اگر علاقه‌مند به رشته‌ی نانوتکنولوژی هستید، احتمالا اسم ریچارد فاینمن را شنیده‌اید. ریچارد فاینمن در تاریخ 29 دسامبر 1959 در اجلاس سالانه انجمن فیزیکی آمریکا یک سخنرانی طوفانی در حوزه‌ی نانوتکنولوژی با عنوان “در پایین اتاق زیادی وجود دارد” انجام داد. در این مقاله متن کامل این سخنرانی را برای شما آماده کرده‌ایم. امیدوارم لذت ببرید.
در پایین فضای زیادی وجود دارد...
من تصور می‌کنم که فیزیکدانان تجربی اغلب باید با حسادت به مردانی مانند Kamerlingh Onnes که زمینه‌ای مانند دمای پایین را کشف کرد، نگاه کنند. به نظر می‌رسد که فاقد ته است و در آن می‌توان پایین و پایین‌تر رفت. پرسی بریگمن، در طراحی راهی برای دستیابی به فشارهای بالاتر، زمینه جدید دیگری را گشود و توانست همه ما را راهنمایی کند.
من می‌خواهم زمینه‌ای را توصیف کنم که در آن کمتر کار انجام شده است، اما در اصل جای کار بسیار زیادی دارد. این رشته از لحاظ این که بسیاری از فیزیک بنیادی را به ما نمی‌گوید کاملاً مشابه سایر رشته ها نیست، اما بیشتر به فیزیک حالت جامد شباهت دارد به این معنا که ممکن است درباره پدیده‌های عجیب و غریب اتفاق افتاده در شرایط بسیار پیچیده مورد توجه ما باشد. بعلاوه ، نکته‌ی مهم این است که کاربرد فنی زیادی دارد.
آنچه می خواهم در مورد آن صحبت كنم مسئله دستكاری و كنترل موارد در مقیاس كوچك است.
به محض این که این را ذکر کردم، مردم در مورد کوچک سازی و اینکه امروز چقدر پیشرفت کرده است به من می‌گویند. آنها در مورد موتورهای الکتریکی به اندازه انگشت کوچک شما به من می‌گویند. آنها به من می‌گویند که دستگاهی در بازار وجود دارد که با آن می توانی دعای ارباب را روی سر سنجاق بنویسی. اما این هیچ چیز نیست این ابتدایی‌ترین، توقف گام در مسیری است که قصد دارم در مورد آن بحث کنم. این یک جهان حیرت انگیز کوچک و ریز است. در سال 2000، وقتی آنها به این صحنه نگاه می‌کنند، تعجب خواهند کرد که چرا فقط در سال 1960 بود که کسی شروع به حرکت جدی در این مسیر کرد.
چرا نمی توانیم کل 24 جلد دائره‌المعارف بریتانیکا را روی سر سنجاق بنویسیم؟
بیایید ببینیم چه چیزی در این امر دخیل است. تمام آنچه لازم است انجام شود این است که اندازه نوشتارهای دائره‌المعارف را 25000 برابر کاهش دهید. آیا این امکان وجود دارد؟
هر نقطه به اندازه‌ی 1000 اتم دارد. بنابراین، هر نقطه به راحتی و به اندازه کافی جا دارد تا در سر یک سنجاق بتواند همه دانشنامه بریتانیکا را قرار دهد.
حال چگونه آن را بخوانیم؟
اگر چیزی به این شکل نوشته شده بود، می‌توانستیم آن را با استفاده از تکنیک‌های رایج امروزی بخوانیم.
چگونه کوچک بنویسیم؟
سوال بعدی این است: چگونه آن را بنویسیم؟ ما اکنون هیچ روش استانداردی برای انجام این کار نداریم. اما بگذارید استدلال کنم که این کار به همان سختی که برای اولین بار به نظر می‌رسد، نیست. ما می‌توانیم لنزهای میکروسکوپ الکترونی را معکوس کنیم تا بزرگ و بزرگ‌تر شود. یک منبع یون، که از طریق عدسی‌های میکروسکوپ به صورت معکوس ارسال می‌شود، می‌تواند در یک نقطه بسیار کوچک متمرکز شود. ما می‌توانیم همانطور که در اسیلوسکوپ پرتوی کاتدی تلویزیون می‌نویسیم، با عبور از خطوط و داشتن تنظیماتی، مقدار ماده ای که قرار است در خط اسکن شود، تعیین کنیم.
