تبلیغات
وبسایت مهندسین مكانیك ایران - ماشینکاری مولکولی 1

وبسایت مهندسین مكانیك ایران
 
IRANIAN WEBSITE OF MECHANICAL ENGINEERS‏

 

"اینجا قلب یک اتاق تمیز است."  بیل ماهونی این مطلب را پس از بسته‌شدن یک درب شیشه‌ا‌ی دیگر در پشت سرمان می‌گوید: "اینجا مکانی است که معمولا" فرآیند شروع می‌شود."

 

ماهونی، که مهندس رسمی آزمایشگاه "نانوساختن" (NanoFab.) در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا(n State) است، پیش از این از سه اتاق کفش‌کنی مرا عبور داده‌است. در این مکان، که مرکز این پیاز محسوب می‌شود، همه‌چیز زردرنگ به‌نظر می‌رسد: کیف سفید تمیز من، کیف آبی او و برگه‌های مخصوص سفیدی که او برای یادداشت مطالب به من داده‌است. جزء ماوراءبنفش نور از نورافکن‌های سقفی حذف شده‌است. او توضیح می‌دهد که علت این کار "به‌کار گرفته‌شدن نور ماوراءبنفش برای چاپ‌کردن الگوها روی برچسب‌ها (wafer)" است.....

زیر پایمان یک صفحة مشبک قرار دارد. فن‌های قرارگرفته در سقف، هوا را مستقیما" به سمت پایین می‌رانند تا کوچکترین ذرة سرگردان گردوغبار، یا احتمالا" سلول پوستی را که از قسمت بالای گونة من –تنها قسمت بدن من که بدون پوشش مانده‌است- خارج شده‌است، را از جریان هوای اتاق بیرون برانند. اینجا یک آزمایشگاه "کلاس 10" است: 000ر10 بار تمیزتر از یک اتاق عمل! هوا در هر دقیقه سه بار تعویض می‌شود.

ماهونی برچسبی را می‌سازد؛ یک دیسک 6 اینچی از سیلیکون، که سطح آن در حد اتمی صیقل داده شده‌است. او آن را در زیر هود روی یک صفحة گردان می‌گذارد، سپس قطره‌ا‌ی از یک مادة محافظ نور –یک لاک قرمز مثل سس گوجه‌فرنگی- در مرکز آن می‌چکاند. کلیدی را می‌زند تا دیسک بچرخد: 4000 دور در دقیقه برای 40 ثانیه، تا لاک به صورت یک لایة نازک و یکنواخت پخش شود. او برچسب را روی صفحة داغی می‌گذارد تا خشک شود. پس از آن، با احتیاط آن را در یک دستگاه فتولیتوگرافی قرار می‌دهد. "روکش" را به کناری می‌زند؛ یک صفحة شفاف کوارتز به همراه یک صفحة شطرنجی در وسط، درست بالای برچسب قرار دارد. نور ماوراءبنفش روشن می‌شود.

"روکش زیر قسمتهای شفاف در معرض نور قرار می‌گیرد،" ماهونی توضیح می‌دهد: "و نور پیوندهای شیمیایی را که انسجام آن را حفظ می‌کنند، می‌شکند." وقتی برچسب بیرون آورده‌شده و در یک حمام ظهور قرار می‌گیرد، قسمتهای در معرض نور قرارگرفته، پاک شده و الگوی آزمایشی صفحة شطرنجی بر جای می‌ماند. ماهونی با جریانی از گاز نیتروژن، برچسب را خشک می‌کند و به من می‌دهد تا آن را وارسی کنم.

