مقدمه

شاید تا بحال از خود پرسیده باشید که چرا مواد مختلف با هم متفاوتند؟ چرا برخی از آن‌ها محکم تر از سایرین هستند؟ چرا برخی از مواد رسانا و برخی نارسانا؟ چرا نور می‌تواند از بعضی از مواد عبور ‌کند و از بعضی دیگر نه؟

سئوالاتی از این دست ذهن را متوجه تفاوت‌‌های مواد از نظر خواص می‌‌کند و ما را در رابطه با علت این تفاوت‌‌ها، به تفکر بیشتر وادار می‌‌کند. با اطلاعاتی که ما از ساختمان عناصر و تفاوت‌‌های موجود در عناصر داریم شاید گمان کنیم که تفاوت‌‌‌‌های موجود در مواد مختلف حاصل تفاوت‌‌های عناصر تشکیل دهنده آنها است. با این تفکر مواد تنها متاثر از تنوع عناصر تشکیل دهنده خود خواهند بود و تمامی ویژگی‌‌های رفتاری مواد با شناخت عناصر تشکیل دهنده آنها روشن خواهد شد. بر این اساس مشخص شدن عناصر تشکیل دهنده یعنی تعیین ترکیب شیمیایی همه اسرار مربوط به خصوصیات مواد را آشکار می‌‌کند. براستی با دانستن ترکیب شیمیایی، خواص مواد معلوم خواهد شد؟

با کمی دقت و توجه به ترکیبات شیمیایی مواد پیرامون خویش در می‌‌یابیم که بسیاری از آنها با وجود این که در رفتار و خواص با یکدیگر بسیار متفاوتند، دارای عناصر تشکیل دهنده و ترکیب شیمیایی یکسان می‌باشند و برخی دیگراز مواد با داشتن عناصر تشکیل دهنده و ترکیب شیمیایی متفاوت با یکدیگر، دارای خواص و رفتار مشابهی هستند. پس چه چیزی بجز ترکیب شیمیایی موجب تفاوت در رفتار مواد می‌‌شود؟

برای جواب این سئوال لازم است که بیشتر با ساختار و ویژگی‌های مواد آشنا شویم.

ساختار مواد چیست؟

ساختار مواد ارتباط بین اتم‌‌ها، یون‌‌ها و مولکول‌‌های تشکیل دهنده آن مواد را مشخص می‌‌کند. برای شناخت ساختار مواد ابتدا باید به نوع اتصالات بین اتم‌‌ها و یون‌‌ها پی برد. به طور حتم با پیوندهای شیمیایی آشنایی دارید. پیوندهای شیمیایی نحوه اتصال میان اتم‌‌ها و یون‌‌ها را مشخص می‌‌کنند. بنابراین تفاوت پیوندهای شیمیایی مختلف را در ویژگی‌های این پیوندها می‌‌توان مشاهده کرد. به عنوان مثال در نمک طعام به دلیل وجود پیوند یونی که منجر به محصور شدن الکترون‌‌ها می‌‌شود، خاصیت "رسانایی" مشاهده نمی‌شود زیرا الکترون‌‌ها که حامل و انتقال دهنده‌ی بار الکتریکی هستند، به دلیل محصور شدن امکان حرکت ندارند و چیزی برای انتقال بار الکتریکی در میان ماده وجود نخواهد داشت. در مقابل در فلزات، مانند مس، به دلیل وجود پیوند فلزی که موجب آزادی الکترون‌‌ها می‌‌شود و امکان تحرک الکترون‌‌ها را فراهم می‌‌نماید، می‌‌توانیم خاصیت رسانایی را انتظار داشته باشیم. زیرا الکترون‌‌های آزاد، امکان انتقال بار الکتریکی را در طول ماده فراهم می‌آورند. همانطور که ذکر شد اطلاع از نوع پیوندهای اتمی می‌‌تواند به شناخت ما از رفتار و خواص مواد کمک کند. اما آیا تنها با دانستن نوع پیوندها تمامی خواص و رفتار یک ماده را می‌‌توان پیش‌‌بینی کرد؟

