مدارهای جواهرنشان و آینده ابزارهای الکترونیک

کاربری جواهراتی مانند الماس بسیار بیشتر از زیبایی و فخرفروشی است. خواص الکترونیکی این مواد بخصوص در ابعاد نانو سبب شده که تجهیزات الکترونیکی آینده به جای سیلیکون و مس از این جواهرات ساخته شده باشند.

ظاهرش شبیه به مخزن بانک است. درها با رمز ورود باز می‌شوند. دیوارها و کف با بتون مسلح به پهنای دو متر پوشیده شده‌اند؛ کل بنا روی یک زمین سنگی بنا شده است. مسیرهای تهویه به طور اتوماتیک بسته می‌شوند. حتی امواج موبایل هم نمی‌توانند وارد اینجا شوند.

درست است که در اینجا مقدار زیادی الماس نگهداری می‌شود، ولی اینجا صندوق بانک نیست. این یک آزمایشگاه در مرکز داده‌های علوم نانو و کوانتوم دانشگاه بریستول انگلیس است، و الماس‌های ذخیره شده در اینجا هم هیچ یک بزرگ‌تر از یک ذره شن نیستند. الماسی به این اندازه مورد علاقه سارقین بانک نخواهد بود، ولی به زودی بهترین دوست یک فیزیکدان خواهد شد.

ولی موجودی این جا فقط الماس نیست. طلا و نقره هم می‌توانند دیگران را به طمع وادارند. سختی، تلالو و مقاومت بسیار زیاد این مواد در برابر خوردگی برای قرن‌ها مورد توجه بود.، ولی با فروکاهیدن این مواد به ابعاد نانو، ویژگی‌های دیگری ظاهر می‌شوند؛ ویژگی‌های باارزشی که نویدبخش تغییر روش تولید هرگونه ابزار برقی خواهند بود. به دنیای براق جدید Blingtronic خوش آمدید.

به گزارش نیوساینتیست، دستیابی به گنج‌های نهفته در اعماق این دنیای کوچک نیاز به دستان بسیار آرام و بی‌لرزشی دارد؛ و به همین دلیل است که آزمایشگاه بریستول اینقدر محکم ساخته شده است. اینجا فیزیکدانی به نام نیل فاکس روز خود را به درست کردن نوارهای نازک الماس به باریکی یک موی انسان می‌گذراند. آزمایش‌ها آن‌قدر حساس هستند که حتی کمترین لرزشی می‌تواند منجر به خرابی شود.

تولید برق از الماس
فاکس می‌خواهد که این نوارهای الماس را در یک گونه جدید از سلول‌های خورشیدی به کار ببرد، سلولی که برق را به جای جذب طول‌موج‌های نور مرئی با جذب گرما تولید می‌کند. او از «نشر گرما-یونی» استفاده می‌کند، که گرایش برخی از مواد به رها کردن الکترون در مجاورت گرما است و مشخص شده که این ویژگی در الماس بسیار باریک خیلی بیشتر از دیگر مواد است.

فاکس در نظر دارد تا از یک صفحه بازتابی استفاده کند تا نور خورشید را به روی ابزاری بتاباند که از دو نوار باریک الماس با فاصله خلاء به اندازه چند میکرومتر تشکیل شده است. وقتی نور خورشید نوار بیرونی را گرم می‌کند، گرم‌ترین و پرانرژی‌ترین الکترون‌ها از آن جدا می‌شوند و توسط نوار دیگر جذب می‌شوند، و به این ترتیب جریان برق به وجود می‌آید.

