الإلكترونيات النانوية

يتناسب حجم الجسم طرديًا مع مكعب أبعاده الخطية، بينما تتناسب مساحة سطحه طرديًا مع مربعها. هذا المبدأ الدقيق الذي لا مفر منه له تبعات كبيرة. على سبيل المثال، تتناسب قدرة المثقاب (أو أي آلة أخرى) طرديًا مع حجمه، بينما يتناسب احتكاك محامل المثقاب وتروسه طرديًا مع مساحة سطحها. بالنسبة للمثقاب ذي الحجم العادي، تكفي قدرة الجهاز للتغلب على أي احتكاك بسهولة. مع ذلك، فإن تقليص طوله بمقدار 1000 مرة، على سبيل المثال، يُقلل قدرته بمقدار 1000³ ⁽ أي مليار مرة) بينما يُقلل الاحتكاك بمقدار 1000² فقط ⁽ أي مليون مرة). وبالتالي، فإن قدرته لكل وحدة احتكاك أقل بألف مرة من قدرة المثقاب الأصلي. إذا كانت نسبة الاحتكاك إلى القدرة الأصلية، على سبيل المثال، 1%، فهذا يعني أن المثقاب الأصغر سيُعاني من احتكاك أكبر بعشر مرات من قدرته؛ وبالتالي يصبح المثقاب عديم الفائدة.

لهذا السبب، ورغم أن الدوائر الإلكترونية المتكاملة فائقة الصغر تعمل بكفاءة تامة، إلا أنه لا يمكن استخدام التقنية نفسها لصنع أجهزة ميكانيكية عاملة تتجاوز المقاييس التي تبدأ عندها قوى الاحتكاك بتجاوز الطاقة المتاحة. لذا، حتى وإن رأيت صورًا مجهرية لتروس سيليكون محفورة بدقة، فإن هذه الأجهزة حاليًا لا تعدو كونها نماذج غريبة ذات تطبيقات عملية محدودة، على سبيل المثال، في المرايا المتحركة والمصاريع. ^{[ 2 ]} يزداد التوتر السطحي بنفس الطريقة تقريبًا، مما يزيد من ميل الأجسام الصغيرة جدًا إلى الالتصاق ببعضها. قد يجعل هذا أي نوع من "المصانع الصغيرة" غير عملي: فحتى لو أمكن تصغير حجم الأذرع والأيدي الروبوتية، فسيكون من المستحيل تقريبًا إنزال أي شيء تلتقطه. مع ذلك، فقد أدى التطور الجزيئي إلى ظهور أهداب وأسواط وألياف عضلية ومحركات دوارة عاملة في بيئات مائية، وكلها على المستوى النانوي. تستغل هذه الآلات قوى الاحتكاك المتزايدة الموجودة على المستوى الميكروي أو النانوي. على عكس المجداف أو المروحة اللذين يعتمدان على قوى الاحتكاك العمودية (قوى الاحتكاك العمودية على السطح) لتحقيق الدفع، تولد الأهداب الحركة من قوى السحب أو قوى الاحتكاك الموازية للسطح (قوى الاحتكاك الموازية للسطح) الموجودة على المستويين الميكروي والنانوي. ولإنشاء "آلات" فعّالة على المستوى النانوي، لا بد من مراعاة القوى ذات الصلة. إننا نواجه تحدي تطوير وتصميم آلات ذات صلة جوهرية، بدلاً من مجرد نسخ الآلات الكبيرة.

لذلك، يجب تقييم جميع قضايا التوسع بدقة عند تقييم تقنية النانو للتطبيقات العملية.

على سبيل المثال، ترانزستورات الإلكترون، التي تعتمد آلية عملها على إلكترون واحد. وتندرج الأنظمة النانوية الكهروميكانيكية ضمن هذه الفئة أيضًا. ويمكن استخدام تقنية التصنيع النانوي لإنشاء مصفوفات متوازية فائقة الكثافة من الأسلاك النانوية ، كبديل لتصنيع الأسلاك النانوية بشكل فردي. ^{[ 3 ] [ 4 ]} وتحظى أسلاك السيليكون النانوية بأهمية خاصة في هذا المجال، حيث تُدرس بشكل متزايد لتطبيقات متنوعة في الإلكترونيات النانوية، وتحويل الطاقة وتخزينها. ويمكن تصنيع هذه الأسلاك النانوية من السيليكون بكميات كبيرة عن طريق الأكسدة الحرارية، مما ينتج عنه أسلاك نانوية ذات سماكة قابلة للتحكم.

إلى جانب صغر حجمها وإمكانية وضع عدد أكبر من الترانزستورات في شريحة واحدة، فإن البنية المنتظمة والمتماثلة للأسلاك النانوية و/أو الأنابيب النانوية تسمح بحركية إلكترونية أعلى (حركة إلكترونية أسرع في المادة)، وثابت عزل كهربائي أعلى (تردد أعلى)، وخصائص متناظرة للإلكترونات / الفجوات . ^{[ 5 ]}

كما يمكن استخدام الجسيمات النانوية كنقاط كمومية .

