كيف تعمل الأسلاك النانوية Nanowires
كيف تعمل الأسلاك النانوية
لكي يتمكن المصنعون من وضع ترانزستورات اكثر على الرقاقة الإلكترونية chip، قام المهندسون بتصميم ترانزستورات اصغر حجما. أول رقاقة إلكترونية احتوت على ما يقارب 2200 ترانزستور. اليوم مئات الملايين من الترانزستورات يمكن وضعها على رقاقة إلكترونية واحدة. وحتى مع ذلك لازال المجال متاحا لتصنيع ترنزستورات اقل حجما، وعلى رقائق إلكترونية اصغر. اليوم هناك أجهزة كمبيوتر مزودة برقائق إلكترونية تحتوي على ترانزستورات نانوية (المقياس النانوي هو بين 1 إلى 100 nm والوحدة nm هي النانومتر والذي يساوي واحد في المليار من المتر). والترانزستور في المستقبل سوف يكون اصغر من ذلك أيضا.
أما سلك النانو nanowire هو تركيب نانوي يمتلك نسبة طول إلى عرض مدهشة. الأسلاك النانوية رقيقة بشكل لا يوصف – من الممكن صناعة سلك نانوي قطره في حدود 1 نانومتر – ويعكف العلماء والمهندسون على صناعة أسلاك نانوية يتراوح قطرها بين 30 إلى 60 نانومتر. هذه الأسلاك النانوية يمكن استخدامها لصناعة ترانزستورات اصغر بكثير مما هي عليه الأن بالرغم من صغر حجمها الحالي، الا ان هناك بعض المعيقات التي تواجههم في الطريق.
في هذا المقال من كيف تعمل الأشياء سوف نلقى الضوء على خواص الأسلاك النانوية. ونتعرف على كيف يقوم المهندسون ببناء الأسلاك النانوية وما هي اهم الإنجازات التي توصلوا لها لصناعة رقائق إلكترونية باستخدام ترانزستور الأسلاك النانوية. وفي نهاية المقال سوف نستعرض اهم التطبيقات المعتمدة على الأسلاك النانوية وبما فيها الاستخدامات والتطبيقات الطبية.
باحثون من شركة توشيبا يعرضون شريحة سليكون عليها اسلاك نانوية 90nm
تخيل ما مقدار سلك بسمك نانوي
تبلغ شعرة الإنسان سمك يتراوح بين 60 إلى 120 ميكرومتر (µm). لنفترض إننا وجدنا شعرة رقيقة جدا بسمك 60 ميكرومتر. والميكرومتر هو 1000 نانومتر، لذلك نحتاج إلى قطع الشعرة ما يقارب 60000 مرة على امتدادها لنحصل على سمك يساوي 1 نانومتر.
خواص الأسلاك النانوية nanowire
بالاعتماد على المادة المصنعة للسلك النانوي فان هذه الأسلاك تمتلك خواص المواد العازلة والمواد الشبه موصلة والمواد المعدنية الموصلة للتيار الكهربي. المواد العازلة لا تحمل شحنة كهربية، في حين ان المواد المعدنية تحمل شحنات كهربية بشكل جيد. أما المواد شبه الموصلة فهي تقع بين المواد الموصلة والمواد العازلة. بترتيب الأسلاك الشبه موصلة بشكل مناسب يمكن للمهندسين ان يحصلوا على ترانزستورات تعمل كمبدلات switches او مكبرات amplifiers.
تظهر خواص مثيرة وغير متوقعة للأسلاك النانوية بسبب صغر حجمها. عندما تبدأ العمل مع أجسام بحجم النانو أو اصغر فإنها تبدأ بالدخول في عالم ميكانيكا الكم. تصيب ميكانيكا الكم بالإرباك حتى للخبراء في هذا المجال.
على سبيل المثال، أي إلكترون لا يستطيع ان يمر عبر المادة العازلة. اذا كانت المادة العازلة رقيقة جدا بما فيه الكفاية فان الالكترون يمكنه المرور من جانب إلى اخر عبر العازل. وهذا ما يعرف بظاهرة النفق electron tunneling، ولكن هذه التسمية وهذا المصطلح لا يعطيك أي تصور عن مدى غرابة هذه العملية. الالكترون في الحقيقة يعبر من جانب إلى اخر عبر العازل دون ان يخترق العازل أو يشغل أي جزء في الفراغ داخل مادة العازل. قد يخطر على بالك ان هذا انتقال مكاني teleports من جانب لأخر. يمكن منع الإلكترونات من العبور بالنفق الكمي باستخدام طبقات اكثر سمكا حيث ان الإلكترونات لا تستطيع ان تنتقل لمسافات كبيرة
.
