بخشی از مقاله
چكيده
تجربه پيشرفتهاي سريع در دو دهه اخيردر بيو تكنولوژي, الكترونيك و سيستم‌هاي كامپيوتري فرصت‌هاي جديدي را در اختيار بشر قرار داده است تا با به اشتراك گذاشتن آنها پيشرفتهاي تكنولوژيكي جديدي را فراهم سازد. نانوتكنولوژي از تلاقي اين حركت‌ها حاصل آمده است يكي از موضوعات اصلي در نانوتكنولوژي نانوالكترونيك است كه به دو بخش الكترونيك مولكولي والكترونيك بيومولكولي تقسيم مي‌شود. در الكترونيك بيومولكولي هدف بر اين اصل استوار است كه امكان ايجاد سيستمها و كامپيوترهاي مختلف در اثر اختلاف مباني فيزيك و رياضي با دانستنيهاي زيست شناسي به‌وجود آيد.
مقدمه
هرچيزي كه درپيرامون ما قرار دارد از اتم‌ها ساخته شده است يعني مي‌توانيم اتم‌ها را به نوعي كوچكترين واحد سازنده مواد بناميم.ازعصر حجر گرفته تا اعصار بعد از آن(مس، برنزوآهن)كه پشت سرهم در زمانهاي مختلف پديد آمده‌اند و در حال حاضر هم كه عصر سيليكون‌ها در جريان است بشر را همواره متوجه اين مسأله كرده است كه چگونه و با چه اصولي ميلياردها اتم در كنارهمديگر قرارمي‌گيرند و بطورهم زمان، يك شكل ومدل خاصي را ايجاد مي‌كنند تا شي ماكروسكوپيك به‌وجود آيد.حتي در حال حاضر در دنياي پيشرفته ميكروالكترونيك يك تراشه كامپيوتر با بالاترين تكنولوژي
وكوچكترين حجم وقتي با يك اتم مقايسه مي‌شود مثل يك كوهستان در مقابل يك خرده سنگ است. تكنولوژي حاصل از قرن بيستم شايد درحال حاضر خيالي باشد ولي حالت واقعي به خود مي‌گيرد وقتي كه تصور كنيم در قرن بيست ويكم بشر قادر خواهد بود اجسامي در بالاترين سطح از نظر كيفيت كنترلي توليد كند كه حدحسايست آنها هم اتمي باشد. طبيعت براي ميليون‌ها سال است كه اين نقش را با ظرافت كامل انجام مي‌دهد ومصالح ساختماني را با دقت اتمي در كنار هم قرار مي‌دهد. هر موجود زنده‌اي از سلول‌هايي ساخته شده است كه مملو از نانو ماشين‌هايي
همچون پروتئين‌ها، DNA، RNAوغيره مي‌باشند. و هر كدام از اين نانوماشين‌ها مجموعه‌اي از مولكولها و اتم‌ها هستند كه تغيير در جايگاه هر كدام از آنها مي‌تواند باعث خسارت واختلال در عملكردشان شوند. نانوتكنولوژي، علم ساختن مجموعه‌هايي همانند ماشينها، غذاها، خانه‌ها وسفينه‌هاي فضايي مي‌باشد كه با تجمع وجاي گيري مناسب اتم‌ها ومولكولها به وجود مي‌آيند. با اتحاد فرآورده‌ها و معلومات شيمي وتوانايي‌هاي مهندسي و ماشين‌هاي خود سامان ده خودساز،امكان توليد كالاهاي مورد نياز در زندگي روزمره از مواد خام ارزان قيمت فراهم مي‌شود.
شكل1. شماتيك از نحوه قراردادن اتم‌ها در كنار همديگر
نانوتكنولوژي، علم دستكاري مولكولي واتمي مي‌باشد. به عبارت‌ساده‌تر، اجزاي ساختاري يك مجموعه را از حد اتم يا مولكول برنامه‌ريزي مي‌كند.يك نانو متر 9-10 متر است (عرض 3 يا 4 اتم) واگر بخواهيم آن را خوب تجسم كنيم مي‌توانيم يك توپ فوتبال را در اندازةجهان تصور كنيم. در اين صورت، اتم‌هاي آن قابل رويت خواهند بود و هر كدام از اتم‌ها در اندازه يك حبه انگور مشخص و نمايان خواهند شد.