او می‌گوید: "آنچه از مادة محافظ نور باقی مانده، بعنوان محافظ در ادامة فرآیند بکار می‌رود، تا سطح زیر خود را در برابر واکنشهای شیمیایی که در سطوح بی‌حفاظ اطراف رخ می‌دهد، حفاظت کند. شما لایه‌ا‌ی (روی برچسب) می‌گذارید و آن را برمی‌دارید، می‌گذارید و برمی‌دارید و این کار را پشت سر هم با حرکت از لیتوگرافی به رسوب‌گذاری و از آنجا به منقوش‌سازی (etching)  انجام می‌دهید.و به این شکل، قطعاتی که دوست دارید کنده‌کاری می‌کنید."

تراشه‌های کامپیوتری، یک مثال است. ماهونی دقیقا" اساس کار اینتل و دیگر غولهای سخت‌افزاری را برای ساخت مدارات الکترونیکی فشرده نشان می‌دهد- که اساس میکروپردازنده‌های قدرتمندی را که درون Laptopها و راهنمای دستی ما سروصدا و جیرجیر می‌کنند، تشکیل می‌دهد. آنها آن را میکروساختن (MicroFabrication) می‌نامند. ولی اینجا در NanoFab کم‌کم ، میکروساختن استاندارد دارد جالب توجه می‌شود:

·    در اتاق کنار واحد فتولیتوگرافی، یک دستگاه الگوسازی وجود دارد که می‌تواند خطوطی به ظرافت 10 نانومتر –حدودا" 50 اتم- را ترسیم کند. ماهونی توضیح می‌دهد که این کار با شعاع متمرکزی از الکترونها (e-beam) صورت می‌گیرد. چون این شعاع به لرزش بسیار حساس است، دستگاه دارای پایه‌های بتونی است؛ و تازه نیم‌مایل مانده به محل ساخت بزرگراه که کامیونهای بزرگ سروصدا می‌کنند، نمی‌تواند کار کند و باید خاموش شود.

·    در گوشة اتاق، یک جفت میکروسکوپ الکترونی قرار دارد: "ما از آنها برای نگاه‌کردن به اشکال در طی فرآیند استفاده می‌کنیم."

·    در اتاقهای مجاور، دستگاههایی به همان پیچیدگی برای لایه‌گذاری و لایه‌برداری مواد قرار دارد. کوره‌هایی وجود دارد که فلزات و نیمه‌هادی‌ها را بخار می‌کنند، تا به صورت لایه‌های تک‌مولکولی روی برچسب‌ها رسوب داده‌شوند.

·         یک ابزار کاشت یونی (Ion-implantation) ذرات باردار را به زیر سطح برچسب پرتاب می‌کند.

·     یک ابزار منقوش‌سازی با پلاسمایی از ذرات واکنش‌دهنده که به شکل شیمیایی در مقیاس اتمی به سطح حمله می‌کنند، کار می‌کند.

روی هم‌رفته، در اینجا تجهیزات زیبایی به ارزش 23میلیون‌دلار جا داده شده‌است، که اکثر آنها از سوی صنعت اهداء شده‌است. پرسنل متخصص اینجا نیز13 نفر مهندس هستند.

استیو فوناش، استاد ارشد علوم مهندسی Kunkle و مدیر مرکز می‌گوید: "20 سال پیش، ترانزیستورها به اندازة 100 میکرومتر بودند، اکنون ترانزیستورهای پنتیوم 4 در حد 100 نانومتر هستند." یعنی حدود یک‌هزارم آنچه بودند. به عبارت دیگر: این 100 نانومتر حدود یک‌ده‌هزارم طول حرف زیستی "I" –یعنی یک ویروس- می‌باشد.

برای کار با چنین اجزای ریزی، شما نیازمند برخی تجهیزات کاملا" تخصصی هستید. تجهیزات ویژه‌ا‌ی می‌خواهید تا آنها را ببینید. حدود 20 سال پیش، محققین IBM یکی از این ابزارها را اختراع کردند: میکروسکوپ تونل‌زنی اسکن‌کننده (STM). یک STM شبیه یک سوزن گرامافون با پهنایی موئین(در واقع پهنای چند اتم)  است که در در بالای سطح یک صفحة ضبط‌شده حرکت می‌کند. جریان یکنواختی از الکترونها فاصلة کوچک بین سطح و نوک را "لمس" می‌کند؛ این سیگنال بسیار کوچک به کمک یک کامپیوتر تبدیل به تصویر کاملا" بزرگی از برآمدگی‌ها و فرورفتگی‌های سطح می‌شود.