برای روشن شدن مطلب مثال معروفی را ارائه می‌‌کنیم. همانطور که می‌‌دانید گرافیت و الماس هر دو از اتم‌‌های کربن تشکیل شده‌‌اند و هر دو "ریخت‌‌های" مختلفی از عنصر کربن هستند. اما چرا خواص گرافیت و الماس تا این حد با یکدیگر متفاوت است؟ الماس به عنوان سخت‌‌ترین ماده طبیعی معرفی می‌‌گردد و گرافیت به دلیل نرمی بسیار، به عنوان ماده "روانساز" به کار گرفته می‌‌شود! تفاوت رفتار و خواص گرافیت و الماس را به نوع اتصال و پیوند شیمیایی اتم‌‌های کربن نمی‌‌توان نسبت داد زیرا در هر دو شکل این ماده - که تنها دارای اتم‌‌های کربن است - یک نوع پیوند شیمیایی وجود دارد. بلکه علت در "چگونگی اتصالات و پیوندهای شیمیایی" این دو شکل کربن است. در گرافیت اتم‌‌های کربن شش ضلعی‌‌های پیوسته‌‌ای شبیه به یک لانه زنبور تشکیل می‌‌دهند که در یک سطح گسترده شده است. لایه‌‌های شش ضلعی ساخته شده با قرار گرفتن روی هم، حجمی را تشکیل می‌‌دهند که به آن گرافیت می‌‌گوییم. واضح است که در ساختار گرافیت دو نوع اتصال وجود خواهد داشت: یک نوع اتصال، اتصالی است که بین اتم‌‌های کربن هر لایه لانه زنبوری وجود دارد و جنس آن از نوع پیوند کوالانسی است. نوع دوم اتصالی است که لایه‌‌های لانه زنبوری را به یکدیگر وصل می‌کند. بدیهی است که این نوع از جنس اتصالات اولیه یعنی پیوندهای اتمی نیست. بنابراین پیوند به هم پیوستگی دوم - که قدرت به هم پیوستگی لایه‌‌ها را مشخص می‌‌کند - ضعیف‌‌تر از اتصال اولیه که یک پیوند کوالانسی است، خواهد بود. پس می‌توان انتظار داشت که گرافیت، در جهت صفهات لانه‌زنبوری به دلیل داشتن پیوند قوی کووالانسی استحکام بالایی داشته باشد؛ بالعکس، این ساختار در جهت عمود بر صفحات لانه زنبوری به علت وجود پیوند ضعیف ثانویه بین لایه‌ها، به مراتب کمتر از استحکام درون آنها، دارای مقاومت است. از طرفی به دلیل پیوندهای ضعیف بین لایه‌‌ای انتظار می‌‌رود که با اعمال نیرویی بیشتر، لایه‌‌های لانه زنبوری بتوانند بر روی یکدیگر بلغزند.

شکل 1- ساختار گرافیت

<در مقابل ساختار لایه‌ای گرافیت، الماس دارای یک ساختار شبکه‌ای است. در گرافیت پیوندهای اولیه یعنی پیوندهای اتمی تنها در یک سطح (در یک وجه) برقرار می‌‌شود در حالی که در ساختار الماس این پیوندها به صورت شبکه‌‌ای سه بعدی فضا را پر می‌‌کنند. در ساختار گرافیت هر اتم کربن با سه اتم کربن دیگر اتصال اتمی از جنس کوالانسی ایجاد می‌‌کند، در حالی که در ساختار الماس هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر پیوند اتمی و از جنس کوالانسی برقرار می‌نماید.

شکل 2- ساختار الماس

با توضیحاتی که راجع به تفاوت‌‌های ساختاری گرافیت و الماس داده شد مشخص می‌‌گردد که دلیل نرمی گرافیت و سختی الماس در چیست. همانطور که دیدید ساختار با مشخص کردن نوع، تعداد و چگونگی پیوندهای تشکیل دهنده مواد، تاثیر به سزایی در خواص مواد دارد. بنابراین از طریق مطالعه در ساختار مواد، بسیاری از رفتارها و خواص آنها را می‌‌توان پیش‌‌بینی کرد. همچنین برای دستیابی به برخی از خواص می‌‌توان ساختار متناسب با آنها را طراحی نمود.