ابزارهای سنتی جذب گرمای خورشید، این کار را با تمرکز نور خورشید بر روی لوله‌های روغن یا آب انجام می‌دهند. مایع گرم شده را می‌توان برای تولید بخار برای چرخاندن یک توربین و تولید برق به کار برد. به گفته فاکس، یک سلول خورشیدی الماسی که هیچ جزء متحرکی ندارد، کارایی بالاتری دارد. این فناوری فقط به نور خورشید وابسته نیست: این سلول‌ها را می‌توان همچنین برای استفاده از گرمای تلف شده در نیروگاه‌های برق، کارخانه‌ها و یا اگزوز خودروها به کار برد. البته برای این که این سلول‌ها به بیشینه کارایی خود برسند باید اتم‌های لیتیوم در نوارهای الماس کاشته شوند. این اتم‌ها بار مثبت در نزدیک سطح نوار ایجاد می‌کنند که به رها شدن الکترون‌ها کمک می‌کند.

اگر پروژه‌ای که سازمان پروژه‌های پیشرفته دفاعی ایالات متحده (DARPA) انجام می‌دهد، به موفقیت برسد، الماس‌های نانو همچنین می‌توانند جایگزینی برای مدارهای سیلیکونی مورد استفاده در ریزتراشه‌ها باشند. هدف این پروژه جایگزینی مدارهای الکترونیک پایه سیلیکونی با مولفه‌های مکانیکی میکروسکوپی از جنس الماس است. مهندسین دارپا بر این باورند که چنین ابزارهایی برتری‌های قابل ملاحظه‌ای در مقابل اجزای الکترونیکی دارند، به ویژه اگر آن‌ها را بتوان از الماس اولترانانوکریستالین (UNCD) ساخت، ماده‌ای که توسط آزمایشگاه ملی آرگون در شیکاگو ساخته شده است.

یو.ان.سی.دی را می‌توان خراشید تا پایه‌ای در ابعاد نانو یا غشایی لرزان را شکل دهد که می‌تواند در بازه گسترده‌تری از فرکانس‌ها به نسبت سویچ‌های الکترونیکی سنتی و نوسان‌سازها کار کند. و با توجه به این حقیقت که UNCD را می‌توان روی سیلیکون قرار داد، این مولفه‌ها را می‌توان به طور مستقیم روی تراشه‌های سیلیکون قرار داد، که ساخت آنها را ساده می‌کند.

در حالیکه الماس راه‌های جدیدی برای انتقال الکترون باز کرده، دیگر جواهرات به جای الکترون‌ها فوتون‌ها را جابجا می‌کنند. به دلیل عدم مشکل تداخل، فوتون‌ها را می‌توان در چگالی‌هایی بالاتر از آنچه برای الکترون‌ها ممکن است، با هم ترکیب کرد، در نتیجه مدارهای نوری قادر خواهند بود که داده‌های بیشتری را حمل کنند.

پلاسمون، بهتر از الماس
یافتن راهی برای کنترل این فوتون‌ها یک چالش بزرگ باقی می‌ماند. یک راه حل استفاده از پلاسمون است، که می‌توان آنها را امواج نور تصور کرد که در سطح یک فلز با دریایی از الکترون‌ها درون آن به دام افتاده است. برخلاف فوتون‌ها، پلاسمون‌ها را می‌توان به سادگی در میدان‌های الکتریکی و یا حتی پرتوهای نور اداره کرد. یک گروه در موسسه پژوهش‌های الکترونیک و مخابرات دایجون کره جنوبی، به تازگی داده‌ها را با استفاده از پلاسمون‌ها برای جابجایی سیگنال‌های پهن‌باند نور در سیم‌های طلا بین چیپ‌های کامپیوتری، جابجا کرد.

با این حال، هدف نهایی، واداشتن نور به انجام پردازش در ریزتراشه است. برای این منظور باید ایجاد پالس‌های نور و سویچ کردن آنها با سرعت بسیار بالا، همگی در یک فضای بسیار کوچک امکان‌پذیر شود. کوچک‌ترین لیزرهای سنتی چند صد نانومتر پهنا دارند و همین آنها را برای این کار بیش از اندازه بزرگ می‌کند. برای رقابت با ترانزیستورها، یک لیزر باید کمتر از 50 نانومتر پهنا داشته باشد، که با لیزرهای سنتی ناممکن است.

