تطبيقات النانوتكنولوجي في مجال أشباه الموصلات والكمبيوتر
المؤلف:
منير نايفة
المصدر:
النانوتكنولوجي- عالم صغير ومستقبل كبير- صفات سلامة
الجزء والصفحة:
ص110
2025-10-27
30
يتوقع العديد من العلماء العاملين في مجال النانوتكنولوجي أن تطبيقات النانوتكنولوجي في مجال أشباه الموصلات والكمبيوتر، ستكون واعدة في المستقبل القريب، وستمثل مستقبل تكنولوجيا المعلومات، وربما تمكننا يوماً ما من صنع" الكمبيوتر النانومتري".
فالمقدرة على تقليص حجم الترانزستورات في المعالجات السيليكونية في الصناعة الكمبيوترية ستصل إلى أقصى حدودها قريبا. لذلك ستكون هناك حاجة ماسة للتقنية النانوية كي تنشئ جيلاً جديداً من الكمبيوترات. فالكمبيوترات الجزيئية Molecular Computers يمكن أن تحتوي على أدوات تخزين Storage Devices قادرة على تخزين تريليونات من البايتات Bytes من المعلومات في بنية لها حجم مكعب السكر.
وكان أول تطبيق لعلم النانوتكنولوجي في مجال الكمبيوتر على الأقراص الصلبة Hard Disks ففي عام 1988، توصل العالمان الفرنسي "ألبير فير" Albert Fert والألماني بيتر" غرو نبيرغ" Peter Grunberg عبر بحوث مستقلة لاكتشاف نظرية "المقاومة المغناطيسية العملاقة" (Giant Magnetoresistance (GMR التي تظهر عند التعامل مع التيار الكهربائي و" الحقل" المغناطيسي، على مستوى الذرات، ثم عملا على تطبيق هذه النظرية في عملية تخزين المعلومات على الأقراص الصلبة للكمبيوتر. وقد فاز العالمان بجائزة نوبل للفيزياء لعام 2007 لأبحاثهما الرائدة التي أدت إلى اختراع الأقراص الصلبة الصغيرة، التي تعد أحد الإختراقات في تكنولوجيا المعلومات الحديثة، وكذلك لاكتشافهما نظرية "المقاومة المغناطيسية العملاقة، واستعمالها في صنع رؤوس متناهية الصغر لقراءة المعلومات المضغوطة على الأقراص الصلبة الإلكترونية، والتي تعتبر واحدة من أولى التطبيقات الحقيقية لعلم النانوتكنولوجي.
فمن المعروف أن المعلومات "تحفر" على القرص الصلب على هيئة "حقل" مغناطيسي متناهي الصغر، وعند قراءته يتحول إلى تيار كهربائي فيستطيع الكومبيوتر التعرف عليه لأن الحاسوب يقرأ المعلومات باعتبارها تياراً كهربائياً : يسير وينقطع، وكلما زاد حجم المعلومات، كلمــا تـوجب أن تحتل مساحة أقل فأقل على القرص الصلب. وعندما نصل إلى أقراص تحتوي على عشرات من التيرابايت (كل منها يساوي تريليون بايت، يصبح "حفر" المعلومات عملاً يجري عند
حدود الذرات وكذلك الحال بالنسبة إلى قراءته، أي لتحويل هذا الحقل المغناطيسي الذري إلى تيار كهربائي ليستطيع الكومبيوتر أن يلاحظه، فالمعلومات الرقمية تحتاج إلى آليات دقيقة جدا لقراءتها، وتتم عملية القراءة على أساس تحويل الحقول المغناطيسية إلى تيار كهربائي، وبذلك يتمكن جهاز الكمبيوتر من التعرف عليها وفهمها. وقد وضع العالمان "فير وغرو نبرغ"، نظريتهما المغناطيسية لصنع رؤوس متناهية في الصغر، وبحجم لا يزيد عن مجموعة صغيرة من الذرات، تستطيع التعامل مع المجالات المغناطيسية الفائقة الصغر، واستخدما علم النانو تكنولوجي، الذي يتعامل مع الأشياء في مستوى الواحد من المليون من الميليمتر، في صناعة تلك القارئات المغناطيسية 260 ففي حزيران/يونيو عام 2002 تمكن باحثون من جامعة كورنيل بنيويورك وهارفارد في بوسطن من ابتكار ترانزيستور بحجم ذرة واحدة مقتربين بذلك من عصر بناء الأجهزة النانومترية التي ستحدث ثورة حقيقية في كافة مجالات العلم، وبخاصة في عالم الحوسبة والهندسة والطب، فقد تمكن الباحثون من إنتاج ترانزستورين نانويين Two nano-transistors من جزيئين مركبين خصيصاً لهذا الغرض، وعندما طبق جهد كهربائي عليهما، تدفقت الإلكترونات عبر ذرة واحدة في كل منهما، وتشكل القدرة على استخدام ذرات مفردة كمكونات في الدوائر الإلكترونية إنجازاً مهماً في مجال النانوتكنولوجي. وفي تقرير مفصل عن هذا الإنجاز التكنولوجي المهم، نشرته مجلة "نيتشر" عدد 13 حزيران/يونيو 2002، قال عالم الفيزياء "باول" "مكوين Paul McEuen في جامعة كورنيل الأميركية، إن الترانزيستور أحادي الذرة لا يقوم بجميع وظائف الترانزيستور التقليدي مثل القدرة على تضخيم الإشارات، لكنه يمكن أن يستخدم على نحو مفيد كمجس (مستشعر) كيميائي يتحسس أدق التغيرات في البيئة.