خاصية مدهشة أخرى هي ان بعض الأسلاك النانوية موصلات بالستية ballistic conductors. في الموصلات العادلة تتصادم الإلكترونات مع الذرات في داخل مادة الموصل. وهذا يعمل على إبطاء سرعة الإلكترونات أثناء مرورها في مادة الموصل ونتيجة لذلك ترتفع درجة حرارة الموصل. في الموصلات البالستية فان الإلكترونات تنتقل عبر الموصل بدون تصادمات. الاسلاك النانوية يمكنها نقل التيار الكهربي بكفاء بدون حدوث أي تسخين لمادتها
.
على المقياس النانوي، تظهر العناصر خواص مختلفة عن ما هو متوقع. على سبيل المثال، نقطة ذوبان الذهب ككتلة صلبة اكثر من 1000 درجة مئوية. بتقليل حجم كتلة الذهب لتصبح بأبعاد نانوية فان نقطة ذوبانه تصبح اقل لأنه عندما نقلل حجم الجسيم الى مقياس نانوي تزداد نسبة مساحة السطح الى الحجم بشكل كبير. كذلك على المقياس النانوي يتصرف الذهب كما لو كان مادة شبه موصلة ولكن الذهب من خواصه انه من المواد الموصلة.
عناصر أخرى تتصرف بغرابة في المقياس النانوي. فمثلا كتلة الألومنيوم ليست مغناطيسية ولكنها على المقياس النانو يكون لها خواص مغناطيسية. الخواص التي نعرفها في حياتنا اليومية للمواد والطرق التي نتوقع ان تسلكها المواد عند ظروف معينة قد لا تنطبق عندما تكون العناصر في المقياس النانوي.
لازلنا في مرحلة الدراسة والتعلم حول الخواص المختلفة لعناصر المتنوعة على المقياس النانوي. بعض العناصر مثل السليكون لا تتغير كثيرا على المستوى النانوي. وهذا ما يجعل السليكون من العناصر المثالية لاستخدامه في صناعة الترانزستورات واستخدامه في تطبيقات مختلفة أخرى. العناصر الأخرى لا تزال غامضة ومن الممكن ان تعرض خصائص لا نتوقعها حتى الان.
في الجزء التالي من المقال سوف نتعرف على الطرق التي يصنع بها المهندسون الأسلاك النانوية.
أنابيب الكربون النانوية Carbon Nanotubes ونقاط الكم Quantum Dots
الأسلاك النانوية هي احد التراكيب المثيرة للعلماء والمهندسين لدراستها على المستوى النانوي. من التراكيب المثيرة أيضا على المستوى النانوي أنابيب الكربون النانوية carbon nanotubes ونقاط الكم quantum dots. أنابيب الكربون النانوية هي عبارة عن بنية اسطوانية الشكل تتشكل من لف صفيحة من الجرافيت. تعتمد خواصها على طريقة لف الصفيحة لتحويلها لاسطوانة. بلف ذرات الكربون بطريقة محددة يمكن ان نحصل على مادة شبه موصلة. ولكن بلف ذرات الكربون بطريقة أخرى يمكن الحصول على مادة اقوى بمئة مرة من الحديد. نقاط الكم هي عبارة عن مجموعة من الذرات تعمل مع بعضها البعض مثل ذرة هائلة – وعندما نقول ذرة هائلة فهي في حدود مقياس النانو. نقاط الكم شبه موصلة.
صناعة الأسلاك النانوية من الأعلى للأسفل Top Down
علماء النانو المتخصصون يستخدمون طريقتين مختلفتين لصناعة الأشياء على المقياس النانوي: طريقة من الأعلى للأسفل top-down وطريقة من الأسفل للأعلى bottom-up. طريقة من الأعلى للأسفل تعني بالأساس انه يمكنك ان تأخذ كتلة من مادة محددة لاستخدامها في الأسلاك النانوية وتبدأ بالنحت حتى تصل إلى الحجم المطلوب. أما طريقة من الأسفل للأعلى فهي عملية تجميع حيث يتم توصيل الجسيمات الصغيرة لعمل بنية كبيرة
.