داخل بدن شما
سال‌ها طول خواهد کشید تا مهندس‌ها بتوانند از این جواهرات نانو برای ساخت یک کامپیوتر نوری استفاده کنند. ولی ریز‌ذرات طلا و نقره خصوصیات دیگری هم برای ارائه دارند. ریزذرات طلا، هنگامی که به داخل بافت‌های بدن انسان تزریق شوند و در معرض نور قرار بگیرند، می‌توانند پلاسمون‌هایی را تولید کنند که نور را در طول‌موج متفاوتی می‌تابانند. از این می‌توان برای تحلیل شیمی سلول‌ها با طیف‌سنجی استفاده کرد که می‌تواند نقش مفیدی در تشخیص درمانی بازی کند، و یا اگر طول‌موج‌های تابیده شده فروسرخ باشند، سلول‌های سرطانی را از بین برد.

ریزذرات نقره نیز می‌توانند ال‌.ای‌.دی‌.ها را کارآمدتر سازند. ال.‌ای.‌دی‌.ها که خیلی در لوازم الکترونیک مصرفی به‌کار می‌روند، هنگامی که الکترون‌ها و حفره‌ها با هم ترکیب می‌شوند نور تولید می‌کنند. افزودن ریز ذرات نقره به ال.‌ای‌.دی می‌تواند خروجی آن‌ها را چند برابر کند. این می‌تواند در نهایت منجر به انواع جدیدی از چراغ‌ها یا نمایشگرهای توان پایین شود.

با این وجود اقتصادی‌ترین فناوری جواهرات شاید در چیزی باشد که شما با خود به همه جا ببرید. می‌تواند ابزارهای مورد علاقه شما (مانند موبایل و دستگاه پخش موسیقی) را در لباس شما قرار دهد. جنیفر لویس، یک دانشمند علم مواد در دانشگاه ایلینویز در کمپین اوربانا می‌گوید: «به جای حمل ام.پی.تری پلیر، کل سیستم الکترونیک را می‌توانید در ژاکت خود بدوزید».

لویس در حال کار بر روی این ایده است. سال گذشته، گروه او راهی برای چاپ سیم‌های ریز در ابعاد میکرومتر، به همان شیوه چاپ یک چاپگر جوهرافشان یافت. با استفاده از یک جوهر رسانای برق که ریزذرات نقره در خود دارد، آن‌ها توانستند سیم‌ها را روی گستره‌ای از مواد که شیشه و پلاستیک را هم دربرمی‌گرفت؛ چاپ کنند. لویس همچنین می‌خواست بداند که آیا از این شیوه می‌توان برای چاپ روی مواد انعطاف‌پذیر مانند پارچه هم بهره گرفت یا نه. او در یک سال گذشته با حل مشکل تهیه ریزذرات نقره به اندازه مطلوب (و نه بزرگ‌تر از آن) توانست به پیشرفت چشمگیری در این راه دست یابد. اگر به همین ترتیب پیش برویم، روزی که شما تلفن همراه و آی‌پاد خود را بپوشید خیلی دور نیست.
چیزی که مسلم است این است که با استفاده از طلا، نقره و الماس در الکترونیک، آینده واقعا درخشانی در انتظار این صنعت خواهد بود.

شبیه‌سازی بلندترین قله اروپا در ابعاد

پژوهشگران آی.بی.ام، مدل 1 به 180 میلیارد کوه مترهورن را که با ارتفاع 4478 متر در مرز سوئیس-ایتالیا، بلندترین قله‌های آلپ به است، در مقیاس نانو ساخته‌اند و به دستاوردی جدید در فناوری نانو دست یافته‌اند.

