انقلابی ‌نوین ‌در ‌صنعت

اگرچه هیچ منبع قدرتی نظیر خورشید وجود ندارد، اما تاکنون استفاده از این منبع ارزان و فراوان انرژی عملی نشده است؛ البته علت عمده این مساله، گران بودن هزینه تولید و استفاده از سلول‌های خورشیدی است. اکنون به نظر می‌رسد فناوری نوینی موسوم به نقاط کوانتومی استفاده از انرژی خورشیدی را برای مصرف‌کنندگان امکان‌پذیر سازد. این نقاط در حقیقت کریستال‌های بسیار کوچک نیمه هادی هستند و تنها چند نانومتر قطر دارند و می‌توانند استفاده از انرژی خورشیدی را از نظر صرف هزینه اولیه در فرآیند کسب و ذخیره‌سازی انرژی در مقایسه با استفاده از دیگر سوخت‌ها مقرون به صرفه‌تر کنند. در این میان، استفاده از نقاط کوانتومی که به عنوان اتم‌های مصنوعی هم شناخته می شوند تنها در ساخت سلول‌های خورشیدی نیست، بلکه این کریستال‌های کوچک در صنایع مختلف آنچنان کاربرد دارند که به گفته محققان می‌توانند انقلابی بزرگ در صنعت ایجاد کنند.
نقطه‌های کوانتومی نیمه هادی‌ها یا هادی‌هایی در ابعاد نانومتر هستند. این نقاط که از چند تا چند صد اتم تشکیل شده‌اند و با آرایش‌های گوناگونی کنار هم قرار گرفته‌اند در واقع جزایری هستند که به وسیله ماده دیگری احاطه شده‌اند. اختلاف انرژی میان این دو ماده باعث می‌شود الکترون‌های آزاد این جزایر بر اساس قانون محصور‌سازی کوانتومی فقط انرژی‌های معینی داشته باشند. مجموعه این انرژی‌های مجاز، طیف جذبی و نشری نقاط کوانتومی را مشخص می‌کند. مهم‌ترین نکته این است که طول موج‌های طیف نشری و جذبی به طور عمده به اندازه نقطه کوانتومی وابسته است. هر چقدر اندازه نقطه کوانتومی بیشتر باشد شکاف انرژی بزرگ‌تر و طول موج طیف کوچک‌تر خواهد شد. به همین دلیل است که نقطه کوانتومی اتم مصنوعی هم گفته می‌شود، زیرا همان‌طور که در اتم، الکترون‌ها فقط در مدارهای معینی با انرژی‌های مشخص می‌توانند حضور داشته باشند، در نقطه کوانتومی هم الکترون‌های آزاد انرژی‌هایی مشخص داشته و در نواحی خاص از همان نقاط شانس حضور بیشتر دارند.
● کاربردهای استثنایی نقاط کوانتومی
اولین کاربرد نقطه کوانتومی که امروزه کاملا صنعتی شده، ساخت نسل سوم سلول‌های خورشیدی است، البته نسل دوم این سلول‌ها هنوز هم مورد استفاده قرار می‌گیرد که دارای حداکثر بازده ۳۳ درصد است، یعنی فقط می‌تواند تا حد ۳۳ درصد از انرژی دریافت شده از تابش خورشید را به الکتریسیته تبدیل کند، اما به گفته دکتر میرمنصور ضیابری، دانش‌آموخته دانشگاه علم و صنعت ایران، استفاده از نقاط کوانتومی نسل سوم سلول‌های خورشیدی بازده ۶۰ درصد را به همراه دارد. نکته قابل توجه این است که هزینه مربوط به بهای هر مترمربع از این صفحات همراه با نصب حدود ۱۰۰ دلار یا کمتر است که رقم زیادی محسوب نمی‌شود. به همین دلیل در کشورهای صنعتی، نوعی سلول‌های خورشیدی صفحه‌ای شکل به نام کاشی‌های سقفی مورد استفاده قرار می‌گیرد که هم وظیفه پوشش سقف را انجام می‌دهد و هم مقدار قابل ملاحظه‌ای انرژی الکتریکی تولید می‌کند.
ضیابری درباره شیوه جذب انرژی در این سلول‌ها می‌گوید: در این سیستم، طول موج‌های کوتاه‌تر در بالا و طول موج‌های بلند در پایین جذب می‌شود و به این ترتیب بخش بیشتری از انرژی تشعشعی خورشید قابل جذب خواهد بود. استفاده نقاط کوانتومی در عملیات امنیتی از دیگر موارد کاربرد کوانتوم‌ها به شمار می‌آید.
