ساختن از پایین به بالا

در سالهای اخیر كمتر لغتی در علوم فیزیك و شیمی به اندازه " علوم نانو" و " نانوتكنولوژی" استعمال – درست یا نادرست- داشته است."هیث -استاد شیمی دانشگاه كالیفرنیا -می‌نویسد : " چرا این همه علاقه‌مندی و اغراق‌گویی؟!" توضیح علاقه‌مندی نسبتا" ساده است: در ۱۵ سال گذشته ما شاهد انفجار ابزارهای سنجش نسبتا" ارزان قیمت ، مثل میكروسكوپی پروب‌اسكن‌كننده برای بازبینی و دستكاری مواد در مقیاس طولی نانومتر بوده‌ایم. در همین مدت، رشته‌های فراوانی كه نامربوط به این رشته بودند (مثل مهندسی برق و زیست‌شناسی) ، نیز متوجه فهم و كنترل پدیده‌های شیمیایی و فیزیكی در این مقیاس طولی و نوعا" ۱ تا ۱۰۰ نانومتر شده بودند. دانشمندان آموخته‌اند كه چگونه اندازه و شكل مواد مختلفی را در سطح اتمی و مولكولی كنترل كنند و در جریان كار آنها خواص جالب توجه و ذاتا" مفیدی را كه بسیاری از آنها غیرمنتظره بود، كشف كردند.
چادمیركین ، یك استاد شیمی كه بنیاد نانوتكنولوژی دانشگاه نورث‌وسترن را اداره می‌كند، می‌گوید: " این رشته در حال شكوفه‌زدن و تبدیل شدن به نیرویی برتر در علم در چندسال آینده است . تقریبا" یك قطار سریع‌السیر است، كه هیجان زیادی در موردش وجود دارد."
با این حال میركین خاطرنشان می‌كند : " در این زمینه اغراق‌گویی‌های فراوانی وجود دارد." بسیاری از گزافه‌گویی‌ها حاصل پیش‌بینی‌های خوش‌بینانه نانوتكنولوژیست‌های آینده‌نگر از علوم نانوی ابتدایی كنونی است. مثلا" نظریه‌پرداز نانوتكنولوژی ، اریك دركسلر، مدیر موسسه Foresight - در پالوآلتوی كالیفرنیا- و بعضی از همكارانش طرح ساخت اتم به اتم بازورهای رباتیك مولكولی را كه قادر به ساخت اشیای متفاوتی ازجمله بازوهای رباتیك دیگر هستند ارائه داده‌اند. در یك نظریه جسورانه دیگر، ابزارهای رباتیك برنامه‌ریزی شده كوچكتر از ۱۰۰ نانومترآزادانه در جریان خون انسان حركت كرده ، سلولهای سرطانی را شناخته و آنها را پیش از تبدیل شدن به تومور به صورت انتخابی نابود می‌كنند. بسیاری از دانشمندان مشتاق به علوم نانو، این ایده‌ها را افسانه‌های علمی تخیلی می‌دانند. مثلا" فراسر استودارت استاد شیمی دانشگاه UCLA می‌گوید :" این رشته شروع بدی داشته است . چون تصاویری از این دست در ذهن مردم نقش بسته است؛ مثلا" رباتهای شناكننده در جریان خون كه این یا آن موجود پلید را می‌كشند." در نتیجه این همه علاقه و گزافه‌گویی، تعریف نانوتكنولوژی تا حدّی نامشخّص می‌باشد- تا مقداری به خاطر این كه محقّقین زیادی ،حتّی آنها كه روی سیستمهای میكرومتری كار می‌كنند، سعی می‌كنند خودشان را زیر چتر نانوتكنولوژی نگه دارند. بعضی نانوتكنولوژی را با مفهوم دركسلری آن برای ساخت ماشینهای مولكولی قادر به دست‌كاری ماده با دقّت اتمی بكار می‌برند. از سویی دیگر گاهی نانوتكنولوژی به صورتی دربرگیرنده همه ، زیست‌شناسی مولكولی و شیمی – تصویری كه میركین آن را " احمقانه" می‌نامد- در نظر گرفته می‌شود. برای اینكه مطمئن شوید لازم است بدانید شیمیدانان عادت به كار در مقیاس نانو متری داشته‌اند ولی به قول میركین:" ساخت یك تركیب آن از طریق شیمی سنتری مرسوم، یك نمونه نانوتكنولوژی نیست." ولی به اعتقاد او، استفاده از تكنیكهای خود چیدمانی برای ایجاد اندك اجزای مولكولی كه به صورت یك مولكول حلقوی بزرگ با ابعاد چندین نانومتری تلفیق شوند مورد برحقی از نانوتكنولوژی است. مورد دوم دارای این تفاوت عمده است كه ساختارها با دستگاههایی كه از ۱۵ سال گذشته به قبل موجود نبوده‌اند ، تولید، توصیف، دستكاری و حتّی دیده می‌شوند.میركین تأكید می‌كند : " نانوتكنولوژی یك رشته وابسته به ابزار است و این ابزارها به مرور در حال بهتر شدن هستند."