با تعبیر نمودن هر شکل اتمی، STM دری را به سوی جهانی جدید می‌گشاید. پس از این که محققین توانستند ذرات نانومتری را "ببینند" ، گام بعدی آنها توانایی حرکت دادنشان بود. مقالات نخستین را شاید به‌خاطر بیاورید: میکروپاراگرافی از حروف "IBM" به صورت اتمهای منفرد که به زحمت تلفظ می‌شد. این مربوط به 10 سال پیش است. اکنون در NanoFab –و تأسیسات مشابه این در سطح دنیا- محققین برای تبدیل‌کردن آن به پول کار می‌کنند: مبانی، اجزاء، ابزارها و مواد "هوشمندی" را شکل می‌دهند، که قرار است در مقیاس نانومتر واقعا" کار کنند.

صحبت، خیالبافی و حتی ترس در مورد پتانسیل وسیع نانوتکنولوژی فراوان است. احتمالات تئوریک حاصل از توانایی کنترل ماده در یک چنین سطح بنیادی، تنها محدود به فناوری اطلاعات و میکروالکترونیک نمی‌شود؛ بلکه شامل بیوتکنولوژی، پزشکی و بسیاری از رشته‌های دیگر هم می‌شود. لذا یک فناوری واقعا" انقلابی است. ولی اکثر این احتمالات در مراحل اولیه مانده‌است و موانع زیادی هنوز بر سر راه آنها قرار دارد. به قول فوناش: "قسمت عملی کار اصلا" ساده نیست." فوناش دوست دارد آن را "ماشین‌کاری در سطح اتمی" بنامد. این استعاره مخصوصا" برای نوع ساخت "بالا به پایین" مناسب به‌نظر می‌رسد، که با فشار مستقیم بر میکروالکترونیک برای کوچکترساختن عملی است. ولی راه دیگری هم برای ساختن در مقیاس نانو وجود دارد: "پایین به بالا". ریشة این مدل در شیمی است و سرمایة علمی نیم‌قرن گذشته در

مورد ساختارهای مولکولی و تعامل آنها با یکدیگر، پشتیبانی‌کنندة آن است.

 

یکی از قویترین مفاهیم در نانوساختن پایین به بالا، خودچیدمانی (self-assembly) است؛ پدیده‌ا‌ی که طی آن اتمها و مولکولها بطور خودکار، خود را درون الگوهای منظمی مستقر می‌نمایند. فوناش توضیح می‌دهد: "شما دیگر برای همیشه در این مقیاس نیازی به چیدن تک‌تک قطعات نخواهیدداشت. کاری که شما انجام می‌دهید، فراهم‌کردن شرایط مناسب است تا مولکولها بطور خودکار در الگوی دقیقی که شما می‌خواهید، روی هم سوار شوند."

فوناش و دانشجویان سابقش، جو کوئیفی و دن هیس که از مدتی پیش درگیر ساخت نوع جدیدی از یک فیلم نازک بودند، به این فرآیند امیدوار شده‌اند. آنها برای رشد فیلم از چیزی استفاده می‌کنند، کـه آن را "ابـزار ترسیب بکمک پلاسمای  با دانسیتـة بالا" می‌نامنـد. این وسیلـه را Lucent Technologies به NanoFab  اهداء کرده‌است. چنانکه فوناش می‌گوید: "شما جسم موردنظر را ،که می‌تواند شیشه، پلاستیک، فلز یا زرورق باشد، در یک محفظة حاوی بخار سیلیکون قرار می‌دهید." با اعمال ولتاژ بخار بصورت پلاسما –سوپ غلیظی از ذرات بسیار فعال- درمی‌آید، که تحت شرایط مناسب می‌توانند خود را با نظم ویژه‌ا‌ی روی جسم رسوب دهند– در این مورد بصورت خوشه‌های ستونهای میله‌ا‌ی‌شکل، درست مثل سیخکهای عمودی برس مو. هریک از این ستونها به گفتة کوئیفی، 10 نانومتر قطر دارند.