تُجرى أبحاث مكثفة على الأجهزة الإلكترونية أحادية الجزيء. وتعتمد هذه المخططات بشكل كبير على التجميع الذاتي الجزيئي ، حيث تُصمَّم مكونات الجهاز لتكوين بنية أكبر أو حتى نظام كامل بمفردها. وهذا مفيد للغاية للحوسبة القابلة لإعادة التكوين ، وقد يحل محل تقنية FPGA الحالية تمامًا.

تُعدّ الإلكترونيات الجزيئية ^{[ 6 ]} تقنيةً قيد التطوير، تُبشّر بمستقبل واعد للأنظمة الإلكترونية على المستوى الذري. وقد اقترح الباحث آري أفيرام، من شركة IBM، والكيميائي النظري مارك راتنر ، تطبيقًا واعدًا للإلكترونيات الجزيئية في ورقتيهما البحثيتين المنشورتين عامي 1974 و1988 بعنوان " جزيئات للذاكرة والمنطق والتضخيم " (انظر: مقوم أحادي الجزيء ). ^{[ 7 ] [ 8 ]}

تمت دراسة العديد من هياكل الأسلاك النانوية كمرشحين لربط الأجهزة النانوية الإلكترونية: الأنابيب النانوية من الكربون والمواد الأخرى، وسلاسل ذرات المعادن ، وسلاسل ذرات الكربون من الكومولين أو البوليين ، ^{[ 9 ]} والعديد من البوليمرات مثل البولي ثيوفين .

يدرس علم الأيونات النانوية نقل الأيونات بدلاً من الإلكترونات في الأنظمة النانوية.

يدرس علم النانوفوتونيات سلوك الضوء على المستوى النانوي، ويهدف إلى تطوير أجهزة تستفيد من هذا السلوك.

تُبشّر تقنية النانو إلكترونيات بإمكانية جعل معالجات الحاسوب أكثر قوةً مما هو ممكن باستخدام تقنيات تصنيع أشباه الموصلات التقليدية . ويجري حاليًا بحث عدد من المناهج، بما في ذلك أشكال جديدة من الطباعة الحجرية النانوية ، بالإضافة إلى استخدام مواد نانوية مثل الأسلاك النانوية أو الجزيئات الصغيرة بدلاً من مكونات CMOS التقليدية . وقد صُنعت ترانزستورات تأثير المجال باستخدام كلٍ من أنابيب الكربون النانوية شبه الموصلة ^{[ 10 ]} والأسلاك النانوية شبه الموصلة ذات البنية غير المتجانسة (SiNWs) ^{[ 11 ] .}

اعتمدت تصميمات الذاكرة الإلكترونية في الماضي بشكل كبير على الترانزستورات. إلا أن الأبحاث في مجال الإلكترونيات القائمة على مفاتيح التبديل المتقاطعة قدمت بديلاً باستخدام وصلات قابلة لإعادة التشكيل بين مصفوفات الأسلاك الرأسية والأفقية لإنشاء ذاكرات فائقة الكثافة. ومن أبرز الشركات الرائدة في هذا المجال شركة نانتيرو التي طورت ذاكرة متقاطعة قائمة على أنابيب الكربون النانوية تُسمى نانو-رام، وشركة هيوليت-باكارد التي اقترحت استخدام مادة الميمريستور كبديل مستقبلي لذاكرة الفلاش.

من الأمثلة على هذه الأجهزة المبتكرة تلك القائمة على الإلكترونيات الدورانية . يُعرف اعتماد مقاومة المادة (نتيجة دوران الإلكترونات) على مجال خارجي بالمقاومة المغناطيسية . ويمكن تضخيم هذا التأثير بشكل كبير (المقاومة المغناطيسية العملاقة - GMR) في الأجسام النانوية، على سبيل المثال عند فصل طبقتين مغناطيسيتين حديديتين بطبقة غير مغناطيسية بسمك عدة نانومترات (مثل Co-Cu-Co). وقد أدى تأثير GMR إلى زيادة كبيرة في كثافة تخزين البيانات في الأقراص الصلبة، مما جعل الوصول إلى نطاق الجيجابايت ممكنًا. أما ما يُسمى بالمقاومة المغناطيسية النفقية (TMR) فهي مشابهة جدًا لـ GMR، وتعتمد على نفق الإلكترونات المعتمد على الدوران عبر طبقات مغناطيسية حديدية متجاورة. ويمكن استخدام كل من تأثيري GMR وTMR لإنشاء ذاكرة رئيسية غير متطايرة لأجهزة الكمبيوتر، مثل ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية ( MRAM) .

في تكنولوجيا الاتصالات الحديثة، تُستبدل الأجهزة الكهربائية التناظرية التقليدية بشكل متزايد بالأجهزة البصرية أو الكهروضوئية نظرًا لعرض نطاقها الترددي الهائل وسعتها الكبيرة. ومن الأمثلة الواعدة على ذلك البلورات الضوئية والنقاط الكمومية . البلورات الضوئية هي مواد ذات معامل انكسار متغير دوري، وثابت شبكي يساوي نصف طول موجة الضوء المستخدم. توفر هذه البلورات فجوة نطاق قابلة للتحديد لانتشار طول موجي معين، مما يجعلها تُشبه أشباه الموصلات، ولكن للضوء أو الفوتونات بدلًا من الإلكترونات . أما النقاط الكمومية فهي أجسام نانوية، يمكن استخدامها، من بين أمور أخرى، في صناعة الليزر. وتكمن ميزة ليزر النقاط الكمومية على ليزر أشباه الموصلات التقليدي في أن طول موجته المنبعثة يعتمد على قطر النقطة. كما أن ليزر النقاط الكمومية أرخص ويُقدم شعاعًا بجودة أعلى من ثنائيات الليزر التقليدية.

يمكن إنتاج شاشات عرض منخفضة استهلاك الطاقة باستخدام أنابيب الكربون النانوية و/أو أسلاك السيليكون النانوية . تتميز هذه البنى النانوية بموصلية كهربائية، وبفضل قطرها الصغير الذي يبلغ بضعة نانومترات، يمكن استخدامها كمصادر انبعاث حقلي بكفاءة عالية للغاية في شاشات الانبعاث الحقلي . يشبه مبدأ عملها مبدأ أنبوب أشعة الكاثود ، ولكن على نطاق أصغر بكثير.

تستغلّ مناهج الحوسبة الجديدة كلياً قوانين ميكانيكا الكم في الحواسيب الكمومية المبتكرة، مما يُمكّن من استخدام خوارزميات كمومية فائقة السرعة. يمتلك الحاسوب الكمومي مساحة ذاكرة بت كمومية تُسمى "كيوبت" لإجراء عدة عمليات حسابية في الوقت نفسه. في الأجهزة النانوإلكترونية، يُشفّر الكيوبت بواسطة الحالة الكمومية لدوران إلكترون واحد أو أكثر. ويتم حصر الدوران إما بواسطة نقطة كمومية شبه موصلة أو مادة مُطعّمة. ^{[ 12 ]}

تم تطوير أجهزة الراديو النانوية التي تعتمد في تركيبها على أنابيب الكربون النانوية . ^{[ 13 ]}

تتواصل الأبحاث لاستخدام الأسلاك النانوية وغيرها من المواد النانوية التركيب، أملاً في ابتكار خلايا شمسية أرخص وأكثر كفاءة من تلك التي تُصنع باستخدام خلايا السيليكون الشمسية التقليدية المستوية. ^{[ 14 ]} ويُعتقد أن ابتكار طاقة شمسية أكثر كفاءة سيُحدث أثراً كبيراً في تلبية احتياجات الطاقة العالمية.

تُجرى أيضًا أبحاثٌ حول إنتاج الطاقة لأجهزة تعمل داخل الجسم الحي ، تُسمى مولدات النانو الحيوية. مولد النانو الحيوي هو جهاز كهروكيميائي نانوي ، مثل خلية الوقود أو الخلية الجلفانية ، ولكنه يستمد طاقته من جلوكوز الدم في الجسم الحي، تمامًا كما يُولّد الجسم الطاقة من الطعام . ولتحقيق ذلك، يُستخدم إنزيم قادر على انتزاع إلكترونات الجلوكوز ، مُحررًا إياها لاستخدامها في الأجهزة الكهربائية. نظريًا، يُمكن لجسم الإنسان العادي توليد 100 واط من الكهرباء (حوالي 2000 سعرة حرارية من الطعام يوميًا) باستخدام مولد نانو حيوي. ^{[ 15 ]} مع ذلك، لا يصح هذا التقدير إلا إذا تم تحويل جميع الطعام إلى كهرباء، ويحتاج جسم الإنسان إلى طاقة باستمرار، لذا من المرجح أن تكون الطاقة المُولّدة أقل بكثير. يُمكن للكهرباء المُولّدة من هذا الجهاز تشغيل أجهزة مُدمجة في الجسم (مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب )، أو روبوتات نانوية تعمل بالسكر . لا تزال معظم الأبحاث التي أجريت على مولدات النانو الحيوية تجريبية، ويُعد مختبر أبحاث تقنية النانو التابع لشركة باناسونيك من بين المختبرات الرائدة في هذا المجال.

هناك اهتمام كبير بتطوير أجهزة نانوإلكترونية ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} قادرة على رصد تركيزات الجزيئات الحيوية في الوقت الحقيقي لاستخدامها في التشخيص الطبي، ^{[ 19 ]} وبالتالي تندرج ضمن فئة الطب النانوي . ^{[ 20 ]} ويسعى خط بحثي موازٍ إلى ابتكار أجهزة نانوإلكترونية قادرة على التفاعل مع الخلايا المفردة لاستخدامها في البحوث البيولوجية الأساسية. ^{[ 21 ]} تُسمى هذه الأجهزة بالمستشعرات النانوية . ومن شأن هذا التصغير في مجال الإلكترونيات النانوية، والموجه نحو استشعار البروتينات داخل الجسم الحي، أن يُتيح مناهج جديدة لمراقبة الصحة، والرصد، وتقنيات الدفاع. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}