جنبه كلیدی دیگر نانوتكنولوژی این است كه مواد نانومتری خواص شیمیایی و فیزیكی متفاوتی نسبت به مواد انبوه ارائه میدهند، كه می‌تواند مبنایی برای فناوریهای جدید باشد. مثلا" دانشمندان دریافتند كه می‌توانند خواص الكترونی –و در نتیجه نوری – ذرات نانومتر ی را با تنظیم اندازه ذره تعیین كنند. بنابراین وقتی فلز طلا به صورت میله‌های نانومتری درمی‌آید، شدت فلوئورسانس آن بیش از ۱۰ میلیون برابر میشود. این تحقیق كه اخیرا" توسط گروه مصطفی السّیّد، استاد شیمی بنیاد فنّاوری جورجیا صورت گرفته، مشخّص شده است كه طول موج منتشره به طور خطی با افزایش طول میله افزایش می‌یابد، در حالی كه شدّت نور با مجذور طول آن زیاد می‌شود. السّیّد توضیح می‌دهد :" این نانوذرات نوع جدیدی از مواد محسوب می‌شوند، كه خواصشان نه تنها به تركیب شیمیایی،كه به اندازه و شكل نیز وابسته است." این خواص برای كاربردهای ذخیره نوری اطلاعات، سیستمهای فوق‌العاده سریع ارتباطات داده‌ای و تبدیل انرژی خورشیدی مورد توجه قرار گرفته اند. نانومواد از قبل نقشی كلیدی در برخی فنّاوری های تجاری بازی می‌كرده است. ولی این مقاله روی بعضی تحقیقات علوم نانو كه چندسال با ثمردهی تجاری فاصله دارد،تمركز یافته است. هرچند به دلیل نویددهی ایجاد تغییرات شگرف در تولید دستگاهها ، سنسورها، موتورها و بسیاری موارد دیگر، بسیار تكان‌دهنده است. این وسایل امروزه با یك مدل " بالا به پایین" ساخته می‌شوند. مثلا" در صنعت میكروالكترونیك از تكنیكهای لیتوگرافیك برای حك كردن بلورسیلیكون برای ایجاد مدارات و ابزارهای میكرومتری استفاده می‌شود. این تكنیك‌ها اخیرا" به نقطه‌ای پیشرفت كرده است،كه اشكالی با ابعاد نانومتری را نیز می‌توان ساخت. هر ۱۸ تا ۲۴ ماه كه ابزارها ریزتر می‌شود تعدادی كه از آن میتوان در یك چیپ جا داد به دو برابر افزایش می‌یابد. ولی چیپ‌سازان برای ادامه روند كوچك‌سازی در دهه آینده به شدت تحت فشار خواهند بود. برای كوچك شدن به حوزه چند نانومتری، چیب‌ها دیگر پاسخگو نخواهند بود . به علاوه هزینه ساخت خطوط تولید جدیدی برای هر نسل جدید جیپ‌گران خواهد بود.
نانوتكنولوژی نوید یك راه‌حل ارزان قیمت " پایین به بالا" را در الكترونیك و دیگر وسایل ساخته‌شده از اجزای ساده‌تر مثل مولكولها و نانوساختارهای دیگر را می‌دهد. این روش مشابه عمل طبیعت در ایجاد ساختمانهای زیستی پیچیده است .
سوئیچ كردن با مولكول‌ها :
آزمایشگاه هیث در خط مقدم تلاشهای انجام‌شده برای ساخت كامپیوتری از پایین به بالا- چیزی كه او آن را " نانوكامپیوتر الكترونی با چیدمان شیمیایی" می‌نامد- است. گروه او با همراهی یك شیمیدان به نام استانلی ویلیامز و یك معمار كامپیوتر به نام فیلیپ كوئك از آزمایشگاههای Hewlett-packard واقع در پالوآلتوی كالیفرینا، سبكهای معماری بسیاری برای چنین ماشینی مطرح كرده‌اند. و چندی بیشتر با همكاری گروه استودارت در UCLA شروع به ساخت آنها نمودند . هیث خاطرنشان می‌كند : " وقتی شما به مردم می‌گویید كه می‌خواهید كامپیوتری بسازید، آنها فكر می‌كنند شما در حال استخدام شدن در Intel هستید . مقصود ما چنین چیزی نیست." هدف او نشان دادن این مطلب است كه یك نانوكامپیوتر ساده را واقعا" می‌توان ساخت. او با ذهنی مملو از چالشها می‌گوید :" ما فكر می‌كنیم این تمرینی سخت خواهد بود، كه سعی كنیم بفهیم چگونه یك چنین ماشینی را می‌توان ساخت و سپس آن را عملا" بسازیم." ابتدا هیث توضیح می‌دهد كه پروژه شامل به نخ كشیدن دهها سوئیچ مولكولی و نانوسیم به صورت مدارات منطقی و مدارات حافظه و " فراهم‌آوری امكان گفتگوی آنها" است. سوئیچ‌های مولكولی‌ای كه محققینی UCLA روی آنها كار می‌كنند ،" زنجیره"‌ها(Catennan) ، "تسبیح"‌ها (Rotaxane) و "شبه تسبیح‌"هایی است كه در دهه گذشته در آزمایشگاه استودارت ایجاد شده‌اند. ساده‌ترین مثال این قبیل سوئیچ‌ها ، یك حلقه مولكولی است كه به صورت مكانیكی به یك حلقه متفاوت دیگر زنجیر شده ( تا یك زنجیره را تشكیل دهد) یا روی یك مولكولی به بند كشیده شده است. ( تا یك تسبیح‌ یا شبه تسبیح‌ را شكل دهد) .