این گروه، مدل خود را با استفاده از شیوه‌ای برای ذخیره رایانه‌ای چگالی عالی، تراشیدند. هدف آن‌ها این بود که نشان دهند چطور شیوه حجم‌سازی نانو می‌تواند در دیگر موارد نیز کاربرد داشته باشد. ممکن است کسی قادر باشد لنزهای بسیار ریزی بر روی تراشه‌های سیلیکونی ایجاد کند که پرتوهای نوی را به جای جریان‌های الکتریکی منتقل کند.

آرمین نول، از مرکز تحقیقات آی‌بی‌ام در زوریخ سوئیس گفت:« هیچ روش دیگری نمی‌تواند اشیای سه‌بعدی را با چنین دقتی تولید کند.»

یک قلم داغ
آی‌بی‌ام در سال 2002 از میلی‌پد رونمایی کرد. این وسیله نوعی حافظه رایانه‌ای است که گفته می‌شود با تولید سوراخ‌هایی با ابعاد نانو در یک قطعه پلیمر قادر است هزاران گیگابایت داده را در هر سانتی‌متر مکعب ذخیر کند.

اخیرا این گروه متوجه شده‌اند که با داغ کردن یک سوزن میلی‌پد مانند تا 330 درجه سانتی‌گراد و استفاده از آن به عنوان نوعی قلم می‌توانند اجسام را تبخیر کنند. به گفته نول این نوعی استفاده از گرما به جای نیرو برای تراشیدن اجسام است.

آن‌ها نمونه میکروسکوپی کوه مترهورن را با استفاده از نوعی ماده آلی شیشه‌ای که ملکول‌هایش با پیوندهای هیدروژنی به هم متصل شده‌اند، تولید کردند. تلألو گرما تنها برای چند میکروثانیه از سوزن می‌تواند این پیوندهای هیدروژنی را بشکند، اما برای شکستن نیروی میان پیوندهای شیمیایی که الکترون‌ها میان اتم‌ها به اشتراک گذاشته شده‌اند، بسیار ضعیف است.

گروه نول معتقد است این شیوه می‌تواند به جای ذخیره اطلاعات به روش میلی‌پد مورد استفاده قرار گیرد. به عنوان مثال حکاکی پرتوی الکترونی برای کارهای دقیق نانو مورد استفاده قرار می‌گیرد، زیرا سریع‌تر از شیوه‌های کاوشی است که از ابزارهای فیزیکی بهره می‌برند.

با این حال وقتی صحبت از تولیدات نانو می‌شود نول و همکارانش ادعا می‌کنند فناوری آن‌ها با سرعتی نزدیک به حکاکی پرتوی الکترونی و با دقتی بسیار بیشتر کاربرد دارد.

علاوه بر اینکه این شیوه برای تولیدات نانوی دو بعدی امیدبخش به نظر می‌رسد، همچنین می‌تواند دقت و کنترل بسیار بالایی در ایجاد عمق حکاکی فراهم آورد. گروه معتقد است این روش می‌تواند به عنوان مثال برای تولید لنزهای بسیار ریز به منظور ایجاد ارتباطات نوری روی تراشه‌های سیلیکونی مورد استفاده قرار گیرد.

دان اون کیم، از دانشگاه یون‌سی در سئول کره‌جنوبی تحت تاثیر ادعای رقابت این شیوه با حکاکی پرتوی الکترونی از نظر سرعت قرار گرفته است، اما در مورد اعتبار سه بعدی بودن آن شکاک است. وی گفت:« ارتفاع کوه 25 نانومتر است، اما ابعاد بنیادی آن 5000 در 5000 نانومتر است. یعنی چیزی میان دوبعدی و سه‌بعدی.» وی معتقد است این فناوری پیش از استفاده در تولید لنزهای نانو باید به تکامل برسد.

وقتی روبات معنی دست‌دادن را می‌فهمد

با افزایش توانایی روبات‌ها و استفاده آن‌ها از توانایی‌های بینایی و شنوایی، پژوهشگران درتلاشند احساس لامسه را نیز به این ماشین‌ها بیافزایند. پوست مصنوعی، یکی از تازه‌ترین دستاوردهای روباتیک به شمار می‌رود.