نانوتكنولوژي را مي‌توان يك اتقلاب بزرگ در ساختن مجموعه‌ها ناميد كه بشر را مي‌تواند در نيمه اول قرن بيست و يك به خود مشغول سازد. نانوتكنولوژي با به كارگيري اطلاعات فيزيك،شيمي ومهندسي، اشيا را اتم به اتم ومولكول به مولكول خواهد ساخت وفراگيري فوت‌وفن آن باعث خواهد شد كه شما با مهارت و بدون نقض هيچ كدام از قوانين جاري در فيزيك، مكانيك مولكولي و مكانيك كوانتوم اتم‌ها را هر جا كه نياز داريد قرار بدهيد.نانوتكنولوژي به خوبي خصوصيات فيزيكي شناخته شده اتم‌ها و مولكولها را براي ساختن دستگاههاي جديد با خصوصيات خارق‌العاده به‌كار مي‌برد.
همانطور كه اشاره شد، زمينههاي فعاليتي نانوتكنولوژي وسيع بوده و مي‌تواند حوزه‌هاي مختلف عملي را زير پوشش قرار دهد و اگر بخواهيم يك جمع بندي كلي از حوزه فعاليتهاي نانوتكنولوژي داشته باشيم مي‌توانيم به موارد زير اشاره كنيم:
1. نانوالكترونيك و تكنولوژي اطلاعات.
2. مديريت وسرپرستي مدل‌سازي وشبيه‌سازي ساختارها و فرايندهايي در اندازه نانو.
3. توسعه روش‌ها ودستگاههاي آزمايشگاهي براي اندازه‌گيري خصوصيات كمّي و كيفي در حد نانومتري.
4. ارتباط بازيسـت‌شناسي (ســاختارهاي زيســتي‌وسيسـتمهايي با الگوهاي زيسـتي) –نانوبيوتكنولوژي -
5. سنتز، سامان دهي و توسعه مواد نانوساختاري با طراحي.
6. معماري وطراحي دستگاه ها وسيستم ها.
نانوالكترونيك [16]
تقريباً از 40سال پيش يك رشد بسيار زيادي در كامپيوترهاي الكترونيكي شروع شده است كه
باگذشت زمان قدرت آنها نسبت به حالت هاي اوليه آن بسيار زيادتر مي‌شود و در همين حين نيز از حجم ترانزيستورها كاسته مي‌شود. با وجود اين قوانين مكانيك كوانتوم، محدوديت تكنيك‌هاي ساخت وساز ممكن است به زودي ازكاهش بيش از اين، از لحاظ اندازه در ترانزيستورهاي FET معمولي جلوگيري شود. بيشتر تحقيقات در پروژه‌هاي الكترونيكي نسل آينده در مدت 10 تا15 سال حول وحوش اين مسأله خواهد بود كه كوچكترين اندازه ممكن ترانزيستور را توليد‌كنند كه حجم آن از250 نانومتربه 100 نانومتر كاهش پيداكند، دستگاه‌هايي كه توليد آنها پرهزينه وبسيار مشكل خواهد بود.
به اين ترتيب، كوچك‌سازي عناصر مدارها و جريانات تا به حد نانومتري حتي در اندازه مولكولي،محققان را به سمتي سوق مي‌دهد كه در جهت افزايش قدرت وكارآيي ترانزيستورها، خيلي خيلي بيشتر از حالت معمول فعاليت و تحقيق كنند. اين دستگاههاي الكترونيكي نانومتري جديد (نانوالكترونيك) مي‌توانند در دو حالت سويچ وآمپلي‌فاير ايفاي نقش كنند (همانند ترانزيستورهاي امروزي). با وجود اين، برعكس FETهاي امروزي كه عمل آنها براساس جابه‌جايي اجرام الكترون‌ها در حجم ماده مي‌باشد دستگاههاي جديد براساس پديده مكانيك كوانتومي عمل مي‌كنند و در اندازه نانومتري ظاهر مي‌شوند.