در هركدام از این ساختارها حلقه مزبور می‌تواند دو موقعیت متفاوت كه بیانگر " ۰" و " ۱" دیجیتالی است داشته باشد، و به كمك اعمال ولتاژهای متفاوت بین این دو حالت سوئیچ كند. برای اتّصال دادن سوئیچ‌های مولكولی، تیم UCLA در حال كاوش در زمینه استفاده از نانوسیمهای سیلیكونی و نانولوله‌های كربنی كه در شبكه‌أی- به قول هیث "مثل یك صفحه ساعت"- قرار دارد،می‌باشد. این معماری مشتق‌شده از معماری كامپیوتر منحصر به فرد سیلیكونی Teramac است كه توسط Hewlett –packard چندسال قبل ساخته شد . در هر بند این شبكه، نانوسیمها با تك لایه‌ای از سوئیچ‌های مولكولی متصل شده‌اند. سال قبل، هیث استودارت و همكارانشان نشان دادند، كه سوئیچ‌های مولكولی از نوع تسبیح‌ را می‌توان به صف كرد تا یك گیت منطقی ایجاد كرد، هرچند وضعیت این سوئیچ‌ها تنها یكبار قابل تغییر بود.]C&EN,July ۱۹,۱۹۹۹,Page ۱۱ [Science,۲۸۵,۳۹۱(۱۹۹۹); در آگوست گروه گام بعدی را برداشت و گزارش داد كه سوئیچ‌های مولكولی زنجیره‌ای را میتوان بارها پیكربندی مجدد – یعنی بین حالت روشن و خاموش سوئیچ"- نمود.[Science,۲۸۶,۱۱۷۲(۲۰۰۰)] اگرچه تفاوت حالات "روشن" و "خاموش" ( از نظر مقاومت الكتریكی ) بسیار كمتر از حدی است كه برای مدارات منطقی مفید باشد، ولی این سوئیچ‌ها، به گفته هیث، برای حافظه مناسب هستند . هیث خاطرنشان می‌كند كه اهمیت این كار در این بود كه برای اولین بار او فهمید كه سوئیچ‌های مولكولی می‌توانند تحت شرایط عادی، بارها و بارها عمل كنند.
تك لایه ای از "زنجیره‌ها" كه بین دو صفحه الكترود محدود شده، به عنوان سوئیچ مولكولی عمل می‌كند محققین UCLA هم‌اكنون سوئیچ‌های مولكولی قابل تغییر دیگری دارند كه نسبت به مورد ماه آگوست پیشرفتهای زیادی كرده است . آنها انتظار دارند به زودی، این سوئیچ‌ها را در مدارات منطقی و حافظه بكار ببرند. هیث می‌گوید :" پس از آن ما باید آن سوئیچ‌ها را وارد گفتگو با هم كنیم، تا شما صاحب یك كامپیوتر شوید. نمونه اولیه چنین كامپیوتری تنها سه یا چهار سال دیگر وقت می‌خواهد.
به سمت یك استراتژی نانوسلولی :
یك مدل كاملا" متفاوت برای ساخت كامپیوترهای مولكولی از پایین به بالا در مركز علوم و فناوری نانوی دانشگاه رایس درهوستون پیگیری می‌شود. استاد شیمی جیمز تور و همكارانش در آنجا سیمهای مولكولی را ساخته و مطالعه كرده‌اند. نانوسیمهای آنها رشته‌های مزدوجی است كه در آنها به عنوان مثال حلقه‌های عاملی‌ بنزن بطور یك در میان با گروههای استیلنی قرار گرفته است. این سیمها گروههای عاملی خاصی در دو سر خود دارند كه مثل " گیره‌های تمساحی" موجب اتصال سیمها به طلا یا الكترودهای دیگر می‌شوند. با استفاده از چنین تكنیكهایی تور و همكار تمام وقتش مارك رید، استاد مهندسی برق و فیزیك كاربردی دانشگاه ییل، توانسته‌اند جریانهای الكتریكی كوچكی را كه از میان این سیمها می‌گذشت، اندازه‌گیری كنند.
آزمایشگاه تورمولكولهای مشابه دیگری نیز ساخته است، مثل حلقه‌های آروماتیك با گروههای استیلنی یك در میان كه به صورت دیودیا سوئیچ مولكولی عمل می‌كنند. سال گذشته مثلا" تور و رید تك لایه‌ای از چنین مولكولی گزارش كردند، كه وقتی تا ۶۰ درجه كلوین سرد می‌شد، رفتار سوئیچ‌كنندگی غیرعادی نشان می‌داد كه در ابزارهای سیلیكونی مرسوم دیده نشده است.] C&EN,Nov ۲۲,۱۹۹۹,Page۱۱ [Science,۲۸۶,۱۵۵۰(۱۹۹۰); وقتی به این تك لایه ولتاژی با افزایش منظم اعمال می‌شد مولكولها تا قبل از یك آستانه ولتاژی، جریان محسوسی را عبور نمی‌دادند و پس از آن با افزایش ولتاژ جریان به سرعت افزایش یافته و سپس قطع می‌شد. رید و تور این رفتار سوئیچ‌كنندگی را كه به مقاومت تبعیضی منفی ( NDR ) معروف است، در مولكول مشابهی در دمای اتاق نیز مشاهده كردند ، هرچند كه تأثیر آن چندان گیرا نبود. از آنجاكه این مولكولها می‌توانند بین دو حالت اكسیداسیون پایدار سوئیچ كنند، می‌توانند اطلاعات را به شكل "۰" (حالت عایق)، یا "۱" (حالت رسانا) ذخیره كنند و درنتیجه به عنوان حافظه مولكولی بكار روند. [Appl.Phys.Lett.,۷۷,۷۲۲۴(۲۰۰۰)]
مولكولهای دارای خواص دستگاهی غیرعادی مثل NDR از منظر علمی ، به گفته هیث ،"بسیار جالب توجه اند. این هیجان‌انگیز است كه شما بتوانید خاصیتی را در یك مولكول با استفاده از تكنیكهای مرسوم بیافرینید و مشاهده كنید كه آن خاصیت در یك دستگاه قابل اطمینان با قراردادن آن مولكول بین دو الكترود ، ظهور پیدا كند. این نتیجه‌ای است كه هیچ‌كس انتظار دیدنش را نداشت. این به معنای آن است كه شما می‌توانید به قصر كاملی از وسایل با خواص منحصر به فرد فكر كنید."
