انقلاب الکترونیکی با ترانزیستورهای بدون اتصال

پژوهشگران ایرلندی در انستیتوی ملی تیندال، اولین ترانزیستور بدون اتصال جهان را تولید کردند. این پیشرفت که به کمک فناوری نانو بدست آمده است، می‌تواند نحوه ساخت نیمه‌هادی‌ها را کاملا دگرگون سازد.انقلاب الکترونیکی با ترانزیستورهای بدون اتصال

چالش اصلی در دهه‌های گذشته این بود که بتوان با استفاده از روش‌های تولید تراشه‌های سیلیکونی، هر روز تعداد بیشتری از ترانزیستورها را در یک فضای محدود جا داد و در عین حال به قانون مور هم وفادار ماند. ولی از آنجا که فناوری‌های آینده بر ابزارهای کوچک‌تر و سبک‌تر و قابل حمل‌تر و در عین حال با قدرت محاسباتی بیشتر متکی است، انگیزه‌ها برای باریک‌تر کردن طراحی چیپ‌ها در عین افزایش کارایی آن‌ها، هر روز بیشتر و قوی‌تر می‌شود.

به گزارش پاپ‌ساینس، متاسفانه اتصالات ترانزیستوری فعلی (دو قطعه از سیلیکون با قطبیت مخالف که امکان قطع و وصل جریان را در ترانزیستور می‌دهند) کارایی چندانی ندارند. جریان می‌تواند از این اتصالات نشت کند، و در نتیجه آن مصرف توان بیشتر می‌شود و همین امر منتج به پایین آمدن بازدهی کلی در دستگاه‌هایی می‌شود که از ترانزیستورهای زیادی استفاده می‌کنند. اتصالات همچنین یک فاکتور مهم در بالا بردن هزینه‌ها در فرایند ساخت تراشه می‌شوند؛ آنها در نقش دروازه‌هایی برای جریان، مکانیزم‌های کلیدی در ترانزیستورها هستند؛ ولی مشکل اینجا است که ساخت این اتصالات با کیفیت بالا بسیار گران قیمت خواهد بود.

ترانزیستور بدون اتصال، نیاز به اتصال را با تزریق جریان از طریق یک سیم باریک سیلیکونی که قطری به اندازه تنها چند اتم دارد برطرف می‌کند. یک مولفه که به کنایه «حلقه ازدواج» نامیده می‌شود؛ شارش جریان را با «پیچاندن» الکتریکی سیم برای توقف جریان الکترون‌ها تنظیم می‌کند، که تا حد زیادی شبیه به همان فرایند پیچاندن یک شیر آب برای جلوگیری از جریان مایعات از داخل آن است. معماری ترانزیستور بدون اتصال به اندازه‌ کافی ساده است تا بتوان آن را با هزینه پایینی حتی در ابعاد خیلی کوچک تولید کرد؛ این بدان معنی است که این فناوری می‌تواند در آینده ترانزیستورهای خیلی ارزان‌تری تولید کرد و از آنجاکه این جریان از طریق یک سیم سیلیکونی جریان دارد، جریان نشتی خیلی کم خواهد بود، که به این ترتیب این ساختار جدید خیلی کارامد‌تر خواهد بود.

البته، پیچاندن یک نانو سیم سیلیکونی برای کنترل جریان در یک سیستم آزمایشگاهی و تولید صنعتی و در مقیاس بزرگ این ترانزیستورهای بدون اتصال ، دو چیز کاملا متفاوت است، حال باید منتظر ماند و دید که آیا این نوآوری می‌تواند در صنعت تولید چیپ به طور گسترده استفاده شود یا خیر. ولی اگر این فناوری بتواند در عمل در مقیاس گسترده پذیرفته شود، این پیشرفت می‌تواند منجر به یک تغییر اساسی در الگوهای معماری چیپ شود.