با افزودن این‌گونه نقاط کوانتومی به مخلوط مایعات و مسایل صنعتی، شبکه‌های پلیمری و غیره و سپس کنترل طیف جذبی و نشری آن می‌توان نوعی کد اعتباری برای هر یک از آنها ایجاد کرد، ویژگی‌ای که با نیمه‌هادی‌های معمولی هرگز انجام شدنی نیست.
ضیابری در خصوص کاربرد‌های دیگر این نقاط می‌گوید: نقطه‌های کوانتومی در سیستم امنیتی ردیابی دشمن هم به کار می‌روند بدین‌ترتیب که در مرحله معینی از عملیات نظامی، این نقاط کوانتومی همراه با گرد و خاک بر نیروهای دشمن پاشیده می‌شوند، بنابراین تا مدتی طولانی می‌توان کلیه وسایل و افراد دشمن را در‌نقاط مختلف ردیابی کرد.
بررسی، ترمیم، ساخت و کنترل سیستم‌های بیولوژیک انسانی با استفاده از ادواتی با ابعاد و ساختار نانو از کاربردهای متفاوت نقطه‌های کوانتومی در پزشکی محسوب می‌شود.
● ماشین‌‌های میکروسکوپی در ابعاد نانو
امکان ساخته شدن ماشین‌های میکروسکوپی با این ابعاد که اولین بار سال ۱۹۵۹ به وسیله ریچارد فاینمن پیش‌بینی شد و توسط اریک درکسلر برخی کاربردهای این ماشین‌ها در مبحثی به نام موتور خلقت تشریح شد، امروزه توسط گروه‌های تحقیقاتی و دانشگاهی در حال تولید و اصلاح است.
کاربردهای عمده نقاط کوانتومی رایج مربوط به تشخیص از دور عوامل بیولوژیک و شیمیایی، اندازه‌گیری و تشخیص آلودگی هوا و تشخیص‌های پزشکی غیر مهاجم است.
علاوه بر آن، در پزشکی از آنها به عنوان نانو ذرات مغناطیسی، مهندسی بافت و چیپ‌های دی.ان.ای استفاده می‌شود. اتصال نقاط کوانتومی با ابعاد ۵ نانومتر به فیبرهای اکتین و نقاط کوانتومی به ابعاد ۵/۳ نانومتر به هسته سلول از خصوصیات بارز این سیستم محسوب می‌شود؛ البته چنانچه این نقاط کوانتومی خاصیت مغناطیسی هم داشته باشند می‌توان از اختلاف این ابعاد برای تشخیص یا درمان استفاده کرد. کاربرد دیگر این خاصیت، استفاده‌ از این ذرات با ابعاد نانو یا میکرو مشتمل بر سلول‌های جانوری، باکتری‌ها و طلای کلوئیدی (با ابعاد ۱۰۰ نانومتر)‌ است که با استفاده از شعاع لیزر به شکل آرایه‌ای سه بعدی هدایت وانباشت شده است و برای ترمیم بافت مورد استفاده قرار می‌گیرد.
به گفته ضیابری، نقاط کوانتومی که در ساخت لیزرهای نقطه کوانتومی استفاده می‌شوند از نظر ابعاد دارای اندازه ۲ تا ۱۰ نانومتر بوده و هر کدام از آنها از ۱۰ تا ۵۰ اتم تشکیل شده‌اند. بدیهی است ساختن ساختارهای الکترونیکی اینچنین کوچک بسیار مشکل است، بنابراین معمولا از روشی به نام استرانسکی ‌ کراسناتوف استفاده می‌شود که در آن نقطه‌های کوانتومی هرمی شکل در فصل مشترک دو نیمه هادی با ثابت‌های بلوری متفاوت به صورت خودبه‌خودی به وجود می‌آیند. گفتنی است نقطه کوانتومی دارای شکاف انرژی است که به ابعاد آن بستگی دارد و همین شکاف است که طول موج لیزر را معین می‌کند، ولی فاکتور مهم دیگری نیز موجود است. این که لیزر باید با فرکانس بسیار زیادی قطع و وصل شود تا پالس‌های لیزری مزبور برای ارسال پیام‌های مخابراتی مورد استفاده قرار گیرد.