مع انه بالإمكان بناء أسلاك نانوية باستخدام كلا الطريقتين، إلا انه لم يتمكن احد من إيجاد طريقة لإنتاج أسلاك نانوية بكميات مناسبة للتطبيقات التجارية. حتى الآن، على العلماء والمهندسون ان يبذلوا الكثير من الجهد والوقت لعمل جزء بسيط من الأسلاك النانوية اللازمة لرقاقة المعالج مثلا. والتحدي الأكبر هو إيجاد طريقة لترتيب الأسلاك النانوية بشكل مناسب بعد تشكيلها. المقياس الصغير يجعل من صناعة ترانزستور بشكل اتوماتيكي أمرا صعبا – فحتى الآن يقوم المهندسون بالتعامل مع الأسلاك النانوية في مكانها باستخدام أدوات لمشاهدتها تحت أجهزة ميكروسكوب قوية.
مثال على طريقة البناء من اعلى إلى اسفل هي طريقة عمل أسلاك الألياف البصرية النانوية. أسلاك الألياف البصرية تحمل معلومات على شكل ضوء. ولعمل الياف بصرية نانوية يبدأ المهندسون بسلك ليف بصري عادي. هناك عدة طرق مختلفة لتحويل الليف البصري العادي إلى المقياس النانوي. قد يستخدم البعض تسخين ساق من الياقوت ويقوم بلفه الليف البصرية حول الساق الساخن ومن ثم سحب الليف البصرية، لتتمدد على حساب سماكتها فينتج ليفة بصرية نانوية. وطريقة أخرى تستخدم فرن صغير مصنوع من أسطوانة صغيرة من الياقوت. يقوم العلماء بسحب ليفة بصرية من خلال الفرن ومدها لتتحول لسلك نانوي رقيق. طريقة ثالثة تعرف باسم فرشاة اللهب flame brushing تستخدم اللهب تحت الليفة البصرية ومن ثم السحب.
في الجزء التالي من المقال سوف نستعرض طرق صناعة الأسلاك النانوية من الأسفل إلى الأعلى.
رؤية الأشياء على المقياس النانوي
يستخدم علماء النانو ميكروسكوبات خاصة ليست مثل الميكروسكوب الذي قد نعرفه من مختبر البيولوجي. فعندما ننتقل إلى الأسفل على المستوى الذري، فإننا نتعامل مع أحجام اصغر كثير من الطول الموجي للضوء المرئي. وبدلا من تقنية الميكروسكوب الضوئي المعروفة علماء النانو استخدموا الميكروسكوب النفقي الماسح scanning tunneling microscopes أوميكروسكوب القوى الذرية atomic force microscope لمراقبة أي شيء على المقياس النانوي. يستخدم الميكروسكوب النفقي الماسحتيار كهربي ضعيف كمجس لمسح سطح المادة. أما ميكروسكوب القوى الذرية فانهيمسح السطح بمجس دقيق جدا. كلا الميكروسكوبيين يرسل بياناته إلى جهازالكمبيوتر، والذي يقوم بدوره في تجميع المعلومات ويعرضها بشكل جرافيكي علىالشاشة.
أسلاك نانوية موجودة في الطبيعة
حتى وقت قريب اعتقد العلماء ان كل الأسلاك النانوية هي من صنع الإنسان، ولكن منذ عامين مضوا اكتشف علماء بيولوجيين ان البكتيريا تبني أسلاك نانوية لها. نوع من البكتريا يعرف باسم Geobacter sulfurreducens تتخلص من الإلكترونات على ذرات معدن (هذه الإلكترونات هي منتجات عن عملية استهلاك الوقود البكتيري) علما بانه هذا النوع من البكتيريا الجرثومية يمكن ان يولد طاقة كهربية اذا وضع على الكترود. اذا كان هناك نقص في وجود المعدن في البيئة التي توجد فيها هذا النوع من الجراثيم، فانها تقوم ببناء أسلاك نانوية لتوصلي الإلكترونات إلى اقرب معدن في الجوار، (سبحان الله)، مما يسمح لهذه البكتيريا استهلاك المزيد من الوقود. ويتوقع العلماء انها يمكن ان تستخدم في خلايا الوقود العضوية لانتاج الكهرباء النظيفة.
