پيشنهادهاي فاينمن درباره فناوري نانو

ديدگاه هاي ريچارد فاينمن، فيزيکدان برندة جايزة نوبل سال 1965، نقش بسزايي در پي ريزي علوم نانو داشته است. او ديدگاه هاي خود را در يک سخنراني در انجمن فيزيک آمريکا با نام «در پايين دست فضاي زيادي وجود دارد.» مطرح کرد (29 دسامبر 1959، برابر با 23 آذر 1338). در اين سخنراني پيش بيني هاي قابل توجهي مطرح شد که در زمان ما تحقق بسياري از آنها مشهود است. متني که مي خوانيد، ترجمه اي است از سخنراني فاينمن و توضيحاتي که در مورد ميزان تحقق آن پيش بيني ها داده شده اند.

1. حوزة علوم نانو

فاينمن:

مي خواهم حوزه اي را شرح دهم که هنوز جاي کار زيادي دارد. اين حوزه شبيه حوزة فيزيک ذرات بنيادي نيست، زيرا چيز زيادي در مورد اينکه ذرات بنيادي عجيب چه هستند نمي گويد. بلکه بيشتر شبيه فيزيک حالت جامد است، چون در مورد پديده هاي عجيبي که در شرايط پيچيده اتفاق مي افتند، اطلاعات جالبي مي دهد. به علاوه، نکته اي که از همه مهمتر است، تعداد زيادِ کاربردهاي تکنيکي اين حوزه است.

اشاره

واقعيت اين است که علوم نانو نگرشي بنيادي دربارة جهان در مقياس کوچک به ما نمي دهند. نگرش بنيادي، پديده هاي عالم را با معادلات رياضي واحدي توضيح مي دهد. علوم نانو به مقياس کوچک تر از اتم کاري ندارند. در عوض، در مورد ذرات بنيادي بسيار ريزتر ــ به کوچکي کوارک ها و لپتون ها که حداقل ده مرتبه کوچک تر از اتم هستند ــ فيزيک بنيادي دستاوردهاي خوبي دارد.

از سوي ديگر، علوم نانو نگرش متفاوتي در مورد ظهور پديده هاي جديد مي دهند. در اين نگرش، از کنار هم گذاشتن تعدادي برهم کنشِ ساده بين اجزاي تشکيل دهندة سيستم، خاصيت جديدي در کلّ سيستم، متفاوت با خواص اجزاي آن، بروز مي کند؛ چيزي که در شبيه سازي هاي رايانه اي تا حدي مشاهده شده است. بنابراين، علوم نانو به ما نگرشي بنيادي در مورد پيشرفت هاي فناوري در آيندة نزديک مي دهند.

2. ساختن در مقياس اتمي

فاينمن:

چيزي که مي خواهم بگويم، مشکل توليد و کنترل اشيا در مقياس کوچک است. به محض طرح اين موضوع، مردم به من در مورد کوچک سازي و ميزان پيشرفتِ آن تا امروز مي گويند. آنها از موتورهاي الکتريکي اي به کوچکي ناخن انگشت سخن مي رانند. آنها مي گويند وسيله اي وجود دارد که مي تواند متن کتاب مقدس را در سر سوزن بنگارد. اما دنياي کوچک شگفت آورتري در پايين دست وجود دارد. در سال 2000، وقتي به روزگار ما نگاه کنند، با تعجب مي پرسند چرا تا سال 1960 کسي به طور جدي به اين سمت حرکت نکرده بود؟ چرا ما نمي توانيم 24 جلد «دايره المعارف بريتانيکا» را در سر يک سوزن بنويسيم؟ بگذاريد ببينيم چه مسائلي دخيل هستند. پهناي سر سوزن يک ميلي متر است. اگر آن را 25 هزار بار بزرگتر کنيم، سطح سر سوزن برابر با مساحت همة صفحات «بريتانيکا» مي شود. بنابراين، تنها لازم است که اندازه هاي نوشته هاي دايره المعارف را 25 هزار بار کوچک کنيم. آيا چنين چيزي ممکن است؟ قدرت تشخيص چشم انسان دو دهمِ ميلي متر است که برابر با يکي از نقطه هاي کوچک دايره المعارف يادشده است. اگر آن را 25 هزار بار کوچک کنيد، هنوز هشتاد انگسترم (هشت نانومتر) پهنا دارد، يعني به پهناي 32 اتم در يک فلز معمولي. به زبان ديگر، يکي از آن نقاط هنوز هزار اتم در خود جاي مي دهد. بنابراين، هر نقطه مي تواند در اندازة لازم براي چاپ تنظيم شود؛ ديگر شکي نيست که در سر سوزن فضاي کافي براي قرار دادن «دايره المعارف بريتانيکا» موجود است.