روش‌های سریع‌تری نیز وجود خواهد داشت. شاید بتوانیم صفحه‌ای ایجاد کنیم که به صورت حروف سوراخ دارد. سپس می‌توانیم قوس پشت سوراخ ها بزنیم و یون‌های فلزی را از سوراخ‌ها بکشیم. سپس می‌توانیم دوباره از سیستم لنزهایمان استفاده کنیم و یک تصویر کوچک به شکل یون بسازیم که فلز را روی سنجاق رسوب می‌دهد.
یک روش ساده تر ممکن است این باشد (اگرچه مطمئن نیستم که موثر باشد): ما نور را می‌گیریم و از طریق میکروسکوپ نوری که به عقب کار می‌کند، آن را بر روی یک صفحه فوتوالکتریک بسیار کوچک متمرکز می‌کنیم. سپس الکترون‌ها از صفحه‌ای که نور در آن می‌تابد، دور می‌شوند.
اندازه این الکترون‌ها توسط لنزهای میکروسکوپ الکترونی کم می‌شود تا مستقیماً به سطح فلز برخورد کند. آیا اگر یک فلز به اندازه کافی طولانی کار کند، چنین پرتو ساطع می‌کند؟ من نمی‌دانم.
اگر برای یک سطح فلزی کار نمی‌کند، باید بتوان سطحی را پیدا کرد که بتواند پایه اصلی را بپوشاند تا در جایی که الکترون بمباران می‌کند، تغییری ایجاد شود که بعداً بتوانیم آن را تشخیص دهیم.
در این دستگاه‌ها - نه آنچه که شما در بزرگ‌نمایی به آن عادت کرده‌اید - جایی که باید چند الکترون بگیرید و آنها را در صفحه بزرگ‌تر و بزرگ‌تر پخش کنید، هیچ مشکلی وجود ندارد. این درست برعکس است. بنابراین نوری که از یک صفحه می‌گیریم در یک ناحیه بسیار کوچک متمرکز شده و بسیار شدید است. تعداد کمی الکترون از صفحه فوتوالکتریک در یک ناحیه بسیار کوچک تخریب می‌شوند، به طوری که باز هم بسیار شدید هستند. نمی دانم چرا هنوز این کار انجام نشده است!
اکنون، نام این سخنرانی "در انتها فضای زیادی است" - نه فقط "در پایین فضا وجود دارد." نشان می‌دهد كه جا وجود دارد و اینكه شما می‌توانید بطور عملی اندازه وسایل را كاهش دهید.
اکنون می‌خواهم نشان دهم که فضای کافی وجود دارد. در مورد چگونگی انجام این کار بحث نخواهم کرد، بلکه فقط در مورد آنچه در اصل ممکن است وجود داشته باشد، به عبارت دیگر آنچه بر اساس قوانین فیزیک امکان پذیر است، صحبت می‌کنم. من به شما می‌گویم که اگر قوانین همان چیزی باشد که فکر می‌کنیم، چه کاری می‌توان انجام داد. ما این کار را نمی‌کنیم، فقط به این دلیل که هنوز به آن دست نیافته‌ایم.
اطلاعات در مقیاس کوچک
فرض کنید، به جای اینکه بخواهیم تصاویر و همه اطلاعات را مستقیماً به شکل فعلی تولید کنیم، فقط محتوای اطلاعات را به صورت کد نقطه یا چیزی شبیه به آن بنویسیم تا حروف مختلف را نشان دهد. هر حرف نشان‌دهنده شش یا هفت "بیت" اطلاعات است. یعنی برای هر حرف فقط حدود شش یا هفت نقطه یا خط تیره لازم دارید. اکنون به جای نوشتن همه چیز، همانطور که قبلاً روی سطح سر یک سنجاق نوشتم، قصد دارم از مواد داخلی نیز استفاده کنم.
بگذارید یک نقطه کوچک از یک فلز با یک نقطه مجاور از فلز دیگر را نشان دهیم. محافظه‌کارانه فرض کنید کمی اطلاعات به اندازخ مکعب اتم 5 در 5 در5 نیاز دارد، یعنی 125.
شاید ما به صدها اتم عجیب و غریب نیاز داشته باشیم تا اطمینان حاصل کنیم که اطلاعات از طریق انتشار دیگر از بین نمی‌رود. من تخمین زدم که تعداد نامه‌های دائره‌المعارف چقدر است و فرض کردم که هر یک از 24 میلیون کتاب من به اندازه یک جلد دائره‌المعارف است و تعداد بیت‌های اطلاعات را نیز محاسبه کردم.برای هر بیت به 100 اتم اجازه می‌دهم و معلوم می‌شود که تمام اطلاعاتی که بشر با دقت در تمام کتاب‌های جهان جمع کرده است می‌تواند به این شکل در یک مکعب کوچک که اندازه‌ی تکه ای از گرد و غبار برای انسان است، نوشته شود. بنابراین فضای زیادی در پایین وجود دارد!
