی پر اهمیت است، در اکثر شاخه های پزشکی (دارو، دامپزشکی و غیره)، مهندسی (عمران، ساختمان، برق، شیمی، کشاورزی و …)، علوم پایه (زیست، فیزیک، شیمی و …) و بسیاری از موارد دیگر به کار گرفته می شود. از همین رو فناوری نانو باعث توسعه و پیشرفت های فراوانی در زمینه ساختمان سازی شد.

نانوفناوری

در واقع هدف و بحث اصلی و پایه ای این فناوری در مورد مهار کردن مواد و همچنین طراحی و تولید دستگاه ها و ابزارهایی در اندازه های کوچک حدوداً یک الی صد نانو متر (کمتر از ۱ میکرو متر) می باشد. در یک تعریف کلّی و علمی می توان گفت نانو تکنولوژی به معنای درک و استفاده از خاصیت های جدید مواد گوناگون و تولید سیستم در ابعاد کوچک می باشد که با توجه فیزیک جدید، مواد اثرات متفاوتی نسبت به حالت قبل داشته و این موضوع به خاطر غلبه کردن خاصیت کوانتوم به خاصیت کلاسیکی است. در بحث نانو فناوری کشور عزیزمان ایران توانست در سال ۲۰۱۲ به مقام ۲۹ دست یابد.

علاوه بر رشته و گرایش هایی که در مورد نانو فناوری ذکر شد، نانو الکترونیک نیز جز این علوم است که تاریخچه آن حدوداً به پنجاه سال پیش باز می گردد. پژوهشگران علاقمند به دانش نانو الکترونیک در سال های اولیه سعی داشتند ترانزیستورهایی را که با آن کار می کنند تا حد امکان کوچک کنند تا کار کردن با ترانزیستور آسان تر شود. اگر بخواهیم دقیق در مورد پژوهش های اولیه بگوییم باید گفت این تحقیقات مربوط به سال ۱۹۵۶ میلادی بود که شخصی به نام گردون مور تحلیل های خود را این گونه بیان کرد: ” در هر هجده ماهی که برای ریز پردازنده اینتل ترانزیستور استفاده شده ۲ برابر بوده و اگر ابعاد گیت های ترانزیستور را (به شرطی که ابعاد تراشه ثابت بماند) نصف کنیم می توان آن را نتیجه این قانون دانست”.

نتیجه های این قانون حاکی از آن بود که کوچک شدن گیت ها موجب شده تا ترانزیستورهای به کار رفته در پروژه با سرعت عمل بیشتری سوئیچ شوند و نتیجه آن کاهش انرژی مصرفی و افزایش تعداد ترانزیستور در تراشه ها بود. اما این فعالیت ها (کوچک کردن گیت ترانزیستور) را متوقف کردند و در ادامه این مسیر نانو فناوری علاوه بر رفع کردن مشکلات موجود، در کنار علم الکترونیک قرار گرفت و در اینجا دانشی جدید به نام نانو الکترونیک شکل گرفت. در واقع نانو الکترونیک برای این منظور است که ابزار و وسایل کوچکی را طراحی و تولید کنند تا هم سرعت عمل انجام پروژه ها بیشتر شود و هم با مصرف تر باشد و هزینه هایشان کاهش یابد. علم نانو الکترونیک در عصر جدید پر اهمیت بوده و باعث شده ذخیره سازی اطلاعات افزایش یابد همچنین ابعاد وسیله های الکتریکی نیز کوچک شود.

حرکت مولکول ها

نانو الکترونیک در صنعت های گوناگون چه کاربردی دارد؟

یکی از کاربردهای مهم علم نانو الکترونیک مربوط به ذخیره کردن اطلاعات است. با به کار گیری این فناوری می توان قدرت ذخیره سازی را به بیش از هزار برابر بالا برد. به طور مثال با ذخیره ۱ ترابایت در اینچ می توان تقریبا پنجاه دی وی دی( و یا بیشتر) را درون هارد دیسکها (با اندازه های کوچک) قرار داد که از نظر فضای اشغال شده و هزینه نیز به صرفه تر خواهد بود. به عنوان مثال های دیگر می توان به ساخت تراشه در اندازه های بسیار ریز (۳۲ الی ۹۰ نانومتر) و یا طراحی و ساخت دیسک نوری (به اندازه صد گیگابایت) اشاره کرد.

