_DENIZ._.SH_
کاربر نگاه دانلود
- عضویت
- 2015/12/12
- ارسالی ها
- 1,295
- امتیاز واکنش
- 4,424
- امتیاز
- 506
- سن
- 24
پیشنهادهای فاینمن درباره فناوری نانو
نویسنده: بهنام غفاری
مقدمه
دیدگاههای ریچارد فاینمن، فیزیکدان برنده جایزه نوبل سال 1965، نقش بهسزایی در پیریزی علوم نانو داشته است. او دیدگاههای خود را در یک سخنرانی در انجمن فیزیک آمریکا با نام «در پاییندست، فضای زیادی وجود دارد»، مطرح کرد (29 دسامبر 1959، برابر با 23 آذر 1338). در این سخنرانی پیشبینیهای قابل توجهی مطرح شد که در زمان ما تحقق بسیاری از آنها مشهود است. متنی که میخوانید، ترجمهای است از سخنرانی فاینمن و توضیحاتی که در مورد میزان تحقق آن پیشبینیها داده شده اند.
1- حوزه علوم نانو
فاینمن: "میخواهم حوزهای را شرح دهم که هنوز جای کار زیادی دارد. این حوزه، شبیه حوزه فیزیک ذرات بنیادی نیست، زیرا چیز زیادی در مورد اینکه ذرات بنیادی عجیب چه هستند، نمیگوید. بلکه، بیشتر شبیه فیزیک حالت جامد است، چون در مورد پدیده های عجیبی که در شرایط پیچیده اتفاق میافتند، اطلاعات جالبی میدهد. به علاوه، نکته ای که از همه مهم‌تر است، تعداد زیادِ کاربردهای تکنیکی این حوزه است."
نکته: واقعیت این است که علوم نانو نگرشی بنیادی دربارهی جهان در مقیاس کوچک به ما نمیدهند. نگرش بنیادی، پدیده های عالم را با معادلات ریاضی واحدی توضیح میدهد. علوم نانو به مقیاس کوچکتر از اتم کاری ندارند. در عوض، در مورد ذرات بنیادی بسیار ریزتر ــ به کوچکی کوارک ها و لپتون ها که حداقل ده مرتبه کوچکتر از اتم هستند ــ فیزیک بنیادی دستاوردهای خوبی دارد.
از سوی دیگر، علوم نانو نگرش متفاوتی در مورد ظهور پدیده های جدید میدهند. در این نگرش، از کنار هم گذاشتن تعدادی برهمکنشِ ساده بین اجزای تشکیل دهنده‌ی سیستم، خاصیت جدیدی در کل سیستم، متفاوت با خواص اجزای آن، بروز میکند؛ چیزی که در شبیه سازی های رایانه ای تا حدی مشاهده شده است. بنابراین، علوم نانو به ما نگرشی بنیادی در مورد پیشرفتهای فناوری در آیندهی نزدیک می دهند.
2- ساختن در مقیاس اتمی
فاینمن: "چیزی که میخواهم بگویم، مشکل تولید و کنترل اشیا در مقیاس کوچک است. به محض طرح این موضوع، مردم به من در مورد کوچک سازی و میزان پیشرفتِ آن تا امروز میگویند. آنها از موتورهای الکتریکی ای به کوچکی ناخن انگشت سخن میرانند. آنها میگویند وسیله ای وجود دارد که میتواند متن کتاب مقدس را در سر سوزن بنگارد. اما دنیای کوچک شگفت آورتری در پاییندست وجود دارد. در سال 2000، وقتی به روزگار ما نگاه کنند، با تعجب میپرسند چرا تا سال 1960 کسی به طور جدی به این سمت حرکت نکرده بود؟ چرا ما نمیتوانیم 24 جلد «دایره المعارف بریتانیکا» را در سر یک سوزن بنویسیم؟ بگذارید ببینیم چه مسائلی دخیل هستند. پهنای سر سوزن یک میلیمتر است. اگر آن را 25 هزار بار بزرگ‌تر کنیم، سطح سر سوزن برابر با مساحت همه صفحات «بریتانیکا» میشود. بنابراین، تنها لازم است که اندازه های نوشته های دایره المعارف را 25 هزار بار کوچک کنیم. آیا چنین چیزی ممکن است؟ قدرت تشخیص چشم انسان دو دهمِ میلیمتر است که برابر با یکی از نقطه های کوچک دایره المعارف یادشده است. اگر آن را 25 هزار بار کوچک کنید، هنوز هشتاد آنگسترم (هشت نانومتر) پهنا دارد، یعنی به پهنای 32 اتم در یک فلز معمولی. به زبان دیگر، یکی از آن نقاط هنوز هزار اتم در خود جای میدهد. بنابراین، هر نقطه میتواند در اندازة لازم برای چاپ تنظیم شود؛ دیگر شکی نیست که در سر سوزن فضای کافی برای قرار دادن «دایره المعارف بریتانیکا» موجود است."