با توجه به سير حركتي نانوالكترونيك كه شيب خطي مثبتي را در جهت كوچك سازي دستگاههاي الكترونيكي طي مي‌كند زمينههاي مختلف تحقيقاتي نيز برحسب نياز در آن ايجاد شده و يا ايجاد خواهد شد. برهمين اصل، به دو حيطه فعاليتي نانوالكترونيك كه مرتبط با زمينههاي تحقيق در بيوفيزيك مي‌باشد اشاره مي‌كنيم:
الكترونيك مولكولي
واژه الكترونيك مولكولي شايد براي اولين بار در سال 1980 به‌طور جدي به‌كار گرفته شد. درست است كه سال‌هاي قبل از آن نيز دانشمندان زيادي در فرآيندهاي الكترونيكي در سطوح مولكولي اين واژه را به كار برده بودند با وجود اين تازماني كه نانوتكنولوژي ظهورنكرده بود وساختمان مولكولي و دستگاه‌هايي با قدرت تفكيك اتمي شناخته‌نشده بودند نيازي به الكترونيك مولكولي احساس نمي‌شد. اما با ظهور اينها، الكترونيك مولكولي به عنوان يكي از شاخه‌هاي جديد علم شناخته شد. اين واژه بعضي وقت‌ها براي تعريف يك كلاس جديد از دستگاه‌هايي با تفكيك مولكولي به‌كار برده مي‌شود (مانند STMيا يك روش مانند Langmuir-Blodgett).
پيشرفت الكترونيك مولكولي بسيارمحسوس است. اگر يك نمودار در نظر بگيريد كه مؤلفه اندازه بر حسب زمان باشد يك حالت پيوسته‌اي از كوچك سازي را مشاهده مي‌كنيم برحسب اينكه محور اندازه لگاريتمي مي‌باشد. ]17[
نمودار1. كاهش اندازه با زمان
اگر بخواهيد همان مسير حركتي را به سمت كوچك‌سازي ادامه دهيد در اين صورت به تركيباتي خواهيد رسيد كه اندازه‌اي در حدود1nm دارند با اين شرط كه اندازه هر اتم حدود 2/. يا 3/. نانومتر است پس چنين تركيباتي داراي كمترين تعداد اتم مي‌باشند واگر اين توانايي در دسترسي
به اتم‌ها را به‌دست آوريم به‌طور حتم شيميدانها مي‌توانند با توجه به نوع عملكردي كه از يك سيستم انتظار دارندآن را طراحي كنند. در اين مسير ما به يك فاز جديدي از الكترونيك و شيمي مي‌رسيم كه اصطلاحاً الكترونيك مولكولي ناميده مي‌شود. ]17[
براي اينكه قادر باشيم مولكولها را در الكترونيك آينده به‌كار ببريم بايستي هرچيزي از الكترونيك نيمه‌‌هادي حالت - جامد موجود به اندازه مناسب كوچك شود.اين شامل همه اجزا همچون اتصال سيم‌ها نيز مي‌باشد بنابراين ضرورت دارد سيم‌هاي مولكولي نيز از همان نوع ساخته شوند.
يكي از جالب‌ترين گروه مولكولها براي اين منظور، زنجيره‌هاي حلقوي بنزن‌آروماتيك مانند پلي‌فنيلين‌ها، پلي‌پورفيرين‌ها و پلي‌تيوفن‌ها مي‌باشند [18 و 19]. در اينجا مناسب است يك جمع‌بندي كلي از رويكردهاي دانش الكترونيك مولكولي ارايه دهيم[25]:
1. به‌كارگيري روش‌هاي شيميايي سنتز جهت ساخت سيستم‌هاي شبه‌زيستي.
2. الگوگيري از ساختار و فعاليتهاي سيستم‌هاي حياتي.
3. به‌كارگيري مولكول‌هاي زيستي به عنوان عناصر يك سيستم الكترونيكي.