کاربرد نانو الکترونیک در لوله کربنی

از دیگر کاربردهای نانو الکترونیک در صنعت، تولید لوله های نانو از جنس کربن است. حدوداً ۱۹۹۱ بود که یکی از دانشمندان (سومیو ایجیما) به صورت تصادفی، متوجه شکل جدیدی از عنصر کربن شد که دارای خاصیت های ویژه و مخصوص به خود بود. و از آن زمان اسم نانو لوله های کربنی پیدار شد. علت نام گذاری آن، ساختار لوله مانندی توخالی بود که بدنه این لوله های از چندین اتم کربن به وجود آمده بود. چیدمان کربن ها در بدنه لوله ای شکل آن، کاملا شبیه چیدمان کربن ها در صفحه های گرافیتی است. در یک توضیح کوتاه می توان گفت که: “گرافیت شش ضلعی هایی هستند که از عنصر کربن ساخته و به صورت منظم کنار هم قرار گرفته اند. به این طریق یک صفحه گرافیتی ساخته شده که هر کدام از این صفحه ها توسط پیوندهایی ضعیف به نام پیوند واندروالسی به هم وصل می شوند”.

بعد از تولید صفحه های گرافیتی، اگر آنها به هم بپیچند نانو لوله کربنی به وجود می آید. این لوله های کربنی به دو دسته تقسیم می شوند: ۱. نانو لوله کربنی با یک دیواره (فقط یک لوله ی گرافیتی دارد) ۲. نانو لوله کربنی با چندین دیواره (چند لوله با مرکز یکسان دارد).

عوامل بسیاری دخیل هستند که باعث شده نانو لوله های کربنی در دانش نانو الکترونیک پر اهمیت شوند و در موارد گوناگون به کار روند. این عوامل عبارتند از:

  • تکمیل شدن ساختار آنها (دلیل اصلی)
  • ابعاد کوچک
  • کاهش میزان چگالی
  • قدرت استحکام زیاد
  • افزایش قدرت سختی
  • خاصیت الکتریکی بسیار خوب

همه عواملی که در بالا ذکر شد موجب شده تا این نانو لوله ها در مواردی مثل رساندن دارو، صفحه های نمایشی مسطح (با انتشار میدان)، تقویت کردن مواد، حسگرهای شیمیایی کاربرد فراوانی داشته باشد. در ادامه برخی دیگر از کاربرها را به صورت جزیی تر بیان می کنیم.

نانو کامپوزیت

تاثیر نانو الکترونیک در کامپوزیت:

یکی از اثرات نانو لوله کربنی در بحث نانو الکترونیک افزایش استحکام کامپوزیت ها می باشد. به دلیل مقاومت بالای نانو لوله های کربنی، از آنها بعنوان موادی برای پر کردن کامپوزیت های نانو استفاده می شود. نانو کامپوزیت ها نسبت به وزن های بالا مقاومت خوبی از خود نشان می دهد.

اثر نانو الکترونیک در صفحه های نمایش تشعشع میدان:

یکی از ایرادها برای انتشار میدان، پایدار نبودن میدان تولید شده در محدوده زمانی طولانی می باشد. با کمک گرفتن از دانش نانو الکترونیک یعنی استفاده از همان نانو لوله های کربنی می توان مشکلات مربوط به آن را برطرف کرد. بالای هفتصد مقاله در ارتباط با اثر علم نانو الکترونیک (با تولید نانو لوله ها) موجود است. مثلاً یکی از مزیت های آنها درمورد نمایشگر هاست. نمونه هایی از صفحه نمایش هایی که در آن از علم نانو الکترونیک (استفاده از نانو لوله ها) بهره مند شده نسبت به نوعی که دارای کریستال های مایع است، به محرکهای الکتریکی واکنشی سریع تر دارند. همچنین انرژی کمتری مصرف کرده و درخشش بهتری دارند.

کاربردهای نانو الکترونیک در حوزه پزشکی

اهمیت  دانش نانو الکترونیک باعث شده تا از آنها در بخش های مختلف پزشکی نیز استفاده شوند. نانو تیوپ ها، همان لوله های نانو از جنس کربن هستند که برای موارد درمانی قابل استفاده خواهند بود. از جمله موارد کاربردشان مربوط به بخش های درمان با داروها از طریق رهایش و همچنین بیو سنسور اشاره کرد. نانو لوله های تک دیواره به دلیل سمی نکردن سلول ها و مختل نشدن سیستم ایمنی بدن در طی پروسه درمان، باعث بروز مشکلات بیشتر برای بیماران نخواهد شد.

درمان سرطان

امروزه سرطان از جمله بیماری های شایع است که شاید بتوان علل بروز آن را ارثی، عادات غذایی و سبک زندگی جدید دانست. با توجه به پیشرفت بیماری و نوع و محل وقوع آن، پزشکان و متخصصان یکی از روش های امواج الکترومغناطیسی (پرتو درمانی یا رادیوتراپی)، عمل جراحی و شیمی درمانی را به کار می گیرند.

