وقتي از ميكرومهندسي يا مهندسي در مقياس ميكرو صحبت مي شود، اغلب داستان هاي علمي تخيلي را در ذهن تداعي مي كند. براي مثال روبوت هاي كوچكي كه اعمال ترميمي را در اعماق بدن انسان انجام مي دهند. شايد با شنيدن چنين جمله اي چشمان هر سرمايه گذاري كم فروغ شود، اما ميكرومهندسي از مدت ها پيش رنگ و بويي كاملا حقيقي به خود گرفته است. امروزه مي توان كاربرد هاي موفق بسياري براي اين زمينه از تكنولوژي برشمرد كه هر ماه بر تعداد آنها افزوده مي شود. محققان در قالب شركت ها، آزمايشگاه هاي ملي و كمپاني هاي نوپاي كوچك صدها اختراع قابل توجه را به نام خود ثبت مي كنند. مخترعان با بكارگيري همين تكنولوژي ها براي حك كردن خطوط مدار روي تراشه هاي نيمه رسانا، نسل جديدي از ميكروسنسور ها، ميكرو كار انداز ها، ميكروماشين ها، ميكروآينه ها و ديگر وسايل كوچك را توليد كرده اند. اين اختراع هاي به ظاهر كوچك اثر بسيار بزرگي در تمامي صنايع از خودروسازي گرفته تا مهندسي پزشكي، كامپيوتر و ارتباطات به جاي گذاشته اند.

پتانسيل اين تكنولوژي گام به گام در حال شكوفايي است. پيش از اين سگدست هاي كوچك را ديده ايم كه چگونه باعث باد شدن كيسه هواي ايمني اتومبيل ها مي شوند. همچنين شاهد تراشه هايي با پوشش مواد محرك زيست شناختي بوده ايم كه با انجام يك آ زمايش تقريبا تمامي بيماري هاي ژنتيكي يا عوامل بيماري زا در شيوع بيماري ها را تشخيص مي دهد. حتي تئوري موتور هاي كوچك نيز به سرعت شمايلي عملي به خود گرفته است. به تازگي محققان جعبه دنده كوچكي ساختند كه نيروي چرخ دنده هايي به اندازه ميكرون را با نرخ يك به سه ميليون افزايش مي دهد.

واژه  نانوتكنولوژي از پيشوند يوناني نانو گرفته شده است. در گفتار علمي مدرن يك نانومتر معادل يك ميلياردم متر است، در حدود مجموع قطر ده اتم كه كنار هم چيده شده باشند. امكان مهندسي در مقياس مولكولي براي اولين بار توسط ريچارد فاينمن (R.Feynnman)، برنده جايزه نوبل فيزيك،  مطرح شد. فين من طي يك سخنراني در انستيتو تكنولوژي كاليفرنيا در سال 1959 اشاره كرد كه اصول و مباني فيزيك امكان ساخت اتم به اتم چيز ها را رد نمي كند. وي اظهار داشت كه مي توان با استفاده از ماشين هاي كوچك ماشين هايي به مراتب كوچك تر ساخت و سپس اين كاهش ابعاد را تا سطح خود اتم ادامه داد. همين عبارت  هاي افسانه وار فاينمن من راهگشاي يكي از جذاب ترين زمينه هاي نانو تكنولوژي يعني ساخت روبوت هايي در مقياس نانو شد. در واقع تصور در اختيار داشتن لشكري از نانوماشين هايي در ابعاد ميكروب كه هر كدام تحت فرمان يك پردازنده مركزي هستند ، هر دانشمندي را به وجد مي آورد. در روياي دانشمنداني مثل جي استورس هال (J.Storrs Hall) و اريك دركسلر (E.Drexler) اين روبوت ها يا ماشين  هاي مونتاژكن كوچك تحت فرمان پردازنده مركزي به هر شكل دلخواهي درمي آيند. شايد در آينده اي نه چندان دور بتوانيد به كمك اجراي برنامه اي در كامپيوتر، تختخوابتان را تبديل به اتومبيل كنيد و با آن به محل كارتان برويد.