تولید برق از هوا

  شرکت انرژی Bloom که از شرکت‌های مطرح در زمینه انرژی‌های نو در کالیفرنیا است، چهارشنبه گذشته سلول سوختی جدید خود را با نام بلوم باکس (Bloom Box) رونمایی کرد. بلوم باکس دارای بلوک‌های کوچکی است که به یکدیگر متصل می‌شوند و نهایتا با اشغال فضایی به اندازه یک یخچال، انرژی الکتریکی لازم را برای کاربری‌های مختلف یک شرکت معمولی را تولید می‌کند. 

به گزارش سی‌نت، ترکیب بین اکسیژن و سوخت ورودی به بلوم باکس، یک واکنش شیمیایی ایجاد می‌کند که منجر به تولید الکتریسیته می‌شود. این محصول که ادعا می‌شود توانایی تولید حجم زیادی از انرژی را در یک فضای کوچک دارد، وابستگی مردم را به شبکه‌های سنتی برق تغییر می‌دهد. بلوم باکس که نوع کوچک آن با قیمتی کمتر از سه‌هزار دلار برای یک منزل مسکونی قابل تهیه است، هم اکنون در شرکت هایی مانند گوگل، eBay و وال‌مارت در حال استفاده است.

با این وجود این محصول با مشکلاتی مواجه است که باید بر آنها غلبه کند. یکی از مهم‌ترین مشکلات، قابلیت اطمینان کاشی سرامیکی سلول‌های بلوم باکس است. توبین فیشر، از سرمایه‌گذاران مطرح صنعت سلول‌های سوختی می‌گوید: «کاشی سرامیکی به کار رفته در سلول واقعا باریک است و در گستره دمایی وسیعی کار خواهد کرد. بزرگ‌ترین مشکل تنش حرارتی است. اجزاء تشکیل دهنده این سرامیک دارای ضرایب انبساطی مختلفی هستند. در طول زمان این امر ممکن است منجر به ترک خوردن سرامیک شود.»

اما با این وجود شرایدر، مدیرعامل شرکت بلوم می‌گوید که این شرکت راه‌حل خوبی برای مقابله با رخ دادن خرابی در صورت وقوع آن دارد. وی می‌گوید: «اگر سروری در یک مرکز اطلاعات خراب شود، کل دیتاسنتر از کار نخواهد افتاد. با استفاده از ساختاری مشابه دیتاسنترها، اگر هر واحد بلوم باکس خراب شود و نیاز به تعمیر داشته باشد، مصرف کننده با مشکل قطع شدن نیرو روبه‌رو نخواهد شد.»

استراتژی شرکت بلوم برای ارائه مدل‌های مختلف بلوم باکس به صورت زیر است:

 یک سلول سوختی (یک کاشی سرامیکی منفرد) = 25 وات، انرژی لازم برای یک لامپ برق 


بلوم باکس کوچک (یک بسته کاشی) = 1 کیلووات، انرژی مصرفی یک خانه معمولی
ماژول بلوم باکس = 25 کیلوات، انرژی مورد نیاز بنگاه‌های تجاری کوچک
بلوم باکس بزرگ = 100 کیلووات، انرژی مصرفی بنگاه‌های تجاری بزرگ

مشکل هزینه
هزینه پایین از نگاه مصرف‌کننده اهمیت زیادی دارد. به گفته فیشر حدود 20 درصد الکتریسیته تولیدی در شبکه توزیع و انتقال برق از بین می‌رود. با استفاده از بلوم باکس دیگر اتلافات مربوط به توزیع و انتقال وجود نخواهد داشت. اما با وجود این‌که سوخت‌های زیستی به عنوان یک منبع بالقوه انرژی در حال جذب مشتری هستند، برای خیلی از کاربران این گزینه هنوز شکل واقعی به خود نگرفته است. به گفته فیشر گاز طبیعی کماکان محمتمل‌ترین منبع انرژی برای آینده نزدیک خواهد بود.