وتعتزم شركة "إنستل" Intel العالمية - أكبر مصنع للمعالجات الإلكترونية - إنتاج أول رقاقة عاملة في الصناعة في العام 2009، تم بناؤها باستخدام تقنية التصنيع 32 نانومتر nanometer 32، وهي تستخدم في ترانزيستورات متناهية الصغر، بحيث يمكن وضع أكثر من 4 ملايين ترانزيستور في مساحة لا تتجاوز النقطة الموجودة في نهاية هذه الجملة.
ورقاقة السليكون التي استمرت لفترات طويلة من الزمن تستخدم كأساس للعناصر الإلكترونية المصنعة للكمبيوتر، فقد ساهمت بشكل كبير في تطور سرع رعة الكمبيوتر وزيادة سعته التخزينية، ولكن الحاجة المستمرة لزيادة قدرات الكمبيوتر أدت إلى البحث عن مواد بديلة لا سيما إن التقنية المعتمدة على رقاقات السليكون قد وصلت إلى أقصى حد لها.
كلما كانت الدوائر الإلكترونية المصنعة على رقاقات السليكون أصغر كلما كان بالإمكان وضع عناصر إلكترونية على مساحة أصغر، ولكن هناك حد ادني لتصغير هذه العناصر لا يمكن تخطيه لأنها تصبح غير قادرة على التعامل مع المعلومات الرقمية. ولكن الحاجة إلى زيادة قدرة الكمبيوتر مستمرة وهذا أدّى إلى البحث عن تكنولوجيا بديلة لا تعتمد على تكنولوجيا السليكون.
ففي دراسة علمية طرحت في مؤتمر للمواد الصلبة" Condensed Matter and Material Physics conference في كلية Holloway Royal في جامعة لندن البريطانية في الفترة من 26 28 آذار/مارس 2008 حول مستقبل الكمبيوتر، كشف باحثون في جامعة ليدز" Leeds البريطانية عن بديل لرقاقات السليكون يعتمد على أنابيب الكربون النانوية، وهي أنابيب من الكربون النقي سمكها لا يتجاوز بضع نانومترات أي اقل بعشرات الآلاف من سمك شعرة الإنسان. ولأنها توصل التيار الكهربي فإنه يمكن أن تستخدم لبناء دوائر إلكترونية. وبعض هذه الأنابيب النانوية لها خصائص أشباه الموصلات مثل السليكون وبعضها له خصائص الموصلات مثل النحاس. وحيث إن الترانزستور هو عنصر أساسي في بناء دوائر الكمبيوتر الإلكترونية فإنه تم تصنيع ترانزستورات من أنابيب الكربون النانوية.
ولكن المشكلة تظهر في ترتيب الأنابيب النانوية في دوائر إلكترونية. ومشكلة أخرى أساسية هي أن الأنابيب النانوية تكون من خليط من مواد موصلة ومواد أشباه موصلة في حين أن المطلوب هو نوع واحد فقط. وتعتمد الخصائص الكهربية للأنابيب النانوية على دقة ترتيب ذرات الكربون فيها، وهذا يشكل صعوبة في التحكم في إنتاج أنبوب نانوي ليكون له خصائص أشباه الموصلات دون أن يكون له خصائص الموصلات.