نکته: این کار در زمان حاضر امکان پذیر است. اگر سر سوزن از جنس سیلیکون و تخت باشد، با لیتوگرافی پرتوی الکترونی میتوان نقوشی در این ابعاد و با این دقت ایجاد کرد.
فاینمن: "حال که «دایره المعارف بریتانیکا» روی سر سوزن جا شد، بیایید همه کتابهای عالم را در نظر بگیریم. کتابخانة کنگره حدود نُه میلیون جلد کتاب دارد، کتابخانة موزة بریتانیا پنج میلیون جلد و کتابخانة ملی فرانسه پنج میلیون جلد دیگر. مسلما در میان اینها نسخه های تکراری هم وجود دارند. بنابراین، فرض کنیم 24 میلیون جلد کتابِ غیر تکراری در دنیا وجود دارند. کتابدار ما در کَلتِک (مرکز تحقیقاتی که فاینمن در آنجا تدریس و تحقیق میکرد) هر چه قدر تند و تیز باشد، بعد از ده سال فقط میتواند اطلاعات مربوط به 120 هزار جلد کتاب را توی کارت ها بنویسد. متن کتاب‌هایی که از کف تا سقفِ همة ساختمان کتابخانه چیده شدهاند، و کارت هایی که همه کشوهای کتابخانه را انباشته اند، همه میتوانند تنها در یک کارت نگهداری شوند. آیا چنین چیزی ممکن است؟"
نکته: اگر فرض کنیم هر کتاب یک میلیون حرف دارد، 24 میلیون جلد کتابی که فاینمن میگوید، در فضایی معادل با 24 ترابایت ذخیره میشود. در چند سال آینده، یک آرایه از لوحهای RAID گنجایش همة این اطلاعات را خواهد داشت. گرچه هنوز به اندازه ی یک کارت کتاب نیست، اما خیلی به آن نزدیک است.
3- ارتباط بین فیزیک، شیمی و زیست شناسی
فاینمن: "اصلی ترین مسائل در زیست شناسی امروز چه هستند؟ پرسش هایی هستند مثل: ترتیب پایه های DNA چیست؟ وقتی یک جهش ژنتیکی رخ دهد، چه اتفاقی میافتد؟ ترتیب پایه ها در DNA چه ارتباطی با اسیدهای آمینه در پروتئین دارد؟ ساختار RNA چیست؟ یک زنجیره ای است یا دوزنجیره ای؟ و چگونه در ترتیب پایه ها با DNA مرتبط میشود؟ ساختار میکروزوم چیست؟ پروتئین ها چطور سنتز میشوند؟ RNA کجا میرود؟ چگونه قرار میگیرد؟ پروتئین ها کجا قرار میگیرند؟ آمینواسیدها از کجا داخل میشوند؟ در فتوسنتز، کلروفیل کجاست؟ چگونه چیده شده است؟ کاروتنویدها کجا در این فرآیند دخیل میشوند؟ سیستم تبدیل نور به انرژی شیمیایی چیست؟
پاسخ دادن به این سوالات بنیادی زیست شناسی بسیار ساده است. کافی است به ساختارها نگاه کنید. میتوانید ترتیب پایه ها را در زنجیره یا ترکیب میکروزوم را ببینید. متاسفانه میکروسکوپ ها در حال حاضر، مقیاسی را میبینند که بسیار زمخت است. میکروسکوپ را صد مرتبه بهتر کنید. در این صورت، بسیاری از مسائل زیست شناسی سادهتر میشوند."
نکته: امروزه با استفاده از انبرک های لیزری میتوان یک مولکول DNA را زیر میکروسکوپ نیروی اتمی،ثابت و تصویرش را ثبت کرد.