ریزساختار چیست؟

با شناختی که نسبت به ساختار مواد پیدا کرده‌اید، ممکن است گمان کنید موادی که ما به صورت توده‌ای در اطراف خود می‌بینیم از گسترده‌تر شدن نظم ساختاری اولیه به وجود آمده‌اند. به عبارت دیگر ممکن است تصور شود که مواد توده‌ای، شکل گسترش یافته ساختار اولیه است و بنابراین تمامی خواص و رفتار ساختار اولیه را دارا خواهد بود. این تصور با مشاهدات رفتاری مواد متفاوت است. به عنوان مثال در ساختار گرافیت ما انتظار داریم که استحکام در راستاهای مختلف متفاوت باشد زیرا ساختار اولیه در جهت صفحات لانه زنبوری دارای استحکام بالا و در جهت عمود بر صفحات دارای استحکام کمی است. بنابراین گرافیت فقط در برخی جهات خاص می‌بایست "قابلیت حرکت لایه‌ها بر روی یکدیگر" را داشته باشد. می‌دانیم که از گرافیت به عنوان ماده اصلی مغز مداد استفاده می‌شود و اثری که از مداد بر روی کاغذ باقی می‌ماند در حقیقت لایه‌‌های نازک گرافیت است که با مالش نوک مداد بر روی کاغذ، از سطح آن کنده شده و بر روی کاغذ می‌چسبد و همانطور که پیش‌تر اشاره شد لایه‌های گرافیت به دلیل پیوند ضعیف ثانویه امکان لغزش و حتی جدا شدن از یکدیگر را دارند. حالا سئوال اینجاست که اگر توده گرافیت گسترش همان ساختار اولیه گرافیت باشد، باید مداد تنها در یک جهت خاص قابلیت نوشتن داشته باشد زیرا ساختار گرافیت تنها لغزیدن لایه‌ها بر روی هم و کنده شدن آنها از توده و چسبیدن‌شان به سطح کاغذ را در جهت خاصی میسر می‌سازد و در غیر از آن جهات خاص به دلیل وجود پیوندهای قوی درون لایه‌ها، امکان کنده شدن وجود نخواهد داشت. این تعبیر به آن معناست که مداد تنها در برخی جهات خاص می‌نویسد و در دیگر جهات مداد نخواهد نوشت و این تصور با تجربه هر روزه ما از بکارگیری مداد متفاوت و متناقض است زیرا به تجربه دریافته‌ایم که مداد در تمامی جهات می‌نویسد. ما مداد را در هر زاویه و هر جهتی نسبت به کاغذ حرکت دهیم مداد خواهد نوشت. پس دلیل این تناقض چیست؟ آیا ساختار گرافیت آنگونه که گمان می‌کنیم نیست؟ و یا اینکه توده گرافیت چیزی غیر از گسترش یکنواخت و هماهنگ ساختار گرافیت است؟

شکل 3- طرحی ساده از ریزساختار ایده‌آل گرافیت

برای درک درست از رفتار توده‌ای مواد لازم است که با ریزساختار آنها آشنا بشویم. با بررسی میکروسکوپی گرافیت درمی‌یابیم‌ که توده گرافیت یکپارچه نیست بلکه این توده متشکل از دانه‌های بسیاری است که هر یک به صورت مستقل و جدا از یکدیگر در درون خود دارای ساختار گرافیت هستند. به عبارت دیگر توده گرافیت را می‌توان اجتماع بی‌نظمی از بخش‌هایی که هر یک دارای ساختار گرافیت هستند، دانست.

شکل 4- طرحی ساده از ریزساختار واقعی گرافیت

تفاوت این نوع ریزساختار از نوعی که پیش‌تر تصور می‌کردیم، یعنی یک توده گسترده از ساختار گرافیت، در دامنه نظم آنهاست. در تصور اول ما توده گرافیت را یک ساختار یکپارچه و منظم از ساختار گرافیت که در تمام توده گسترش یافته می‌دانستیم در این حالت نظم حاکم بر ساختار، یک نظم با دامنه بلند که تمام توده را می‌پوشاند در نظر گرفته می‌شود اما در عمل نظم ساختار گرافیت به صورت محلی و با دامنه‌های کوتاه مشاهده می‌شود. این بی‌نظمی در قرار گرفتن توده‌های دارای ساختار گرافیت باعث می‌شود. تنوع و گوناگونی فراوانی در بخش‌های گرافیت که هر یک زاویه و جهت خاصی دارند، وجود داشته باشد. بنابراین همیشه بخش‌هایی که زاویه و جهت مناسب برای حرکت و کنده شدن لایه‌ها را دارند، وجود خواهد داشت و ما بدون نگرانی از جهت و زاویه قرار گرفتن مداد می‌توانیم از نوشتن آن مطمئن شویم.