ولكن الباحث Hickey Bryan وزملائه في جامعة "ليدز" طوروا تقنية من الممكن أن تساهم في إنتاج أنابيب نانوية مع التحكم في خصائصها الكهربية. وهذا سوف يساهم بشكل أساسي في بناء دوائر إلكترونية دقيقة. حيث يتم إنتاج هذه الأنابيب النانوية على شبكة من مادة سيراميكية، ويستم وضع الأنابيب بين فتحات الشبكة ثم دراسة تركيبها الذري باستخدام الميكروسكوب الإلكتروني. بعد ذلك استخدم الباحثان ملقط دقيق للإمساك بأنبوبة نانوية تحت الميكروسكوب ووضعها على سطح أخر. يقول Chris Allen أحد الباحثين في فريق جامعة "ليدز" أنه هذه التقنية تمكنوا من تصنيع دائرة إلكترونية معقدة بدرجة لا يمكن لأي طريقة أخرى أن تنتجها.
وفي إنجاز علمي آخر يدفع بصناعة الإلكترونيات نحو مزيد من التصغير، أعلن في شباط/فبراير 2009 عن تمكن فريقان أميركيان من تطوير مواد جديدة يمكن أن تمهد الطريق لصناعة إلكترونيات أصغر وأسرع وأقوى مع بدء وصول تكنولوجيا أشباه الموصلات الحالية إلى منتهى حدود التصغير المعروفة حالياً، وقد نشرت مجلة "ساينس" Science العلمية الشهيرة في عدد 20 شباط / فبراير 2009، كلا الابتكارين، حيث لمكن فريق علمي من إنتاج ترانزستورات دقيقة – لبنة البناء لوحدات المعالجة في أجهزة الكمبيوتر computer processors- حجمها يعادل مجرد جزء من تلك المستخدمة في شرائح السيليكون المتطورة، حيث قال "جيرمي ليفي" Jeremy Levy من جامعة بتسبيرج الأميركية University of Pittsburgh إنه تم إنتاج وحدات الترانزيستور بالغة الدقة باستخدام مادتين من بلورات الخزف تعرفان باسم "ألومينات اللانتانيوم، وتيتانات الإسترنتيوم" Lanthanum aluminate & Strontium titanate وعند وضع شرائح من المادتين فوق بعضها البعض فإن هذه العوازل الطبيعية natural insulators توصل الكهرباء مع مرور شحنة غيرها. كما أنتج فريق آخر مادة رقيقة قادرة على تخزين بيانات من 250 فرصاً من أقراص الفيديو الرقمية على سطح في حجم العملة المعدنية.
وفي مجال تطوير ذاكرة الكمبيوترات، طورت شركة "آي بي أم" IBM الأميركية لإنتاج وتطوير أجهزة الكمبيوتر والبرمجيات، نوع جديد من "ذاكرة الكمبيوتر" يمكن أن تزيد سعة التخزين الحالية إلى 100 ضعف، أطلق على هذه التقنية الجديدة اسم "حلبة الذاكرة" racetrack memory ومن المتوقع أن تحل محل ذاكرة الفلاش والأقراص الصلبة الموجودة حالياً في أجهزة الكومبيوتر.
وذكر بيان صادر عن شركة "آي بي أم" أن مشغلات MP3 Players وباستخدام "حلبة "الذاكرة" الجديدة ستتمكن من تخزين ما يقرب من نصف مليون أغنية أو 3500 فيلم. وقد نشرت نتائج هذا البحث في المجلة الأميركية الشهيرة "ساينس" Science، عدد 10 نيسان/أبريل 2008.
وعن آلية عمل أداة التخزين الجديدة قال الخبراء في "آي بي أم" إن عملها يكمن في فرع ناشئ من فروع علم الفيزياء يطلق عليه "سبينترونيكس" (Spintronics (short for spin-based electronics يستخدم تقنية النانو لحث حركة الإلكترونات الدائرية على خلق مجالات مغناطيسية يمكن تخزين البيانات داخلها. وقال "ستيوارت باركين" Stuart Parkin قائد فريق البحث التابع لشركة "آي بي أم" في مركز أبحاثها في سان خوسيه بولاية كاليفورنيا، إن "حلبة الذاكرة" على سبيل المثال سيكون لديها القدرة على تخزين كميات هائلة من المعلومات يمكن وضعها في الجيب، وهذا من شأنه أن يطلق العنان إلى الإبداع الذي يؤدي إلى ابتكار أجهزة وتطبيقات لم يكن أحد يتخيلها من قبل. ومن المتوقع أن تبلغ كلفة إنتاج التكنولوجيا الجديدة أقل بكثير من إنتاج النماذج المتاحة حالياً في الأسواق، ويتوقع أن يجري وضع "حلبة الذاكرة" داخل الأجهزة الإلكترونية في غضون العقد المقبل.