4. يافتن راهكارهايي كه عدم تطابق زيستي و غيرزيستي راحل و فصل نمايد.
5. بهره‌گيري از مهندسي ژنتيك به جهت طراحي و ساخت پروتئين‌هايي كه در حالت طبيعي وجود ندارند.
6. بررسي مكانيسمهاي شناخت مولكولي در جهت تبيين خودساماني عناصر يك سيستم در اندازه‌هاي مولكولي يا بزرگتر.
به وضوح مي‌توان دريافت كه دانش الكترونيك مولكولي امروزه به طبيعت زنده و روندهاي مولكولي حيات روي‌آورده است. چنين رويكردي كاملاً هوشمندانه است چرا كه طبيعت زنده از پس گذران ميليون‌ها سال تغييرو تحول در جهت انطباق با شرايط گوناگون محيطي، به تكامل يافته‌ترين سازو كارهاي مولكولي دست يافته است. از اين‌رو، پيشرفتهاي كنوني دانش الكترونيك، در زمينه الكترونيك بيومولكولي تجسم يافته است.
الكترونيك بيومولكولي
« آيا يك مولكول به تنهايي مي‌تواند هوشمند عمل كند؟» شايد جزو اولين سؤال‌هايي بود كه بشر را به سمت دنياي ميكرو و نانوكشاند در پاسخ به اين سؤال دانشمندان اول به ناتوانايي‌هاي
كامپيوترها اشاره كردند كه مي‌توان اين نارسايي‌ها را با الهام از الگوهاي زيستي به حداقل رساند. موجودات زيستي با عناصر كاربردي عمل مي‌كنند كه داراي ديمانسيون‌هاي مولكولي، كوانتومي و پديده نوسان دمايي هستند.
مواد بيولوژيكي جهت ساخت دستگاههاي الكترونيكي تا قبل از آقاي سِوِلدوُف چندان جدي گرفته نمي‌شد ولي سولدوف اولين‌بار با ساخت دستگاه عكس‌برداري و ميكروفيلم از موادبيولوژيكي كه
فيلم بيوكروم ناميده مي‌شود انقلابي در صنعت الكترونيك ايجاد كرد. ماده كليدي براي اين كار باكتريوروداپسين بود. بعد از سولدوف گروههاي تحقيقاتي مختلفي در كشورهاي پيشرفته جهان شروع به كار كردند و هدف اصلي آن پايه‌ريزي تكنولوژي آينده براساس كوچك‌سازي دستگاههاي الكترونيكي طبق مباني تئوري‌هاي كوانتوم و فيزيك مي‌باشد ]20[.
در حقيقت هدف اصلي براين استوار است كه امكان ايجاد سيستمها و كامپيوترهاي مختلف در اثر اختلاط مباني فيزيك و رياضي با دانستنيهاي زيست‌شناسي به‌وجود آيد. به‌عنوان مثال، مي‌توان كامپيوترهايي با توان خيلي بالاتر از حالت‌هاي كنوني ايجاد كرد كه ساخت آنها براساس الگوي مغز بشر طراحي شده باشد. تكنولوژيي كه طبق الگوگيري از مغز ساخته مي‌شود داراي دانسيته اطلاعات بالا، مصرف انرژي پايين، انعطاف‌پذيري بيشتر، حافظه تداعي معاني عالي وغيره مي‌باشد. سيستم‌هاي بيولوژيكي نيز با پيشرفت علوم كامپيوتر مي‌توانند كارآيي بالاتري از خود نشان دهند كه البته اين مي‌تواند زماني صورت بگيرد كه مطابق داشته‌ها و پيش‌گويي‌هايي كه به‌توسط اين كامپيوترها انجام مي‌گيرد كيفيت و كميّت توليد توسط سيستم‌هاي بيولوژيكي افزايش يابند. [21 - 24]
با افزايش پيچيدگي‌ها و تقاضاها براي تكنولوژي، اطلاعات آينده مسيري به سمت طراحي و ساخت نانوساختارهاي هوشمندي كه روي سطوح سيليكون يا مواد ديگر قرار مي‌گيرد طي مي‌كند اين ساختارها مي‌توانند هم از طريق سنتزشيميايي مولكولها، ماكرومولكول‌ها يا مراكز شناسايي فعال بيولوژيكي به‌دست آيند و هم به صورت طبيعي از واحدهاي فعال بيومولكولي با وزن زياد تهيه شوند.[21 - 24].
