مقاله در مورد نانو تکنولوژی و الکترونیک بیومولکولی

word قابل ویرایش
62 صفحه
12700 تومان
127,000 ریال – خرید و دانلود

چکیده
تجربه پیشرفت‌های سریع در دو دهه اخیردر بیو تکنولوژی, الکترونیک و سیستم‌های کامپیوتری فرصت‌های جدیدی را در اختیار بشر قرار داده است تا با به اشتراک گذاشتن آنها پیشرفت‌های تکنولوژیکی جدیدی را فراهم سازد. نانوتکنولوژی از تلاقی این حرکت‌ها حاصل آمده است یکی از موضوعات اصلی در نانوتکنولوژی نانوالکترونیک است که به دو بخش الکترونیک مولکولی والکترونیک بیومولکولی تقسیم می‌شود. در الکترونیک بیومولکولی هدف بر این اصل استوار است که امکان ایجاد سیستم‌ها و کامپیوترهای مختلف در اثر اختلاف مبانی فیزیک و ریاضی با دانستنی‌های زیست شناسی به‌وجود آید.

مقدمه
هرچیزی که درپیرامون ما قرار دارد از اتم‌ها ساخته شده است یعنی می‌توانیم اتم‌ها را به نوعی کوچکترین واحد سازنده مواد بنامیم.ازعصر حجر گرفته تا اعصار بعد از آن(مس، برنزوآهن)که پشت سرهم در زمانهای مختلف پدید آمده‌اند و در حال حاضر هم که عصر سیلیکون‌ها در جریان است بشر را همواره متوجه این مسأله کرده است که چگونه و با چه اصولی میلیاردها اتم در کنارهمدیگر قرارمی‌گیرند و بطورهم زمان‌‌‌، یک شکل ومدل خاصی را ایجاد می‌کنند تا شی‌ ماکروسکوپیک به‌وجود آید.حتی در حال حاضر در دنیای پیشرفته میکروالکترونیک یک تراشه کامپیوتر با بالاترین تکنولوژی

وکوچکترین حجم وقتی با یک اتم مقایسه می‌شود مثل یک کوهستان در مقابل یک خرده سنگ است. تکنولوژی حاصل از قرن بیستم شاید درحال حاضر خیالی باشد ولی حالت واقعی به خود می‌گیرد وقتی که تصور کنیم در قرن بیست ویکم بشر قادر خواهد بود اجسامی در بالاترین سطح از نظر کیفیت کنترلی تولید کند که حدحسایست آنها هم اتمی باشد. طبیعت برای میلیون‌ها سال است که این نقش را با ظرافت کامل انجام می‌دهد ومصالح ساختمانی را با دقت اتمی در کنار هم قرار می‌دهد. هر موجود زنده‌ای از سلول‌هایی ساخته شده است که مملو از نانو ماشین‌هایی

همچون پروتئین‌ها، DNA، RNAوغیره می‌باشند. و هر کدام از این نانوماشین‌ها مجموعه‌ای از مولکولها و اتم‌ها هستند که تغییر در جایگاه هر کدام از آنها می‌تواند باعث خسارت واختلال در عملکردشان شوند. نانوتکنولوژی، علم ساختن مجموعه‌هایی همانند ماشینها، غذاها، خانه‌ها وسفینه‌های فضایی می‌باشد که با تجمع وجای گیری مناسب اتم‌ها ومولکولها به وجود می‌آیند. با اتحاد فرآورده‌ها و معلومات شیمی وتوانایی‌های مهندسی و ماشین‌های خود سامان ده خودساز،امکان تولید کالاهای مورد نیاز در زندگی روزمره از مواد خام ارزان قیمت فراهم می‌شود.
شکل۱٫ شماتیک از نحوه قراردادن اتم‌ها در کنار همدیگر