تورورید در تحقیقاتشان دریافتند كه این مولكول در ۶۰ درجه كلوین ، مقاومت منفی جزئی (یك نوع رفتار سوئیچی) از خود بروز می‌دهد و مثل یك حافظه قادر به ذخیره اطلاعات است. تور امیدوار است كه چنین مولكولهای عمل‌كننده‌ای را برای ساخت یك كامپیوتر مولكولی بكار بگیرد. همانطور كه درماه آگوست در یك سخنرانی در همایش ملّی جامعه شیمی آمریكا در واشنگتن ایراد كرد، این كامپیوتر از واحدهای ساده‌ای كه " نانوسلول" نامیده می‌شوند تشكیل شده است.این واحدها بطور شیمیایی خودچیدمان هستند و برای انجام كار لازم برنامه‌ریزی می‌شوند. فرایندهای خودچیدمانی كه در قلب اقدامات دانشگاههای رایسییل و UCLA برای ساخت كامپیوتر مولكولی قرار گرفته است، ناكاملند. یعنی قادر به تضمین موقعیت و جهت صحیح یك مولكول خاص نیستند. البته این خیلی مهم نیست، چون هر دو طرح كامپیوتری نسبت به نقایص اغماص زیادی دارند.از این جهت تمایز خشنی با كامپیوترهای امروزی دارند كه با یك عنصر معیوب زمین‌گیر می‌شوند. نانوسلولی كه تور و همكارانش بدست آورده‌اند، حدود یك میكرومترمربع است و شامل یك آرایه دو بعدی از چندصد نانوذره فلزی است كه توسط حدود ۱۵۰۰ مولكول عمل‌كننده (مثل آنهایی كه NDR را بروز می‌دهند) به هم متّصل شده‌اند. این مولكولها ، نانوذرات را به درگاههای ورودی و خروجی پیرامون نانوسلول نیز متّصل می‌كند. بنابراین با تركیبات متفاوتی از این دریچه‌های ورودی و خروجی ، می‌توان مسیرهای حامل جریان مختلفی را مشخّص كرد. یك چیپ آزمایشی (چپ) كه توسط رید طراحی شده و برای مطالعه مشخّصات جریان /ولتاژ مولكولهایی كه تور آماده كرده است بكار گرفته شده است . دو تصویر سمت راست نماهای بزرگتر شده مركز دو الگوی مربعی مختلف روی چیپ است. در تصاویر بزرگ‌شده ، سیمهای در طول لبه‌ها تا دنیای ماكروسكوپی امتداد یافته‌اند. دراینجا دریچه های تست قادر به قلاب شدن و گیر كردن هستند. بعضی از خطوط لیتوگرافی كه در مناظر بزرگ‌شده، دیده می‌شوند، در تماس با صفحات طلایی كه ۳/۰ تا ۱]میكرو[ متر فاصله دارند، قرار می‌گیرند. وقتی چیپ بطور آنی در محلولی از تركیب آزمایشی قرار می‌گیرد، مولكولها خودشان را در عرض این صفحات سوار می‌كنند . خواص الكتریكی این مولكولها را می‌توان مطالعه كرد. به گفته تور، ترتیب نانوذرات و مولكولهای اتّصال‌دهنده در این مسیرها، تصادفی است و مسیرها احتمالا" در ابتدا قادر به انجام هیچ عمل منطقی نخواهند بود ولی با اعمال پالس‌های ولتاژی به تركیبات مختلف دریچه‌های ورودی و خروجی، امكان آن وجود دارد كه مولكولها را گروهی " روشن" یا " خاموش" كرد. این كه كدام سوئیچ روشن (رسانا) و كدام یك خاموش (عایق) است، مشخّص نیست، ولی اهمیتی هم ندارد. در یك روال حدس و خطایی ، الگوریتم‌های كامپیوتری خاصی بطور پشت سرهم كار تست و تعمیر را (با استفاده از پالس‌های ولتاژی با مقادیر متفاوت) انجام می‌دهند تا این كه آن مسیر عملیات مطلوب را مثلا" به عنوان یك گیت یا افزاینده منطقی انجام دهد. یك كامپیوتر مولكولی واقعی حداقل شامل صدهزار تا یك میلیون نانوسلول خواهد بود ، كه با لیتوگرافی معمولی به هم مرتبط شده‌اند. پس از این كه اولین نانو سلولها تعلیم داده شدند، آنها به صورت تست‌كننده و تعلیم‌دهنده نانوسلولهای اطرافشان عمل خواهند كرد . بنا به گفته تور، این نحوه " خود راه‌اندازی" امكان برنامه‌ریزی و تعلیم‌دهی سریع و اتوماتیك نانوسلولها را فراهم می‌آورد. او همكارانش قبلا" با مدلسازی (شبیه‌سازی) نشان داده بودند كه به یك نانوسلول می‌توان انجام یك عمل خاص را تعلیم داد. ولی تور می‌گوید:"ما هنوز یك نانو سلول كامل را نساخته‌ وبه آن برنامه نداده ایم. هرچند چنین برنامه‌ریزی‌ای در عرض شش‌ماه صورت خواهد گرفت." گذشته از این مسئله، او و اعضای تیم‌اش هنوز باید بر معضلات دشوار بسیار دیگری فائق آیند تا یك نمونه موفق از كامپیوتر مولكولی‌شان را عرضه كنند. مشابه دانشمندان UCLA ، تور نیز فكر نمی‌كند كه كامپیوتر مولكولی در كوتاه‌مدت جایگزین كامپیوترهای سیلیكونی فعلی شود. با این حال، الكترونیك مولكولی اولین مورد مصرف خود را در سیستمهای مخطوط كه مولكولها در هماهنگی با سیلیسیم عمل می‌كنند" خواهد یافت.