اشاره

اين کار در زمان حاضر امکان پذير است. اگر سر سوزن از جنس سيليکون و تخت باشد، با ليتوگرافي پرتوي الکتروني مي توان نقوشي در اين ابعاد و با اين دقت ايجاد کرد.

فاينمن:

حال که «دايره المعارف بريتانيکا» روي سر سوزن جا شد، بياييد همة کتاب هاي عالم را در نظر بگيريم. کتابخانة کنگره حدود نُه ميليون جلد کتاب دارد، کتابخانة موزة بريتانيا پنج ميليون جلد و کتابخانة ملي فرانسه پنج ميليون جلد ديگر. مسلماً در ميان اينها نسخه هاي تکراري هم وجود دارند. بنابراين، فرض کنيم 24 ميليون جلد کتابِ غير تکراري در دنيا وجود دارند. کتابدار ما در کَلتِک (مرکز تحقيقاتي که فاينمن در آنجا تدريس و تحقيق مي کرد) هر چه قدر تند و تيز باشد، بعد از ده سال فقط مي تواند اطلاعات مربوط به 120 هزار جلد کتاب را توي کارت ها بنويسد. متن کتاب هايي که از کف تا سقفِ همة ساختمان کتابخانه چيده شده اند، و کارت هايي که همة کشوهاي کتابخانه را انباشته اند، همه مي توانند تنها در يک کارت نگه داري شوند. آيا چنين چيزي ممکن است؟

اشاره

اگر فرض کنيم هر کتاب يک ميليون حرف دارد، 24 ميليون جلد کتابي که فاينمن مي گويد، در فضايي معادل با 24 ترابايت ذخيره مي شود. در چند سال آينده، يک آرايه از لوح هاي RAID گنجايش همة اين اطلاعات را خواهد داشت. گرچه هنوز به اندازة يک کارت کتاب نيست، اما خيلي به آن نزديک است.

3. ارتباط بين فيزيک، شيمي و زيست شناسي

فاينمن:

بنابراين بايد بتوانيم اتم هاي منفرد را ببينيم. اگر اتم ها را از هم جدا ببينيم، چه فايده اي دارد؟... ما دوستاني در رشته هاي ديگر داريم، مثلاً در زيست شناسي. ما فيزيکدان ها معمولاً به آنها نگاه مي کنيم و مي گوييم: «مي دانيد چرا همکاران شما اين قدر کُند پيشرفت مي کنند؟ (در واقع، من رشته اي را نمي شناسم که در زمان ما رشدي به سرعت زيست شناسي داشته باشد) شما بايد رياضيات را بيشتر به کار ببريد، همان کاري که ما مي کنيم.» آنها مؤدبانه پاسخ مي دهند: «کاري که شما بايد انجام دهيد تا ما سريع تر پيشرفت کنيم، اين است که ميکروسکوپ الکتروني را صد مرتبه بهتر کنيد.»

اشاره

ميکروسکوپ هاي پيمايشيِ امروزي قدرت تشخيص پستي و بلندي هايي از مرتبة دهم انگستروم (صدم نانومتر) را دارند. يعني فيزيکدان ها درخواستي را که زيست شناسان آن زمان از زبان فاينمن بيان کرده اند انجام داده اند.

فاينمن:

اصلي ترين مسائل در زيست شناسي امروز چه هستند؟ سؤال هايي هستند مثل: ترتيب پايه هاي DNA چيست؟ وقتي يک جهش ژنتيکي رخ دهد، چه اتفاقي مي افتد؟ ترتيب پايه ها در DNA چه ارتباطي با اسيدهاي آمينه در پروتئين دارد؟ ساختار RNA چيست؟ يک زنجيره اي است يا دوزنجيره اي و چگونه در ترتيب پايه ها با DNA مرتبط مي شود؟ ساختار ميکروزوم چيست؟ پروتئين ها چطور سنتز مي شوند؟ RNA کجا مي رود؟ چگونه قرار مي گيرد؟ پروتئين ها کجا قرار مي گيرند؟ آمينواسيدها از کجا داخل مي شوند؟ در فتوسنتز، کلروفيل کجاست؟ چگونه چيده شده است؟ کاروتنويدها کجا در اين فرآيند دخيل مي شوند؟ سيستم تبديل نور به انرژي شيميايي چيست؟

پاسخ دادن به اين سؤالات بنيادي زيست شناسي بسيار ساده است. کافي است به ساختارها نگاه کنيد. مي توانيد ترتيب پايه ها را در زنجيره يا ترکيب ميکروزوم را ببينيد. متأسفانه ميکروسکوپ ها در حال حاضر، مقياسي را مي بينند که بسيار زمخت است. ميکروسکوپ را صد مرتبه بهتر کنيد. در اين صورت، بسياري از مسائل زيست شناسي ساده تر مي شوند.