نتیجه‌گیری

عوامل تاثیرگذار در خواص توده‌ای مواد را به صورت اجمالی و ساده شناختیم. این عوامل عبارت بودند از عناصر تشکیل دهنده مواد، ساختار مواد و ریزساختار مواد. به صورتی ساده می‌توانیم خواص توده‌ای مواد را مشابه با خصوصیات یک شهر بدانیم. عناصر تشکیل دهنده مواد به صورت مصالح بکار گرفته شده در ساختمان‌های شهر، ساختار مواد که چگونگی قرارگرفتن عناصر در کنار یکدیگر و اتصالات میان آنها را مشخص می‌کند به صورت ساختمان‌های شهر و ریزساختار که چگونگی کنار هم قرار گرفتن ساختار میکروسکوپی را معین می‌کند، به صورت الگوهای شهرسازی در نظر گرفته می‌شود. با این تشبیه خصوصیات یک شهر نه تنها به مصالح(ترکیب شیمیایی بکار رفته در آن) بلکه به معماری ساختمان‌ها(ساختار) و نحوه شهرسازی(ریزساختار) نیز بشدت وابسته خواهد بود.

 

مولکول هاى DNA به طور طبیعى از رشته هایى از چهار نوع باز متصل به یک پایه قند _ فسفات تشکیل شده اند. این ترکیب حاوى دستورالعمل ساخت پروتئین هایى است که فرآیند حیات را میسر مى سازند. اما مولکول هاى DNA مصنوعى را مى توان وادار به مونتاژ خود به خودى در الگوهاى گوناگون کرد. همچنین مى توان آنها را به گونه اى تحریک کرد که به اشیایى مثل نانوتیوب هاى کربن متصل شوند. نانوتیوب هاى کربن ورقه هاى غلت خورده استوانه اى شکلى از اتم هاى کربن اند که خواص الکتریکى فوق العاده اى دارند و مى توان آنها را در ابعادى هزار بار کوچکتر از باکترى ساخت. در واقع با اعمال طراحى درست، مولکول هاى DNA قادر به مونتاژ اشیا خواهند بود.

محققان دانشگاه دوک در نظر دارند به کمک مجموعه اى از ابزارهاى CAD (طراحى به کمک کامپیوتر)، فرآیند مونتاژ اجزاى مولکولى را در طراحى مدارهاى کامپیوترى که از نانوتیوب هاى کربن مونتاژ شده توسط DNA مصنوعى ساخته مى شوند، ساده سازى کنند. چنین مدارهایى در مقیاس مولکولى که محصول مونتاژ خود به خودى اند باید بتوانند نسبت به کامپیوترهایى که براساس تکنولوژى هاى امروز تراشه سازى مبتنى بر سیلیکون تولید مى شوند، دستگاه هایى به مراتب ارزان تر و کارآمدتر ارائه دهند. به گفته کریس دویر (Dwyer.C)، استادیار مهندسى برق و کامپیوتر در دانشگاه دوک، «این ابزارها امکان طراحى مدارهاى کامپیوترى که بتوانند به طور خودکار توسط مولکول هاى DNA مونتاژ شوند را فراهم مى کند. در واقع به کمک ابزارهاى ما است که با تکیه بر فرآیند مونتاژ خودبه خودى DNA و نانوتیوب هاى کربن، طراحى و ارزیابى مدارها امکان پذیر مى شود».

این ابزارها براى ساخت مدارهاى کامپیوترى با چگالى 2500 ترانزیستور در هر میکرون مربع طراحى شده اند. این چگالى حدود 30 برابر بزرگتر از تراکمى است که با استفاده از تکنولوژى هاى تراشه سازى فعلى در مدارهاى کامپیوترى اعمال مى شود. به عبارت دیگر 2500 ترانزیستور در هر میکرون مربع یعنى 250 میلیارد ترانزیستور در هر سانتى متر مربع. ترانزیستورها به شکل گیت هاى منطقى آرایش مى یابند سپس با تلفیق میلیون ها گیت با یکدیگر مدارهاى پیچیده اى به وجود مى آیند که وظیفه ذخیره و پردازش اطلاعات در کامپیوتر را به عهده دارند. بنابراین توانایى مونتاژ ترانزیستورهاى نانوتیوبى منفرد، پیش نیاز دستیابى به تکنولوژى تراشه سازى بر پایه نانوتیوب ها است. در واقع کلید این معما دریافتن روش هایى براى تلفیق آنها به شکل مدارهاى منطقى است.