این واقعیت که می‌توان اطلاعات بسیار زیادی را در فضای بسیار کمی حمل کرد، برای زیست‌شناسان کاملاً شناخته شده است و رمز و راز موجود در قبل از این که همه‌ی این موارد را به روشنی بفهمیم، در کوچک‌ترین سلول وجود دارد.
همه‌ی این اطلاعات، در کسری بسیار کوچک از سلول، به شکل مولکول‌های DNA با زنجیره بلند که در آن تقریباً 50 اتم برای یک بیت اطلاعات در مورد سلول استفاده می‌شود، وجود دارد.
یک میکروسکوپ الکترونی بهتر
اگر من کدی نوشته ام ، با ابعاد 5 در 5 در 5 بیتی ، سوال این است که:
امروز چگونه می‌توانم آن را بخوانم؟ میکروسکوپ الکترونی کاملاً خوب نیست و با بیشترین دقت و تلاش، فقط می‌تواند حدود 10 آنگستروم را برطرف کند. من می‌خواهم با اهمیت صد درصدی بهبود میکروسکوپ الکترونی شما را تحت تأثیر قرار دهم. غیرممکن و برخلاف قوانین پراش الکترون نیست و دیدن تک تک اتم‌ها امکان‌پذیر است. چه فایده‌ای دارد که به طور مشخص اتم‌های فردی را ببینیم؟
ما فیزیکدانان غالباً به زیست‌شناسان نگاه می‌کنیم و به آنها می‌گوییم:
"آیا می‌دانید همرسان شما چرا پیشرفت کمی دارند؟" (در واقع من هیچ زمینه‌ای را نمی دانم که در آن پیشرفت سریع‌تری نسبت به زیست شناسی امروز داشته باشند.) شما باید مثل ما از ریاضیات بیشتری استفاده کنید. کاری که باید انجام دهید تا ما بتوانیم سریعتر پیشرفت کنیم، این است که میکروسکوپ الکترونی را 100 برابر بهتر کنیم."
اساسی‌ترین مشکلات زیست شناسی امروز چیست؟
آنها سوالاتی مانند این هستند:
توالی بازها در DNA چیست؟ چه اتفاقی می‌افتد که جهش پیدا کنید؟ چگونه ترتیب قاعده در DNA با ترتیب اسیدهای آمینه موجود در پروتئین ارتباط دارد؟ ساختار RNA چیست؟ آیا تک زنجیره‌ای است یا دو زنجیره‌ای و چگونه به ترتیب بازها به DNA ارتباط دارد؟ سازمان میکروزوم‌ها چیست؟ پروتئین‌ها چگونه سنتز می‌شوند؟RNA کجا می‌رود؟ چگونه می‌نشیند؟ پروتئین‌ها کجا نشسته‌اند؟اسیدهای آمینه به کجا می‌روند؟ در فتوسنتز، کلروفیل کجاست، چطور مرتب شده است، در چه مواردی کاروتنوئیدها نقش دارند؟ سیستم تبدیل نور به انرژی شیمیایی چیست؟
پاسخ به بسیاری از این سوالات اساسی بیولوژیکی بسیار آسان است. شما فقط به آن نگاه کنید! ترتیب پایگاه‌ها را در زنجیره مشاهده خواهید کرد. ساختار میکروزوم را مشاهده خواهید کرد. متأسفانه، میکروسکوپ موجود در مقیاس کمی بیشتر از حد طبیعی می‌بیند. میکروسکوپ را صد برابر قدرتمندتر کنید. با کمک آن بسیاری از مشکلات زیست‌شناسی بسیار راحت‌تر می‌شود. البته من اغراق می‌کنم اما زیست‌شناسان مطمئناً از شما بسیار سپاسگزارخواهند بود و آنها این حرف را به انتقادی مبنی بر استفاده بیشتر از ریاضیات ترجیح می‌دهند.
نظریه فرایندهای شیمیایی امروز بر اساس فیزیک نظری است. از این نظر، فیزیک پایه و اساس شیمی را فراهم می‌کند. اما شیمی تجزیه و تحلیل نیز دارد. اگر ماده عجیبی دارید و میخواهید بدانید چیست، یک فرایند طولانی و پیچیده تجزیه و تحلیل شیمیایی را طی می‌کنید.