شيميدآنها اغلب واكنش‌ها و گونه‌هاي سنتزي را در سطح مولكولي مطالعه و بررسي مي‌كنند. روش‌هاي سنتزي در اين سطح يك حالت توسعه يافته بالايي را به‌دست آورده است و مولكول‌ه
اي خيلي پيچيده مانند كلروفيل و رشته‌هاي فلزي بزرگ مي‌تواند ساخته شوند. چنين واكنش‌هاي سنتزي معمولاً به وسيله مجموعه‌اي از اندركنشها در محيط يكنواخت (هموژن) صورت مي‌گيردمخصوصاً اينكه در محيط آبكي يا گازي بهتر انجام بگيرد. روش‌هاي واكنش، اتصال و طبيعت اينتركنشهاي درون مولكولي در اين سطح خوب فهميده و درك مي‌شود روش‌هاي سنتزي براي مولكول‌هاي بزرگتر (پلي‌مرها و ماكرومولكول‌ها) با تشابه بالايي توسعه يافته‌اند و تعداد فراواني از پلي‌مرها و كوپلي‌مرها با خصوصيات شيميايي مختلف و ويژگي‌هاي ساختاري جديد در آينده قاب
ل توليد خواهند بود.
موجودات زنده براي انجام بيشتر فـعاليت‌هاي خود وابـسته به سيستم‌هاي شيميايي سازمان يافته‌اي چون فتوسنتز و فسفريلارسيون اكسيداتيو هستند. يك سلول از گياهان سبزآلي را در نظر بگيريد بيشتر اين اندامكها شامل همان سيستم‌هاي شيميايي سازمان يافته هستند.
شكل2. اندام‌هاي مختلف در يك سلول گياهي
دو نوع مشخص از اندامك‌هاي سلولي كه در سوخت و ساز سلول‌ها نقش اصلي را ايفا مي‌كنند عبارتند از: كلروپلاست و ميتوكندري.
ميتوكندري [28 - 25]
فرآيندهاي كسب انرژي در طبيعت ديرزماني است كه مورد توجه پژوهشگران قرار دارد. مجموع اين مطالعات بيانگر اين مهم است كه سيستم‌هاي مبدل انرژي، ساز و كار واحدي دارند؛ نقل و انتقال الكترون‌هاي پرانرژي به واسطه كاهش تدريجي در انرژي آزاد حاملين، در نهايت به شكل‌گيري تركيباتي مي‌انجامد كه انرژي لازم را براي فرآيندهاي حياتي تأمين مي‌كنند. اين الكترون‌هاي پرانرژي يا ماحصل جذب انرژي نوراني هستند (فتوسنتز) يا از اكسيداسيون مواد غذايي (تنفس سلولي) پديد مي‌آيند. در حالت اخير، الكترون‌هاي حاصل به طور عمده توسط مولكول نيكوتين آميدآدنين دي‌نوكلئوتيد(NADH) به صورت يون هيدريد (H+) به زنجيره انتقال الكترون‌ها در غشاي داخلي ميتوكندري هدايت مي‌شوند اكسيداسيون يون هيدريد توسط اكسيژن كه به تشكيل مولكول آب مي‌انجامد انرژي‌زا است. حال اگر اين واكنش به واسطه فرآيندهاي متعدداكسيداسيون و احياي در غشاي داخلي ميتوكندري به انجام رسد انرژي حاصله در نهايت در مولكول‌هاي ATP ذخيره خواهد شد. ATP منبع انرژي سلول مي‌باشد.
