رشته های DNA و گرافین دنیای دیجیتال را متحول خواهند کرد

مدت ها بود که درباره تکنولوژی های پایه مورد استفاده در تولید قطعات نیمه رسانا به عنوان مواد اولیه تمامی محصولات دیجیتال صحبت نکرده بودم هفته پیش مطلبی درباره فعالیت های IBM درباره استفاده از رشته های DNA در تولید قطعات نیمه رسانا خواندم که ماجرای گرافین Graphene را در خاطرم زنده کرد

مدت‌ها بود که درباره تکنولوژی‌های پایه مورد استفاده در تولید قطعات نیمه‌رسانا به ‌عنوان مواد اولیه تمامی محصولات دیجیتال صحبت نکرده بودم. هفته پیش مطلبی درباره فعالیت‌های IBM درباره استفاده از رشته‌های DNA در تولید قطعات نیمه‌رسانا خواندم که ماجرای گرافین (Graphene) را در خاطرم زنده کرد. بد ندیدم درباره رهاورد جالب IBM و قابلیت‌های نهان گرافین قلم‌فرسایی کنم.

● کوچک و کوچک‌تر

مدت‌هاست که شرکت Intel استفاده از تکنولوژی ساخت ۶۵ نانومتری را بی‌خیال شده است و تمامی پردازنده‌های خود را با تکنولوژی ۴۵ نانومتری تولید می‌کند. این در حالی است که همچنان از تکنولوژی ۵۵ نانومتری همچنان در تولید چیپ‌ست‌ها استفاده می‌شود. همین چند وقت پیش بود که شرکت AMD/ATI تکنولوژی ۶۵ نانومتری را رها و در تولید برخی چیپ‌ست‌های گرافیکی از تکنولوژی ۴۰ نانومتری استفاده کرد. شرکت Samsung اولین شرکتی بود که از تکنولوژی ۳۲ نانومتری استفاده کرده است و هم‌اکنون Toshiba را در نزدیکی خود می‌بیند. شرکت Freescale و IBM به شکل آزمایشگاهی از تکنولوژی ۲۸ نانومتری استفاده می‌کنند، اما داشته‌های کنونی نوع بشر تا اطلاع ثانوی به انتها خواهد رسید و عبور از مرز ۲۲ نانومتری را غیرممکن خواهد کرد. چاره چیست؟

جناب گوردون مور -واضع قانون تجربی مور (Moore’s Law)- این‌گونه می‌گوید که تعداد ترانزیستورهای پردازنده‌ها طی ۱۸ ماه دو برابر خواهد شد. دو هفته پیش نوشتیم که این قانون درباره افزایش ظرفیت هارددیسک‌ها نیز صدق می‌کند، اما در سه تا چهار سال آینده این قانون با سد بزرگی مواجه خواهد شد، زیرا افزایش تعداد ترانزیستورها در چیپ‌های کنونی تا مرز ۲۲ نانومتری ممکن خواهد بود و سازندگان برای حمایت از این قانون ناگزیر به افزایش ابعاد چیپ‌ها هستند. این امر به دلایل مختلف همچون افزایش قیمت و ازدیاد مصرف انرژی ممکن نخواهد بود.

شرکت Intel دو سال پیش راه‌حل جالبی برای این کار ارایه کرد، به این ‌صورت که اندازه ترانزیستورها را در همان مرز ۲۲ نانومتر حفظ و برای تبادل داده‌ها به جای خیل الکترون‌ها از پالس‌های الکترومغناطیسی مانند پرتوهای لیزر استفاده کنیم. این راه‌حل، شدنی است و Intel نمونه آزمایشگاهی آن را تولید کرد، اما حداقل هفت، هشت سال زمان نیاز دارد تا به‌صورت تجاری آن‌ هم برای مصارف فوق‌حرفه‌ای آماده شود.

● شاید دستاوردهای نانوتکنولوژی بتوانند بر این مشکل فائق آیند، اما چگونه؟

واپاشی چیپ‌ها به دلیل جاری شدن الکترون‌های خودسر مشکلی است که در ظاهر امر راه‌حل‌گریز است. این در حالی است که دو راه برای غلبه بر این مشکل وجود دارد که امید می‌رود بتواند مسیر کاهش فاصله میان ترانزیستورها و در آینده‌ای محتوم اجزا پایه چیپ‌ها را هموار کند.

● رشته‌های DNA

رشته‌های DNA می‌توانند از صدها، هزاران یا میلیون‌ها خرده مولکول تشکیل شوند و بین یک‌دهم تا ۱۰۰ نانومتر درازا داشته باشند. این رشته‌های دوگانه مارپیچی (Helix) که شکلی سه‌بعدی دارند منعطف هستند و به سهولت نیز دچار واپاشی نمی‌شوند، از این‌رو جان می‌دهند برای نگهداری اطلاعات!