گاهي اوقات اختراع مادر احتياج است. سال ميلادي گذشته محققان دانشگاه بركلي كاليفرنيا در شماره 24 جولاي 2003 مجله نيچر شاهكار خود يعني ساخت كوچك ترين موتور جهان را گزارش كردند. اما اين اختراع آنها را با اين پرسش مواجه كرد كه با اين موتور كوچك چه مي شود كرد؟ اين موتور با روتوري از جنس طلا كه روي شفتي از نانوتيوب كربن سوار مي شود و با طول 500 نانومتر يعني 300 بار كوچك تر از قطر موي انسان، كوچك ترين موتور سنتزي است كه تاكنون ساخته شده است. كوچكي  اين موتور به حدي است كه مي توان آن را روي يك ويروس قرار داد و براي ديدن حركت اش نيازمند ميكروسكوپ كاوش الكترونيكي هستيد. (نوعي ميكروسكوپ الكتروني كه با حركت پرتوي از الكترون هاي متمركز در امتداد شي و خواندن الكترون  هاي جدا شده و نيز الكترون هاي ثانويه توليد شده توسط آن شي، تصويري سه بعدي از آن در لوله اشعه كاتدي تشكيل مي دهد.) به گفته آلكس زتل (A.Zettl) ، فيزيكدان دانشگاه بركلي كه تيم تحت هدايت او اين نانوموتور جديد را ساخت، «هنوز طبيعت اندكي جلوتر از ما است. در واقع موتورهاي زيست شناختي وجود دارند كه هم اندازه يا كمي كوچك تر از اين موتور هستند، اما ما دركار پيشي گرفتن از آنها هستيم.»

اين پروژه سدشكن تنها پانزده سال پس از ادعاي تيم ديگري از دانشمندان بركلي مبني بر ساخت اولين موتور در مقياس ميكرو انجام شد. در واقع ابعاد آن موتور در حدود 100 ميكرون يا به اندازه قطر موي انسان بود كه مي توان آن را نوعي گاليور در دنياي لي لي پوتي نانوتكنولوژي به شمار آورد. در سال 1988 ريچارد مولر (R.Muller)، پروفسور الكترونيك و همكارانش در مركز سنسور و كارانداز دانشگاه بركلي (BSAC)، اولين ميكروموتور فعال جهان را از جنس سيليكون ساختند. در حالي كه سيستم ميكروالكترومكانيكي آن موتور هنوز در انتظار كاربرد هاي قابل توجه صنعتي به سر مي برد. پروفسور مولر معتقد است كه ديگر سيستم هايي از اين دست امروزه پيش پا افتاده محسوب مي شوند. در واقع شتاب  سنج هاي ميكروالكترو  مكانيكي كه بخشي از آن بر پايه تكنولوژي ميكروماشين كاري استوار است و اكنون تقريبا در سيستم كيسه هواي ايمني تمامي اتومبيل ها و تنظيم كننده هاي ضربان قلب به كار مي رود، در همين مركز ساخته شده اند. همچنين مي توان به صف ميكرو آينه هايي كه با كريستال مايع در صفحه هاي نمايش فوق مدرن رقابت مي كنند نيز اشاره كرد. به گفته مولر «حتي در زمان اختراع ميكرو موتور آن وسيله بيشتر نمايشي بود. براي اثبات مهارت طراحان در ساخت مكانيسم  هاي فعالي در ابعاد ميكرومتر به طور مشابه موفقيت پروفسور زتل نيز نشان دهنده كنترل حركت در مقياس نانومتر است كه قلمرو نويني براي دستكاري هاي كنترل شده مي گشايد. هم اكنون برخي كاربرد هاي حياتي اين موتور در فعل و انفعال با نمونه هاي زيست شناختي به لحاظ ابعادي مشابه به چشم مي خورد كه مي تواند فوق العاده مهيج باشد.» به گفته زتل «كار مولر الهام  دهنده واقعي ما در اين راه بود. او كار جالبي انجام داد، زماني كه به موتور او حين حركت نگاه كردم كاري هنرمندانه و بسيار زيبا بود. اما امروز همان موتور در نظرم تبديل به هيولايي شده است.» شفت اين موتور جديد از يك نانوتيوب منفرد كه ضخامت به اندازه چند اتم كربن يعني بين 5 تا 10 نانومتر است تشكيل مي شود. در واقع نانوتيوب  ها ساختار هايي شبيه ني هستند كه از يك ورقه بدون درز گرافيت با ضخامت تنها يك مولكول تشكيل شده اند. اين ساختار ها به خاطر ويژگي هاي بي همتايشان توجه دانشمندان را به شدت جلب كرده اند. براي مثال نانوتيوب ها 100 برابر قوي تر از فولاد هستند. مي توان از آنها هم به عنوان عايق و هم به عنوان نيمه رسانا استفاده كرد. همچنين شواهدي نظري وجود دارد كه مي توان از آنها به عنوان سيستم هاي ذخيره هيدروژن فشرده براي سوخت پاك اتومبيل هاي مجهز به پيل سوختي نيز استفاده كرد. اما پرسش اصلي كه زتل و همكارانش پس از ساخت اين موتور با آن مواجه شدند اين است كه اكنون با اين نانوموتور جديد چه مي شود كرد؟ به گفته آدام فني مور (A.Fennimore)، يكي از دانشجو هاي دوره دكترا در تيم زتل، «براي من بسيار دشوار است كه به درستي مقصدي براي آن تعريف كنم. اما كاملا روشن است كه مي توان اين موتور را در جايي روي يك وسيله مكانيكي سوار كرد. در واقع ايده هاي متفاوت بسياري درباره موارد استفاده آن وجود دارد.»