سوئیچ كردن با نانولوله‌ها :
همه مدلهای محاسبه مولكولی الزاما" برمبنای مولكولها نیست، كه با سنتز آلی مرحله به مرحله قابل دسترسی باشند. مثلا" در دانشگاه هاروارد ، استاد شیمی چارلز لیبر و همكارانش - توماس روئكس، كیونگ‌ها كیم، و ارنستو جوزلویچ - در حال بكار انداختن نانولوله‌های تك دیواره (SWNTها) برای استفاده در اجزای دستگاهی (مثل سوئیچ‌ها) و سیمها برای خواندن و نوشتن اطلاعات هستند. ایده لیبر عبارتست از الگودهی یك آرایه از نانولوله‌های موازی- روی یك لایه نازك دی‌الكتریك (عایق) كه نمونه رسانا را پوشش می دهد- كه سپس در بالای این آرایه ، آرایه موازی دیگری از نانولوله‌ها، به زوایه قائمه به صورت آویزان قرار می‌گیرد. نانولوله‌های بالایی بطور غیرهم‌سطح پایینی‌ها را قطع می‌كنند، چون به كمك بلوك‌های تكیه‌گاهی با فواصل منظم ۵ نانومتر بر فراز نانولوله‌های پایینی نگه داشته‌شده‌اند. هر نانولوله در انتهایش به یك الكترود فلزی متّصل است. لیبر و همكارانــش در مقالــه جدیدشان [Science,۲۸۹,۹۴(۲۰۰۰)] این چنین بیان كردند : " هر نقطه تقاطع در این ساختار یك عنصر دستگاهی محسوب می‌شود". و هر عنصر دستگاهی در دو حالت می‌تواند باشد : در حالت " خاموش" لوله‌های متقاطع كاملا" از هم جدا بوده و لذا مقاومت تماسی در این نقطه بسیار بالاست. در مقابل، در حالت " روشن" نانولوله‌های بالایی به سمت لوله‌های پایین آنقدر كشیده می‌شوند تا با آنها تماس یابند ، كه در نتیجه مقاومت تماسی فوق‌العاده كم خواهد شد. این محققین می‌نویسند: " با باردار كردن گذرای نانولوله‌ها- به منظور تولید نیروهای الكترواستاتیك جاذبه یا دافعه‌ای- یك عنصر دستگاهی می‌تواند بین این دو حالت تعریف شده- روشن و خاموش- سوئیچ كند." این كار با اعمال پالس ولتاژی به زوج‌الكترودهایی كه یك نقطه تقاطع خاص را نشانه گرفته‌اند، صورت می‌گیرد. به گفته لیبر، وضعیت – روشن یا خاموش – هر نقطه تقاطع را با سنجیدن مقاومت تماسی به راحتی می‌توان خواند. چنین آرایه متقاطعی را نه تنها برای شكل‌دهی عناصر منطقی كامپیوترها ، كه به عنوان یك حافظه دسترسی اتفاقی (RAM) غیر فرار نیز می‌توان بكار برد، چراكه مزایای‌قابل ملاحظه‌ای نسبت به RAMهای نیمه‌هادی مرسوم از نظر اندازه، سرعت و هزینه دارا می‌باشند. لیبر مثلا" می‌گوید، كه ۱۰۱۲ عنصر دستگاهی را می‌توان در ۲ Cm ۱ از یك چیپ جا داد. این در حالی است كه یك چیپ پنتیوم با این اندازه ۱۰۷ تا ۱۰۸ قطعه را در خود جا می‌دهد. به علاوه، هر عنصر این حافظه نانولوله‌ای قادر به ذخیره یك بیت است، در حالی كه ابزارهای سیلیكونی فعلی، به یك ترانزیستور و یك خازن برای ذخیره یك بیت در RAM متغیر (كه بایستی پی در پی از نو پر شود ) یا چهار تا شش ترانزیستور برای ذخیره یك بیت در RAM ایستا نیازمندند. اضافه بر این، بنا به ازمایشات و محاسبات انجام شده،RAM نانولوله‌ای عمل سوئیچینگ را با سرعت GHz۱۰۰ ، یعنی ۱۰۰ برابر سریعتر از نسل جدیدچیپ های شركت اینتل انجام می دهند. آزمایشات گروه هاروارد تاكنون روی اتّصالات منفرد كلاف‌های با قطر ۲۰ تا ۵۰ نانومتر نانولوله كه به "طناب" موسوم هستند، صورت گرفته است. در چندین دستگاه مشابه ، لیبر و همكارانش سوئیچینگ بازگشت‌پذیر را بین دو حالت تعریف‌شده روشن و خاموش مشاهده كرده‌اند : " ما فكر می‌كنیم این آزمایشات كاملا" ایده معماری ارائه‌شده از طرف ما را اثبات می‌كند."