فاینمن: "اگر فیزیکدان ها بخواهند، میتوانند دشواری کار شیمیدان ها در مسائل تجزیه ی شیمیایی را حل کنند. تجزیه ی هر ترکیب پیچیده ی شیمیایی بسیار ساده است، فقط باید به آن نگاه کرد و دید اتم ها کجا هستند. یک سیستمِ زیستی میتواند بسیار کوچک باشد. سلول ها خیلی ریز، اما بسیار فعالاند. آنها ترکیبات مختلفی میسازند، حرکت میکنند، و همه جور اعمال شگفت انگیز انجام میدهند، همه در مقیاسی بسیار ریز. همچنین آنها اطلاعات ذخیره میکنند. امکانش را تصور کنید که ما هم بتوانیم چیزی بسیار کوچک بسازیم که آنچه ما میخواهیم انجام دهد یا به عبارت دیگر بتواند در آن ابعاد، مانور دهد!"
نکته: امروزه نانو زیست فناورها تلاش میکنند تا با مهندسیِ سلول های جدید، فعالیتهای این سلول ها را مطابق هدف مطلوبشان کنترل کنند.
4-نانوماشین ها
فاینمن: "امکانات یک ماشین کوچک با قابلیت تحرک چیست؟ آنها ممکن است به دردنخور باشند، اما مسلما ساختن آنها مفرح است. من نمیدانم به طور عملی چطور در ابعاد ریز این کار را انجام دهم، اما میدانم که ماشین های محاسبه ی بسیار بزرگ وجود دارند، آنها اتاقهای متعدد را اشغال میکنند. چرا نمیتوانیم آنها را خیلی کوچک بسازیم، آنها را از سیم های ریز بسازیم، از اجزای کوچک و منظور من از کوچک این است که به عنوان مثال سیم ها 10 یا 100 اتم پهنا داشته باشند و مدارها در گستره چند آنگستروم قرار گیرند."
نکته: این شبیه همان مرحله ای است که فناوری سنتی سیلیکون امروزه در آن قرار دارد. روش های زیادی برای ساخت اجزای سنتی الکترونیک طراحی شده است. در عین حال، اصول جدیدی برای کار ماشین های محاسبه با افزایش کنترل انسان در ابعاد نانو پیشنهاد شده است. ترانزیستورهای مولکولی، ترانزیستورهای تک الکترونی و اسپینترونیک حوزه های جدیدی هستند که مورد مطالعه دانشمندان حوزة نانو قرار دارند.
عنوان اسپینترونیک از تشابه این حوزه با رقیب (یا همکار) سنتی خود یعنی الکترونیک ریشه گرفته است. در علم شیمی بیان می شود که الکترون‌ها و برخی دیگر از ذرات بنیادی به غیر از بار الکتریکی و جرم، خاصیت دیگری به نام اسپین هم دارند که یکی از خواص ذاتی الکترون به حساب می‌آید و دو مقدار مثبت یا منفی یکدوم به آن نسبت داده میشود. جریان الکتریکی، پتانسیل الکتریکی و میدان الکتریکی (که از روابط ماکسول پیروی میکنند) ابزار اصلی در تحلیل یک مدار الکترونیکی هستند و بیشتر با «بار الکترون» سر و کار دارند. محققان اسپینترونیک تلاش میکنند تا با استفاده از قواعد حاکم بر برهمکنش و تغییرات «اسپین الکترون» روشهای جدیدی برای ساخت سیستم‌هایی معادل با مدارهای الکترونیکی به خصوص برای محاسبه و ذخیره اطلاعات بیابند.
فاینمن: "امکانات ماشین‌های کوچک اما متحرک چیست؟ دوست من، آلبرت هیبس، امکان جالبی برای یک ماشین کوچک پیشنهاد میکند. او میگوید که اگرچه ایدهی بسیار خامی است، اما بسیار جالب است اگر بتوانی جراح را ببلعی. جراح مکانیکی را درون رگ قرار میدهی و او به داخل قلب میرود و اطراف را مشاهده میکند (مسلما اطلاعات باید به خارج ارسال شوند). او پیدا میکند که کدام دریچه مشکل دارد و با یک چاقوی کوچک آن را جراحی میکند. بعضی ماشین‌های کوچکِ دیگر میتوانند به طور دائم در بدن کار گذاشته شوند تا به اعضایی که نارسایی دارند، کمک کنند."