البته محققان IBM و موسسه Caltech قصد ندارند از رشته‌های بلند (پلیمری) برای نگهداری اطلاعات استفاده کنند، بلکه می‌خواهند از رشته‌های محکم و قابل اطمینان به‌ عنوان داربست بهره بگیرند. این ایده در سال ۲۰۰۶ در مجله مشهور Nature منتشر شد و به ‌سرعت مورد توجه دوستان تکنولوژی‌دوست IBM قرار گرفت. خلاصه این تکنولوژی این می‌شود که قطعات الکترونیکی در ساختاری چیده می‌شوند که توسط شبکه‌ای پیچیده و منظم از رشته‌های بلند DNA ایجاد شده است. همچنین این شبکه عهده‌دار انتقال داده‌ها میان اجزا پایه است. از آنجاکه گره‌های این شبکه می‌توانند تا دو نانومتر فاصله داشته باشند، امید می‌رود طراحی و تولید قطعات الکترونیکی با تکنولوژی ۱۸ نانومتری تا چهار سال آینده امکان‌پذیر باشد. استفاده از این شیوه دستیابی به تکنولوژی ساخت ۸ نانومتری را تحت شرایط خاص تا ده سال آینده تضمین می‌کند.

● و اما گرافین!

می‌دانید که کربن از جمله عناصر شگفت‌انگیز طبیعت است که می‌تواند در قالب نرم‌ترین ماده هستی (گرافیت) تا سخت‌ترین آن (الماس) خودنمایی کند. گرافین (Graphene) شبکه‌ای یک لایه از کربن است که به‌ صورت شش‌ضلعی (لانه زنبوری) چیده شده است. از قبل می‌دانیم که کربن عنصری ۴ ظرفیتی است، از این‌رو اگر لایه‌های گرافین را روی یکدیگر قرار دهیم، پیوندی ضعیف بین لایه‌های متعدد گرافین ایجاد و ماده‌ای خلق می‌شود که گرافیت نام خواهد داشت. تضاد جالبی بر گرافیت و گرافین حکم‌فرماست، زیرا گرافین سخت‌ترین عنصری است که بشر تاکنون آزموده و گرافیت نرم‌ترین آن‌ها!

دلیل این شگفتی در پیوند ضعیف میان لایه‌های گرافین داخل گرافیت نهفته که موجب لغزش سریع لایه روی یکدیگر می‌شود و این‌گونه تداعی می‌کند که گرافیت بسی سست عنصر است. اما بدانید بد نیست که گرافین گفته می‌شود به اندازه یک لایه کربن ضخامت دارد، حداقل ۲۰۰ مرتبه از فولاد سخت‌تر است!

جناب کربن شکل دیگری نیز دارد که فولرن (Fullerene) خطاب می‌شود و از ۶۰ عدد کربن ساخته شده است. این توپ کربنی که همانند توپ چهل‌تکه فوتبال از خانه‌های شش‌ضلعی و پنج‌ضلعی منتظم تشکیل شده بسیار محکم است و اگر روی زمین پهن شود می‌شود همان گرافین خودمان!

اگر دو لبه گرافین را به یکدیگر متصل کنیم، لوله‌ای محکم ایجاد خواهد شد که جد اعلای نانولوله‌ها نام خواهد گرفت. رشته‌های DNA به‌ دلیل ساختار بلند، منسجم، محکم، سه‌بعدی و هدایت‌گرشان برای تولید قطعات الکترونیکی در ابعاد نانومتر مورد توجه قرار گرفته‌اند. نانولوله‌هایی که از کربن (بخوانید گرافین) تولید می‌شوند خصوصیات مشابهی با رشته‌های طویل DNA دارند. علاوه بر آن می‌توانند الکترون‌ها را در درون خود به‌ صورت مطمئن و با حداقل اتلاف انرژی جابه‌جا کنند، زیرا اتم‌های کربن در لایه خود سه پیوند محکم کووالانسی ایجاد می‌کنند که در حداکثر تقارن قرار دارند و امکان ایجاد پیوندی ضعیف‌تر عمود بر لایه گرافین دارند. هنگامی که این لایه کربنی به ‌صورت لوله تغییر شکل می‌دهد، ظرفیت ایجاد پیوند عمود بر لایه گرافین بر مرکز لوله منطبق می‌شود و چنانچه روزی روزگاری بار الکتریکی در مرکز این لوله جاری شود، امکان فرار نخواهد داشت!

به ‌همین دلیل می‌توان از نانولوله‌های گرافینی برای اتصال اجزای پایه چیپ‌ها در ابعاد ۱۲ نانومتر و حتی کمتر استفاده و خیال جماعتی را از بابت نشت الکترون‌های خودسر آسوده کرد!

● نتیجه‌گیری

این‌ها که گفته شد آرزو و خیال نیستند، بلکه توانایی بشر را در خلق مواد جدید نشان می‌دهند. امنیت لوله‌های گرافینی بسیار بیشتر از رشته‌های DNA است. مشکل هر دو تکنولوژی در چگونگی استفاده از آن‌ها در تولید چیپ‌هاست. چنانچه این موانع از سر راه برداشته شود، می‌تواند بیش از ۱۰ میلیارد ترانزیستور را تا سال ۲۰۱۵ در ابعاد پردازنده‌های کنونی اسکان داد!

امیدوار باشید و آرزو کنید که بشود!