شكل3. ساختار ميتوكندري
شكل4. دياگرام غشاي داخلي ميتوكندري
و مسير عبور الكترون و پروتون در آن
ميتوكندري به عنوان مدل
امروزه به واسطه اطلاعاتي كه در ارتباط با نقل و انتقالات الكتروني غشاي داخلي ميتوكندري و ساختارهاي مربوطه داريم، قادر خواهيم بود چنين سيستمي را از نقطه‌نظر فن‌آوري نيز مورد توجه قرار دهيم. در اين رابطه مي‌توان به پژوهش‌هايي اشاره كرد كه كه از طريق مهندسي پروتين‌هاي ناقل الكترون نظير سيتوكروم‌ها درصدد طراحي و ساخت ساختارهايي هستند كه در نهايت امكان بهره‌وري در صنايع بيوسنسور وبيوالكترونيك را داشته باشند.
مفاهيمي نظير نيروي محركه انتقالات الكتروني، نيروهاي الكترواستاتيكي با برد بلند، انرژي بازسامان يابي مراكز احيايي و محيط اطراف، فاصله دهنده و گيرنده الكترون و ماهيت حدواسط آنها، پشتوانه نظري چنين پژوهش‌هايي مي‌باشند [25-31].
سيتوكروم‌ها از اين‌نظر هم قابل توجه هستند كه ساختار آنها وابسته به حالت‌هاي اكسيداسيون و احياء مي‌باشد به عبارت ديگر سيتوكروم‌ها قادر هستند به واسطه تغييرات ساختاري خود، اطلاعات بيوشيميايي و و الكترونيكي را به يكديگر تبديل كنند. در همين زمينه پژوهشگران پروتئين‌هاي آلوستريك جديدي را به‌وجود آوردند كه حاصل اتصال سيتوكروم‌هاي مهندسي شده به پروتين‌هايي است كه فاقد حالت اكسيداسيون واحيا مي‌باشند [28 - 31].
خودساماني و مواد سامان‌ده بيومولكولي
اگر بخواهيم يك تعريف مختصري ازحوزه عملكردي مواد بيومولكولي داشته باشيم مي‌توانيم به اين مطالب اشاره كنيم كه آن، شالوده درهم‌آميختگي منظم سه حوزه علمي مي‌باشد كه عبارتنداز بيولوژي‌مولكولي،فيزيك و مهندسي مواد. به‌عبارت‌ديگر، مواد بيومولكولي مرز اتصال بين علم حيات و علم مواد مي‌باشند. آن مباني پايه‌اي چون خودسازمان‌يابي ، تنظيم ، نسخه‌برداري ، ارتباط تعاون را به‌كار مي‌برد و يك ناحيه جديدي از علوم كاربردي را توسعه مي‌دهد كه در اين ناحيه شكوفا، امكان طراحي موادي كه كاربردهاي جديد و خاصي براي آنها تعريف مي‌شود وجود خواهد داشت. قولي كه تكنولوژي مواد بيومولكولي به بشر مي‌دهد و شايد يك مقدار هم خارج از تصور ما باشد
كاربردهايي در جهت تندرستي مواد زيستي و تكنولوژيكي مي‌باشد و اين مرحله از روياي بشر مي‌تواند با توسعه و درهم‌آميختگي بيولوژي مولكولي پيشرفته، افزايش قدرت تمييز و تفكيك وجه مشخصات مواد به صورت ميكروسكوپيك و توسعه مطالب تئوري تحقق بيابد. در حال حاضر، با توجه به تبحري كه انسان در درك و فهم پيچيدگيهاي فيزيكي به‌دست آورده است آمادگي تفسير، تحول وتوسعه در دنياي موادمركب را دارد اما اين توانايي در حضور الگوگيري از رفتار كم نظير سيستم‌هاي بيولوژيكي قابل دسترسي مي‌باشد. رفتارهايي چون شناسايي و پاسخ‌گويي ، خودسامان‌دهي و خود‌تعميري . اين مباني مي‌تواند به سمت كنترل سنتز مواد پيشرفته بسط و توسعه داده شود و اين نيز به سوي مواد جديد و فرآيندهايي با ناحيه وسيعي از تكنولوژي پيش مي‌رود.