بلوم ادعا می‌کند که سرمایه‌گذاری مشتریان در خرید بلوم باکس، از محل صرفه‌جویی در هزینه انرژی مصرفی طی 3 تا 5 سال قابل بازگشت است. به گفته شرایدر سیستم بلوم باکس با استفاده از گاز طبیعی می‌تواند انرژی الکتریکی را با نرخ 8 تا 10 سنت به ازای هر کیلووات ساعت تولید کند. اما این قیمت تنها از قیمت فعلی برق مصرفی صنایع کمتر است.

یکی از اهداف بلوم معرفی یک بلوم باکس 1 کیلوواتی برای مصارف خانگی است. اگرچه 1 کیلووات بر روی کاغذ خیلی اقتصادی به نظر می‌رسد، اما مصرف کننده خانگی در انتهای سیستم توزیع برق با آن سازگاری ندارد. به گفته کارشناسان مقدار واقع‌بینانه‌تر حدود 5 کیلووات است.

همچنین خود بلوم باکس نیز چندان ارزان نیست. یک سیستم خانگی در حدود سه‌هزار دلار هزینه خواهد داشت. سیستم‌های بزرگ نیز که توسط شرکت‌هایی مثل گوگل و فدکس خریداری شده است، بین 700 تا 800 هزار دلار هزینه دارد. اگرچه هدف نهایی بلوم توسعه این سیستم به بنگاه‌های تجاری کوچک و بازارهای خانگی است، تمرکز فعلی شرکت بر تولید سیستم‌های گران‌قیمت‌تر 100 کیلوواتی مورد استفاده بنگاه‌های بزرگ مانند گوگل، eBay، فدکس و دیگران است. بلوم باکس‌های کوچک‌تر هنوز جنبه تجاری پیدا نکرده‌اند.

بلوم باکس همچنین با یک مشکل در ساخت مواجه است. کاشی‌های سرامیکی توسط فناوری‌های تولید انبوه نیمه‌هادی‌ها تولید می‌شود. این فناوری مدت‌ها قبل توسعه یافته و مملو از مشکلاتی هست که بلوم باید بر آنها نیز غلبه کند. تنها در این صورت است که شرکت بلوم می‌تواند کاشی‌های سرامیکی مورد نیاز خود را در مقیاس بازارهای جهانی تولید کند.

بلور زعفرانی برای حافظه‌های رایانه‌ای سبز

فلزات به‌کار رفته در حافظه‌های رایانه‌ای موادی کم‌یاب یا سمی هستند؛ اما با کشفبلور زعفرانی برای حافظه‌های رایانه‌ای سبز رفتار فروالکتریک در بلورهای زعفرانی رنگ اسید کروکونیک، دست‌یابی به الکترونیک سبز و دوست‌دار محیط زیست دور از دسترس نیست.

مجید جویا: یک بلور زعفرانی رنگ می‌تواند به دست‌یابی به الکترونیک سبزتر کمک کند.

برخی از انواع حافظه‌های کامپیوتری کم‌توان، داده‌ها را با استفاده از فلزات فروالکتریک ذخیره می‌کند؛ یعنی آنها هنگامی که در یک میدان الکتریکی قرار می‌گیرند، قطب‌های مثبت و منفی را شکل می‌دهند. اما خیلی از فلزاتی که معمولا در این حافظه‌ها مورد استفاده واقع می‌شوند، کمیاب یا سمی هستند.

به گزارش نیوساینتیست، به تازگی ساچیو هیروشی از موسسه ملی علوم و فناوری‌های پیشرفته صنعتی در ایبکاری ژاپن و همکارانش، توانستند رفتار فروالکتریک را در بلور اسید کروکونیک کشف کنند، ماده‌ای که تنها از کربن، اکسیژن و هیدروژن تشکیل شده است.

اسید کروکونیک یکصد و هفتاد سال پیش از این کشف شده بود، ولی برای اولین بار در دهه گذشته، حالت بلوری آن تولید شد. هنگامی که گروه هیروشی یک میدان الکتریکی را در دمای اتاق به بلور‌ها اعمال کردند، توانستند قطبیت الکتریکی آن را معکوس کنند.