خوب است بدانیم در آینده‌ای نه چندان دور با استفاده از این فناوری امکان ساخت پمپ‌های انتخابگر اکسیژن تکمیل خواهد شد. این موتورها که در ابعاد نانو خواهند بود از محفظه خارجی اکسیژن را با شاخه‌های خود گرفته و با نیم دور چرخش آن را به محفظه داخلی انتقال می‌‌دهند. مسلم است با ساخته شدن این‌گونه موتورها تحول عظیمی در دانش پزشکی ایجاد خواهد شد که شاید یکی از مهم‌ترین آن ابداع سلول خونی مصنوعی است.
ابعاد این سلول‌ها در حد یک میکرومتر است و بنابر محاسبه می‌تواند ۱۰۰۰ اتمسفر فشار را تحمل کند. این سلول‌ها انرژی خود را از گلوکز دریافت می‌کنند و ۲۳۶ بار بیشتر از سلول خونی معمولی اکسیژن را به بافت می‌رساند و اسیدیته کربنی را برطرف می‌کند.
● نقطه‌های کوانتومی و QCA
در شاخه‌ای دیگر هم از نقطه‌های کوانتومی استفاده شایانی به عمل می‌آید، ولی این‌بار برای ساخت سلول‌های محاسباتی که نام آن اتومات‌های سلولی کوانتومی انتخاب شده و به اختصار با QCA نشان داده می‌شود.
البته در این بخش تفاوت کار با بقیه قسمت‌ها این است که نمونه‌های ساخته شده تا امروز یا در درجه حرارت بسیار کم کار می‌کنند یا امکان برقراری ارتباط بین آنها و سیستم‌های بیرونی بسیار مشکل است، بدیهی است در اینجا نمی‌‌توان نقاط کوانتومی را به صورت تصادفی انتخاب کرد و باید هر یک از آنها در محل معینی قرار داشته باشد یا آن که محل آنها باید منطبق بر الگوی مشخصی باشد، بنابراین معمولا از روش لیتوگرافی اشعه الکترونی برای ساخت آنها استفاده می‌شود. تاکنون ایننوع QCA‌ها در درجه حرارت‌های مختلف قابل بهره‌برداری نشده‌اند و به نظر می‌رسد ساخت نمونه‌های عملی آنها در سال‌‌های پس از ۲۰۲۰ انجام پذیر باشد. شکل نقاط کوانتومی در اینجا دیگر الزاما هرمی شکل نیست و می‌‌تواند هر یک از سه شکل هرمی، مکعبی یا کروی را داشته باشد. هر QCA از ۴ نقطه کوانتومی تشکیل شده است که از میان‌ آنها همواره ۲ نقطه دارای یک الکترون اضافی هستند. این الکترون‌های اضافی به واسطه خاصیت دامنه‌ای که دارند همیشه در دو طرف یک قطر قرار می‌گیرند و این ساختار، ستون فقرات رایانه‌های نسل آینده را تشکیل خواهد داد.
ولی بزرگ‌ترین مشکلی که درباره QCA ‌ها وجود دارد قرار دادن دقیق هرQCA در محل مربوط است که در پایان‌نامه دکتر میرمنصور ضیابری که به راهنمایی دکتر احمد کسایی انجام شده است به بررسی استحکام مدارات ساخته شده ازQCA پرداخته شده است. به این مفهوم که چون قرار دادن اینQCA ‌های مولکولی کاری مشکل است و وجود خطاها در مکان و زاویه اجتناب‌ناپذیر است، چه باید کرد که با وجود خطاهای فوق باز هم سیستم به درستی جواب دهد. در این تحقیق که ابتدا دو سلول و سپس ردیفی از سلول‌ها انتخاب شد مشخص شد هر چه فاصله سلول‌ها کمتر باشد زاویه کنترل‌پذیری بیشتر است. همچنین مشخص شد اگر هر یک یا همه سلول‌ها دارای خطای مکانی محدودی باشند و هر یک یا همه در جای خود با زاویه محدودی چرخیده باشند باز هم اطلاعات به درستی انتقال می‌یابد. گفتنی است این نوع انتقال اطلاعات در رشته‌های مختلفی از علوم وجود دارد و شبیه‌ترین مدل به این سیستم در طبیعت، سیستم عصبی موجودات زنده است،‌ زیرا اطلاعات در یک طناب عصبی در یک رشته عبور نمی‌کند، بلکه از مجموعه‌ای از رشته‌ها به صورت موازی عبور می‌کند و چنانچه اطلاعات یک رشته به هر علت محو شود، باز هم اطلاعات از رشته‌های مجاور عبور کرده و به پردازشگر نهایی یعنی مغز می‌رسد.

فرناز محمدی پور

منبع : روزنامه جام‌جم