گامى دیگر در نانوتکنولوژى

اريك اسمالى

مولكول هاى DNA به طور طبيعى از رشته هايى از چهار نوع باز متصل به يك پايه قند _ فسفات تشكيل شده اند. اين تركيب حاوى دستورالعمل ساخت پروتئين هايى است كه فرآيند حيات را ميسر مى سازند. اما مولكول هاى DNA مصنوعى را مى توان وادار به مونتاژ خود به خودى در الگوهاى گوناگون كرد. همچنين مى توان آنها را به گونه اى تحريك كرد كه به اشيايى مثل نانوتيوب هاى كربن متصل شوند. نانوتيوب هاى كربن ورقه هاى غلت خورده استوانه اى شكلى از اتم هاى كربن اند كه خواص الكتريكى فوق العاده اى دارند و مى توان آنها را در ابعادى هزار بار كوچكتر از باكترى ساخت. در واقع با اعمال طراحى درست، مولكول هاى DNA قادر به مونتاژ اشيا خواهند بود.

محققان دانشگاه دوك در نظر دارند به كمك مجموعه اى از ابزارهاى CAD (طراحى به كمك كامپيوتر)، فرآيند مونتاژ اجزاى مولكولى را در طراحى مدارهاى كامپيوترى كه از نانوتيوب هاى كربن مونتاژ شده توسط DNA مصنوعى ساخته مى شوند، ساده سازى كنند. چنين مدارهايى در مقياس مولكولى كه محصول مونتاژ خود به خودى اند بايد بتوانند نسبت به كامپيوترهايى كه براساس تكنولوژى هاى امروز تراشه سازى مبتنى بر سيليكون توليد مى شوند، دستگاه هايى به مراتب ارزان تر و كارآمدتر ارائه دهند. به گفته كريس دوير (Dwyer.C)، استاديار مهندسى برق و كامپيوتر در دانشگاه دوك، «اين ابزارها امكان طراحى مدارهاى كامپيوترى كه بتوانند به طور خودكار توسط مولكول هاى DNA مونتاژ شوند را فراهم مى كند. در واقع به كمك ابزارهاى ما است كه با تكيه بر فرآيند مونتاژ خودبه خودى DNA و نانوتيوب هاى كربن، طراحى و ارزيابى مدارها امكان پذير مى شود».

اين ابزارها براى ساخت مدارهاى كامپيوترى با چگالى 2500 ترانزيستور در هر ميكرون مربع طراحى شده اند. اين چگالى حدود 30 برابر بزرگتر از تراكمى است كه با استفاده از تكنولوژى هاى تراشه سازى فعلى در مدارهاى كامپيوترى اعمال مى شود. به عبارت ديگر 2500 ترانزيستور در هر ميكرون مربع يعنى 250 ميليارد ترانزيستور در هر سانتى متر مربع. ترانزيستورها به شكل گيت هاى منطقى آرايش مى يابند سپس با تلفيق ميليون ها گيت با يكديگر مدارهاى پيچيده اى به وجود مى آيند كه وظيفه ذخيره و پردازش اطلاعات در كامپيوتر را به عهده دارند. بنابراين توانايى مونتاژ ترانزيستورهاى نانوتيوبى منفرد، پيش نياز دستيابى به تكنولوژى تراشه سازى بر پايه نانوتيوب ها است. در واقع كليد اين معما دريافتن روش هايى براى تلفيق آنها به شكل مدارهاى منطقى است.

به تازگى تيم تحقيقاتى ديگرى از دانشگاه دوك موفق به ساخت ابزارهايى شده اند كه از چهارچوب DNA بهره مى گيرند. در واقع مى توان اين ابزارها را پايه اى براى مدارهاى نانوتيوبى دانست. اين چارچوب محصول تور مانندى از مونتاژ خودبه خودى مولكول هاى DNA مصنوعى است كه عرض حفره هاى آن به 20 نانومتر مى رسد.به اعتقاد دوير اين تكنولوژى هنوز در آغاز راه است و اين چارچوب و ديگر ابزارها به موازات يكديگر توسعه مى يابند. به گفته وى «زمانى كه تكنولوژى چارچوب DNA مهيا شود ما بايد بتوانيم درباره كارايى اين دستگاه و نوع معمارى كامپيوترى خاصى كه ما را به آن سمت مى كشاند، به درستى بينديشيم تا امكان تصميم گيرى هاى استراتژيك سطح بالايى مثل تعيين چگونگى بازسازى جريان اطلاعات و اجراى محاسبات فراهم شود.»

در معمارى مدار نانوتيوب _ DNA محققان دانشگاه دوك، براى اتصال انتهاهاى نانوتيوب هاى كربن به نقاطى در چارچوب DNA از جفت هايى از توالى هاى مكمل در DNA استفاده شده است. در واقع اتصال نانوتيوبى نيمه رسانا در امتداد خط مركزى يكى از حفره ها و اتصال نانوتيوب فلزى ديگرى در راستاى عمود بر اولى منجر به يك ترانزيستور اثر ميدانى خواهد شد.

ابزارهاى اين محققان نيز مثل ابزارهاى سنتى طراحى به كمك كامپيوتر امكان طراحى منفرد قطعات دستگاه مثل گيت هاى منطقى، اتصال آنها براى تشكيل سيستم كامل، ايجاد طرح اوليه مدار و توليد يك توالى از مراحل مونتاژ را در اختيار كاربران قرار مى دهد. اين ابزار از مدل هاى تخصص يافته اى بهره مى گيرد كه مى تواند عملكرد مدارها براساس رفتار ترانزيستور نانوتيوبى در سيگنال هاى كوچك را به طور تقريبى نشان دهد. به گفته دوير «ما به كمك اين ارزيابى قادريم سرعت و ميزان مصرف انرژى طراحى هايمان را تخمين بزنيم.»

براى آن كه بتوان بهترين تكنولوژى ممكن را براساس نانوالكترونيك و به ويژه فرآيند مونتاژ خودبه خودى ساخت بايد به گونه اى ديگر درباره مدارها و چگونگى انجام محاسبات انديشيد. به گفته دوير «ابزارهاى ما زيربنايى براى طراحى هاى آينده اند. گام بعدى محققان استفاده از آنها در طرح هاى ساده است. ما هم اكنون مشغول مونتاژ شبكه ساده اى از DNA هستيم كه اساساً مى تواند براى يك گيت NAND مناسب باشد.»

گيت NAND يا Not AND يكى از عناصر زيربنايى در مدارهاى كامپيوترى به شمار مى رود. اين گيت شامل دو سيگنال ورودى و يك سيگنال خروجى است كه در صورت يك بودن هر يك از سيگنال هاى ورودى، سيگنال خروجى صفر خواهد بود.يكى از چالش هاى موجود در راه توسعه تكنولوژى DNA اين حقيقت است كه هر چه چارچوب DNA بزرگتر باشد، تعداد توالى هاى منحصر به فرد موردنياز براى مدار بيشتر خواهد بود. به گفته دوير «محققان به دنبال راهى هستند تا تعداد كل توالى هاى موردنياز را كاهش دهند» اما با اين حال به نظر نمى رسد ابزارهاى طراحى به كمك كامپيوتر تا پيش از پنج يا ده سال آينده قادر به ساخت نانوتيوب باشند.