سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس نانو (NEMSs)

اگر چه عده‌ای از دانشمندان در آزمایشگاه‌ها موفق شده‌اند نمونه‌هایی از سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس نانو را طراحی کرده و بسازند، لیکن استفاده از آن‌ها در کاربردهای صنعتی هنوز اتفاق نیفتاده است. در واقع توسعه‌ی بیش‌تر این سامانه‌ها مستلزم تلاش و پژوهش بیش‌تر است. ما در این مقاله به بررسی مختصر دو مثال معروف از سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس نانو می‌پردازیم. هدف از بررسی این دو مثال آشنایی بیش‌تر شما با ساز و کار عملکرد این سامانه‌ها و ایده‌هایی است که در این سامانه‌ها مطرح و دنبال می‌شود.
در مثال اول مشاهده می‌کنیم که چگونه یک میدان الکتریکیِ خارجی موجب چرخشِ یک چرخِ مقیاسِ نانومتری می‌شود و در مثال دوم مشاهده خواهیم کرد که چگونه با تابیدن پرتوهای نور فرابنفش، حرکت‌های رفت و برگشتیِ منظمی در یک مولکول پلیمری در ابعاد نانو ایجاد می‌شود.

مثالِ اول، چرخشِ چرخِ نانومتری
چرخ نانومتری که می‌خواهیم آن را به چرخش واداریم همان مولکول C60 یا باکی‌بال است. همان طور که می‌دانیم C60 یک اَبَرمولکول است که از 60 اتم کربن تشکیل شده و به دلیل این که قطر آن در مقیاس چند نانومتر است از ساختارهای نانومتری شمرده می‌شود. در شکل1 ساختار یک مولکول C60 را ملاحظه می‌کنید.

شکل 1- ساختار یک مولکول C60

در واقع می‌خواهیم یک مولکول C60 را بر روی سطح یک بلور مانند پتاسیم کلرید (KCl) به چرخش واداریم. همان طور که می‌دانیم نوع برهم‌کنش‌ها در ساختار پتاسیم کلرید از نوع یونی است. یعنی یون‌های مثبتِ پتاسیم و یون‌های منفیِ کلر با قرار گرفتن کنار یکدیگر، ساختار بلور پتاسیم کلرید را تشکیل می‌دهد. اکنون اگر بتوانیم مولکول C60 را با استفاده از یک میدان الکتریکی خارجی باردار کنیم، مولکول C60 قطبی می‌شود (یعنی دارای قطب مثبت و منفی می‌شود) و بدین ترتیب بر روی سطح باردار پتاسیم کلرید شروع به حرکت می‌کند(شکل2 را ملاحظه کنید). این همان چیزی است که به دنبال آن بودیم، چرخش یک چرخ در مقیاس نانومتری!

شکل 2- چرخش یک مولکول C60 بر روی سطح یک بلور پتاسیم کلرید (چرخش یک چرخ در مقیاس نانومتری)

مثالِ دوم، حرکتِ رفت و برگشتی در پلیمر نانومتری
مولکول آزوبنزن از ترکیب دو مولکول بنزن و دو اتم نیتروژن تشکیل می‌شود. این مولکول دارای دو ایزومِر مختلف است. ایزومرها، مولکول‌های دارای اتم‌های یکسان هستند که از تعداد برابری پیوند برخوردارند ولی تعادل هندسی متفاوتی دارند. در شکل3 دو ایزومر سیس و ترانس مولکول آزوبنزن را مشاهده می‌کنید. همان طور که مشاهده می‌شود ایزومر سیس کوتاه‌تر از ایزومر ترانس است.

شکل 3- ایزومر سیس و ترانس مولکول آزوبنزن. همان طور که مشاهده می‌شود ایزومر سیس کوتاه‌تر از ایزومر ترانس است.

یکی از ویژگی‌های جالب مولکول آزوبنزن تغییر شکل آن هنگام قرار گرفتن در جلوی تابش پرتوی نور است. هنگامی که مولکول آزوبنزن در جلوی تابش نور با طول موج 313 نانومتر قرار می‌گیرد، از ایزومر ترانس به ایزومر سیس تغییر شکل می‌دهد و هنگامی که ایزومر سیس در جلوی تابش نور با طول موج بزرگ‌تر از 380 نانومتر قرار می‌گیرد، موجب می‌شود که ایزومر سیس به ایزومر ترانس تغییر شکل یابد. شکل4 را ملاحظه کنید.