بااین حال اتّكا صرف به نانولوله‌ها برای این آرایه متقاطع مشكل‌زاست. محققین هاروارد بطور آرمانی دوست دارند ، آرایه‌ها را با SWNT های منفرد با ضخامت نانومتری بسازند – نانولوله‌های نیمه‌هادی در پایین و نانولوله‌های فلزی در بالا. لیبر در این باره می‌گوید : " ما همیشه نیازمند اتّصالات فلز /نیمه‌هادی خواهیم بود" – برای عمل یكسوسازی؛ یعنی به جریان فقط در یك جهت اجازه عبور می‌دهند.اتّصالات یكسوساز موجب اطمینان از این می‌شود، كه وضعیت هر اتّصال را مستقل از بقیه بتوان خواند. متأسفانه كسی نمی‌داند چگونه نانولوله‌ها را بنا به نیاز به شكل فلزی یا نیمه‌هادی بسازد.این محققین نوعا" كار خود را با بكارگیری مخلوطی از انواع متفاوت نانولوله‌ها یا انجام مشاهدات شانسی صورت می‌دهند. یك راه برای فائق آمدن براین مشكل استفاده از نانوسیمهای نیمه‌هادی آغشته در كنار نانولوله‌هاست. گروه لیبر چند سال گذشته را صرف توسعه یك روش كاتالیتیكی لیزری برای ایجاد نانوسیمهای با اندازه‌های گوناگون، منجمله نیمه‌هادی‌های سیلیسیم، ارسنیدگالیم، فسفید ایندیم و غیره كرده‌اند . این روش به قول لیبر، امكان ، " كنترل سنتزی بالایی" را روی قطر ، طول و خواص الكتریكی این نانوسیمها فراهم می‌آورد. اخیرا" به عنوان مثال گروه او نشان داده اند، كه نانوسیمهای سیلیكونی را می‌توان با دیگر عناصر آغشته كرد تا مواد نیمه‌هادی نوع N (آغشته به الكترون) یا نوع P (آغشته به حفره) را بدست دهد.,۱۰۴,۵۲۱۳,(۲۰۰۰)] J.Phys.Chem.B [لیبر خاطرنشان می‌كند : " یك نانوسیم سیلیكونی نوع N، همیشه با یك نانولوله‌ اتّصالی یكسوساز را شكل می‌دهد؛ چه نانولوله فلزی و چه نیمه‌هادی باشد." بعلاوه با تقاطع نانوسیمهای آغشته با نانولوله‌ها، اتّصالات دستگاهی با انواع مختلفی از خواص الكترونیكی را می‌توان داشت. و لذا اگر شما به ساخت ابزارهای مخلوط علاقه‌مند باشید، وارد كردن اجزای سیلیكونی] آغشته[ به دستگاهتان معنی‌دار خواهد بود. نمای سه بعدی ایده لیبر برای یك آرایه متقاطع معلّق با چهار اتّصال نانولوله (عناصر دستگاهی) ، كه دو تا آنها در وضعیت " روشن" (در حال تماس) و دوتای دیگر در وضعیت " خاموش" (جدا ازهم) قرار دارند. نانولوله‌های پایینی روی یك لایه نازك دی‌الكتریك ( مثلا" Sio۲) هستند، كه در بالای یك لایه رسانا ( مثلا" سیلیسیم با آغشتگی بالا) قرار گرفته‌است. نانولوله‌های بالایی به كمك چند تكیه‌گاه (بلوكهای خاكستری) آویزان شده‌اند. هر نانولوله به یك الكترود فلزی (بلوكهای زرد) متّصل است. چگونه این آرایه‌های متقاطع ساخته می‌شوند؟ یك استراتژی نویدبخش ، به گفته لیبر ، الگودهی شیمیایی سطح به صورت خطوط موازی با فاصله چندنانومتر و سپس استفاده از یك جریان مایع روی سطوح الگودهی شده برای ردیف كردن نانوسیمها در آن الگوهاست. وی می‌گوید : " ایجاد آرایه معلّق نیازمند حقّه بیشتری است،" ولی ممكن است با رشد كنترل شده نانولوله‌ها ازنانو ذرّات كاتالیستی، ]فرایند ساخت نانولوله[ این كار را بتوان انجام داد.
لیبر می‌گوید گروهش دیوانه‌وار كار می‌كند تا آرایه‌های متقاطعی را بسازد كه شامل ۱۶۰۰۰ اتّصال و " دانسیته‌ای فراتر از آنچه در چند سال آینده فناوری سیلیسیم می‌تواند انجام دهد" باشد. به گفته او، چنین چیپی به معنای طی كردن بخش مهمی از راه است – البتّه یك قسمت خیلی كوچك از راه دراز تجاری شدن فناوری نانوالكترونیك.