امروز می‌توانید تقریباً هر چیزی را تجزیه و تحلیل کنید، بنابراین ایده‌ی من کمی تأخیر دارد. اما اگر فیزیکدانان بخواهند، می‌توانند مشکلات شیمی را تجزیه و تحلیل کنند. تجزیه و تحلیل هر ماده شیمیایی پیچیده بسیار آسان است. همه آنچه باید انجام شود این است که به آن نگاه کنیم و ببینیم که اتم‌ها کجا هستند. تنها مشکل این است که میکروسکوپ الکترونی صد برابر ضعیف است.
دلیل میکروفون الکترونیکی
میکروسکوپ آنقدر ضعیف است که مقدار لنزها فقط 1 تا 1000 قسمت است. دیافراگم عددی به اندازه کافی بزرگ ندارید و من می‌دانم که قضیه‌هایی وجود دارد که ثابت می‌کند با لنزهای میدان ثابت متقارن محوری، افزایش اندازه غیر ممکن نیست. اما در هر قضیه فرضیاتی وجود دارد. چرا باید زمینه متقارن باشد؟ من این را به عنوان یک چالش مطرح کردم: آیا راهی برای قدرتمندتر کردن میکروسکوپ الکترونی وجود ندارد؟
سیستم بیولوژیکی شگفت انگیز
مثال بیولوژیکی نوشتن اطلاعات در مقیاس کوچک باعث شده است که به چیزی فکر کنم که می‌تواند ممکن باشد. زیست‌شناسی صرفاً نوشتن اطلاعات نیست. بسیاری از سلول‌های ریز بسیار فعال هستند. آنها مواد مختلفی تولید می‌کنند. در اطراف راه می‌روند و تکان می‌خورند. انواع کارهای شگفت انگیز را انجام می‌دهند. همه در مقیاس بسیار کوچک!
همچنین آنها اطلاعات را ذخیره می‌کنند. این احتمال را در نظر بگیرید که ما نیز می‌توانیم یکشی بسیار کوچک بسازیم که آنچه را که می‌خواهیم، انجام دهد.
حتی ممکن است یک نکته اقتصادی در مورد این کار وجود داشته‌باشد. بگذارید برخی از مشکلات ماشین‌های محاسبه را به شما یادآوری کنم. در رایانه‌ها ما باید اطلاعات عظیمی را ذخیره کنیم. نوع نوشتاری که قبلاً ذکر کردم و در آن همه چیز را به عنوان توزیع فلز پایین آوردم، دائمی است. برای کامپیوتر بسیار جالبتر روش نوشتن، پاک کردن و نوشتن چیز دیگری است. (این معمولاً به این دلیل است که ما نمی‌خواهیم مطالبی را که روی آن نوشتیم هدر دهیم. با این وجود اگر می‌توانستیم آن را در فضای بسیار کمی بنویسیم، هیچ تفاوتی ایجاد نمی کند و هزینه آن برای مطالب زیاد نیست).
کوچک سازی کامپیوتر
من نمی‌دانم که چگونه این کار را در مقیاس کوچک به روش عملی انجام دهم اما می‌دانم که ماشین‌های محاسباتی بسیار بزرگ هستند. آنها اتاق‌ها را پر می‌کنند. چرا ما نمی‌توانیم آنها را بسیار کوچک کنیم؟
به عنوان مثال، سیم‌ها باید قطر 10 یا 100 اتم داشته باشند و مدارها باید چند هزار آنگستروم عرض داشته باشند. همه‌ی کسانی که نظریه منطقی رایانه‌ها را تحلیل کردند به این نتیجه رسیده‌اند که امکانات رایانه‌ها بسیار جالب است. اگر آنها میلیون‌ها برابر عنصر داشته باشند، می‌توانند قضاوت انجام دهند.
آنها وقت دارند محاسبه کنند که بهترین روش برای محاسبه چیست. آنها می‌توانند روشی را برای تجزیه و تحلیل انتخاب کنند که با توجه به تجربه‌ی آنها بهتر از روشی است که به آنها می‌دهیم و از بسیاری جهات دیگر، ویژگی‌های کیفی جدیدی دارند.