صناعة الأسلاك النانوية
من الطرق المستخدمة لتصنيع الأسلاك النانوية بطريقة البناء من الأسفل إلى الأعلى هي الترسيب بالبخار الكيميائي Chemical vapor deposition والتي تعرف بالاختصار (CVD). بصفة عامة تشير CVD إلى مجموعة من العمليات تتكون المواد الصلبة من الغازات. يقوم العلماء بترسيب محفز مثل جسيمات الذهب النانوية على قاعدة تعرف باسم أرضية الترسيب substrate. يعمل المحفز كموقع جذب لتشكيل الأسلاك النانوية. يقوم العلماء بوضع أرضية الترسيب في مفرغة تحتوي على غاز العنصر المناسب مثل السليكون، وتقوم ذرات الغاز بكامل العمل. في البداية، تلتصق ذرات الغاز بالذرات في المحفز، وذرات الغاز المثالي بعد ذلك تلتصق بتلك الذرات وهكذا، يتم بناء سلسلة او سلك. بمعنى ان الأسلاك النانوية تجمع نفسها بنفسها
.
طريقة جديدة لبناء الأسلاك النانوية هو طباعتها مباشرة على أرضية ترسيب مناسبة. ابتكر هذه الطريقة الجديدة فريق بحثي في Zurich. في البداية، قاموا بنحت شريحة سليكون بحيث اصبح عليها أجزاء بارزة تتوافق مع الطريقة التي يريدون ان تترتب عليها الأسلاك النانوية. استخدموا الشريحة مثل الختم، وقاموا بضغطها على مطاط يعرف باسم PDMS. ومن ثم سكبوا سائل مملوء بجسيمات الذهب النانوية، يعرف هذا السائل باسم سائل التعليق الغروي colloidal suspension على المطاط PDMS. استقرت جسيمات الذهب النانوية في القنوات التي حفرها ختم شريحة السليكون. الآن أصبحت PDMS قالب قادر بطريقة الطباعة تحويل أسلاك الذهب النانوية على اسطح أخرى. قوالب PDMS المطاطية يمكن ان تستخدم مرارا وتكرارا ويمكن ان تكون جزء في عملية انتتاج تجاري لأسلاك نانوية في المستقبل
.
مختبرات عديدة صنعت ترانزستورات باستخدام أسلاك نانوية ولكن طرقهم هذه تطلبت وقت وجهد كبير. تقوم ترانزستورات الأسلاك النانوية بشكل افضل ترانزستور التيار. اذا وجد العلماء طريقة لتصميم وإنتاج ترانزستورات أسلاك نانوية متصلة مع بعضها البعض فان هذا سوف يفتح المجال للحصول على معالجات كمبيوتر اصغر واسرع مما يساهم كثيرا في نمو صناعة الكمبيوتر حسب ما توقعه قانون مور.
البحث العلمي في مجال انتتاج أسلاك نانوية مستمر عبر العالم. ويعتقد الكثير من العلماء انه مسألة وقت قبل ان يصبح موضوع انتتاج تجاري للأسلاك النانوية وترانزستورات الأسلاك النانوية. وعندها تصبح المشكلة في ترتيب هذه الأسلاك بشكل يمكن الاستفادة منه في تطبيقات عديدة أخرى.
في الجزء التالي من المقال سوف نستعرض اهم تطبيقات تكنولوجيا الأسلاك النانوية
شريحة تحمل رقاقات كمبيوتر عليها دوائر نانومترية صنعت في شركة انتل
تطبيقات واستخدامات الأسلاك النانوية
لعله من الواضح ان للأسلاك النانوية تطبيقات واسعة في مجال الإلكترونيات. بعض الأسلاك النانوية موصلة جيدة للكهرباء أو شبه موصلة وحجمها الصغير جدا يعني انه بالإمكان ان يتم تصنيع ملايين من الترانزستورات على معالج واحد. ونتيجة لذلك يتوقع ان تزداد سرعة الكمبيوتر بشكل كبير عما هو عليه الأن.