چیدمان و محاسبه متكی بر DNA :
ایده آرایه‌ها، سیمهای متقاطع، و محاسبات در كارهای استاد شیمی نادریان سیمن در دانشگاه نیویورك نیز نمود یافته است. ولی در این مورد، سیمها ، رشته های زیگزاك ، به هم بافته و متقاطع DNA هستند كه مشابهشان در طبیعت دیده نشده است. برخی از این مولكولها برای ساخت اشیا و ابزارهای نانومتری برپایه DNA یا حتی محاسبه DNA ای مناسب هستند. در طول دو دهه گذشته ، سیمن از پتانسیل DNA برای ساختن یا به عنوان مواد ساختمانی ساختارهایی مثل بلورها یا نانوابزارها، بهره جسته است. او و همكارانش با استفاده از مولكولهای DNA شاخه‌دار دو رشته‌ای با سرهای چسبنده ( لبه‌های رشته‌های‌ DNA كه می‌توانند به لبه‌های مكّمل رشته‌های DNA دیگر متّصل شوند)، اشیای نانومتری پیچیده‌ای مثل مكعب، هشت‌وجهی ناقص و دیگر اشكال ساخته شده ازDNA را بدست آورده‌اند. سیمن امیدوار است در نهایت قادر به ساخت ساختمانهایی تو در تو به شكل دو و سه بعدی باشد، به نحوی كه نیازی به تعیین مكان ویژه ای روی- برای یك جزء خاص كه بایستی وارد آرایه شود- نباشد. وی می‌گوید : " من معتقدم این مسئله ما را واقعا" به جامدات طرّاح و مواد هوشمند می‌رساند." بااین حال خاطرنشان می‌كند،كه به عنوان یك ماده ساختمانی ، DNA شاخه‌دار معمولا" فاقد سفتی است. بنابراین در سالهای اخیر گروه او، نحوه‌های چیدنی از رشته‌های DNA ارائه داده‌اند كه استحكام ساختمانی بیشتری داشته، و برای ساخت آرایه‌های دو بعدی DNA و یك ابزار نانومكانیكی كه بازوهای صلب آن فقط بین دو حالت ثابت قادر به چرخش‌اند، بكار گرفته شده‌اند. آخرین شاهكار سیمن در این راستا، مولكولهای موسوم به چلیپای سه گانه است كه چهار رشته DNA با هم تركیب شده‌اند تا سه مارپیچ دو رشته‌ای مسطح موسوم به كاشی را به وجود بیاورند.] J.Am.Chem.Soc.,۱۲۲,۱۸۴۸(۲۰۰۰) [ این مارپیچ‌ها ازطریق چهار نقطه، كه رشته‌های یك مارپیچ به مارپیچ دیگر وصل می‌شوند ، به همدیگر زنجیر شده‌اند. و البتّه می‌توانند رشته‌های چسبیده همتای خود را مبادله ‌كنند. مارپیچ مركزی با حلقه‌های سنجاقی در دو سر بسته شده است،ولی مارپیچ های دیگر سرهای چسبنده‌ای دارند كه به كاشی‌ها امكان می‌دهد یكدیگر را بشناسند. بنا به گفته سیمن و همكارش جان‌ریف ، یك استاد علوم كامپیوتر دانشگاه دوك، سرهای چسبنده شامل اطلاعاتی هستند كه به كاشی امكان می‌دهد خودچیدمانی را به صورتی كه یك محاسبه منطقی صورت گیرد، انجام دهند. [Nature,۴۰۷,۴۹۳(۲۰۰۰)] آنها و همكارانشان چنگ‌دی مائو و توماس لابین به كمك عمل منطقی موسوم به "XOR فزاینده" از این كاشی‌ها برای انجام چهار مرحله محاسباتی روی رشته‌ای از صفر و یك‌ها استفاده كرده‌اند. نتیجه عمل XOR، "۰" است كه اگر دو عدد پیاپی مشابه باشند (۰ و ۰ یا ۱ و ۱) و ۱ است، اگر دو عدد متوالی متفاوت باشند. ارزش هر كاشی (۰ یا ۱) به كمك یك “محل محدودیت” (توالی خاصی از DNAكه شناخته‌شده و با آنزیمهای "محدودیت" بریده می‌شوند) مشخّص می‌شود. كاشی‌های ورودی و خروجی ، سرهای چسبنده متفاوتی دارند.و در محلول با كاشی‌های" نبشی" مخلوط هستند. كاشی‌های نبشی ارزشهای محاسبه را در ابتدای كار وارد كرده و به تاسیس یك قالب كاری برای ارتباط كاشی‌های ورودی و خروجی كمك می‌كنند. كاشی‌ها مطابق الگوریتمی كه توسط كاشی‌های خروجی تعیین شده است، عمل خود چیدمانی را انجام می‌دهند (به طور اتوماتیك كنار هم قرار می‌گیرند.) كـاشی‌های ورودی در ابتدا در یك وضعـیت مسطح پلكانی چیده می‌شوند.و بسته به نحوه مرتّب شدنشان، كاشی‌های خروجی خود را- ازطریق جفت شدن سرهای چسبنده مكمل یكدیگر- در شكافهای كوچك موجود روی پلكان جا می‌دهند. پس از كامل شدن مجموعه، پاسخ باید استخراج شود . یك رشته گزارشگر كه درون هركدام از كاشی‌ها بافته می‌شود، شامل محل محدودیتی است كه ارزش كاشی را مشخّص می‌كند. رشته‌های گزارشگر مربوط به كاشی‌های مجاور به یكدیگر جوش خورده ، رشته‌ای درازتر ایجاد می‌كنند، كه از مجموعه خارج می‌شود رشته به هم جوش خورده،پس از تقویت شدن، باكمك آنزیمهای محدودیت بریده‌شده و اجزای حاصل به كمك الكتروفوریزیس ژل سنجیدهمی‌شوند. سیمن می‌گوید : " این كار از همه جهت شبیه توالی‌سنجی DNA است ،مگر اینكه دقّت عمل خیلی كمتر است!" ؛ پاسخ- ارزش كاشی‌های خروجی كه خودچیدمانی كرده‌اند- را مستقیما" از الگوی خطوط در ژل می‌توان خواند. این مدل فقط از چهار ورودی سود می‌برد. محاسبات طولانی‌تر نیز به گفته سیمن با یك مرحله ساده خودچیدمانی انجام می‌شود. ولی با افزایش تعداد مراحل محاسباتی، احتمال خطا بیشتر می‌شود. در تجربه‌ای كه در مجلّه Nature بیان شده، میزان خطا ۲ تا ۵% برآورد شده است. سیمن خاطرنشان می‌كند كه این خودچیدمانی الگوریتمی ، نسبت به چیدمانیهای DNAای كه او روی آنها كار كرده است، به صحّت بیشتری نیاز دارد .