نانوتکنولوژی، علم دستکاری مولکولی واتمی می‌باشد. به عبارت‌ساده‌تر، اجزای ساختاری یک مجموعه را از حد اتم یا مولکول برنامه‌ریزی می‌کند.یک نانو متر ۹-۱۰ متر است (عرض ۳ یا ۴ اتم) واگر بخواهیم آ‎ن را خوب تجسم کنیم می‌توانیم یک توپ فوتبال را در اندازهجهان تصور کنیم. در این صورت، اتم‌های آن قابل رویت خواهند بود و هر کدام از اتم‌ها در اندازه یک حبه انگور مشخص و نمایان خواهند شد.
نانو‌تکنولوژی را می‌توان یک اتقلاب بزرگ در ساختن مجموعه‌ها نامید که بشر را می‌تواند در نیمه اول قرن بیست و یک به خود مشغول سازد. نانو‌تکنولوژی با به کارگیری اطلاعات فیزیک،شیمی ومهندسی، اشیا را اتم به اتم ومولکول به مولکول خواهد ساخت وفراگیری فوت‌وفن آن باعث خواهد شد که شما با مهارت و بدون نقض هیچ کدام از قوانین جاری در فیزیک، مکانیک مولکولی و مکانیک کوانتوم اتم‌ها را هر جا که نیاز دارید قرار بدهید.نانوتکنولوژی به خوبی خصوصیات فیزیکی شناخته شده اتم‌ها و مولکولها را برای ساختن دستگاههای جدید با خصوصیات خارق‌العاده به‌کار می‌برد.
همانطور که اشاره شد، زمینه‌‌های فعالیتی نانوتکنولوژی وسیع بوده و می‌تواند حوزه‌های مختلف عملی را زیر پوشش قرار دهد و اگر بخواهیم یک جمع بندی کلی از حوزه فعالیتهای نانوتکنولوژی داشته باشیم می‌توانیم به موارد زیر اشاره کنیم:
۱٫ نانوالکترونیک و تکنولوژی اطلاعات.
۲٫ مدیریت وسرپرستی مدل‌سازی وشبیه‌سازی ساختارها و فرایندهایی در اندازه نانو.

۳٫ توسعه روش‌ها ودستگاههای آزمایشگاهی برای اندازه‌گیری خصوصیات کمّی‌ و کیفی در حد نانومتری.
۴٫ ارتباط بازیسـت‌شناسی (ســاختارهای زیســتی‌وسیسـتمهایی با الگوهای زیسـتی) –نانوبیوتکنولوژی –
۵٫ سنتز، سامان دهی و توسعه مواد نانوساختاری با طراحی.
۶٫ معماری وطراحی دستگاه ها وسیستم ها.
نانوالکترونیک [۱۶]
تقریباً از ۴۰سال پیش یک رشد بسیار زیادی در کامپیوترهای الکترونیکی شروع شده است که