پژوهشگران دریافتند که یک تاخیر زمانی بین حذف میدان و عکس شدن قطبیت بلور وجود دارد. به گفته هیروشی، این «حالت معمول فروالکتریک‌ها است، و یک اشاره مستقیم به توانایی آنها برای ذخیره و معکوس کردن یک پلاریته الکتریکی است». از این یافته می‌توان نتیجه گرفت که می‌توان از اسید کروکونیک در الکترونیک آلی استفاده کرد.

مارتی گرگ در دانشگا کوئینز بلفاست در بریتانیا، می‌گوید که در حال حاضر هم تعدادی پلیمر آلی با ویژگی‌های فروالکتریک وجود دارند که از میان آنها می‌توان به پلی‌وینیلیدین فلوراید اشاره کرد. «ولی در دسترس بودن سیستم‌های فروالکتریک آلی‌تری به نسبت سیستم‌های پی.‌وی.‌دی.‌اف مانند خیلی جالب توجه است، چرا که فرصت‌های بیشتری را برای ابزارهای آلی به نسبت آنچه که تا پیش از این در دسترس بوده‌اند فراهم می‌آورد».

به رغم اینکه او به این نکته اشاره می‌کند که از نتایج گروه هیروشی چنین بر می‌آید که اسید کروکونیک پلاریته را خیلی آهسته‌تر از آنچه که برای استفاده در رم‌های فروالکتریک لازم است تغییر می‌دهد، «من فکر می‌کنم که نتایج این کار، به هر حال، خیلی هیجان انگیز خواهد بود».

ابررسانای جدید

نخستین ابررسانای گرم بیش از 20 سال پیش کشف شد، اما حدود یک سال پیش بود که محققان ژاپنی توانستند خانواده جدیدی از ابررساناهای گرم را کشف کنند که استفاده از آن به‌مراتب ساده‌تر است. هیجان ناشی از کشف این خانواده جدید به سرعت به امیدواری تبدیل شد؛ امید به این‌که آیا ترکیبات آرسنیدآهن، که به نام پنیکتاید (ترکیب دوتایی گروه 5 اصلی) شناخته می‌شوند، همان دستاورد دست‌نیافتنی جامعه ابررسانا است؟ از لحاظ نظری با کشفیات جدید، توضیح ابررسانایی در دمای بالا پیچیده شده؛ اما در بخش تجربی، پنیکتایدها هر روز بهتر از دیروز به نظر می‌رسند. 

محققان توانسته‌اند با اندکی تغییر در آماده‌سازی پنیکتایدها، دمای بحرانی پایین آن را تا 56 کلوین، معادل 217- درجه سانتی‌گراد افزایش دهند. در دمای زیر دمای بحرانی، این مواد به حالت ابررسانایی می‌رسند که به معنی انتقال الکریسیته بدون مقاومت است. دمای 56 درجه کلوین شاید در نگاه اول بسیار پایین باشد، اما آن‌قدر بالا هست که به این ابررسانا، ابررسانای گرم گفته ‌شود.

هرچند هنوز برای ابررسانایی در دمای اتاق راهی دراز در پیش است، اما هرگز دما به اندازه دمای ابررسانایی پنیکتایدها مناسب نبوده است. نتایج تحقیقاتی که در نشریه نیچر چاپ شده، نشان می‌دهد که پنیکتایدها مزایای متمایز دیگری نیز نسبت به ابررسانای دمای بالای مبتنی بر مس، به نام کاپریت که پیشتر کشف شده بود، دارند.

به نظر می‌رسد پنیکتایدها بر خلاف کاپریت‌ها، بدون هیچ تعلقی نسبت به آرایش بلوری خود ابررسانا می‌شوند؛ همچنین به نظر می‌رسد که آنها ظرفیت بیشتری را برای انتقال جریان‌های قوی‌تر و تولید نیروهای مغناطیسی بزرگ‌تر دارند. بنابراین آنها برای ساخت میدان‌های مغناطیسی قوی در شتابدهنده‌ها در مرزهای فیزیک انرژی بالا و هم‌چنین روش‌های تشدید مغناطیسی هسته‌ای که زیست‌شناسان مولکولی برای تعیین خصوصیات پروتئین از آن استفاده می‌کنند، بسیار مناسب‌ترند.