اگر به صورت تو نگاه کنم فوراً تشخیص می‌دهم که قبلاً آن را دیدم. با این وجود هیچ دستگاهی وجود ندارد که با آن سرعت بتواند تصویر یک چهره را تشخیص دهد و حتی بگوید که آن مرد است و بسیار کمتر از آن بگوید این همان مردی است که شما قبلاً آن را نشان داده‌اید. مگر اینکه دقیقاً همان تصویر باشد.
رایانه‌هایی که ساختیم قادر به انجام این کار نیستند. تعداد عناصر موجود در این جعبه استخوانی بسیار بیشتر از تعداد عناصر موجود در رایانه‌های "شگفت انگیز" ما است. اما رایانه‌های مکانیکی ما خیلی بزرگ هستند. عناصر موجود در این جعبه میکروسکوپی هستند. من می‌خواهم برخی از آنها را زیر میکروسکوپی بسازم.
اگر می‌خواستیم رایانه ای بسازیم که دارای این همه توانایی کیفی فوق العاده باشد، چندین معایب دارد. اولاً، به مواد بیش از حد نیاز دارد. ممکن است ژرمانیوم کافی در جهان برای تمام ترانزیستورهایی که باید در این چیز عظیم استفاده شوند وجود نداشته‌باشد. همچنین مشکل تولید گرما و مصرف برق وجود دارد. برای راه‌اندازی رایانه به TVA نیاز است. اما یک مشکل عملی تر این است که کامپیوتر به سرعت خاصی محدود می‌شود.
به دلیل بزرگ بودن آن، زمان محدودی برای کسب اطلاعات از یک مکان به مکان دیگر لازم است. اطلاعات نمی‌توانند سریعتر از سرعت نور باشند. بنابراین وقتی رایانه‌های ما سریعتر و با جزئیات بیشتر می‌شوند مجبور خواهیم بود که آنها را کوچکتر و کوچکتر کنیم.
فضای کافی برای کوچکترکردن آنها وجود دارد. من هیچ چیزی را نمی‌توانم در قوانین فیزیکی مشاهده کنم که بگوید عناصر کامپیوتر را نمی‌توان به مراتب کوچکتر از آنچه اکنون است کرد. در حقیقت، ممکن است مزایای خاصی وجود داشته باشد.
کوچک سازی توسط تبخیر
چگونه می‌توانیم چنین دستگاهی بسازیم؟ از چه نوع فرآیندهای تولیدی استفاده خواهیم کرد؟ یکی از احتمالاتی که ممکن است در نظر بگیریم این است که مواد را بخار کنیم، سپس عایق کنار آن را بخار کنیم. بعد برای لایه بعدی، موقعیت دیگری از یک سیم، یک عایق دیگر و غیره را بخار کنید.
اما من می خواهم فقط برای سرگرمی بحث کنم که امکانات دیگری نیز وجود دارد. چرا نمی‌توانیم مانند کامپیوترهای بزرگ این رایانه‌های کوچک را تولید کنیم؟ چرا نمی‌توان سوراخ کاری کرد، چیزهایی را برش داد، چیزهایی را لحیم کرد، چیزهایی را مهر و موم کرد، اشکال مختلف را در سطح نامحدود قالب زد؟ چه محدودیتی وجود دارد که یک چیز باید انقدر کوچک باشد تا دیگر نتوانید آن را قالب بزنید؟
یک ماشینی را در نظر بگیرید و از مشکلات ساخت یک ماشین بی نهایت مانند آن بپرسید. فرض کنید، در طراحی خاص خودرو، ما به دقت خاصی از قطعات نیاز داریم. فرض کنیم به 4/10000 اینچ دقت نیاز داریم. اگر موارد نادرست تر از شکل سیلندر و غیره باشد، خیلی خوب کار نخواهد کرد. اگر چیز را خیلی کوچک کنم، باید نگران اندازه اتم‌ها باشم.
بنابراین، اگر من خطایی را که مربوط به 4/10000 اینچ است، با خطای 10 اتم مطابقت دهم معلوم می‌شود که می‌توانم ابعاد خودرو را 4000 برابر، به طوری که 1 میلی متر باشد کاهش دهم. از آن طرف بدیهی است که اگر اتومبیل را دوباره طراحی کنید تا با تحمل بسیار بیشتری کار کند، می‌توانید دستگاه بسیار کوچکتری بسازید.