نکته: ایدهی بدیع نانوماشین‌ها و کاربرد آنها در بدن انسان، نخستین بار در سخنرانی فاینمن مطرح شد. هر چند هنوز هم دانشمندان نسبت به عملی بودن این ایده در آیندهی نزدیک مشکوک هستند، اما بسیاری از تحلیلگران آینده آن را امکانپذیر می‌پندارند. در یک نانوروبات، ابزارهایی برای حس کردن، پردازش اطلاعات، حرکت، ارسال اطلاعات به خارج و انجام عملیات خاص لازم است. دانشمندان موفق شدهاند نمونه‌هایی از حسگرها، ردیابها و موتورهای بسیار کوچک شیمیایی را در ابعاد نانومتر ایجاد کنند، اما هر کدام از این عناصر نیاز به سیستم‌های پیچیدهی جانبی برای تکمیل عملکرد خود دارند، مثلا برای مشاهده‌ی ردیابها نیاز به میکروسکوپ و برای تحلیل سیگنال حسگرها نیاز به سیستم‌های پردازندهی ماکروسکوپیک وجود دارد. درست مانند یک کامپیوتر خانگی که هرچند پردازندهی آن بسیار کوچک (در حدود چند میلیمتر مربع) است، اما برای ایجاد کارایی، نیاز به قطعات بزرگ جانبی دارد. امکان گنجاندن همه‌ی این ابزار در ابعادی کوچکتر از یک باکتری، به شدت مورد تردیدِ بسیاری از دانشمندان است.
فاینمن: "اما من هراسی ندارم که پرسش آخرم را طرح کنم. آیا ــ در آینده بسیار دور ــ میتوانیم اتمها را آن‌جور که میخواهیم بچینیم؟ خود اتم‌های بسیار ریز! چه اتفاقی میافتد اگر بتوانیم اتمها را یکی یکی طوری بچینیم که میخواهیم؟"
نکته: این کار در حال حاضر، با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی روی سطوح تخت، ممکن است، در عین حال قدرت طراحی اجزای جدید با استفاده از کنترل خودآرایی مولکولی روز به روز در حال پیشرفت است. هرچند ایجاد ساختارهای دلخواه سهبُعدی در این روشها و روشهای مشابه محدود به چیدن لایه به لایه آنها میشود. بهتازگی اَبَربلورهایی با لایه‌نشانی توسط لیزر ساخته شدهاند که در واقع موادی مصنوعی به حساب میآیند که قبلا وجود نداشته‌اند. در یکی از جدیدترین این دستاوردها، یک گروه هلندی با چیدن یک در میان لایه‌های اتمی از یک نارسانا و یک فلز ضعیف، موفق به مشاهدة خاصیت ابررسانایی شده است. برای مطالعه ی بیشتر به این نشانی مراجعه کنید:
ریچارد فاینمن توانسته است به نحوی شگفت انگیز بیشتر حوزه‌های فعالیت دانشمندان امروزی علوم نانو را در سخنرانی خود معرفی کند. آن هم زمانی که هنوز فعالیت چشمگیری در این رشته شروع نشده بود. او این کار را به دور از توهمسازی و کاملاً حسابشده انجام داد. امروزه بهخوبی دیده می شود اهدافی که او 45 سال پیش مطرح کرد، یا به دست آمده‌اند یا در آیندهی نزدیک به وقوع خواهند پیوست. اینها همه نشان از پختگی و شهود قوی این فیزیکدان برجسته و رهبر علمی دارد.
ریچارد فاینمن (11 می 1918 تا 15 فوریه 1988) یکی از تاثیرگذارترین فیزیکدانان آمریکایی در قرن بیستم بود که نظریهی الکترودینامیک کوانتومی را پیش برد. او سخنرانی برجسته و نوازندهای غیرحرفهای بود. فاینمن به خاطر کارهایش روی نظریهی الکترودینامیک کوانتومی، جایزهی نوبل فیزیک را در سال 1965 به همراه جولیان شوینگر و شین ایچیرو توموناگا از آنِ خود کرد. سخنرانی او را هنگام دریافت جایزه نوبل میتوانید بخوانید. سه جلد کتاب فیزیک پایه با عنوان «سخنرانیهای فاینمن در مورد فیزیک عمومی» بر اساس یک دوره آموزش درس فیزیک پایه در دوره‌ی کارشناسی توسط وی تهیه شدهاند که شاید بتوان گفت به اندازه‌ی جایزهی نوبلاش، مایه شهرت فاینمن بوده اند.