كما تمكن علماء كوريون من تطوير تكنولوجيا لتقليل سمك الدائرة الكهربائية في أشباه الموصلات مما سيسمح بإنتاج شرائح ذاكرة للكمبيوتر تتميز بقدرة تخزين أعلى. وقد توصل إلى هذا الاكتشاف فريق علمي بقيادة العالم يوم" هان وونج Yeom Han-woong من جامعة يونسي Yonse University في كوريا الجنوبية، وهو اكتشاف يحظى بأهمية كبيرة، نظرا إلى أنه قد يفتح آفاقا جديدة أمام إمكانية صنع شرائح أشباه موصلات أصغر وأسرع وأكثر كفاءة.
وذكرت مجلة نشرات مراجعة الفيزياء" Physical Review Letters عدد نيسان/أبريل 2008، أن تكنولوجيا التنشيط أو "دوبينج" Doping الجديدة نجحت في توفير خطوط دوائر كهربائية سعة واحد نانومتر، والمعروف أن وحدة نانومتر تقدر بواحد في المليار متر من حيث الحجم. ويشير مصطلح "التنشيط" أو "دوبينج" إلى التقنية التي تستخدم الدقائق الرقيقة المثبتة على خيوط السيليكون لصنع دوائر كهربائية وغالبية أشباه الموصلات يوجد بها دوائر كهربائية سمكها يتراوح بين 50 إلى 100 نانومتر والجهود جارية حالياً لتقليل هذا السمك إلى 25 نانومتر، وفي حالة الوصول إلى سمك 25 نانومتر، فإن شريحة الذاكرة الواحدة يمكن أن تصل قدرتها التخزينية إلى 1 تيرا بايت كما أعلنت شركة هيتاشي Hitachi اليابانية في تشرين الأول/ أكتوبر عام 2007، أن قرصاً صلباً تبلغ سعة تخزينه 4 تيرا بايت (Terabytes (4 TB 4 سيصبح حقيقة واقعية مطروحة في الأسواق بحلول عام 2011، وذلك بفضل الانجازات التي تحققها تقنية النانوتكنولوجي. وأوضحت الشركة أنها تمكنت بنجاح من تقليص رأس القرص الصلب.
الذي يقوم بمهمة قراءة البيانات وكتابتها إلى حجم أصغر بألفي مرة من عرض شعرة إنسان، وبالتالي يمكن لهذا الرأس الأصغر حجماً قراءة قدر أكبر من البيانات المخزنة على القرص وذكرت أن هذه القفزة التقنية ستفتح آفاق ما أسمته بعصر التيرابايت Terabytes Era، حيث يمكن للقرص الصلب الذي يبلغ سعة تخزينه 4 تيرا بايت تخزين ما يعادل مليون أغنية. وتبدو طبيعة القفزة الهائلة التي يحققها هذا القرص الصلب الجديد، إذا أخذ في الاعتبار أن الأقراص الصلبة Hard Disks الحالية.
يمكنها أن تخزن حوالى 200 جيغابايت Gigabits 200 من المعلومات للبوصة المربعة الواحدة، بينما تؤكد شركة هيتاشي أن تقنيتها الجديدة يمكنها أن تخزن حوالی واحد تيرا بايت Terabit 1 من المعلومات في كل بوصة مربعة. توقعت الشركة أن يكون بمقدورها طرح قرص صلب سعة 4 تيرا بايت لأجهزة الكمبيوتر المكتبية وأجهزة الكمبيوتر النقالة بمشغل سعة تيرا بايت واحد بحلول عام 2011. وقالت إن هذا سيعني أن سعة التخزين في القرص الصلب ستواصل التضاعف كل عامين. وقال" جون بیست" John Best الخبير التقني الرئيسي في وحدة تخزين المعلومات في مقابلة أجرتها معه وكالة أسوشيتد برس إن الشركة قد اكتشفت طريقة لتقليل الضحة والمؤثرات السلبية الناتجة عن تصغير رأس القرص الصلب، الأمر الذي يتيح زيادة كثافة البيانات المخزنة. وقال "هيرواكي أو داوارا" Hiroaki dawara مدير الأبحاث في هيتاشي، إن الشركة تواصل الاستثمار في الأبحاث المعمقة لتحسين الأقراص الصلبة وزيادة قدرتها بميزانية منخفضة في المستقبل المنظور.