جالب است بدانید که مشکلات موجود در چنین ماشین‌های کوچکی چیست. اولاً، با قطعاتی که در همان درجه تحت فشار قرار گرفته‌اند، نیروها به عنوان منطقه‌ای که شما در آن کاهش می‌دهید، پیش می‌روند. بنابراین مواردی مانند وزن و اینرسی نسبتاً اهمیتی ندارند. به عبارت دیگر، مقاومت مواد از نظر تناسب بسیار بیشتر است. تنش‌ها و انبساط چرخ دنده از نیروی گریز از مرکز، به عنوان مثال، فقط در صورت افزایش سرعت چرخش در همان نسبت که اندازه را کاهش می‌دهیم، همان نسبت خواهد بود.
از طرف دیگر فلزاتی که ما استفاده می‌کنیم دارای ساختار دانه‌ای هستند و این در مقیاس کوچک بسیار آزاردهنده است. زیرا ماده یکدست نیست. پلاستیک و شیشه و اشیا از این نوع بی شکل بسیار همگن هستند و بنابراین ما مجبوریم ماشین آلات خود را از چنین موادی درست کنیم.
در ارتباط با بخش الکتریکی سیستم - سیمهای مسی و قطعات مغناطیسی - مشکلاتی وجود دارد. خصوصیات مغناطیسی در مقیاس بسیار کوچک مانند مقیاس بزرگ نیستند. مشکل "دامنه" وجود دارد. آهن ربا بزرگ ساخته شده از میلیون ها دامنه تنها در یک مقیاس کوچک با یک دامنه ساخته می‌شود. تجهیزات الکتریکی به سادگی کوچک نمی‌شوند؛ باید دوباره طراحی شود. اما نمی‌توانم دلیلی ببینم که چرا نمی‌توان دوباره کار کرد.
مشکلات روغن کاری
روغن‌کاری شامل برخی نکات جالب توجه است. اگر سرعت را تا آنجا که می‌توانیم افزایش دهیم نسبت ویسکوزیته موثر روغن بیشتر و بیشتر خواهد بود. اگر سرعت را خیلی زیاد نکنیم و از روغن به نفت سفید یا مایعات دیگر تغییر ندهیم، مشکل چندان بد نیست. اما در واقع ممکن است لازم نباشد که اصلاً روغن‌کاری کنیم!
این اتلاف سریع گرما از ترکیدن بنزین جلوگیری می‌کند. بنابراین موتور احتراق داخلی غیرممکن است. از سایر واکنش‌های شیمیایی، که در هنگام سرما از آن انرژی آزاد می‌شود، می‌توان استفاده کرد. احتمالاً تأمین برق خارجی برای چنین ماشین‌های کوچکی بسیار راحت خواهد بود.
با این حال ما امکان تولید عناصر کوچک حاوی ابزارهای ماشین آلات در سطح بسیار کم را مورد توجه قرار دادیم.
یکی از دوستانم (آلبرت آر. هیبس) امکان بسیار جالبی را برای ماشین‌های نسبتاً کوچک پیشنهاد می‌کند.
ایده‌ی نانوتکنولوژی در جراحی جالب خواهد بود. شما جراح اتوماتیک (نانومدیسین) را داخل رگ خونی قرار می‌دهید، به قلب می‌رود و به اطراف نگاه می‌کند. او می‌فهمد کجا معیوب است، کمی چاقو می‌کشد و آن را جدا می‌کند. دستگاه‌های کوچک دیگر (نانومدیسین) ممکن است به طور دائمی در بدن گنجانده شوند تا به برخی اندام‌های ناکارآمد کمک کنند.
حال این سوال جالب پیش می‌آید: چگونه می‌توانیم چنین سازوکار کوچکی ایجاد کنیم؟ من این را به شما می‌سپارم. با این حال، بگذارید یک احتمال عجیب را مطرح کنم. می‌دانید که در نیروگاه‌های انرژی اتمی، مواد و ماشین آلاتی دارند که نمی‌توانند مستقیماً از عهده آنها برآیند زیرا رادیواکتیو شده‌اند. برای باز کردن پیچ و مهره ها و ... آنها دارای مجموعه‌ای از دستان ارباب و برده هستند. بنابراین با استفاده از مجموعه‌ای از اهرم‌ها در اینجا می‌توانید "عقربه ها" را کنترل کنید و آنها را به این طرف و آن طرف بچرخانید تا بتوانید کاملاً خوب کارها را انجام دهید.