نویسنده: بهنام غفاری
مقدمه
دیدگاههای ریچارد فاینمن، فیزیکدان برنده جایزه نوبل سال 1965، نقش بهسزایی در پیریزی علوم نانو داشته است. او دیدگاههای خود را در یک سخنرانی در انجمن فیزیک آمریکا با نام «در پاییندست، فضای زیادی وجود دارد»، مطرح کرد (29 دسامبر 1959، برابر با 23 آذر 1338). در این سخنرانی پیشبینیهای قابل توجهی مطرح شد که در زمان ما تحقق بسیاری از آنها مشهود است. متنی که میخوانید، ترجمهای است از سخنرانی فاینمن و توضیحاتی که در مورد میزان تحقق آن پیشبینیها داده شده اند.
1- حوزه علوم نانو
فاینمن: "میخواهم حوزهای را شرح دهم که هنوز جای کار زیادی دارد. این حوزه، شبیه حوزه فیزیک ذرات بنیادی نیست، زیرا چیز زیادی در مورد اینکه ذرات بنیادی عجیب چه هستند، نمیگوید. بلکه، بیشتر شبیه فیزیک حالت جامد است، چون در مورد پدیده های عجیبی که در شرایط پیچیده اتفاق میافتند، اطلاعات جالبی میدهد. به علاوه، نکته ای که از همه مهم‌تر است، تعداد زیادِ کاربردهای تکنیکی این حوزه است."
نکته: واقعیت این است که علوم نانو نگرشی بنیادی دربارهی جهان در مقیاس کوچک به ما نمیدهند. نگرش بنیادی، پدیده های عالم را با معادلات ریاضی واحدی توضیح میدهد. علوم نانو به مقیاس کوچکتر از اتم کاری ندارند. در عوض، در مورد ذرات بنیادی بسیار ریزتر ــ به کوچکی کوارک ها و لپتون ها که حداقل ده مرتبه کوچکتر از اتم هستند ــ فیزیک بنیادی دستاوردهای خوبی دارد.
از سوی دیگر، علوم نانو نگرش متفاوتی در مورد ظهور پدیده های جدید میدهند. در این نگرش، از کنار هم گذاشتن تعدادی برهمکنشِ ساده بین اجزای تشکیل دهنده‌ی سیستم، خاصیت جدیدی در کل سیستم، متفاوت با خواص اجزای آن، بروز میکند؛ چیزی که در شبیه سازی های رایانه ای تا حدی مشاهده شده است. بنابراین، علوم نانو به ما نگرشی بنیادی در مورد پیشرفتهای فناوری در آیندهی نزدیک می دهند.
2- ساختن در مقیاس اتمی
فاینمن: "چیزی که میخواهم بگویم، مشکل تولید و کنترل اشیا در مقیاس کوچک است. به محض طرح این موضوع، مردم به من در مورد کوچک سازی و میزان پیشرفتِ آن تا امروز میگویند. آنها از موتورهای الکتریکی ای به کوچکی ناخن انگشت سخن میرانند. آنها میگویند وسیله ای وجود دارد که میتواند متن کتاب مقدس را در سر سوزن بنگارد. اما دنیای کوچک شگفت آورتری در پاییندست وجود دارد. در سال 2000، وقتی به روزگار ما نگاه کنند، با تعجب میپرسند چرا تا سال 1960 کسی به طور جدی به این سمت حرکت نکرده بود؟ چرا ما نمیتوانیم 24 جلد «دایره المعارف بریتانیکا» را در سر یک سوزن بنویسیم؟ بگذارید ببینیم چه مسائلی دخیل هستند. پهنای سر سوزن یک میلیمتر است. اگر آن را 25 هزار بار بزرگ‌تر کنیم، سطح سر سوزن برابر با مساحت همه صفحات «بریتانیکا» میشود. بنابراین، تنها لازم است که اندازه های نوشته های دایره المعارف را 25 هزار بار کوچک کنیم. آیا چنین چیزی ممکن است؟ قدرت تشخیص چشم انسان دو دهمِ میلیمتر است که برابر با یکی از نقطه های کوچک دایره المعارف یادشده است. اگر آن را 25 هزار بار کوچک کنید، هنوز هشتاد آنگسترم (هشت نانومتر) پهنا دارد، یعنی به پهنای 32 اتم در یک فلز معمولی. به زبان دیگر، یکی از آن نقاط هنوز هزار اتم در خود جای میدهد. بنابراین، هر نقطه میتواند در اندازة لازم برای چاپ تنظیم شود؛ دیگر شکی نیست که در سر سوزن فضای کافی برای قرار دادن «دایره المعارف بریتانیکا» موجود است."
