تكنولوجيا النانو في مجال المعلومات والاتصالات
تكنولوجيا النانو
في مجال المعلومات
و الاتصالات
ما تقدمه تكنولوجيا النانو هو القدرة على صنع كل ما يتخيله الإنسان بكلفة أقل وجودة أعلى وهذه القدرة ستكون مفتاح التقدم العلمي الذي سيغير معالم الحياة على نحو قد لا يستطيع الإنسان تصور كل أبعاده اليوم.
تكنولوجيا النانو هي الجيل الخامس الذي ظهر في عالم الإلكترونيات وقد سبقه أولاً الجيل الأول الذي استخدم المصباح الإلكتروني بما فيه التلفزيون، والجيل الثاني الذي استخدم جهاز الترانزيستور، ثم الجيل الثالث من الإلكترونيات الذي استخدام الدوائر المتكاملة؛ وجاء الجيل الرابع باستخدام المعالجات الصغيرة الذي أحدث ثورة هائلة في مجال الإلكترونيات بإنتاج الحاسبات الشخصية والرقائق السيليكونية التي أحدثت تقدما في العديد من المجالات العلمية والصناعية.
قبل ظهور
النانو
كانت تكنولوجيا الميكرو هي المستخدمة في الأنظمة التكنولوجية، مثل الشرائح الإلكترونية، حيث تتراوح أحجامها في المدى من الميكرو متر إلى الميليمتر, والميكرو متر هو مقياس طولي يساوي جزء من المليون من المتر أو يقابل عشر حجم قطرة من
الرذاذ أو الضباب.
ومن المواد المستخدمة في تصنيع الأجهزة الميكروية مادة
السيلكون
حيث تعتبر العصب الرئيسي لصناعة الدوائر الإلكترونية المتكاملة. وتستخدم
كذلك الفلزات في تصنيع الأجهزة الميكروية حيث تعطي درجة عالية من الاعتمادية, ومن
الأمثلة على الفلزات المستخدمة الذهب, النيكل, الألمنيوم, الكروميوم والفضة.
وتأتي تكنولوجيا النانو لتحل بديلاً عن تكنولوجيا الميكرو حيث يمكن
تصنيع الأجهزة الكهروميكانيكية والإلكترونية النانوية, وتقليل حجم جميع تلك الأجهزة المستخدمة بمقدار ألف مرة
عن حجم أجهزة الميكرو, مما يؤدي إلى تغيير أداء تلك الأجهزة إلى الأفضل, وتشير هذه
التكنولوجيا الواعدة بقفزة هائلة في جميع فروع العلوم والهندسة, حيث أنها ستتيح
إمكانية صنع أي شيء نتخيله وذلك عن طريق صف جزيئات المادة إلى جانب بعضها البعض
بشكل لا نتخيله وبأقل تكلفة محتملة.
جدول التالي يوضح مصطلحات تكنولوجيا النانو والمقابل لها بالعربية ومعناها
أن التعريف الدقيق لهذه التكنولوجيا اعتبار أن الجزيء أصغر من (100)
نانومتر وذو خصائص فريدة, وعليه فقد تم تقسيمها إلى الأجيال الآتية:
جيل تكنولوجيا النانو المؤثر = يتضمن الإنتاج الأول
للعديد من المنتجات المختلفة مثل: ملطفات الجو والمنتجات المتطايرة والمعادن
بنائية النانو والبوليمرات والسيراميك عالي التكنولوجيا.
جيل تكنولوجيا النانو الفعالة = وتشمل المنتجات ذات الفاعلية الحيوية ومنها الأدوية الحساسة
والمنتجات الدقيقة الجيوفيزيائية الفعالة, مثل : البنائيات المتكيفة ومنتجات
الترانزستور.
جيل أنظمة النانو = ويطلق عليه
أيضاً نظام النانو ثلاثي الأبعاد, وتشمل الأجهزة المتطورة الدقيقة المجمعة, مثل:
الروبورت الطبي المتقدم للعمليات الجراحية الدقيقة, والبنائيات المعمارية الدقيقة
المتطورة.
جيل أنظمة النانو الجزيئية = وتحتاج إلى مزيد من البحث والتقصي, كما انها تناسب المتطلبات
الدقيقة للإنسان, مثل: الاجهزة فعالية المنشأ والتي تحاكي انظمة الإنسان الحيوية
وذات التصميم النووي.
هناك طريقتان لتصنيع حجم نانوي من المادة:
الطريقة الأولى: من أعلى لأسفل
= Top – Down
حيث تبدأ بحجم محسوس من المادة محل الدراسة ويصغر للوصول إلى المقياس النانوي,
استخدمت هذه الطريقة للحصول على مركبات إلكترونية مجهرية كشرائح الكمبيوتر وغيرها.