پائول کنفیلد، فیزیکدان آزمایشگاه ملی ایمز در آیوا، آمریکا، که به تازگی روی پنیکتایدها کار کرده، می‌گوید: «من نمی‌گویم که نسل جدیدی از سیم‌های مغناطیسی را بدست آورده‌ایم؛ اما این خیلی خوب به کار انواع میدان‌های مغناطیسی که می‌شود در این‌گونه مواد ایجاد کرد، می‌آید.»

ابررسانایی در هر جهت
پس از این‌که ابررساناهای گرم کاپریت در 1365 / 1986 کشف شد، پژوهشگران پس‌از یک دهه تلاش توانستند دمای بحرانی آن را به 138 کلوین ارتقا دهند. اما نظریه‌دانان از درک سازوکار رفتاری این ابررسانا که متفاوت با ابررساناهای مرسوم فلزی با دمای بحرانی بسیار پایین است، عاجز ماندند. فکرهای زیادی برای استفاده از کاپریت‌ها با ساختار دوبعدی ساخته شد. در وهله اول به نظر می‌رسید که پنیکتایدها مشابه کاپریت‌ها هستند. به گفته جان سینگلسون از آزمایشگاه ملی لس‌آلاموس در نیومکزیکو و نویسنده چندین مقاله دانشگاهی در این زمینه، فرض بر این بود که این دو خانواده ابررسانا از لحاظ فیزیکی بسیار شباهت داشته باشند.

تحقیقات نشان داد که پنیکتایدها می‌توانند تقریبا به طور یکسان در تمامی جهات ابررسانا شوند و همچون کاپرایت‌ها محدودیتی در صفحه (دو بعد) ندارند. سازوکار دقیق آنها هنوز هم ناشناخته باقی مانده، اما دیگر نیازی نیست که آزمایشگران در جستجوی ابررساناهای گرم نوین، خود را به ساختارهای لایه‌ای محدود کنند. کنفیلد که تحقیق مشابهی را در سال 2008 منتشر کرده، در این مورد می‌گوید: «این کشف، دامنه جستجو را وسیع‌تر می‌‌کند.»

رفتار در تمام جهت‌ها دارای دلالتی تجربی است. زحمات زیادی کشیده شده که سیم‌ها و نوارهای کاپریتی را به گونه‌ای شکل دهند که ذرات در راستای جهت ابررسانایی خواسته شده قرار بگیرند. با پنیکتایدها، دیگر به این کارهای آزاردهنده و دشوار نیازی نیست. هارولد وینستاک، مدیر برنامه تحقیق ابررسانایی در دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی در آرلینگتون ویرجینیا، می‌گوید: «این خیلی کار را برای ساخت کارخانه‌ای آن ساده می کند.»

افسون مغناطیسی
اگرچه ابررساناها را با دمای بحرانی‌شان مقایسه می‌کنند، اما ارتقای روش‌های سرمازایی برودتی هم از اهمیت این عامل و هم از هزینه‌های تحمیلی می‌کاهد. دو عامل اساسی دیگر در ابررساناها، توانایی انتقال جریان الکتریکی زیاد و تولید میدان مغناطیسی بزرگ، می‌تواند بیشتر حائز اهمیت باشد؛ به ویژه در زمانی که ابررساناها برای ساخت میدان‌های مغناطیسی قوی به کار گرفته می‌شوند. این‌جاست که پنیکتایدها بر کاپریت‌ها غلبه می‌کنند. دیوید لاربالستیر، مدیر مرکز ابررسانایی کاربردی در آزمایشگاه میدان مغناطیسی قوی ملی آمریکا در دانشگاه ایالتی تالاهاسی فلوریدا، می‌گوید: واقعا به نظر می‌رسد که این‌ها (پنیکتایدها) بهترند.»