فوناش می‌گوید که سطح متخلخل حاصل از مجموع سرهای سیخکها به صورت یک نوار چسب مولکولی، یا یک کیکmuffin انگلیسی دارای برآمدگی‌ها و فرورفتگی‌های فراوان عمل می‌کند. این برآمدگی‌ها یا حفره‌ها، آنقدر کوچک هستند که بتوانند مولکولهای منفرد را گرفته و نگهدارند. هیس داستان را ادامه می‌دهد: با تنظیم‌نمودن شرایط، "شما می‌توانید حفره‌ها را تنظیم کنید تا نسبت به مولکولهای متفاوت میل بیشتر یا کمتری داشته‌باشد." کارآیی این روش ممکن است روزی برای جداسازی مواد شیمیایی به اثبات برسد؛ مثلا" تشخیص پروتئین‌های خون موجب تشخیص مراحل اولیة سرطان یا بیماری قلبی می‌شود، و به همین شکل نیز غلظتهای ناچیز آلاینده‌های جوی.

خانم شیمیدانی به نام آنات هاتزور از برجستگی خودچیدمانی برای آنچه "خط‌کش مولکولی" می‌نامد، بهره می‌گیرد؛ ابزاری جدید برای ساختن ساختارهای سطحی کوچکتر از آنچه تا قبل ممکن بود. هاتزور اتاقش زیر اتاق فوناش است. وی در سال 1999 از اسرائیل بهn State آمد تا با استادیار شیمی، پل ویس، بعنوان دانشجوی فوق دکترا همکاری کند. او اخیرا" با عنوان کارشناس مسائل شیمیایی در کل شبکة ملّی کاربران نانوساختن –کنسرسیومی از سوی NSF که NanoFab یک عضو آن محسوب می‌شود- منصوب شده‌است. به قول فوناش: "او حلقة ارتباطی شیمی پایه با نانوساختن است."

هاتزور می‌گوید: "هدف خط‌کش مولکولی، یافتن راهی برای ساخت ساختمانهای بسیار کوچک و نزدیک به هم، فراتر از دقت لیتوگرافی e-beam است." اگرچه e-beam قادر به ترسیم خطوطی به ظرافت 10 تا 20 نانومتر است، ولی فاصلة این خطوط موازی کمتر از 40 الی 100 نانومتر نمی‌تواند باشد.

هاتزور این محدودیت را بعنوان نقطة شروع کار خویش برگزید و به کمک e-beam ، دو میلة ظریف طلا را به فاصلة 100 نانومتر روی یک پایة سیلیکونی قرار داد. او لایه‌هایی از مولکولهای آلی را یکی پس از دیگری روی میله‌ها ایجاد کرد، و به این ترتیب فاصلة بین این میله‌ها را کاهش داد. اینجا جایی بود که خودچیدمان وارد شد. او توضیح می‌دهد: "این مولکولها، یک گروه تیول در انتهای خود دارند و ما می‌دانیم که تیول مایل است با طلا پیوند برقرار کند. بنابراین کافی است تا میله‌ها را درون محلولی از این مولکولها قرار دهیم، تا مولکولها بروند و خود را به سطح طلا بچسبانند."

او طول دقیق مولکولهایش را می‌داند (در این مورد، 2 نانومتر) و می‌داند که هر لایه‌ا‌ی که شکل می‌گیرد، فاصلة ساختارهای طلایی را 2 نانومتر، یا مجموعا" 4 نانومتر کاهش می‌دهد.