ومن التطبيقات التي يحاول العلماء تحقيقها من خلال النانوتكنولوجي في مجال الكمبيوتر، مجال الاندماج بين الكمبيوتر والبيولوجيا، أي إدخال مواد بيولوجية من الكائنات الحية، لتندمج في الأسلاك وسائر أنواع الموصلات، ما يجعل منها عناصر ذكية قادرة على التجاوب والتفاعل مع بقية الأجهزة التي يتألف منها. حيث يعمل العلماء الآن على صناعة «كومبيوتر نانوي» يُشبه الحمض النووي وإمكاناته الهائلة المتمثلة في حمل بلايين المعلومات داخل الخلية وفي حجم فائق الصغر، ويضاف إليه قدرات الذكاء الاصطناعي لأجهزة الكمبيوتر.
كما تمكن علماء من جامعة ستانفورد الأميركية Stanford University باستخدام النانوتكنولوجي في تحقيق إنجاز ثوري في عالم البطاريات التي تستعمل لتشغيل الأجهزة الإلكترونية، فقد نجحوا في تطوير بطاريات الليثيوم التي تستخدم في أجهزة الكومبيوتر المحمول والهواتف النقالة، حيث عملوا على زيادة قدرتها الكهربائية 10 مرات لتخدم عشرين ساعة بدلاً من ساعتين.
ويوضح العلماء بأن السعة التخزينية الكهربائية لبطاريات "أيونات الليثيوم" lithium-ion تتحدد بكمية الأيونات التي تتواجد في مصعد البطارية (القطب الموجب) أو ما يسمّى "أنود" والذي يصنع حالياً من الكربون، وبحسب ما نشر حول هذا الموضوع في الموقع الإلكتروني الدورية" طبيعة تقنية النانو" Nature Nanotechnolog، في 16 كانون الأول/ديسمبر 2007، فقد لجأ فريق البحث إلى مادة السيليكون لصنع مصعد البطارية ما أدى إلى زيادة السعة التخزينية للبطارية بشكل كبير. وكان الباحثون حاولوا سابقاً الاستعانة بمادة السيليكون لصنع أقطاب هذا النوع من البطاريات بسبب قدرتها على امتصاص أيونات الليثيوم الموجبة عند شحنها ومن ثم تسريبها لاحقاً لتشغيل الأجهزة الإلكترونية ليتسبب ذلك بانكماش مادة السيليكون، الأمر الذي يهدد بتدميرها عند تكرار هذه العملية ما يجعل من استخدامها في صناعة بطاريات الليثيوم مسألة صعبة.
إلا أن فريقاً من العلماء بقيادة العالم Yi Cui من جامعة ستانفورد الأميركية نجح في تجاوز هذه العقبة عن طريق اللجوء إلى تقنية النانو، فقد قاموا بتخزين أيونات الليثيوم الموجبة في أسلاك دقيقة جداً من السيليكون silicon nanowires والتي يعادل نصف قطر الواحد منها جزءاً واحداً من ألف جزء من سماكة الورق حيث تمتلك هذه الأسلاك القدرة على التشبع بأيونات الليثيوم حتى يصل حجمها إلى ضعفي ما كانت عليه دون أن تتعرض للتلف عند إطلاقها تلك الأيونات. ويأمل الباحثون أن يستقطب هذا النوع من البطاريات اهتمام الخبراء في مجال صناعة السيارات كما يؤكدون إمكانية استخدامها لتشغيل الأجهزة الكهربائية في المنازل والمكاتب، وذلك بعد أن يتم شحن البطارية بالطاقة والتي تزودها بها ألواح الطاقة الشمسية التي تستقر فوق سطوح المباني.
الاكثر قراءة في الفيزياء الجزيئية
اخر الاخبار
اخبار العتبة العباسية المقدسة