نکته: این کار در زمان حاضر امکان پذیر است. اگر سر سوزن از جنس سیلیکون و تخت باشد، با لیتوگرافی پرتوی الکترونی میتوان نقوشی در این ابعاد و با این دقت ایجاد کرد.
فاینمن: "حال که «دایره المعارف بریتانیکا» روی سر سوزن جا شد، بیایید همه کتابهای عالم را در نظر بگیریم. کتابخانة کنگره حدود نُه میلیون جلد کتاب دارد، کتابخانة موزة بریتانیا پنج میلیون جلد و کتابخانة ملی فرانسه پنج میلیون جلد دیگر. مسلما در میان اینها نسخه های تکراری هم وجود دارند. بنابراین، فرض کنیم 24 میلیون جلد کتابِ غیر تکراری در دنیا وجود دارند. کتابدار ما در کَلتِک (مرکز تحقیقاتی که فاینمن در آنجا تدریس و تحقیق میکرد) هر چه قدر تند و تیز باشد، بعد از ده سال فقط میتواند اطلاعات مربوط به 120 هزار جلد کتاب را توی کارت ها بنویسد. متن کتاب‌هایی که از کف تا سقفِ همة ساختمان کتابخانه چیده شدهاند، و کارت هایی که همه کشوهای کتابخانه را انباشته اند، همه میتوانند تنها در یک کارت نگهداری شوند. آیا چنین چیزی ممکن است؟"
نکته: اگر فرض کنیم هر کتاب یک میلیون حرف دارد، 24 میلیون جلد کتابی که فاینمن میگوید، در فضایی معادل با 24 ترابایت ذخیره میشود. در چند سال آینده، یک آرایه از لوحهای RAID گنجایش همة این اطلاعات را خواهد داشت. گرچه هنوز به اندازه ی یک کارت کتاب نیست، اما خیلی به آن نزدیک است.
3- ارتباط بین فیزیک، شیمی و زیست شناسی
فاینمن: "اصلی ترین مسائل در زیست شناسی امروز چه هستند؟ پرسش هایی هستند مثل: ترتیب پایه های DNA چیست؟ وقتی یک جهش ژنتیکی رخ دهد، چه اتفاقی میافتد؟ ترتیب پایه ها در DNA چه ارتباطی با اسیدهای آمینه در پروتئین دارد؟ ساختار RNA چیست؟ یک زنجیره ای است یا دوزنجیره ای؟ و چگونه در ترتیب پایه ها با DNA مرتبط میشود؟ ساختار میکروزوم چیست؟ پروتئین ها چطور سنتز میشوند؟ RNA کجا میرود؟ چگونه قرار میگیرد؟ پروتئین ها کجا قرار میگیرند؟ آمینواسیدها از کجا داخل میشوند؟ در فتوسنتز، کلروفیل کجاست؟ چگونه چیده شده است؟ کاروتنویدها کجا در این فرآیند دخیل میشوند؟ سیستم تبدیل نور به انرژی شیمیایی چیست؟
پاسخ دادن به این سوالات بنیادی زیست شناسی بسیار ساده است. کافی است به ساختارها نگاه کنید. میتوانید ترتیب پایه ها را در زنجیره یا ترکیب میکروزوم را ببینید. متاسفانه میکروسکوپ ها در حال حاضر، مقیاسی را میبینند که بسیار زمخت است. میکروسکوپ را صد مرتبه بهتر کنید. در این صورت، بسیاری از مسائل زیست شناسی سادهتر میشوند."
نکته: امروزه با استفاده از انبرک های لیزری میتوان یک مولکول DNA را زیر میکروسکوپ نیروی اتمی،ثابت و تصویرش را ثبت کرد.