البته تيم دانشگاه بركلي اولين گروهي نيستند كه عهده دار ساخت نانوموتور ها شده اند. اما برخي تلاش هاي اخير منجر به ساخت موتورهايي به مراتب بزرگ تر شده است. ديگراني هم كه پيش از اين به ابعاد موتور زتل نزديك شده بودند، براي به كار انداختن اختراع شان مجبور به استفاده از ميدان مغناطيسي يا ليزر بودند. از آنجايي كه نانوموتور بركلي مشابه الكتروموتورهاي معمولي از جريان الكتريكي بهره مي گيرد، انتظار مي رود كاربردهاي گسترده تري داشته باشد. يكي از اين كاربردهاي احتمالي و البته پيش پا افتاده استفاده از آنها به عنوان دستگاه ميكروسيالي براي به حركت درآوردن سيالات در مقياس كوچك است.

ميكروسكوپ كاوش الكتروني دانشگاه بركلي مي تواند در هر 33 ميلي ثانيه يك تصوير بگيرد. در واقع با اين محدوديت هيچ راهي براي فهميدن اين مسئله كه آيا شفت موتور سريع تر از 30 بار در ثانيه مي چرخد وجود ندارد. البته زتل معتقد است كه حركت موتور سريع تر از اين است. به گفته وي «به لحاظ تئوري مي توان از اين موتور به عنوان يك نوسان ساز مايكروويو استفاده كرد كه براي رسيدن به اين منظور موتور بايد حركتي الاكلنگي با نرخ دست كم يك ميليارد بار در ثانيه داشته باشد.»