روش های درمانی ذکر شده برای بیمار درد آور بوده در برخی موارد موجب آسیب رسیدن به سلول های سالم نیز می شود. علاوه بر اینها می تواند با عوارض هایی مثل ریزش مو، ابرو و غیره اشاره کرد. اما مصرف داروهایی که در آن نانو تیوپ کربن دار به کار رفته، می توان به عنوان حامل هایی، فقط نوعی خاص از سلول ها را هدف قرار داده و با مصرف دوز پایین تری از دارو این سلول ها را نابود کند. استفاده از این روش برای درمان می تواند هم میزان آسیب رساندن به سلول های سالم را کم کرده و هم عوارض دارویی را به حداقل برساند.

نانو الکترونیک

درمان دیابت

دیابت یکی دیگر از بیماری هایی است که دانش نانو الکترونیک به کمک آن آمده است. روش های اندازه گیری قند معمولا تهاجمی بوده و باعث بروز حس درد در بیماران مبتلا به دیابت خواهد شد. یکی روش برای محاسبه قند خون، استفاده از یک سری سنسورهای کوچک است به صورت که آن را با سوزن، به بیمار زده و به شکل دوره ای میزان گلوکز را بررسی می کنند. روش دیگری نیز وجود دارد می توان با قرار دادن خون فرد دیابتی بر روی کیت ها، میزان بالا یا پایین بودن قند خون را تشخیص داد.

همان طور که در بالا گفتیم به کار گیری این روش ها تهاجمی است و این احتمال وجود دارد که نتایج حاصل، از دقت کافی برخوردار نباشند. از همین رو با استفاده از نانو لوله های کربنی (هم تک دیواره و هم با چندین دیواره) به دلیل ویژگی هایی چون رسانندگی الکتریکی زیاد، خاصیت های ساختاری خوب و همچین داشتن سطح بالایی از فعالیت های الکتروشیمیایی می توان بعنوان سنسور با حساسیت بالا و به صورت غیر تهاجمی مقدار قند خون افراد دیابتی را اندازه گرفت.

رهایش دارویی

این روزها رهایش دارویی در حیطه پزشکی موضوع پر اهمیتی بوده و در حال پیشرفت می باشد. بحث رهایش دارویی مربوط به ۱. دندریمر، ۲. پلیمر و ۳. لوپوزوم هاست. می توان مفهموم کلی “رهایش دارویی” را این گونه بیان کرد که: به کار گیری نانو لوله های کربنی در داروها موجب شده تا با ایجاد ساختارهای مؤثرتر، گنجایش حمل دارو و قدرت نفوذ پذیریشان به سلول ها را افزایش دهند. شکل نانو لوله ها می تواند به دو صورت باشد، این لوله ها یا از دو طرف باز هستند و یا از دو طرف لوله بسته اند. در صورت باز بودن آنها به خاطر وجود عامل های دارو درون این لوله ها، به راحتی در دسترس می باشند.

نانو لوله ها

ترمیم بافت های عصبی

یکی دیگر از موارد استفاده از نانو لوله های کربنی در حوزه پزشکی در ارتباط با دستگاه ها و بافت های عصبی بدن است به این معنا که استفاده از نانو لوله ها می تواند بافت هایی از اعصاب بدن که دچار تخریب شده را مجددا بازسازی (ترمیم) کند. پژوهشگران از مزیت های این نانو لوله ها استفاده کرده و با انجام تحقیق هایی بر شکل و خاصیت مواد، توانسته اند ایمپلنت هایی را با ویژگی چسبندگی بالا با حداقل معایب تولید کنند.

ترمیم نخاع

یکی دیگر از کاربرد های نانو لوله ها ایجاد داربست هایی جدید از نانو برای متصل شدن به سلول های اعصاب نخاعی است. از دستاوردهای پژوهشگران در این زمینه می توان به طراحی و تولید ساختار سه بعدی به کمک نانو لوله های کربنی اشاره کرد. این ساختار به صورت در هم تنیده بوده و باعث بهبودی و بیشتر شدن رشد سلول ها در دستگاه عصبی به دلیل وصل کردن شبکه های نخاع به صورت مجزا می شود. در حال حاضر این دستاورد نسبت به نمونه قبلی کارآمدی بیشتری دارد.

نانو الکترونیک

استفاده از نانو الکترونیک در حوزه پزشکی چه معایبی دارد؟

درست است که دانش نانو الکترونیک باعث طراحی و ساخت نانو لوله ها با ویژگی های بسیار خوب برای استفاده آنها در زمینه های مختلف شده اما دارای معایبی هم می باشد که در ادامه مقاله برای شما درمورد آنها خواهیم گفت. نانو لوله های کربنی در حوزه های پزشکی چه در بخش ساخت دارو و چه در بحث درمان بسیار پر اهمیت است. مثلا استفاده از داروهای حاوی نانو لوله ها، دستگاه ایمنی بدن را مختل نمی کند اما در مورد حلالیت آن مشکلاتی نیز وجود داشته که بخش عمده ای از آن را با ایجاد عامل هایی بر طرف کرده اند.