الطريقة الثانية: من أسفل لأعلى
= Bottom –Up
حيث تبدأ بجزيئات منفردة كأصغر وحدة وتجمع في تركيب أكبر. وغالباً ما تستخدم في
ذلك الطرق الكيميائية, وتتميز بصغر حجم المادة الناتجة ( نانومتر واحد), بالإضافة
إلى قلة الهدر للمادة الأصلية, والحصول على قوة ترابط بين الجسيمات النانوية
الناتجة.
أشكال المواد النانوية :
1-النقاط الكمية = عبارة عن
تركيب نانوي شبه موصل ثلاثي الأبعاد, تقوم النقطة الكمية بتقييد إلكترونات شريط
التوصيل, وثقوب شريط التكافؤ, كما تُبدي
النقاط
الكمية
طيفا متقطعا وتتمركز الدوال الموجية المقابلة داخل النقطة الكمية، وعندما يكون قطر النقطة الكمية يساوي 10 نانوميتر, فانه يمكن صف ثلاثة ملايين
نقطة كمية بجانب بعضها البعض بطول يساوي عرض إصبع إبهام الإنسان.
2- الفلورين = تركيب نانوي للكربون وهو عبارة عن جزيء مكون من 60 ذرة من ذرات
الكربون ويرمز له بالرمز C60. وهو يشبه كرة القدم التي تحتوي على 12 شكلا خماسياً و 20 شكلا
سداسياً. كما اكتشفت أشكال أخرى منها مثل الفلورين المخروطي والأنبوبي إضافة إلى
الكروي.
3- الكرات النانوية = من اهمها كرات الكربون النانوية والتي تنتمي إلى فئة الفولورينات,
وبسبب ان تركيبها يشبه البصل فقد سماها العلماء كرات البصل, وقد يصل قطر الكرات
النانوية إلى 500 نانوميتر او أكثر.
4- الجسيمات النانوية = عبارة عن تجمع ذري او جزيئي ميكروسكوبي, يتراوح عددها من بضع ذرات
( جزيء) إلى مليون ذرة, مرتبطة ببعضها بشكل كروي تقريبا بنصف قطر أقل من 100
نانوميتر. ومن خصائص الجسيمات النانوية تغلب الخصائص السطحية للجسيمات على الخصائص
الحجمية للمادة, وبينما تكون الخصائص الفيزيائية للمادة الحجمية ثابتة بغض النظر
عن حجمها, فإن الخصائص للمادة عندما تصل إلى مقياس النانو سوف تتغير وبالتالي
تعتمد على حجمها. ومن الخصائص هو إمكانية تعلُّقها داخل سائل أو محلول بدون أن
تطفو أو تنغمر وذلك لأن التفاعل بين سطح الجسيمات والسائل يكون قويا, بحيث يتغلب
على فرق الكثافة بينهما والذي يكون في العادة مسئولا عن طفوّ أو غمر المادة
الحجمية في السائل.
5- الأنابيب النانوية = تصنَّع الأنابيب النانوية من مواد غير عضوية
مثل: أكاسيد الفلزات ( أكسيد الفاناديوم, أكسيد المنجنيز), نيتريد البورون والموليبدينوم، وهي شبيهة من ناحية
تركيبها بأنابيب الكربون النانوية, ولكنها أثقل
وزنا وليست بنفس القوة مثل أنابيب الكربون.
6- الألياف
النانوية = لاقت اهتماما كبيرا
مؤخرا لتطبيقاتها الصناعية, وقد أكتشف العديد من أشكالها كالألياف السداسية والحلزونية
والألياف الشبيهة بحبة القمح. ومن أشهر الألياف النانوية تلك المصنوعة من ذرات
البوليمرات. وما يميزها أيضا إن نسبة مساحة السطح إلى الحجم كبيرة, حيث أن عدد
ذرات السطح كبير مقارنة بالعدد الكلي, وهذا يكسب تلك الألياف خواص ميكانيكية مميزة
كالصلابة وقوة الشد وغيرها مما يؤهلها بلا منافس لاستخدامها كمرشحات في تنقية
السوائل أو الغازات, وفي الطب الحيوي وزراعة الاعضاء كالمفاصل ونقل الأدوية في
الجسم وفي التطبيقات العسكرية كتقليل مقاومة الهواء, وغيرها من التطبيقات.