شاید پوست یکی از تعیین کننده‌ترین معیارها برای زیبایی باشد ، اما برای روبات‌ها طراحی یک پوست کارآمد می‌تواند نقش مهمی در مقبولیت آن‌ها در اجتماع بازی کند. یک پوشش حساس به تماس می‌تواند از آسیب وارد کردن تصادفی این روبات‌ها به دیگران پیشگیری کند.

به گزارش نیوساینتیست، در ماه می / اردیبهشت ، تیمی از موسسه تکنولوژی ایتالیا، آی.آی.تی در جنوآ اولین پوست حساس به لمس را که برای روبات انسان‌نمای iCub طراحی شده است به آزمایشگاه‌های سراسر اروپا خواهد فرستاد. آی.آی.تی و شرکایش توانسته‌اند سنسورهای قابل انعطافی را بسازند که روبات‌ها را قادر به لمس دنیای اطرافشان می‌کند.

جورجیو متا دانشمندان روبوتیک در آی.آی.تی در این باره گفت: «پوست یکی از تکنولوژی‌هایی بود که کمبود آن در روبات‌های انسان‌نما احساس می‌شد. یکی از اهداف ساخت این روبات‌ها ارتباط آسان و نزدیک با انسان است. اما این موضوع زمانی امکان‌پذیر است که روبات از آن‌چه توسط اعضای موتوری قدرتمندش لمس می‌کند، آگاه باشد».

پوستی از سیلیکون
متخصصان روباتیک تاکنون روش‌های متعددی را امتحان کرده‌اند تا بتوانند یک پوست حسگر بسازند. در نمونه‌های اولیه مانند روبات CB2 که در دانشگاه اوزاکای ژاپن طراحی شده، چند صد سنسور داخل یک پوست سیلیکونی قرار گرفت.
ریچارد واکر از موسسه Shadow Robot واقع در لندن گفت: «اکنون روش‌های بسیار زیادی برای حس کردن در حال پدیدار شدن هستند. اما تا زمانی که این روش‌ها روی روبات‌های متعددی آزمایش نشوند، نمی‌توان گفت کدام یک از آن‌ها برای چه کاربردی مناسب هستند».

متا می‌گوید: «علاوه بر این ، معیارهای زیادی وجود دارد که باید در پوست وجود داشته باشد. برای مثال پوست باید قابل انعطاف باشد، مساحت زیادی را بپوشاند و قادر باشد حتی کوچک‌ترین تماس‌ها را در هرجایی روی خود تشخیص دهد».

iClub
یک روبات انسانن‌ما و در اندازه یک کودک سه و نیم ساله است. بودجه این پروژه توسط کمیسیون اروپا تامین شده است. خصوصیات تکنیکی iCub کاملا متن باز بوده و تاکنون بیش از 15 آزمایشگاه در سراسر اروپا نمونه‌های خود از این روبات را ساخته‌اند. بنابراین آی.آی.تی برای تست کردن پوست طراحی شده خود روبات‌های زیادی در اختیار خواهد داشت.

این پوست از بوردهای مثلثی شکل قابل انعطافی ساخته شده که مدارهای الکتریکی روی آن چاپ شده است . این بوردها به عنوان سنسور عمل کرده و قسمت زیادی از بدنه iCub را می‌پوشاند. هر مثلت قابل انعطاف 3 سانتی‌متر است و دارای 12 اتصال مسی خازنی است. بین این بردها و لایه خارجی که از جنس لیکراست و یک تماس فلزی بین هر کدام از این اتصالات مسی برقرار می‌کند، یک لایه لاستیک سلیکونی به عنوان جدا کننده قرار می‌گیرد . لایه لیکرا و مدارهای قابل انعطاف دو طرف خازن‌های حس کننده فشار این پوست را تشکیل می‌دهند.