هاتزور آنقدر این لایه‌ها را اضافه کرد تا فاصله به 10 نانومتر رسید. در این مرحله لایه‌ا‌ی از طلا را روی کل ساختار نشاند، تا در فضای باقیمانده یک کلاهک و یک درزگیرطلایی ایجاد شود. "ما سپس کل قطعه را در یک حلال قرار دادیم." تا کل مولکولهای آلی و کلاهک طلایی را حل کند و فقط میله‌های طلایی اولیه و درزگیرطلایی را بر جای بگذارد. "این قسمت می‌ماند." چون اتصال طلا به سیلیکون بسیار محکم است. آنچه برای او در فضای بین میله‌ها باقی ماند، ساختار کوچکی به عرض 10 نانومتر و طول چند میکرون بود: یک "نانوسیم"!  بر خلاف لیتوگرافی که نیازمند "نوشتن" مرحله‌به‌مرحله بود، "این فرآیند می‌تواند برچسب کاملی از ساختارها را طی یک مرحلة ساده بسازد."

به گفتة ویس، این ساختارهای ظریف در شکل انبوه خود بعنوان جایگزین بسیار کوچکتر مدلهای امروزی قطعات دستگاههای میکروالکترونیک می‌توانند استفاده شوند. ولی خط‌‌کش مولکولی بیانگر پیشرفت الکترونیک مولکولی نیز هست؛ رشته‌ا‌ی جدید و پرجنبش بر مبنای ایدة بنیادی استفاده از مولکولهای منفرد بعنوان جایگزین سوئیچ‌ها، ترانزیستورها و دیگر اجزای میکرومدارهای مرسوم. قبلا" محققین نشان داده‌بودند که مولکولها قادر به هدایت و ذخیرة جریان الکتریکی و در نتیجه انتقال‌دادن و ضبط اطلاعات می‌باشنـد. اگـر مهندسین بتواننـد –با استفاده از نانوسیم‌ها، یا معادلهای آنها- راهـی عملـی را بـرای پیونـددادن ایـن "اجـزای" منفـرد  بیابند، حاصل کار میکروپروسسورهایی مولکولی است، که دهها هزاربار کوچکتر از مشابه‌های ممکن با فناوری سیلیکونی است.

آینده آنقدر تحریک‌کننده بوده‌است، تا ریاست پروژه‌های تحقیقات پیشرفتة دفاعی فدرال، دو گروه تحقیقاتی را بعنوان بخشی از یک مرکز جدید نانوساختن و ابزارهای مولکولی در n State ، تأمین مالی کند. اعضای این مرکز تشکیل شده‌است از: یک دوجین محقق از n State وبرخی دانشگاههای دیگر ، و همچنین شرکای صنعتی و دولتی منجمله IBM ، Lucent Technologies ، Motorola ، TriQuint و آزمایشگاههای ملّی ساندیا.

ویس نیز مدیر این مرکز است. او می‌گوید: "در این برهه از زمان، ما یک خلأ فناوری داریم. ما می‌دانیم که چگونه با روشهای بالا به پایین تا مقیاسهای 10 نانومتر کار کنیم، و می‌دانیم که چگونه از پایین به بالا از یک تا چند نانومتر کار کنیم.در حد فاصل این دو، یک نوع زمین لم‌یزرع وجود دارد. یکی از اهداف مرکز،–برای تأثیرگذاری در این زمین میانی-  بکارگیری شیمی معمولی بجای اعمال نیروهای خام و بی‌روح است. خط‌کش مولکولی یک گام به این سمت است."

الکترونیک مولکولی، به گفتة ویس، در موقعیتی بسیار ابتدایی قرار دارد: "ما اکنون مولکولهایی داریم که به صورت سوئیچ –یک جزء لازم برای مدارات منطقی و حافظه- عمل می‌کنند، ولی چگونگی قلاب‌کردن آنها به یکدیگر را نمی‌دانیم. ما در این مقیاس، توانایی الگودهی آنها را نداریم و نمی‌دانیم چه نوع معماری را باید بکار ببریم تا مجموعة مفیدی از این قطعات مانند یک کامپیوتر را بسازیم. اینها اکنون همگی زمینه‌های فعال تحقیقاتی‌اند."