از بررسی نتایج تحقیقات مشاهده شده است که با ایجاد عامل های لیپیدی در نانو تیوپ ها می توان به مشکل حلالیت آنها کمک بسیاری کرد. علاوه بر آن استفاده از عامل لیپیدی باعث شده تا حرکاتشان درون بدن به راحتی و با سرعت بیشتری انجام گیرد. با این کار می توان از خطر انسداد شریان های اصلی بدن کم کرد. یکی از معایب دیگری که استفاده از نانو تیوپ ها با خود به همراه دارد مسئله دفع آنها پس از رهایش داروهاست. این مورد هنوز بر طرف نشده و تحقیقات در این زمینه همچنان ادامه دارد. اینها تنها کاربردهای نانو لوله های کربنی در حوزه پزشکی نبوده و پیشنهادات زیادی برای به کار گیری آنها در بخش های مختلف پزشکی وجود داشته اما تحقیقات بر سر سمی بودن آنها برای کاربردهای جدید همچنان ادامه دارد. قطعا در آینده نزدیک پژوهشگران و متخصصان موفق به رفع این مسائل خواهند شد.

نانو الکترونیک در صنایع الکترونیکی چه کاربردی دارند؟

دانش نانو الکترونیک در ساخت نانو لوله ها تنها مربوط به بخش پزشکی نبوده و می توان از آنها در صنایع الکترونیک نیز استفاده کرد. نانو تیوپ ها یا همان نانو لوله های کربنی دارای قدرت و سختی زیادی هستند و می توانند به دلیل رسانایی خوب، جریان الکتریکی (الکتریسته) و گرما را از خود عبور دهند. این ویژگی ها موجب شده تا این لوله ها در صنعت الکرونیک به کار گرفته شوند. در نمونه تک دیواره نانو لوله های کربنی به دلیل شکل ظاهریشان که به حالت سیم مولکولی بزرگ بوده، الکترون ها به صورت آزاد جا به جا می شوند.

این نانو لوله ها اگر چندین دیواره داشته باشند رفتارشان نسبت به نوع یک جداره از پیچیدگی بیشتری برخوردار خواهد بود چرا که لایه هایی که در گوشه ای قرار داشته بر همدیگر اثر متقابل دارند و این باعث پیچیده تر شدن رفتار این نمونه از لوله ها خواهد شد. تحقیقات بسیاری در این زمینه در حال انجام است . پژوهشگران امید دارند که اندازه سیم و یا قطعه های به کار رفته را با جایگزین کردن نانو لوله ها، به حدود نانومتر( و یا کمتر) کاهش دهند. وجود نانو لوله ها در مدارهای الکترونیک می تواند باعث بیشتر شدن سرعت (و کم شدن توان مصرفی) آنها نسبت به مدارهای فعلی شود. به عنوان مثال لامپ هایی که به کمک نانو لوله ساخته شده اند علاوه بر کم بودن هزینه های تولید، عمر و پایداری رنگی بیشتری نسبت به نوع معمولی لامپها دارد.

پیل سوختی

نانو الکترونیک و پیل های سوختی

نانو الکترونیک با تولید نانو لوله ها با ساختار استوانه ای، یک فضای خالی درون آنها ایجاد کرده و این ویژگی موجب شده تا بتوان مواد دیگری را داخل آنها قرار داد. مثلا اگر یک سری فلز را داخلشان بگذاریم خاصیت الکتریکی آن بیشتر می شود. شکل و ساختار این لوله ها باعث شده تا از آنها بتوان به عنوان محلی برای ذخیره سوختن آلکان ها و تولید پیل سوختی استفاده کرد. همچنین امکان نگهداری گاز هیدروژن درون نانو لوله تک جداره وجود دارد. میزان ظرفیتی که این لوله ها می توانند جذب کنند حدودا سه الی پنج درصد وزن نانو لوله ها می باشد.

برچسب ها
نمایش بیشتر

محسن چهرازی

من محسن چهرازی، دانش آموخته رشته مهندسی برق- الکترونیک هستم. در زمینه های کنترل تابلو فرمان آسانسور، برنامه نویسی میکروکنترلرها (زبان C) و MATLAB، کدنویسی VHDL برای FPGA ها و تا حدودی نانو الکترونیک تخصص دارم. این وبسایت رو درست کردم تا با هم یاد بگیریم تحلیلی به مسائل الکترونیک نگاه کنیم و کمی از بخاطر سپردن دریای فرمول ها فاصله بگیریم.

دیدگاه خود را بنویسید. (این مقاله بر اساس نظرات شما به روز رسانی خواهد شد.)

avatar
  مشترک شدن  
اطلاع رسانی کن
دکمه بازگشت به بالا
بستن
بستن