باگذشت زمان قدرت آنها نسبت به حالت های اولیه آن بسیار زیادتر می‌شود و در همین حین نیز از حجم ترانزیستورها کاسته می‌شود. با وجود این قوانین مکانیک کوانتوم، محدودیت تکنیک‌های‌ ساخت وساز ممکن است به زودی ازکاهش بیش از این، از لحاظ اندازه در ترانزیستورهای FET معمولی جلوگیری شود. بیشتر تحقیقات در پروژه‌های الکترونیکی نسل آینده در مدت ۱۰ تا۱۵ سال حول ‌وحوش این مسأله خواهد بود که کوچک‌ترین اندازه ممکن ترانزیستور را تولید‌کنند که حجم آن از۲۵۰ نانومتربه ۱۰۰ نانومتر کاهش پیداکند، دستگاه‌هایی که تولید آنها پرهزینه وبسیار مشکل خواهد بود.
به این ترتیب، کوچک‌سازی عناصر مدارها و جریانات تا به حد نانومتری حتی در اندازه مولکولی،محققان را به سمتی سوق می‌دهد که در جهت افزایش قدرت وکارآیی ترانزیستورها، خیلی خیلی بیشتر از حالت معمول فعالیت و تحقیق کنند. این دستگاه‌های الکترونیکی نانومتری جدید (نانوالکترونیک) می‌توانند در دو حالت سویچ وآمپلی‌فایر ایفای نقش کنند (همانند ترانزیستورهای امروزی). با وجود این، برعکس FETهای امروزی که عمل آنها براساس جابه‌جایی اجرام الکترون‌ها در حجم ماده می‌باشد دستگاه‌های جدید براساس پدیده مکانیک کوانتومی عمل می‌کنند و در اندازه نانومتری ظاهر می‌شوند.
با توجه به سیر حرکتی نانوالکترونیک که شیب خطی مثبتی را در جهت کوچک سازی دستگاه‌های الکترونیکی طی می‌کند زمینه‌های مختلف تحقیقاتی نیز برحسب نیاز در آن ایجاد شده و یا ایجاد خواهد شد. برهمین اصل، به دو حیطه فعالیتی نانوالکترونیک که مرتبط با زمینه‌های تحقیق در بیوفیزیک می‌باشد اشاره می‌کنیم:
الکترونیک مولکولی
واژه الکترونیک مولکولی شاید برای اولین بار در سال ۱۹۸۰ به‌طور جدی به‌کار گرفته شد. درست است که سال‌های قبل از آن نیز دانشمندان زیادی در فرآیندهای الکترونیکی در سطوح مولکولی این واژه را به کار برده بودند با وجود این تازمانی که نانوتکنولوژی ظهورنکرده بود وساختمان مولکولی و دستگاه‌هایی با قدرت تفکیک اتمی شناخته‌نشده بودند نیازی به الکترونیک مولکولی احساس نمی‌شد. اما با ظهور اینها، الکترونیک مولکولی به عنوان یکی از شاخه‌های جدید علم شناخته شد. این واژه بعضی وقت‌ها برای تعریف یک کلاس جدید از دستگاه‌هایی با تفکیک مولکولی به‌کار برده می‌شود (مانند STMیا یک روش مانند Langmuir-Blodgett).

پیشرفت الکترونیک مولکولی بسیارمحسوس است. اگر یک نمودار در نظر بگیرید که مؤلفه اندازه بر حسب زمان باشد یک حالت پیوسته‌ای از کوچک سازی را مشاهده می‌کنیم برحسب اینکه محور اندازه لگاریتمی می‌باشد. ]۱۷[
نمودار۱٫ کاهش اندازه با زمان
اگر بخواهید همان مسیر حرکتی را به سمت کوچک‌سازی ادامه دهید در این صورت به ترکیباتی خواهید رسید که اندازه‌ای در حدود۱nm دارند با این شرط که اندازه هر اتم حدود ۲/. یا ۳/. نانومتر است پس چنین ترکیباتی دارای کمترین تعداد اتم می‌باشند واگر این توانایی در دسترسی