اکنون ، من می خواهم تقریباً همین دستگاه را بسازم - یک سیستم master-slave که به صورت الکتریکی کار می کند. اما من می‌خواهم که بردگان به خصوص توسط ماشین آلات مدرن در مقیاس بزرگ ساخته شوند تا آنها یک چهارم مقیاس "دست" هایی باشند که شما به طور معمول مانور می دهید. بنابراین شما طرحی دارید که به واسطه آن می‌توانید کارها را در مقیاس یک چهارم انجام دهید و من در مقیاس یک چهارم، دست‌های دیگری را دوباره اندازه نسبتاً یک چهارم ایجاد می کنم! این از نظر من یک شانزدهم است. و بعد از اینکه این کار را به پایان رساندم، مستقیماً از سیستم مقیاس بزرگ خود، از طریق ترانسفورماتورها، تا سروو موتورهای اندازه شانزدهم سیم‌کشی می‌کنم. بنابراین اکنون می‌توانم دست‌های اندازه یک شانزدهم را دستکاری کنم.
این یک برنامه دشوار است اما یک احتمال است. ممکن است بگویید که یک نفر می‌تواند در یک مرحله خیلی دورتر از یک به چهار مرحله برود. البته، همه اینها باید بسیار دقیق طراحی شوند و صرفاً ساختن آن مانند دست ضروری نیست. اگر خیلی دقیق به آن فکر کنید احتمالاً می‌توانید به سیستم بسیار بهتری برای انجام چنین کارهایی برسید.
صد دست ریز
مجموعه ای از "دست" های برده در مقیاس یک چهارم، من قصد دارم ده مجموعه بسازم. من ده دست "دست" درست می کنم و آنها را به اهرم‌های اصلی خود سیم می‌کنم تا هر کدام به طور موازی دقیقاً همان کار را همزمان انجام دهند. اکنون وقتی دستگاه‌های جدیدم را یک چهارم کوچکتر می‌کنم، به هر یک اجازه ده نسخه را می‌دهم تا صد "دست" در اندازه 16/1 داشته باشم.
میلیون تراش را که قرار است داشته باشم کجا بگذارم؟ چرا ، هیچ چیز در آن وجود ندارد؛ حجم آن بسیار کمتر از حتی یک دستگاه تراش تمام عیار است. به عنوان مثال اگر من یک میلیارد تراش کوچک هر 1/4000 مقیاس یک ماشین تراش معمولی درست کنم، مواد و فضای زیادی در دسترس است زیرا در میلیارد کودک کوچکتر از 2 درصد مواد در یک دستگاه تراش بزرگ وجود دارد.
می‌بینید که برای مواد هزینه‌ای ندارد. بنابراین من می‌خواهم یک میلیارد کارخانه کوچک مدل از یکدیگر ایجاد کنم که همزمان تولید می‌شوند، سوراخکاری می‌کنند، مهرزنی می‌کنند و غیره.
هرچه اندازه که کوچک می‌شود یک سری مشکلاتیدارد. همه چیز به سادگی متناسب نیست. این مسئله وجود دارد که مواد توسط جاذبه های مولکولی (وان در والس) بهم می‌چسبند. اینطور خواهد بود: بعد از اینکه قطعه‌ای درست کردید و مهره را از پیچ باز کردید، نمی‌افتد چون گرانش قابل توجه نیست. حتی دشوار است آن را از پیچ و مهره خارج کنید. چندین مشکل از این نوع وجود خواهد داشت که باید آماده طراحی آنها باشیم.
مرتب سازی مجدد اتم ها
آیا می توانیم اتم‌ها را همانطور که می‌خواهیم ترتیب دهیم؟
چه اتفاقی می‌افتد اگر بتوانیم اتم‌ها را یکی یکی به همان شکلی که می‌خواهیم ترتیب دهیم. (البته در حد معقول ؛ شما نمی توانید آنها را طوری قرار دهید که از نظر شیمیایی ناپایدار باشند).
تاکنون، ما راضی به حفاری در زمین برای یافتن مواد معدنی بوده ایم. ما آنها را گرم می کنیم و کارها را در مقیاس وسیع با آنها انجام می‌دهیم و امیدواریم که با همین مقدار ناخالصی و ... ماده خالصی بدست آوریم. اما ما همیشه باید برخی تنظیمات اتمی را که طبیعت به ما می‌دهد، بپذیریم. مثلا با ساختارهای لایه‌ای.
فقط با لایه‌های مناسب چه کاری می‌توانیم انجام دهیم؟ اگر واقعاً بتوانیم اتم‌ها را همانطور که می‌خواهیم ترتیب دهیم، خصوصیات مواد چگونه خواهد بود؟
من به برخی از مشکلات ساخت مدارهای الکتریکی در مقیاس کوچک فکر کردم و مشکل مقاومت جدی است. اگر یک مدار متناظر را در مقیاس کوچک بسازید، فرکانس طبیعی آن بالا می‌رود زیرا طول موج به عنوان مقیاس پایین می‌آید. اما عمق پوست فقط با ریشه مربع نسبت مقیاس کاهش می یابد و بنابراین مشکلات مقاومتی سخت تر می‌شوند. اگر فرکانس خیلی زیاد نباشد یا با ترفندهای دیگر می‌توان مقاومت را از طریق استفاده از ابررسانایی شکست داد.