تلعب الأسلاك النانوية دورا هاما في مجال كمبيوتر الكم quantum computers. فريق من الباحثين في Netherlands صنعوا أسلاك نانوية من مادة indium arsenide وقاموا بتوصليها بالكترودات من الألومنيوم. عند درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق اصبح الألومنيوم موصل فائق التوصيل superconductor، وهذا يعني انه يوصل التيار الكهربي بدون أي مقاومة. كما ان الأسلاك النانوية أصبحت فائقة التوصيل أيضا تحت تأثير القرب proximity effect. يمكن للباحثين من التحكم في الموصلية الفائقة من خلال تطبيق فرق جهد مختلف بين الأرضية والأسلاك النانوية
.
كما ان الأسلاك النانوية قد تلعب دورا هاما في الأجهزة النانوية مثل الروبوت النانوي. يمكن ان يستخدم الأطباء الروبوت النانوي في علاج الأمراض مثل السرطان. بعض تصاميم الروبوت النانوي تمتلك أنظمة طاقة وبالتالي يمكن للتراكيب النانوية مثل الأسلاك النانوية من توليد الطاقة وتوصيلها.
باستخدام المواد التي تمتلك خاصية الانضغاط الكهربي piezoelectric يمكن لعلماء النانو من صناعة أسلاك نانوية تولد التيار الكهربي من الطاقة الحركية. تأثير الكهربية الانضغاطية piezoelectric effect هي ظاهرة تمتلكها بعض المواد وتعرض من خلالها تيار كهربي اذا تعرضت لضغط فيزيائي عليها، واذا طبقت على تلك المواد شحنة كهربية فإنها سوف تهتز. أسلاك الكهرباء الانضغاطية النانوية قد تزود الأنظمة النانوية بالطاقة في المستقبل
.
هناك المئات من التطبيقات المهمة للأسلاك النانوية في مجال الإلكترونيات. يعمل باحثون في اليابان على مبدلات ذرية atomic switches ويتوقعون انه في يوم ما سوف تستبدل مبدلات أشباه الموصلات الموجودة في الأجهزة الإلكترونية الحالية. علماء في المختبر الدولي للطاقة المتجددة يتوقعون ان الأسلاك النانوية قد تحسن كفاءة الخلايا الشمسية.
لأننا لازلنا نتعلم عن خواص الأسلاك النانوية والتراكيب النانوية الأخرى فان هناك الألاف من التطبيقات واكثر لم يتم التفكير بها بعد.
الأسلاك النانوية في الطب
ليست كل تطبيقات الأسلاك النانوية في مجال الإلكترونيات. في جامعة Arkansas استخدم الباحثون الأسلاك النانوية لطلاء نسيج صناعي من التيتانيوم. اكتشف الأطباء ان الخلايا العضلية في بعض الأحيان لا تلتصق بشكل جيد بالتيتانيوم، ولكن عند طلائها بالأسلاك النانوية فان الأغشية تثبت نفسها على النسيج الصناعي وتقلل من خطر فشل الزراعة
.
يقوم علماء في معهد Gladstone لأمراض القلب بتجارب على الأسلاك النانوية والخلايا الجذعية. ويتوقع العلماء بانه بتمرير تيار كهربي عبر الأسلاك النانوية إلى خلية جذعية يمكنهم تمييز الخلايا.
وفي نهاية هذا المقال من سلسلة كيف تعمل الأشياء تحدثنا عن الأسلاك النانوية احد التراكيب النانوية ذات التطبيقات الكثيرة والمتنوعة، وأتمنى ان أكون قد وفقت في توضيح ما هي الأسلاك النانوية وكيف تعمل والتطبيقات المستقبلية لها، ولعلك الان عزيزي القارئ لا تستغرب من عدد الباحثين الذين يعملون في مجال النانوتكنولجي والتوجه العالمي نحو دراسة هذا العلم الجديد وفهم خصائصه ومحاولة الاستفادة من إمكانياته. وان شاء الله نجد من بين أبنائنا من يساهم في حل المشاكل والتحديات التي تحدثنا عن القليل منها بأذن الله نكمل في مقال اخر.
وإلى اللقاء مع موضوع اخر من سلسلة مواضيع كيف تعمل الأشياء
لمزيد من المعلومات
http://uw.physics.wisc.edu/~himpsel/wires.html
http://nanopedia.case.edu/NWPrint.ph...abd6.Nanowires
كيف تعمل النانوتكنولوجي 1