به اتم‌ها را به‌دست آوریم به‌طور حتم شیمیدانها می‌توانند با توجه به نوع عملکردی که از یک سیستم انتظار دارندآن را طراحی کنند. در این مسیر ما به یک فاز جدیدی از الکترونیک و شیمی می‌رسیم که اصطلاحاً الکترونیک مولکولی نامیده می‌شود. ]۱۷[
برای اینکه قادر باشیم مولکول‌ها را در الکترونیک آینده به‌کار ببریم بایستی هرچیزی از الکترونیک نیمه‌‌هادی حالت – جامد موجود به اندازه مناسب کوچک شود.این شامل همه اجزا همچون اتصال سیم‌ها نیز می‌باشد بنابراین ضرورت دارد سیم‌های مولکولی نیز از همان نوع ساخته شوند.
یکی از جالب‌ترین گروه مولکول‌ها برای این منظور، زنجیره‌های حلقوی بنزن‌آروماتیک مانند پلی‌فنیلین‌ها، پلی‌پورفیرین‌ها و پلی‌تیوفن‌ها می‌باشند [۱۸ و ۱۹]. در اینجا مناسب است یک جمع‌بندی کلی از رویکردهای دانش الکترونیک مولکولی ارایه دهیم[۲۵]:
۱٫ به‌کارگیری روش‌های شیمیایی سنتز جهت ساخت سیستم‌های شبه‌زیستی.
۲٫ الگوگیری از ساختار و فعالیتهای سیستم‌های حیاتی.
۳٫ به‌کارگیری مولکول‌های زیستی به عنوان عناصر یک سیستم الکترونیکی.
۴٫ یافتن راهکارهایی که عدم تطابق زیستی و غیرزیستی راحل و فصل نماید.
۵٫ بهره‌گیری از مهندسی ژنتیک به جهت طراحی و ساخت پروتئین‌هایی که در حالت طبیعی وجود ندارند.
۶٫ بررسی مکانیسمهای شناخت مولکولی در جهت تبیین خودسامانی عناصر یک سیستم در اندازه‌های مولکولی یا بزرگتر.
به وضوح می‌توان دریافت که دانش الکترونیک مولکولی امروزه به طبیعت زنده و روندهای مولکولی حیات روی‌آورده است. چنین رویکردی کاملاً هوشمندانه است چرا که طبیعت زنده از پس گذران میلیون‌ها سال تغییرو تحول در جهت انطباق با شرایط گوناگون محیطی، به تکامل یافته‌ترین سازو کارهای مولکولی دست یافته است. از این‌رو، پیشرفتهای کنونی دانش الکترونیک، در زمینه الکترونیک بیومولکولی تجسم یافته‌ است.
الکترونیک بیومولکولی
« آیا یک مولکول به تنهایی می‌تواند هوشمند عمل کند؟» شاید جزو اولین سؤال‌هایی بود که بشر را به سمت دنیای میکرو و نانوکشاند در پاسخ به این سؤال دانشمندان اول به ناتوانایی‌های

کامپیوترها اشاره کردند که می‌توان این نارسایی‌ها را با الهام از الگوهای زیستی به حداقل رساند. موجودات زیستی با عناصر کاربردی عمل می‌کنند که دارای دیمانسیون‌های مولکولی، کوانتومی و پدیده نوسان دمایی هستند.
مواد بیولوژیکی جهت ساخت دستگاه‌های الکترونیکی تا قبل از آقای سِوِلدوُف چندان جدی گرفته نمی‌شد ولی سولدوف اولین‌بار با ساخت دستگاه عکس‌برداری و میکروفیلم از موادبیولوژیکی که

فیلم بیوکروم نامیده می‌شود انقلابی در صنعت الکترونیک ایجاد کرد. ماده کلیدی برای این کار باکتریوروداپسین بود. بعد از سولدوف گروههای تحقیقاتی مختلفی در کشورهای پیشرفته جهان شروع به کار کردند و هدف اصلی آن پایه‌ریزی تکنولوژی آینده براساس کوچک‌سازی دستگاه‌های الکترونیکی طبق مبانی تئوری‌های کوانتوم و فیزیک می‌باشد ]۲۰[.
در حقیقت هدف اصلی براین استوار است که امکان ایجاد سیستمها و کامپیوترهای مختلف در اثر اختلاط مبانی فیزیک و ریاضی با دانستنیهای زیست‌شناسی به‌وجود آید. به‌عنوان مثال، می‌توان کامپیوترهایی با توان خیلی بالاتر از حالت‌های کنونی ایجاد کرد که ساخت آنها براساس الگوی مغز بشر طراحی شده باشد. تکنولوژیی که طبق الگوگیری از مغز ساخته می‌شود دارای دانسیته اطلاعات بالا، مصرف انرژی پایین، انعطاف‌پذیری بیشتر، حافظه تداعی معانی عالی وغیره می‌باشد. سیستم‌های بیولوژیکی نیز با پیشرفت علوم کامپیوتر می‌توانند کارآیی بالاتری از خود نشان دهند که البته این می‌تواند زمانی صورت بگیرد که مطابق داشته‌ها و پیش‌گویی‌هایی که به‌توسط این کامپیوترها انجام می‌گیرد کیفیت و کمیّت تولید توسط سیستم‌های بیولوژیکی افزایش یابند. [۲۱ – ۲۴]
با افزایش پیچیدگی‌ها و تقاضاها برای تکنولوژی، اطلاعات آینده مسیری به سمت طراحی و ساخت نانوساختارهای هوشمندی که روی سطوح سیلیکون یا مواد دیگر قرار می‌گیرد طی می‌کند این ساختارها می‌توانند هم از طریق سنتزشیمیایی مولکول‌ها، ماکرومولکول‌ها یا مراکز شناسایی فعال بیولوژیکی به‌دست آیند و هم به صورت طبیعی از واحدهای فعال بیومولکولی با وزن زیاد تهیه شوند.[۲۱ – ۲۴].
شیمیدآنها اغلب واکنش‌ها و گونه‌های سنتزی را در سطح مولکولی مطالعه و بررسی می‌کنند. روش‌های سنتزی در این سطح یک حالت توسعه یافته بالایی را به‌دست آورده است و مولکول‌ه