به تازگى تیم تحقیقاتى دیگرى از دانشگاه دوک موفق به ساخت ابزارهایى شده اند که از چهارچوب DNA بهره مى گیرند. در واقع مى توان این ابزارها را پایه اى براى مدارهاى نانوتیوبى دانست. این چارچوب محصول تور مانندى از مونتاژ خودبه خودى مولکول هاى DNA مصنوعى است که عرض حفره هاى آن به 20 نانومتر مى رسد.به اعتقاد دویر این تکنولوژى هنوز در آغاز راه است و این چارچوب و دیگر ابزارها به موازات یکدیگر توسعه مى یابند. به گفته وى «زمانى که تکنولوژى چارچوب DNA مهیا شود ما باید بتوانیم درباره کارایى این دستگاه و نوع معمارى کامپیوترى خاصى که ما را به آن سمت مى کشاند، به درستى بیندیشیم تا امکان تصمیم گیرى هاى استراتژیک سطح بالایى مثل تعیین چگونگى بازسازى جریان اطلاعات و اجراى محاسبات فراهم شود.»

در معمارى مدار نانوتیوب _ DNA محققان دانشگاه دوک، براى اتصال انتهاهاى نانوتیوب هاى کربن به نقاطى در چارچوب DNA از جفت هایى از توالى هاى مکمل در DNA استفاده شده است. در واقع اتصال نانوتیوبى نیمه رسانا در امتداد خط مرکزى یکى از حفره ها و اتصال نانوتیوب فلزى دیگرى در راستاى عمود بر اولى منجر به یک ترانزیستور اثر میدانى خواهد شد.

ابزارهاى این محققان نیز مثل ابزارهاى سنتى طراحى به کمک کامپیوتر امکان طراحى منفرد قطعات دستگاه مثل گیت هاى منطقى، اتصال آنها براى تشکیل سیستم کامل، ایجاد طرح اولیه مدار و تولید یک توالى از مراحل مونتاژ را در اختیار کاربران قرار مى دهد. این ابزار از مدل هاى تخصص یافته اى بهره مى گیرد که مى تواند عملکرد مدارها براساس رفتار ترانزیستور نانوتیوبى در سیگنال هاى کوچک را به طور تقریبى نشان دهد. به گفته دویر «ما به کمک این ارزیابى قادریم سرعت و میزان مصرف انرژى طراحى هایمان را تخمین بزنیم.»

براى آن که بتوان بهترین تکنولوژى ممکن را براساس نانوالکترونیک و به ویژه فرآیند مونتاژ خودبه خودى ساخت باید به گونه اى دیگر درباره مدارها و چگونگى انجام محاسبات اندیشید. به گفته دویر «ابزارهاى ما زیربنایى براى طراحى هاى آینده اند. گام بعدى محققان استفاده از آنها در طرح هاى ساده است. ما هم اکنون مشغول مونتاژ شبکه ساده اى از DNA هستیم که اساساً مى تواند براى یک گیت NAND مناسب باشد.»

گیت NAND یا Not AND یکى از عناصر زیربنایى در مدارهاى کامپیوترى به شمار مى رود. این گیت شامل دو سیگنال ورودى و یک سیگنال خروجى است که در صورت یک بودن هر یک از سیگنال هاى ورودى، سیگنال خروجى صفر خواهد بود.یکى از چالش هاى موجود در راه توسعه تکنولوژى DNA این حقیقت است که هر چه چارچوب DNA بزرگتر باشد، تعداد توالى هاى منحصر به فرد موردنیاز براى مدار بیشتر خواهد بود. به گفته دویر «محققان به دنبال راهى هستند تا تعداد کل توالى هاى موردنیاز را کاهش دهند» اما با این حال به نظر نمى رسد ابزارهاى طراحى به کمک کامپیوتر تا پیش از پنج یا ده سال آینده قادر به ساخت نانوتیوب باشند.