اشاره

امروزه با استفاده از انبرک هاي ليزري مي توان يک مولکول DNA را زير ميکروسکوپ نيروي اتمي ثابت و تصويرش را ثبت کرد.

فاينمن:

...اگر فيزيکدان ها بخواهند، مي توانند دشواري کار شيميدان ها در مسائل تجزية شيميايي را حل کنند. تجزية هر ترکيب پيچيدة شيميايي بسيار ساده است، فقط بايد به آن نگاه کرد و ديد اتم ها کجا هستند... يک سيستمِ زيستي مي تواند بسيار کوچک باشد. سلول ها خيلي ريز، اما بسيار فعال اند. آنها ترکيبات مختلفي مي سازند، حرکت مي کنند، و همه جور اعمال شگفت انگيز انجام مي دهند، همه در مقياسي بسيار ريز. همچنين آنها اطلاعات ذخيره مي کنند. امکانش را تصور کنيد که ما هم بتوانيم چيزي بسيار کوچک بسازيم که آنچه ما مي خواهيم انجام دهد يا به عبارت ديگر بتوانيم شيئي بسازيم که در آن ابعاد مانور دهد!

اشاره

امروزه نانوبيوتکنولوژيست ها تلاش مي کنند تا با مهندسيِ سلول هاي جديد، فعاليت هاي اين سلول ها را مطابق هدف مطلوبشان کنترل کنند.

4. نانوماشين ها

فاينمن:

...امکانات يک ماشين کوچک با قابليت تحرک چيست؟ آنها ممکن است به دردنخور باشند، اما مسلماً ساختن آنها مُفرّح است. من نمي دانم به طور عملي چطور در ابعاد ريز اين کار را انجام دهم، اما مي دانم که ماشين هاي محاسبة بسيار بزرگ هستند، آنها اتاق هاي متعدد را اشغال مي کنند. چرا نمي توانيم آنها را خيلي کوچک بسازيم، آنها را از سيم هاي ريز بسازيم، از اجزاي کوچک ــ و منظور من از کوچک اين است که به عنوان مثال سيم ها 10 يا 100 اتم پهنا داشته باشند و مدارها در گسترة چند انگستروم قرار گيرند.

اشاره

اين شبيه همان مرحله اي است که فناوري سنتي سيليکون امروزه در آن قرار دارد. روش هاي زيادي براي ساخت اجزاي سنتي الکترونيک طراحي شده است. در عين حال، اصول جديدي براي کار ماشين هاي محاسبه با افزايش کنترل انسان در ابعاد نانو پيشنهاد شده است. ترانزيستورهاي مولکولي، ترانزيستورهاي تک الکتروني و اسپينترونيک حوزه هاي جديدي هستند که مورد مطالعة دانشمندان حوزة نانو قرار دارند.

عنوان اسپينترونيک از تشابه اين حوزه با رقيب (يا همکار) سنتي خود يعني الکترونيک ريشه گرفته است. در شيمي خوانده ايم که الکترون ها و برخي ديگر از ذرات بنيادي به غير از بار الکتريکي و جرم، خاصيت ديگري به نام اسپين هم دارند که يکي از خواص ذاتي الکترون به حساب مي آيد و دو مقدار مثبت يا منفي يک دوم به آن نسبت داده مي شود. جريان الکتريکي، پتانسيل الکتريکي و ميدان الکتريکي (که از روابط ماکسول پيروي مي کنند) ابزار اصلي در تحليل يک مدار الکترونيکي هستند و بيشتر با «بار الکترون» سر و کار دارند. محققان اسپينترونيک تلاش مي کنند تا با استفاده از قواعد حاکم بر برهمکنش و تغييرات «اسپين الکترون» روش هاي جديدي براي ساخت سيستم هايي معادل با مدارهاي الکترونيکي به خصوص براي محاسبه و ذخيرة اطلاعات بيابند.

فاينمن:

امکانات ماشين هاي کوچک اما متحرک چيست؟ ...دوست من، آلبرت هيبس، امکان جالبي براي يک ماشين کوچک پيشنهاد مي کند. او مي گويد که اگرچه ايدة بسيار خامي است، اما بسيار جالب است اگر بتواني جراح را ببلعي. جراح مکانيکي را درون رگ قرار مي دهي و او به داخل قلب مي رود و اطراف را مشاهده مي کند (مسلماً اطلاعات بايد به خارج ارسال شوند). او پيدا مي کند که کدام دريچه مشکل دارد و با يک چاقوي کوچک آن را جراحي مي کند. بعضي ماشين هاي کوچکِ ديگر مي توانند به طور دائم در بدن کار گذاشته شوند تا به اعضايي که نارسايي دارند، کمک کنند.