ای خیلی پیچیده مانند کلروفیل و رشته‌های فلزی بزرگ می‌تواند ساخته شوند. چنین واکنش‌های سنتزی معمولاً به وسیله مجموعه‌ای از اندرکنشها در محیط یکنواخت (هموژن) صورت می‌گیردمخصوصاً اینکه‌ در محیط آبکی یا گازی بهتر انجام بگیرد. روش‌های واکنش، اتصال و طبیعت اینترکنشهای درون مولکولی در این سطح خوب فهمیده و درک می‌شود روش‌های سنتزی برای مولکول‌های بزرگ‌تر (پلی‌مرها و ماکرومولکول‌ها) با تشابه بالایی توسعه یافته‌اند و تعداد فراوانی از پلی‌مرها و کوپلی‌مرها با خصوصیات شیمیایی مختلف و ویژگی‌های ساختاری جدید در آینده قاب

ل تولید خواهند بود.
موجودات زنده برای انجام بیشتر فـعالیت‌های خود وابـسته به سیستم‌های شیمیایی سازمان یافته‌ای چون فتوسنتز و فسفریلارسیون اکسیداتیو هستند. یک سلول از گیاهان سبزآلی را در نظر بگیرید بیشتر این اندامکها شامل همان سیستم‌های شیمیایی سازمان یافته هستند.
شکل۲٫ اندام‌های مختلف در یک سلول گیاهی
دو نوع مشخص از اندامک‌های سلولی که در سوخت و ساز سلول‌ها نقش اصلی را ایفا می‌کنند عبارتند از: کلروپلاست و میتوکندری.
میتوکندری [۲۸ – ۲۵]
فرآیندهای کسب انرژی در طبیعت دیرزمانی است که مورد توجه پژوهشگران قرار دارد. مجموع این مطالعات بیانگر این مهم است که سیستم‌های مبدل انرژی، ساز و کار واحدی دارند؛ نقل و انتقال الکترون‌های پرانرژی به واسطه کاهش تدریجی در انرژی آزاد حاملین، در نهایت به شکل‌گیری ترکیباتی می‌انجامد که انرژی لازم را برای فرآیندهای حیاتی تأمین می‌کنند. این الکترون‌های پرانرژی یا ماحصل جذب انرژی نورانی هستند (فتوسنتز) یا از اکسیداسیون مواد غذایی (تنفس سلولی) پدید می‌آیند. در حالت اخیر، الکترون‌های حاصل به طور عمده توسط مولکول نیکوتین آمیدآدنین دی‌نوکلئوتید(NADH) به صورت یون هیدرید (H+) به زنجیره انتقال الکترون‌ها در غشای داخلی میتوکندری هدایت می‌شوند اکسیداسیون یون هیدرید توسط اکسیژن که به تشکیل مولکول آب می‌انجامد انرژی‌زا است. حال اگر این واکنش به واسطه فرآیندهای متعدداکسیداسیون و احیای در غشای داخلی میتوکندری به انجام ‌رسد انرژی حاصله در نهایت در مولکول‌های ATP ذخیره خواهد شد. ATP منبع انرژی سلول می‌باشد.