7- الأسلاك النانوية = هي أسلاك
بقطر قد يقل عن نانومتر واحد وبأطوال مختلفة, فهي تتفوق على الأسلاك التقليدية (
ثلاثية الأبعاد), وذلك لأن الإلكترونات تنحصر كمياً باتجاه جانبي واحد مما يجعلها
تحتل مستويات طاقة محددة تختلف عن تلك المستويات العريضة الموجودة في المادة
الحجمية. ولها عدة أشكال فقد تكون حلزونية او تكون متماثلة خماسية الشكل.
8- المركبات النانوية = هي عبارة عن
مواد يضاف إليها جسيمات نانوية خلال تصنيع تلك المواد, ونتيجة لذلك فان المادة
النانوية تُبدي تحسيناً كبيرا في خصائصها. فعلى سبيل المثال, يؤدي إضافة أنابيب
الكربون النانوية إلى تغيير خصائص التوصيل الكهربي والحراري للمادة, وقد يؤدي
إضافة أنواع أخرى من الجسيمات النانوية إلى تحسين الخصائص الضوئية, وخصائص العزل
الكهربي, وكذلك الخصائص الميكانيكية مثل الصلابة والقوة.
فرص تكنولوجيا النانو في مجال
المعلومات والاتصال :
1- تخزين الذاكرة = تتنافس
الشركات في تصنيع الحاسبات الآلية اعتمادا على تقنية النانو, ويمكن تحديد خمس اتجاهات رئيسية تطويرية على الحاسبات وهي :
·
زيادة سرعة المعالجات وخفض معدل استهلاك الطاقة والانبعاث الحراري.
·
زيادة السعة التخزينية لذاكرة الوصول العشوائي RAM مع قدرتها على الاحتفاظ
بالبيانات حتى بعد انفصال مصدر الطاقة.
·
زيادة معدل الاحتفاظ بالطاقة لبطاريات أجهزة الحاسب والهاتف المحمول,
مع تحسين شاشات العرض.
·
إنتاج وسائط تخزين بيانات بسعات تخزينية هائلة.
· التطبيقات الأخرى متمثلة في المنتجات الإلكترونية, مثل: رقائق ذاكرة
الفلاش وادوات سمعية عالية الحساسية, وأغطية واقية مضاد للميكروبات والجراثيم
مصممة للفأرة ولوحة المفاتيح والهواتف المحمولة, والأحبار الموصلة للإلكترونيات
المطبوعة وغيرها .
2- أجهزة أشباه الموصلات الجديدة:
أعتمدت على الدوران الإلكتروني, حيث
يطلق على اعتماد مقاومة المادة( بسبب دوران الإلكترونات) على المجال الخارجي
للمقاومة المغناطيسية العملاقة, ويمكن زيادة هذا التاثير بصورة هائلة عن طريق
الاجسام النانوية, مثلما هو الحال عندما يتم فصل طبقتين من الحديد الممغنط
باستخدام طبقة نانوية مغناطيسية.
3 -
الأجهزة البصرية الإلكترونية الجديدة:
تحل هذه الأجهزة محل الأجهزة
التناظرية الإلكترونية التقليدية في تكنولوجيا الاتصالات الحديثة نتيجة عرض نطاقها
الترددي وتزايد قدرتها وكفاءتها, ومنها البلورات الضوئية والنقاط الكمية.
فالبلورات الضوئية تتشابة مع شبه الموصلات ولكن في مجال الضوء أو الفوتونات بدلاً
من الإلكترونات, في حين تعد النقاط الكمية أجسام نانوية تستخدم لإنتاج أشعة
الليزر, ويتميز في اعتماد طول الموجة
المنبعثة على قطر النقطة كما يوفر جودة إشعاع أفضل و أعلى من ثنائيات الليزر
التقليدية.
4 - العارضات ( شاشات العرض) :
توفر تكنولوجيا النانو إمكانية إنتاج
عارضات مختلفة مع استهلاك أقل في الطاقة باستخدام الأنابيب النانوية الكربونية.
وتتميز الأنابيب النانوية الكربونية بقدرتها العالية على التوصيل للكهرباء وصغر
قطرها الذي يصل إلى بضعة نانومترات.
5 -
الحاسب الكمي :
هو حاسب آلي يعتمد على مبادىء ميكانيكا الكم
وظواهرها, مثل حالة التراكم الكمي والتشابك الكمي للقيام بمعالجة البيانات في
الحاسبات التقليدية. والهدف من استخدام
هذا النوع من الحاسبات هي الاستفادة من الخواص الكمية للجسيمات لتمثيل البيانات و
معالجتها, إضافة لاستخدام قواعد ميكانيكا الكم لبناء وتنفيذ التعليمات والعمليات
على هذه البيانات.
تعليقات
إرسال تعليق