فاینمن: "اگر فیزیکدان ها بخواهند، میتوانند دشواری کار شیمیدان ها در مسائل تجزیه ی شیمیایی را حل کنند. تجزیه ی هر ترکیب پیچیده ی شیمیایی بسیار ساده است، فقط باید به آن نگاه کرد و دید اتم ها کجا هستند. یک سیستمِ زیستی میتواند بسیار کوچک باشد. سلول ها خیلی ریز، اما بسیار فعالاند. آنها ترکیبات مختلفی میسازند، حرکت میکنند، و همه جور اعمال شگفت انگیز انجام میدهند، همه در مقیاسی بسیار ریز. همچنین آنها اطلاعات ذخیره میکنند. امکانش را تصور کنید که ما هم بتوانیم چیزی بسیار کوچک بسازیم که آنچه ما میخواهیم انجام دهد یا به عبارت دیگر بتواند در آن ابعاد، مانور دهد!"
نکته: امروزه نانو زیست فناورها تلاش میکنند تا با مهندسیِ سلول های جدید، فعالیتهای این سلول ها را مطابق هدف مطلوبشان کنترل کنند.
4-نانوماشین ها
فاینمن: "امکانات یک ماشین کوچک با قابلیت تحرک چیست؟ آنها ممکن است به دردنخور باشند، اما مسلما ساختن آنها مفرح است. من نمیدانم به طور عملی چطور در ابعاد ریز این کار را انجام دهم، اما میدانم که ماشین های محاسبه ی بسیار بزرگ وجود دارند، آنها اتاقهای متعدد را اشغال میکنند. چرا نمیتوانیم آنها را خیلی کوچک بسازیم، آنها را از سیم های ریز بسازیم، از اجزای کوچک و منظور من از کوچک این است که به عنوان مثال سیم ها 10 یا 100 اتم پهنا داشته باشند و مدارها در گستره چند آنگستروم قرار گیرند."
نکته: این شبیه همان مرحله ای است که فناوری سنتی سیلیکون امروزه در آن قرار دارد. روش های زیادی برای ساخت اجزای سنتی الکترونیک طراحی شده است. در عین حال، اصول جدیدی برای کار ماشین های محاسبه با افزایش کنترل انسان در ابعاد نانو پیشنهاد شده است. ترانزیستورهای مولکولی، ترانزیستورهای تک الکترونی و اسپینترونیک حوزه های جدیدی هستند که مورد مطالعه دانشمندان حوزة نانو قرار دارند.
عنوان اسپینترونیک از تشابه این حوزه با رقیب (یا همکار) سنتی خود یعنی الکترونیک ریشه گرفته است. در علم شیمی بیان می شود که الکترون‌ها و برخی دیگر از ذرات بنیادی به غیر از بار الکتریکی و جرم، خاصیت دیگری به نام اسپین هم دارند که یکی از خواص ذاتی الکترون به حساب می‌آید و دو مقدار مثبت یا منفی یکدوم به آن نسبت داده میشود. جریان الکتریکی، پتانسیل الکتریکی و میدان الکتریکی (که از روابط ماکسول پیروی میکنند) ابزار اصلی در تحلیل یک مدار الکترونیکی هستند و بیشتر با «بار الکترون» سر و کار دارند. محققان اسپینترونیک تلاش میکنند تا با استفاده از قواعد حاکم بر برهمکنش و تغییرات «اسپین الکترون» روشهای جدیدی برای ساخت سیستم‌هایی معادل با مدارهای الکترونیکی به خصوص برای محاسبه و ذخیره اطلاعات بیابند.
فاینمن: "امکانات ماشین‌های کوچک اما متحرک چیست؟ دوست من، آلبرت هیبس، امکان جالبی برای یک ماشین کوچک پیشنهاد میکند. او میگوید که اگرچه ایدهی بسیار خامی است، اما بسیار جالب است اگر بتوانی جراح را ببلعی. جراح مکانیکی را درون رگ قرار میدهی و او به داخل قلب میرود و اطراف را مشاهده میکند (مسلما اطلاعات باید به خارج ارسال شوند). او پیدا میکند که کدام دریچه مشکل دارد و با یک چاقوی کوچک آن را جراحی میکند. بعضی ماشین‌های کوچکِ دیگر میتوانند به طور دائم در بدن کار گذاشته شوند تا به اعضایی که نارسایی دارند، کمک کنند."