به گفته زتل دنياي نانو، دنيايي اسرارآميز است و نيروهاي معمولي در آن به شيوه اي كه در الكتروموتورهاي معمولي مثل آنچه در جاروبرقي منزلتان يافت مي شود، اثر نمي كنند. براي مثال جاذبه مطلقا هيچ نقشي در آن ايفا نمي كند. همچنين از آنجايي كه اجزاي نانوموتور تقريبا فاقد جرم هستند، اساسا خبري از اثرات اينرسي نيز به چشم نمي خورد. به بيان ديگر ميدان هاي الكتريكي باقي مانده اثر قدرتمندي دارند. در واقع زماني كه منبع انرژي الكتريكي قطع شود روتور تقريبا بي درنگ از حركت مي ايستد، اتفاقي كه در الكتروموتورهاي عادي هرگز رخ نمي دهد. در تشريح اين پديده بايد گفت كه هر بار الكتريكي باقي مانده در دستگاه پس از قطع جريان به عنوان يك نيروي بازدارنده عمل مي كند. ساخت نانوموتوري در مقياس اتمي به هيچ وجه كار كوچكي نيست. تيم زتل كار را با استفاده از قوس الكتريكي براي توليد گروهي از نانوتيوب هاي چندجداره كربن كه ساختاري تودرتو شبيه يك تره فرنگي در مقياس نانو دارند، شروع كردند. سپس اين نانوتيوب ها روي سطح صاف يك ويفر سيليكون (قطعه دواري با ضخامت بسيار كم از موارد نيمه رسانا مثل سيليكون خالص كه مي توان مدار مجتمعي را روي آن تشكيل داد) قرار گرفتند. محققان در گام بعدي به كمك ميكروسكوپ نيروي اتمي كه مي تواند اتم هاي منفرد را نشان دهد، بهترين نانوتيوب را انتخاب كردند. سپس از ليتوگرافي پرتوالكترون براي شكل دهي روتور طلايي، گيره ها و دو استاتور در اطراف نانوتيوب انتخاب شده استفاده شد. زماني كه بار الكتريكي 50 ولتي اعمال شد روتور شروع به حركت كرد. در ابتدا موتور تنها 20 درجه انحراف در هر طرف نشان مي داد. اما با اعمال يك شوك فوق العاده قوي از جريان مستقيم به استاتورها، تيم بركلي توانست نانوتيوب تودرتو را آزاد كند تا به عنوان ياتاقاني تقريبا بدون اصطكاك عمل كند. يكي ديگر از مشكلاتي كه محققان در آينده با آن روبه رو مي شوند، ساده سازي فرايند ساخت نانوموتورها است. به گفته زتل «هنوز پرسش هاي بنيادين بسياري وجود دارد كه تلاش مي كنيم پاسخي براي آنها بيابيم.»

نانوتكنولوژي هنوز از جنس علمي تخيلي است. در واقع هيچ كسي انتظار ندارد حتي با وجود اختراع نانوموتور به زودي لشكر روبوت هاي مونتاژكن از هيچ آزمايشگاهي خارج شوند يا ماشين  هاي بسيار كوچكي كه از اتم ها ساخته شده اند و مي توانند داخل بدن انسان حركت كنند موجب درمان در سطوح اتمي يا مولكولي شوند. اما در اذهان عمومي و برخي از دانشمندان اين نگراني موج مي زند كه ممكن است نانوتكنولوژي از كنترل مخلوقاتش عاجز بماند و آنها به طور بي پاياني تكثير يابند و پايان حيات خاكي را رقم بزنند. به طور يقين ما از چنين عاقبتي به كلي دوريم اما مردم درگيرودار بحث هايي از اين نوع كه به ندرت به مسائل تكنولوژيكي كشيده مي شود، چنين دورنمايي را به تصوير مي كشند.

نانوتكنولوژي علم توليد اتم به اتم و مولكول به مولكول اشياي كوچك است. تاكنون ميلياردها دلار صرف تحقيق و توسعه در اين زمينه شده است و محصولات فراواني روانه بازار مصرف شده اند كه هيچكدام نشاني از بروز فاجعه نداشتند. اما آنچه در اين ميان ضروري به نظر مي رسد مطالعات بيشتر درباره اثرات زيست شناختي و محيطي نانو تكنولوژي است كه در اين راستا گام هايي از سوي طلايه داران اين تكنولوژي اسرارآميز برداشته شده است.

( به نقل از روزنامه شرق 27/12/82 )

منابع:

ScienceDaily.com
Popularmechanics.com
The-Scientist.com
TechnologyReview.com