یکی از استفاده‌های ممکن این ابررساناها، در ماشین‌های تشدید مغناطیسی هسته‌ای، ان.ام.آر است که با استفاده از میدان‌های مغناطیسی کم‌توانتر، تصاویر پزشکی با جزئیات بالایی از بدن انسان تولید می‌کند. ماشین‌های ان.ام.آر بسیار نوین که زیست‌شناسان مولکولی از آن برای تعیین خصوصیات پروتئین‌ها استفاده می‌کنند، با میدان‌های مغناطیسی به شدت 20 تسلا کار می‌کنند، اما شدت میدان مغناطیسی بالاتر، حساسیت و تفکیک بیشتری را بدست می‌دهد.

دومین عرصه برای استفاده از این ابررساناها در فیزیک انرژی بالا است، جایی‌که از میدان‌های مغناطیسی ابررساناها برای شتاب دادن ذرات استفاده می‌شود. برخورددهنده میون، شتابدهنده‌ای که دو دسته ذره را در خلاف جهت یکدیگر شتاب می‌دهد تا با یکدیگر برخورد کنند، می‌تواند از میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی‌ای که پنیکتایدها تولید می‌کنند، استفاده کند. ذرات در این برخورددهنده دارای طول عمر بسیار کوتاه هستند؛ اما در صورت استفاده از ابررساناهای جدید می‌توان آن‌ها را به جای شتاب دادن کند در حلقه‌های بزرگ،‌ در حلقه‌ای کوچک‌تر شتاب داد. شتاب دادن کند در حلقه‌های بزرگ، مشابه کاری است که با استفاده از میدان‌های مغناطیسی 8 تسلا روی پروتون‌های با طول عمر بالاتر در برخورددهنده بزرگ هادرون در سرن، آزمایشگاه فیزیک هسته‌ای اروپا، اتفاق می‌افتد.

اگرچه وینستاک، پنیکتایدها را «هیجان‌آور» و «امیدوارکننده» می‌داند، ولی مطمئن نیست که این کشف جدید بتواند به زودی در تمام این کاربردها مورد استفاده قرار گیرد. دانشمندان علم مواد، برای مهندسی نوارها و سیم‌های کاپریت، 20 سال زحمت کشیدند؛ اما دستاوردشان هنوز گران‌قیمت است و به‌سختی خاصیت مغناطیسی می‌یابد. وینستاک می‌افزاید: «فکر نکنم پنیکتایدها بتوانند تا یکی دو سال آینده جای کاپریت‌ها را بگیرند.» 

منبع :NatureNews 

پربیننده‌ترین سایت فناوری نانو در جهان

سایت ستاد ویژة توسعه فناوری‌نانو ، پربیننده‌ترین سایت جهان در بین تمام سایت‌های مرتبط با فناوری‌نانو است.
بر اساس آمار و تحلیل‌هایی که از سایت Alexa استخراج شده است، روزانه بیش از 15000 نفر از سایت ستاد نانو بازدید می‌کنند، در حالی که مهمترین رقیب آن یعنی سایت نانووِرک، روزانه حدود 9000 بازدیدکننده دارد
.
این درحالی است که بازدید کنندگان سایت ستاد را فقط افراد فارسی زبان و عمدتاً ایرانی تشکیل می‌دهند، درصورتی که سایت‌های رقیب همه به زبان انگلیسی هستند و گسترة بازدیدکنندگان آنها بسیار بیشتر است.
طبق این بررسی، معتبرترین سایت‌های فناوری نانو در جهان عبارتند از:
رتبهنام سایتآدرسرتبه در بین تمام سایت‌های جهان
1ستاد فناوری نانوی ایرانwww.nano.ir116289
2نانووِرکwww.nanowerk.com120788
3نانوتک ناوwww.nanotech-now.com170821
4فورسایت آمریکاwww.foresight.org247402
5نانوتک وبwww.nanotechweb.org383255
6ستاد فناوری نانوی آمریکاwww.nano.gov624236

منبع