نکته: ایدهی بدیع نانوماشین‌ها و کاربرد آنها در بدن انسان، نخستین بار در سخنرانی فاینمن مطرح شد. هر چند هنوز هم دانشمندان نسبت به عملی بودن این ایده در آیندهی نزدیک مشکوک هستند، اما بسیاری از تحلیلگران آینده آن را امکانپذیر می‌پندارند. در یک نانوروبات، ابزارهایی برای حس کردن، پردازش اطلاعات، حرکت، ارسال اطلاعات به خارج و انجام عملیات خاص لازم است. دانشمندان موفق شدهاند نمونه‌هایی از حسگرها، ردیابها و موتورهای بسیار کوچک شیمیایی را در ابعاد نانومتر ایجاد کنند، اما هر کدام از این عناصر نیاز به سیستم‌های پیچیدهی جانبی برای تکمیل عملکرد خود دارند، مثلا برای مشاهده‌ی ردیابها نیاز به میکروسکوپ و برای تحلیل سیگنال حسگرها نیاز به سیستم‌های پردازندهی ماکروسکوپیک وجود دارد. درست مانند یک کامپیوتر خانگی که هرچند پردازندهی آن بسیار کوچک (در حدود چند میلیمتر مربع) است، اما برای ایجاد کارایی، نیاز به قطعات بزرگ جانبی دارد. امکان گنجاندن همه‌ی این ابزار در ابعادی کوچکتر از یک باکتری، به شدت مورد تردیدِ بسیاری از دانشمندان است.
فاینمن: "اما من هراسی ندارم که پرسش آخرم را طرح کنم. آیا ــ در آینده بسیار دور ــ میتوانیم اتمها را آن‌جور که میخواهیم بچینیم؟ خود اتم‌های بسیار ریز! چه اتفاقی میافتد اگر بتوانیم اتمها را یکی یکی طوری بچینیم که میخواهیم؟"
نکته: این کار در حال حاضر، با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی روی سطوح تخت، ممکن است، در عین حال قدرت طراحی اجزای جدید با استفاده از کنترل خودآرایی مولکولی روز به روز در حال پیشرفت است. هرچند ایجاد ساختارهای دلخواه سهبُعدی در این روشها و روشهای مشابه محدود به چیدن لایه به لایه آنها میشود. بهتازگی اَبَربلورهایی با لایه‌نشانی توسط لیزر ساخته شدهاند که در واقع موادی مصنوعی به حساب میآیند که قبلا وجود نداشته‌اند. در یکی از جدیدترین این دستاوردها، یک گروه هلندی با چیدن یک در میان لایه‌های اتمی از یک نارسانا و یک فلز ضعیف، موفق به مشاهدة خاصیت ابررسانایی شده است. برای مطالعه ی بیشتر به این نشانی مراجعه کنید:
ریچارد فاینمن توانسته است به نحوی شگفت انگیز بیشتر حوزه‌های فعالیت دانشمندان امروزی علوم نانو را در سخنرانی خود معرفی کند. آن هم زمانی که هنوز فعالیت چشمگیری در این رشته شروع نشده بود. او این کار را به دور از توهمسازی و کاملاً حسابشده انجام داد. امروزه بهخوبی دیده می شود اهدافی که او 45 سال پیش مطرح کرد، یا به دست آمده‌اند یا در آیندهی نزدیک به وقوع خواهند پیوست. اینها همه نشان از پختگی و شهود قوی این فیزیکدان برجسته و رهبر علمی دارد.
ریچارد فاینمن (11 می 1918 تا 15 فوریه 1988) یکی از تاثیرگذارترین فیزیکدانان آمریکایی در قرن بیستم بود که نظریهی الکترودینامیک کوانتومی را پیش برد. او سخنرانی برجسته و نوازندهای غیرحرفهای بود. فاینمن به خاطر کارهایش روی نظریهی الکترودینامیک کوانتومی، جایزهی نوبل فیزیک را در سال 1965 به همراه جولیان شوینگر و شین ایچیرو توموناگا از آنِ خود کرد. سخنرانی او را هنگام دریافت جایزه نوبل میتوانید بخوانید. سه جلد کتاب فیزیک پایه با عنوان «سخنرانیهای فاینمن در مورد فیزیک عمومی» بر اساس یک دوره آموزش درس فیزیک پایه در دوره‌ی کارشناسی توسط وی تهیه شدهاند که شاید بتوان گفت به اندازه‌ی جایزهی نوبلاش، مایه شهرت فاینمن بوده اند.