دركار قبلی‌ او روی آرایه‌های تناوبی، یك كاشی " صحیح" با كاشی‌های " غلط" رقابت می‌كرد و " لذا فراهم‌آوری شرایط كاركرد صحیح زیاد سخت نبود." او می‌گوید : " در این مسئله ، كاشی صحیح با كاشی‌های نسبتا" صحیح رقابت می‌كند. شما در این مسئله باید سخت‌گیرانه‌تر از مسئله ترتیب تناوبی كار كنید. شما باید به تمام صحت و درستی دست یابید و نه نصف آن! " اریك وین ‌فری ، یك دانشیار علوم كامپیوتر و سیستمهای محاسباتی و عصبی در موسسه فناوری كالیفرنیا، چندسال قبل برای اولین بار پیشنهاد استفاده از DNA برای تقلید كاشی‌های وانگ را ارائه كرده بود- مربع‌هایی با گوشه‌های رنگی كه وقتی طوری كنار هم چیده شوند كه گوشه‌های همرنگ كنار هم قرار گیرند برای انجام محاسبات قابل استفاده‌اند. سرهای چسبنده روی كاشی‌های DNA معادلهای منطقی گوشه‌های رنگی كاشی‌های وانگ اند. وین فری با ذوق زدگی از مقاله سیمن-ریف می‌گوید: " این اولین ظهور تجربی ایده‌هایی است كه من در تز دكترایم مطرح كردم." هر چند، قسمت مشكل كار حركت از نظم یك بعدی به دو و سه بعدی است، وین فری می‌گوید : " این كار، موجب پردازش اطلاعات بسیار پیچیده‌تری خواهد شد"- البته در صورت عملی شدن. دیوید هارلان‌وود، یك استاد علوم كامپیوتر در دانشگاه دلاویر معتقد است، روشن سیمن برای ساخت بیش از محاسبه مفید است. وود می‌گوید : " وقتی من این مقاله را خواندم و به ساختن فكر كردم؛ نظرات شگفت‌انگیزی در مورد سیخ‌ها یا تخته‌های پروازكننده در فضا داشتم." ولی او فكر كرد كه: " اعمال این تكنیك محاسباتی در ۱۰۱۲ مولكول مجزا از یكدیگر،واقعاْ مشكل است. ولی در عوض، یك كامپیوتر الكترونیكی قوی می‌تواند در كمتراز یك میكرو ثانیه مشكلات این مقیاس را در هم بكوبد." سیمن تأیید می‌كند :" ما در اینجا در مورد گیگاهرتز صحبت نمی‌كنیم منظور ما ۱۰۰ نانوهرتز است." در هر صورت، سیمن می‌گوید ، كه هدف اولیه‌اش چند محاسبه در هر ثانیه نیست، بلكه چیدمانی الگوریتمی DNA برای ساخت نانوساختارهای جدید و ذاتا" مفید است. نانوساختارها ، درهر حال چه برای انجام محاسباتی با سرعت نور، شناسایی مولكولها در طبیعت، حذف عوامل بیماریزا از بدن، یا بهبود خواص مواد طراحی شوند، كلید راهگشایی برای نانوتكنولوژی خواهند بود. و كلید ساخت نانوساختارها، شیمی است . به معنای دیگر سیمن نانوتكنولوژی را به عنوان یك زمزمه بسیار هوس‌بازانه برای شیمی در قرن آتی می‌داند. این ممكن است، ولی قطعا" به همكاری فیزیكدانان ، زیست‌شناسان ، دانشمندان علوم مواد، مهندسین شیمی و برق و دیگر متخصصینی كه با هم كار خواهند كرد ، نیاز خواهد بود. هیث از UCLA می‌گوید : " اكنون زمان هیجان‌انگیزی برای به انجام رساندن علوم نانوست. این رشته با سرعت بسیار زیادی به جلو در حال حركت است." او از تصمیم دولت آمریكا برای شتاب بخشیدن به تحقیقات علوم نانو به عنوان بخشی از پیشگامی ملّی نانوتكنولوژی به هیجان آمده، می‌گوید :" تنها شكایت من این است كه آنها چرا نام این طرح را پیشگامی ملّی علوم و فناوری نانو نگداشته‌اند. علّت چنین نامگذاری‌ای ساده است : فناوریهای نانویی كه از علوم نانو برمی‌خیزد، به نظر می‌رسد نانوتكنولوژی اكثر صنایع كلیدی ما را دگرگون سازد ولی در ابتدای كار به علوم نانو نیاز است. " چهار رشته رنگی DNA برای ایجاد سه مارپیچ دوگانه به هم مرتبط مسطح موسوم به كاشی، در هم بافته شده‌اند. قسمتهای راه‌راه، به طور تقریبی معرف " زوجهای بازی" است . سه فلش نشانگر سه سر هستند . خط قطور قرمز، رشته گزارشگر است. سیمن از این كاشی‌ها برای ساختن و محاسبه استفاده می‌كند.

منبع : ستاد ویژه توسعه فناوری نانو