اشاره

ايدة بديع نانوماشين ها و کاربرد آنها در بدن انسان نخستين بار در سخنراني فاينمن مطرح شد. هر چند هنوز هم دانشمندان نسبت به عملي بودن اين ايده در آيندة نزديک مشکوک اند، اما بسياري از تحليلگران آينده آن را امکان پذير مي پندارند. در يک نانوروبوت، ابزارهايي براي حس کردن، پردازش اطلاعات، حرکت، ارسال اطلاعات به خارج و انجام عمليات خاص لازم است. دانشمندان موفق شده اند نمونه هايي از حسگرها، ردياب ها و موتورهاي بسيار کوچک شيميايي را در ابعاد نانومتر ايجاد کنند، اما هر کدام از اين عناصر نياز به سيستم هاي پيچيدة جانبي براي تکميل عملکرد خود دارند، مثلاً براي مشاهدة ردياب ها نياز به ميکروسکوپ و براي تحليل سيگنال حسگرها نياز به سيستم هاي پردازندة ماکروسکوپيک وجود دارد. درست مانند يک کامپيوتر خانگي که هرچند پردازندة آن بسيار کوچک (در حدود چند ميلي متر مربع) است، اما براي ايجاد کارايي نياز به قطعات بزرگ جنبي دارد. امکان گنجاندن همة اين ابزار در ابعادي کوچک تر از يک باکتري، به شدت مورد ترديدِ بسياري از دانشمندان نانو است.

فاينمن:

اما من هراسي ندارم که سؤال آخرم را طرح کنم. آيا ــ در آيندة بسيار دور ــ مي توانيم اتم ها را آن جور که مي خواهيم بچينيم؟ خود اتم هاي بسيار ريز! چه اتفاقي مي افتد اگر بتوانيم اتم ها را يکي يکي طوري بچينيم که مي خواهيم؟

اشاره

اين کار در حال حاضر، با استفاده از ميکروسکوپ نيروي اتمي بر روي سطوح تخت ممکن است، در عين حال قدرت طراحي اجزاي جديد با استفاده از کنترل خودآرايي مولکولي روز به روز در حال پيشرفت است. هرچند ايجاد ساختارهاي دلخواه سه بُعدي در اين روش ها و روش هاي مشابه محدود به چيدن لايه به لايه آنها مي شود. به تازگي اَبَربلورهايي با لايه نشاني توسط ليزر ساخته شده اند که در واقع موادي مصنوعي به حساب مي آيند که قبلاً وجود نداشته اند. در يکي از جديدترين اين دستاوردها، يک گروه هلندي با چيدن يک در ميان لايه هاي اتمي از يک نارسانا و يک فلز ضعيف، موفق به مشاهدة خاصيت ابررسانايي شده است. براي مطالعة بيشتر نشاني زير را ببينيد:

http://www.ims.tnw.utwente.nl/news/lego.doc/

ريچارد فاينمن توانسته است به نحوي شگفت انگيز بيشتر حوزه هاي فعاليت دانشمندان امروزي علوم نانو را در سخنراني خود معرفي کند. آن هم زماني که هنوز فعاليت چشمگيري در اين رشته شروع نشده بود. او اين کار را به دور از توهّم سازي و کاملاً حساب شده انجام داد. امروز به خوبي مي دانيم اهدافي که او 45 سال پيش مطرح کرد، يا به دست آمده اند يا در آيندة نزديک به وقوع خواهند پيوست. اينها همه نشان از پختگي و شهود قوي اين فيزيکدان برجسته و رهبر علمي دارد.

ريچارد فاينمن (11 مي 1918 تا 15 فوريه 1988) يکي از تأثيرگذارترين فيزيکدانان آمريکايي در قرن بيستم بود که نظرية الکتروديناميک کوانتومي را پيش برد. او سخنراني برجسته و نوازنده اي غيرحرفه اي بود. فاينمن به خاطر کارهايش بر روي نظرية الکتروديناميک کوانتومي، جايزة نوبل فيزيک را در سال 1965 به همراه جوليان شوينگر و شين ايچيرو توموناگا از آنِ خود کرد. سخنراني او را هنگام دريافت جايزه نوبل مي توانيد بخوانيد.

سه جلد کتاب فيزيک پايه با عنوان «سخنراني هاي فاينمن درمورد فيزيک عمومي» بر اساس يک دوره آموزش درس فيزيک پايه در دورة کارشناسي توسط وي تهيه شده اند که شايد بتوان گفت به اندازة جايزة نوبل اش، ماية شهرت فاينمن بوده اند.