اتم ها در یک جهان کوچک
وقتی به دنیای بسیار بسیار کوچکی می‌رسیم، اتفاقات جدید زیادی را رخ می‌دهد که نمایانگر فرصت‌های کاملاً جدیدی برای طراحی هستند. اتم‌ها در مقیاس کوچک مانند مقیاس بزرگ رفتار نمی‌کنند، زیرا آنها قوانین مکانیک کوانتوم را برآورده می‌کنند. بنابراین وقتی پایین می‌آییم با قوانین مختلفی کار می‌کنیم و انتظار داریم کارهای مختلفی انجام دهیم.
ما می‌توانیم به روش‌های مختلف تولید کنیم. نه فقط از مدارها، بلکه از برخی سیستم‌ها که شامل سطوح انرژی کوانتیزه شده یا فعل و انفعالات چرخش‌های کوانتیزه شده هستند، استفاده کنیم.
نکته دیگری که ما متوجه خواهیم شد این است که اگر به اندازه کافی پایین برویم همه دستگاه‌های ما می‌توانند به صورت انبوه تولید شوند تا کپی‌های کاملی از یکدیگر باشند.
اصول فیزیک تا آنجا که من می‌بینم مخالف احتمال مانور اتم به اتم نیستند. این تلاشی برای نقض هیچ قانونی نیست. در اصل کاری است که قابل انجام است. اما در عمل این کار انجام نشده است زیرا ما بیش از حد بزرگ هستیم.
در نهایت ما می توانیم سنتز شیمیایی کنیم. یک شیمی‌دان به ما می‌گوید "ببینید من یک مولکول می‌خواهم که اتم‌ها به همین ترتیب به هم چیده شوند." شیمی دان وقتی می خواهد یک مولکول بسازد یک کار مرموز انجام می‌دهد. او می بیند که آن حلقه را پیدا کرده است، بنابراین این و آن را مخلوط می‌کند و تکان می دهد و در پایان یک روند دشوار، او معمولاً موفق می‌شود آنچه را که می‌خواهد تلفیق کند.
اما جالب است که در اصل ممکن است (به نظر من) یک فیزیکدان هر ماده شیمیایی را که شیمی‌دان یادداشت می‌کند، سنتز کند. دستورات را بدهید و فیزیکدان آن را سنتز می‌کند. چطور؟ اگر توانایی ما برای دیدن کارهایی که انجام می‌دهیم و انجام کارهایی در سطح اتمی توسعه یافته باشد، می توان به مشکلات شیمی و زیست شناسی بسیار کمک کرد. تحولی که فکر می کنم نمی توان از آن جلوگیری کرد.
حالا ممکن است بگویید ، "چه کسی باید این کار را انجام دهد و چرا آنها باید این کار را انجام دهند؟" خوب، من به چند مورد از برنامه‌های اقتصادی اشاره کردم اما می‌دانم دلیل این کار شما فقط برای سرگرمی است. اما کمی لذت ببرید! بیایید بین آزمایشگاه‌ها رقابت کنیم. اجازه دهید یك آزمایشگاه موتور كوچكی بسازد و آن را به یك آزمایشگاه دیگر بفرستد و آن را با یك وسیله كه در داخل شافت موتور اول قرار دارد بازگرداند.
ختم کلام
شاید این مقاله آن مدلی که شما همیشه سورنا آکادمی مقاله می‌نوشت نباشد. یک مقاله‌ی طولانی که در آن بدون هیچ دستبردی تمام سخنرانی به یادماندنی ریچارد فاینمن در خصوص نانوتکنولوژی گفته شده است. با وجود طولانی بودن اما آنقدر جذاب بیان شده که نمی‌توان به راحتی از این سخنرانی گذر کرد.
در صورتی که با خواندن این سخنرانی شگفت‌انگیز در خصوص صنعت نانوتکنولوژی کنجکاو شدید، مقاله‌ی از جوراب نانو تا واکسن کرونا، نقش نانوتکنولوژی در آینده‌‌ی کاری ما چیست؟ را مطالعه کنید.
0 نظر