با این شیوه طراحی ، 12 پیکسل لمسی یا taxel در هر مثلث حس خواهد شد. این دقت taxel می‌توان الگوهایی مانند چنگ انسان را روی بازوی روبات تشخیص داد.

این روبات می‌تواند فشاری به اندازه وزن یک گرم را روی هر taxel حس کند. هم‌چنین این پوست به سنسورهای حس کننده دما که از نیمه‌رساناها ساخته شده‌اند نیز مجهز است. قرار است اولین نمونه از این پوست در ماه می / اردیبهشت ارائه شود.

آی. آی. تی همچنین تصمیم دارد یک لایه از پلیمر پیزوالکتریک یا PVDF به این پوست اضافه کند. زیرا سنسورهای خازنی فقط فشار مطلق را اندازه‌گیری می‌کنند، اما PVDF‌ها در هنگام تغییر شکل بر اثر تماس ولتاژی تولید می‌کنند که از آن می‌توان برای تخمین نرخ تغییرات فشار استفاده کرد.

بنابراین اگر یک روبات نوک انگشتش را روی یک سطح بکشد ، می‌توان با کمک لرزشی که در اثر اصطحکاک تولید می‌شود جنس سطح را حدس زد. با چنین حساسیتی می‌توان تخمین زد که چه میزان نیرو برای بلند کردن اشیا مختلف مانند یک بشقاب چینی لغزنده لازم است.

پوست کوانتومی
فیلیپ تیسام، رئیس شرکت بریتانیایی پراتک در شمال یورک شایر چندان علاقه‌ای به پوست‌های حسگر که با خازن‌ها ساخته شده‌اند ندارد ، چرا که معتقد است بر اثر استفاده پی در پی ، این پوست‌ها حساسیت خود را از دست می‌دهند.

پراتک در عوض یک ماده الاستیک و کشی را به نام کامپوزیت تونلی کوآنتومی QTC معرفی کرده است. این محصول از یک لایه پلیمری مانند لاستیک سیلیکونی تشکیل شده که توسط نانوذرات میخی نیکل پر شده است. یک ولتاژ در سراسر این پوست منتشر می‌شود و زمانی که فشرده می‌شود، همراه با کوچک شدن پلیمر ، فاصله بین نانوذرات تغییر پیدا کرده و باعث جریان پیدا کردن الکترون‌ها یا تونل شدن آن‌ها از یک نانوذره به ناحیه بعدی که در حال لمس شدن است می‌شود. مقاومت الکتریکی این ماده سریعا کاهش پیدا می‌کند و به نسبت نیرویی که به سطح وارد شده، می‌توان میزان تماس را اندازه‌گیری کرد.

در آزمایشگاه رسانه‌ای موسسه تکنولوژی ماساچوست، ام.آی.تی، آدام ویتسون در حال ساخت یک پوست حس‌گر مبتنی بر QTC برای شرکت‌های روبات‌سازی تجاری است. اما به جای استفاده از یک پوست سخت و چسبان ، ویتون از یک پوشش رهاتر استفاده کرده که بیشتر شبیه به لباس است.

اما قابلیت‌های شگفت‌انگیز دیگری نیز می‌تواند توسط QTC‌ها پیاده‌سازی شود . برای مثال می‌توان از QTC به عنوان یک بینی الکتریکی استفاده کرد.

در صورتی که پلیمر اصلی به درستی انتخاب شود، می‌توان از واکنش‌هایی که بین گازهای فرار شیمیایی در فضا انجام می‌شود استفاده کرده و به این ترتیب می‌توان یک بینی الکتریکی طراحی کرد که قادر است برای مثال نشت گاز را در خانه تشخیص دهد. وینتون در این باره گفت : این بدان معناست که ما می‌توانیم قابلیت‌هایی به روبات‌ها اضافه کنیم که پوست خودمان قادر به انجام آن نیست.