طبیعت کار به شدت مشارکتی است. جیمز تور، یک شیمی‌دان آلی از دانشگاه رایس و یکی از اعضای مرکز، بعنوان یکی از قطعات این پازل، مولکولهایی را می‌سازد که می‌توانند خواص نیمه‌رسانایی مفیدی داشته‌باشند –به گفتة ویس: "این مولکولها فنیلین اتینیلین‌‌ها هستند؛ حلقه‌های آروماتیک یک‌‌درمیان با پیوندهای سه‌گانة کربنی- او آنها را به ویس و دیوید آلارا، استاد شیمی n State می‌دهد. ویس می‌گـوید: "مـا آنـها را به هم قلاب می‌کنیم و طـی فرآیندی عملکرد آنها را می‌سنجیم." ولی "قلاب‌کردن" در یک ساختار پیچیده و به هم پیوسته همچنان هدفی طفره‌آمیز است. قلاب‌کردن یعنی ایجاد موازنة اندازه بین یک سیم رسانای بسیار کوچک و یک مولکول بسیار بزرگ. خط‌کش مولکولی این موازنه را بیشتر می‌کند، ولی نه آنقدر که لازم است.

ویس می‌گوید: "ما الآن می‌توانیم یک سیم 10 نانومتری بسازیم و تور می‌تواند یک مولکول 10 نانومتری بسازد؛ ولی این همة کاری را که ما می‌خواهیم صورت نمی‌دهد. اگر ما سیم‌هایمان را دو یا سه برابر کوچک کنیم، می‌توانیم به سمت مولکولهای کوچک کاراتر برویم. آن وقت است که ما مباحث تجاری را شروع خواهیم‌کرد."

در آن سوی خیابانی که NanoFab در انکوباتور صنایع کوچک واقع در پارک علمی n State قرار دارد، ادارات شلوغ شرکت Molecular Electronic Corporation ()  دیده می‌شود. ، یک شرکت تازه‌تأسیس فناوری پیشرفته (high-tech) است. در آن چیزهای زیادی به چشم می‌خورد: کامپیوترهای بزرگ و کوچکی که بر سه ردیف میز چفت‌درچفت حکومت می‌کنند، دستگاههای تکثیر و یک ظرف قهوه که در میزی در انتهای اتاق با یکدیگر شریکند، و وایت‌بردی پر از خطوط خرچنگ‌قورباغه و مرموز که بر پهنة دیوار خودنمایی می‌کند. کارمندان جوان که لباسهای غیریکسانی پوشیده‌اند، مثل افراد سرگردان وارد و خارج می‌شوند.

یکی از احتمالا" یکصد شرکتی است که از سال گذشته از NanoFab استفاده می‌کرده‌اند واحتمالا" معروفترین آنهاست.داستان شرکت و بنیانگذارانش درScientific American، Wired ، نیویورک‌تایمز و اکونومیست درج شده‌است: هدفی بسیار متهورانه برای شرکتی که فقط اخیرا" حقوق‌بگیران خود را به 11 نفر افزایش داده‌است. براد کلونجر، دانشمند ارشد می‌گوید: "علت آن، این بود که ما اولین شرکت تأسیس‌شده بودیم که می‌گفتیم می‌خواهیم الکترونیک مولکولی را تجاری کنیم."





طبقه بندی: ساخت و تولید،  ماشین كاری، 
برچسب ها: یاتاقان در خودرو، ماشینکاری مولکولی،  
نوشته شده در تاریخ چهارشنبه 4 اسفند 1389 توسط محمد محمل زاده
تمامی حقوق این سایت محفوظ است
قالب وبلاگ