شکل 4- هنگامی که مولکول آزوبنزن در جلوی تابش نور با طول موج 313 نانومتر قرار می‌گیرد، از ایزومر ترانس به ایزومر سیس تغییر شکل می‌دهد و هنگامی که ایزومر سیس در جلوی تابش نور با طول موج بزرگ‌تر از 380 نانومتر قرار می‌گیرد، موجب می‌شود که ایزومر سیس به ایزومر ترانس تغییر شکل یابد.

آزوبنزن همچنین می‌تواند پلیمری متشکل از زنجیره‌ای از مولکول‌های آزوبنزن تشکیل دهد. در شکل پلیمری نیز آزوبنزن می‌تواند با قرار گرفتن در جلوی تابش نور 365 نانومتری از حالت ترانس به حالت سیس تغییر شکل دهد. همچنین با قرار گرفتن در جلوی تابش نور 420 نانومتری از حالت سیس به حالت ترانس تغییر شکل می‌دهد. همان طور که گفتیم ایزومر سیس کوتاه‌تر از ایزومر ترانس است، بنابراین با تغییر حالت آزوبنزن از سیس به ترانس و برعکس، اندازه‌ی طول این زنجیره‌ی پلیمری نیز تغییر می‌کند.

گروهی از پژوهشگران با اتصال زنجیره‌ی پلیمری آزوبنزن در حالت ترانس به بازوی یک میکروسکوپ نیروی اتمی، موفق به ساخت یک ماشین مولکولی در مقیاس نانومتری شده‌اند. با قرار دادن نوک این میکروسکوپ در جلوی تابش نور 365 نانومتری، زنجیره‌ی پلیمری از حالت ترانس به حالت سیس تغییر شکل می‌دهد و کوتاه‌تر می‌شود. همچنین هنگامی که نوک میکروسکوپ در جلوی تابش نور 420 نانومتری قرار گیرد، زنجیره‌ی پلیمری از حالت سیس به حالت ترانس تغییر شکل می‌دهد و بلندتر می‌شود. شکل5 را ملاحظه کنید. با قرار دادن متناوب این زنجیره‌ی پلیمری در جلوی تابش پالس‌هایی از نورهای 420 و 365 نانومتری، میله می‌تواند به حالت نوسان درآید. بدین ترتیب انرژی نورانی به کار فیزیکی تبدیل می‌شود. نکته‌ی قابل توجه در این فرآیند، این است که در مقیاس نانومتری اتفاق می‌افتد.

شکل 5- با قرار دادن نوک این میکروسکوپ در جلوی تابش نور 365 نانومتری، زنجیره‌ی پلیمری از حالت ترانس به حالت سیس تغییر شکل می‌دهد و کوتاه‌تر می‌شود. همچنین هنگامی که نوک میکروسکوپ در جلوی تابش نور 420 نانومتری قرار گیرد، زنجیره‌ی پلیمری از حالت سیس به حالت ترانس تغییر شکل می‌دهد و بلندتر می‌شود.

نتیجه و جمع‌بندی
ما در این مقاله در ادامه‌ی مقاله سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو، کوشیدیم تا با ویژگی‌ها، مزایا و محدودیت‌های این سامانه‌ها در مقیاس نانو بیش‌تر آشنا شویم. همچنین با بررسی دو مثال واقعی تلاش کردیم تا بگوییم سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس نانو (NEMSs) اگرچه هنوز با کاربرد در دنیای واقعی و صنعت فاصله‌ی زیادی دارد و محدودیت‌های بسیاری را پیش رو دارد، لیکن فکر کردن درباره‌ی کاربرد آن در آینده‌ی نزدیک و در صنایع گوناگون چندان دور از انتظار و رؤیاپردازانه نیست.
ما در مقاله‌ی بعد یک گام پیش‌تر خواهیم رفت و از حوزه‌ی جدیدی در دانش الکترونیک به نام الکترونیک مولکولی سخن خواهیم گفت. الکترونیک مولکولی مرز دانش و فناوری نانوالکترونیک است و بسیاری از محدودیت‌های الکترونیکِ امروزی را پشت سر می‌گذارد.

این مقاله را در سایت باشگاه نانو هم می توانید مطالعه کنید