 

شکل۳٫ ساختار میتوکندری

شکل۴٫ دیاگرام غشای داخلی میتوکندری
و مسیر عبور الکترون و پروتون در آن
میتوکندری به عنوان مدل
امروزه به واسطه اطلاعاتی که در ارتباط با نقل و انتقالات الکترونی غشای داخلی میتوکندری و ساختارهای مربوطه داریم، قادر خواهیم بود چنین سیستمی را از نقطه‌نظر فن‌آوری نیز مورد توجه قرار دهیم. در این رابطه می‌توان به پژوهش‌هایی اشاره کرد که که از طریق مهندسی پروتین‌های ناقل الکترون نظیر سیتوکروم‌ها درصدد طراحی و ساخت ساختارهایی هستند که در نهایت امکان بهره‌وری در صنایع بیوسنسور وبیوالکترونیک را داشته باشند.
مفاهیمی نظیر نیروی محرکه انتقالات الکترونی، نیروهای الکترواستاتیکی با برد بلند، انرژی بازسامان یابی مراکز احیایی و محیط اطراف، فاصله دهنده و گیرنده الکترون و ماهیت حدواسط آنها، پشتوانه نظری چنین پژوهش‌هایی می‌باشند [۲۵-۳۱].
سیتوکروم‌ها از این‌نظر هم قابل توجه هستند که ساختار آنها وابسته به حالت‌های اکسیداسیون و احیاء می‌باشد به عبارت دیگر سیتوکروم‌ها قادر هستند به واسطه تغییرات ساختاری خود، اطلاعات بیوشیمیایی و و الکترونیکی را به یکدیگر تبدیل کنند. در همین زمینه پژوهشگران پروتئین‌های آلوستریک جدیدی را به‌وجود آوردند که حاصل اتصال سیتوکروم‌های مهندسی شده به پروتین‌هایی است که فاقد حالت اکسیداسیون واحیا می‌باشند [۲۸ – ۳۱].
خودسامانی و مواد سامان‌ده بیومولکولی
اگر بخواهیم یک تعریف مختصری ازحوزه عملکردی مواد بیومولکولی داشته باشیم می‌توانیم به این مطالب اشاره کنیم که آن، شالوده درهم‌آمیختگی منظم سه حوزه علمی می‌باشد که عبارتنداز بیولوژی‌مولکولی،فیزیک و مهندسی مواد. به‌عبارت‌دیگر، مواد بیومولکولی مرز اتصال بین علم حیات و علم مواد می‌باشند. آن مبانی پایه‌ای چون خودسازمان‌یابی ، تنظیم ، نسخه‌برداری ، ارتباط تعاون را به‌کار می‌برد و یک ناحیه جدیدی از علوم کاربردی را توسعه می‌دهد که در این ناحیه شکوفا، امکان طراحی موادی که کاربردهای جدید و خاصی برای آنها تعریف می‌شود وجود خواهد داشت. قولی که تکنولوژی مواد بیومولکولی به بشر می‌دهد و شاید یک مقدار هم خارج از تصور ما باشد

کاربردهایی در جهت تندرستی مواد زیستی و تکنولوژیکی می‌باشد و این مرحله از رویای بشر می‌تواند با توسعه و درهم‌آمیختگی بیولوژی مولکولی پیشرفته، افزایش قدرت تمییز و تفکیک وجه مشخصات مواد به صورت میکروسکوپیک و توسعه مطالب تئوری تحقق بیابد. در حال حاضر، با توجه به تبحری که انسان در درک و فهم پیچیدگیهای فیزیکی به‌دست آورده است آمادگی تفسیر، تحول وتوسعه در دنیای موادمرکب را دارد اما این توانایی در حضور الگوگیری از رفتار کم نظیر سیستم‌های بیولوژیکی قابل دسترسی می‌باشد. رفتارهایی چون شناسایی و پاسخ‌گویی ، خودسامان‌دهی و خود‌تعمیری . این مبانی می‌تواند به سمت کنترل سنتز مواد پیشرفته بسط و توسعه داده شود و این نیز به سوی مواد جدید و فرآیندهایی با ناحیه وسیعی از تکنولوژی پیش می‌رود.

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 12700 تومان در 62 صفحه
127,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد