تحقیق مقاله محاسبه انتقال گرما در سطوح نانو مقیاس

محاسبه انتقال گرما در سطوح نانو مقیاس

دانشمندان با استفاده از یک نانونوک، با منبع گرمایی نانومقیاس، توانسته‌اند یک سطح موضعی را بدون تماس با آن گرم کنند؛ این کشف راهی به سوی ساخت ابزارهای گرمایی ذخیره اطلاعات و نانودماسنج‌ها خواهد بود.

همه ساله نیاز بشر به ذخیره اطلاعات بیشتر و بیشتر می‌شود. درک چگونگی انتقال گرما در مقیاس نانو لازمه کاربرد این فناوری تأثیرگذار در ذخیره اطلاعات است. دانشمندان سراسر جهان سعی دارند تا فناوری‌های جایگزینی برای سیستم‌های ذخیره اطلاعات کنونی بیابند تا پاسخگوی نیاز روزافزون جوامع امروزی به ذخیره اطلاعات باشد؛ فناوری گرمایی ذخیره اطلاعات از جمله گزینه‌هایی است که به آن رسیده‌اند.

در این روش، با استفاده از یک لیزر، دیسک مورد نظر برای ذخیره اطلاعات را گرم کرده و به این ترتیب فرایند ثبت مغناطیسی پایدار می‌شود، به طوری که نوشتن داده‌ها روی آن آسان‌تر شده، پس از خنک شدن آن می‌توان داده‌ها را مجدداً بازیابی نمود. با استفاده از این روش، مشکل بحرانی حد ابرپارامغناطیسی که دستگاه‌های ضبط مغناطیسی با آن مواجه‌اند، برطرف می‌شود.

در روش‌های کنونی دانشمندان بیت‌های اطلاعاتی را که در دمای اتاق کار می‌کنند، تا اندازه معینی کوچک می‌کنند، اما این بیت‌ها با این کار از لحاظ مغناطیسی ناپایدار شده، از محل خود خارج می‌شوند، در نتیجه اطلاعات روی آنها پاک می‌شود.

بررسی‌های اخیر دانشمندان فرانسوی درباره انتقال گرما بین نوک و سطح به پیشرفت مهمی در زمینه ذخیره گرمایی اطلاعات و دیگر کاربردها منجر شده است. آنها گرمایی را که بیشتر از طریق هوا و به شیوه رسانش، بین نوک سیلیکونی و یک سطح انتقال می‌یابد، محاسبه کردند.

Pierre-Olivier Chapuis از محققان این گروه می‌گوید: ”انتقال گرما در سطح ماکروسکوپی به خوبی شناخته شده است (وقتی برخورد مولکول‌ها در حالت تعادل موضعی ترمودینامیکی باشد با تابع پخش فوریه بیان می‌شود). همچنین انتقال گرما را می‌توان در یک نظام بالستیک خالص (وقتی که هیچ برخوردی بین مولکول‌ها وجود ندارد) محاسبه نمود. اما محاسبه انتقال گرما در نظام میانی، وقتی که مولکول‌ها با هم برخورد دارند، همچنان یک چالش به شمار می‌آید.“

دانشمندان در آزمایش خود از یک نوک دارای منبع گرمایی به ابعاد 20 nm که در فاصله بین صفر تا 50 نانومتری بالای سطح قرار می‌گیرد، استفاده کرده‌اند.

مولکول‌های هوای بین نوک و سطح، در تماس با این نوک داغ، گرم شده و روی سطح دیسک قرار می‌گیرند و گاهی هم قبل از آن با دیگر مولکول‌ها برخورد می‌کنند. این محققان برای اولین بار با استفاده از قانون بولتزمن درباره حرکت گازها، توانستند توزیع گرمایی در این مقیاس و نیز سطوح شارگرمایی را تعیین کنند. آنها نشان دادند که انتقال و انتشار گرما از نوک به سطح در مدت چند ده پیکوثانیه و بدون آن که تماس بین نوک و سطح برقرار شود، انجام می‌گیرد. آنها همچنین دریافتند که در فاصله کمتر از 10 nm این نوک داغ می‌تواند ضمن حفظ شکل، ناحیه‌ای به پهنای 35 nm را گرم کند و در بیشتر از این فاصله، شکل از بین رفته و لکه گرمایی به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد.

نانوتکنولوژی در صنایع نیمه‌هادی

صنایع نیمه‌هادی در سیر تکامل خود در حال رسیدن به نقط‌های است که توانایی آن برای تولید نقاط کوچکتر با مشکلاتی جدی همچون اثرات کوانتومی و نوسانات سطوح اتمی روبرو خواهد شد.

مشکلات دیگر در راه پیشرفت CMOS عبارتند از مصرف بالا، اتلاف حرارت و هزینه بسیار بالای ساخت. این مسائل در آینده مانعی سخت برای تولید نیمه‌هادی‌های کارآمد خواهد بود. به گفته NanoMarkets ، نانوتکنولوژی به ادامه پیشرفت و تولید CMOS کمک خواهد کرد و همچنین فناوری‌های جدید را قادر خواهد ساخت تا گوی سبقت را در جلب رضایت بازار از CMOS بربایند.غول‌های بزرگ صنعتی همچون فری‌اسکیل ‌، آی‌بی‌اِم، اینفینئون و اینتل پشتوانه مهمی برای نانوحافظه‌ها به حساب می‌آیند.

یک گزارش جدید از NanoMarkets بیانگر این مطلب است که همان‌طورکه روش‌های کنونی لیتوگرافی به پایان راه خود رسیده‌اند، ابزار‌هایی که برای توسعه، تولید و آزمایش CMOS به کار می‌روند، نیز باید بر پایه نانوتکنولوژی طرح‌ریزی گردند. پرتوافکن مستقیم الکترونیکی که در تولید ASIC به کار می‌رود، نمونه‌های از ابزاری است که به کمک نانوتکنولوژی بوجود آمده‌است. اما نانومارکتز معتقد است که کاربرد واقعی نانوتکنولوژی در تولید محصولات جدید، با توجه به خصوصیات مواد مقیاس نانو می‌باشد. بخش‌هایی از صنعت نیمه‌هادی که بیشترین تأثیر نانوتکنولوژی در آنها دیده می‌شود خارج از مقوله CMOS قرار دارند. به گفته نانومارکتز این موضوع در موارد زیر به وضوح دیده می‌شود.

حافظه غیرفرار: حافظه غیرفرار یکی از عوامل تقویت محاسبات سیار است. اما با توجه به اینکه حجم و سرعت فناوری Flash محدود می‌باشد، حافظه‌های جدید که در طراحی آنها از نانوتکنولوژی بهره گرفته شده است، کارایی بهتری را از خود نشان داده‌اند. FRAM و MRAM نمونه‌هایی از این نوع حافظه‌ها هستند.

الکترونیک پلیمری: سونی، زیراکس و سایرین آماده‌اند که محصولات الکترونیک لایه نازک را وارد بازار کنند. الکترونیک پلیمری، برخلاف CMOS، از خصوصیات حرارتی بسیار خوبی برخوردار است و هزینه‌ تولید در حجم کم را پایین می‌آورد. این خصوصیات امکان تولید محصولات جدیدی را به وجود می‌آورد. در سال 2006 نمایشگر‌های بزرگ رولی و همچنین برچسب‌های RFID با قیمت پایین تولید خواهد شد که امکان استفاده از آنها برای اجناس یک‌بار‌مصرف فراهم خواهد شد

نانوحسگر: نانوحسگرها نسبت به رقبای خود از آستانه تشخیص بسیار پایین‌تری برخوردارند. آنها قادرند در زمینه کشف امراض بیولوژیک نقش مهمی را ایفا کنند. به گونه‌ای که در مورد اعلام وجود سرطان، از سرعت بسیار زیادی برخوردارند

گزارش NanoMarkets بیانگر این مطلب است که نانوتکنولوژی به‌زودی می‌تواند در مدیریت حرارتی و اتصالات داخلی پر‌سرعت، به میزان قابل‌توجهی کمک نماید. در زمینه اتصالات داخلی پرسرعت می‌توان از نانولوله‌ها استفاده نمود زیرا توانایی آنها در انتقال جریان از مس خیلی بیشتر است و می‌توان آنها را به روش‌های قابل انطباق با CMOS‌ها رشد داد (اینفینئون در سال 2002 این قابلیت را نشان داد). از نانولوله‌ها می‌توان خنک‌کننده‌های بسیار خوبی برای رفع مشکلات حرارتی ساخت (همانند قطعاتی که اینتل از سال  2002 به بعد به کارشان گرفت) و یا می‌توان با ایجاد جرقه بین آنها جریانی از هوای خنک تولید نمود

از این گزارش چنین نتیجه گرفته می‌شود که فرصت‌های قابل توجهی در نانوالکترونیک وجود دارد. به‌گونه‌ای

که در سال 2006 نانوحافظه‌ها به تنهایی 1/3 میلیارد دلار سودآوری خواهند داشت. همان‌گونه که در بالا توضیح داده‌شد، این امر هم‌اکنون در قالب روش‌های جدید برای تکمیل CMOSها آغاز شده‌است. این گزارش نشان می‌دهد که سازندگان نیمه‌هادی‌ها از هم‌اکنون باید به فکر طرح ریزی برای به‌کارگرفتن نانوتکنولوژی در تولیدات خود باشند. در غیر این‌صورت باید از دست دادن تولیدات بزرگ آینده را بپذیرند، که البته پذیرفتن این ریسک بسیار دور از ذهن به‌نظر می‌رسد

کاهش قابل توجه در صورت حساب هاى مربوط به گرمایش، جراحى کم خطرتر و نسل جدید کامپیوترهاى کوچک، همگى از قابلیت هاى بالقوه فناورى جدید نانو است که در دانشگاه لیدز انگلیس توسعه یافته است. پروفسور ریچارد ویلیامز و دکتر یولونگ دینگ، از طریق معلق کردن نانو ذرات در آب یا مایعات دیگر نانوسیالاتى ساخته اند که حرارت را 400 برابر سریع  تر از تمام مایعات دیگر منتقل مى کند. نانوسیالات مى توانند در یک سیستم حرارتى مرکزى بدون نیاز به استفاده از پمپ هاى قوى تر کارایى را افزایش داده و در نتیجه موجب صرفه جویى انرژى و ایجاد مزایاى زیست محیطى شوند. در حال حاضر این گروه تحقیقاتى بزرگترین گروه دنیا و تنها گروهى است که در انگلستان بر روى نانوسیالات کار مى کند. این سیالات مى توانند با غلبه بر یکى از بزرگترین محدودیت هاى موجود بر سر راه توسعه میکروتراشه هاى کوچکتر که پخش سریع حرارت است، راه را براى رسیدن به نسل بعدى کامپیوترها هموار سازند.
همچنین این نانوسیالات مى توانند براى خنک کردن مغز در طول جراحى هاى حساس مورد استفاده قرار گیرند. این امر موجب مى شود مغز اکسیژن کمترى نیاز داشته باشد و در نتیجه احتمال زنده ماندن بیمار تا حد زیادى افزایش یابد و احتمال آسیب هاى مغزى کم شود. به علاوه مى توان از این سیالات براى ایجاد حرارت بالا در اطراف تومورها براى کشتن آنها استفاده کرد، بدون اینکه سلول هاى سالم مجاور آسیب ببینند. دکتر دینگ مى گوید: با وجود یک گروه تحقیقاتى قوى در دانشگاه لیدز، ما تخصص بالایى براى توسعه نانوسیالات داریم و تحقیق بر روى چند نمونه از قبل آغاز شده است. ما در حال بررسى ویژگى این سیالات هستیم تا بتوانیم خواص هدایتى آنها را در شرایط کاملاً مختلف و مقیاس هاى بسیار کوچک به طور کامل درک کنیم

گروهی از محققان بین‌المللی به ساخت نخستین موتور مولکولی خورشیدی موفق شدند

Vincenzo Balzani

 از شیمیدانان دانشگاه

Bologna

 ایتالیا می‌گوید: از این موتور که همانند پیستون حرکاتی به جلو و عقب دارد، می‌توان در خواندن اطلاعاتی که به صورت صفر و یک می‌باشند، کمک گرفت. به عنوان مثال می‌توان از این موتور در الکترونیک و فوتونیک مولکولی که به سرعت رو به رشد می باشند، برای ساخت کامپیوترهای شیمیایی بهره برد.

همچنین این موتورها می‌توانند به عنوان نانوشیرهایی که سطوح نانوذرات متخلخل سیلیسیومی را می‌پوشانند، عمل کنند؛ بدین ترتیب دانشمندان می‌توانند با استفاده از نور، این تخلخل‌ها را از نانوذرات مولکول‌های مختلفی همچون داروهای ضدسرطان خالی و یا پرکنند.

J, Fraser Stoddart

 از نانوشیمیدانان دانشگاه کالیفرنیا می‌گوید: پس از هدفگیری غدد سرطانی با این نانوذرات تنها کافیست با استفاده از نور شیر نانومقیاس باز شده و دارو در محل مورد نظر رها شود.

این موتور طی شش سال و توسط محققان دانشگاه‌های

Bologna و UCLA

 طراحی و ساخته شده است.

این نانوماشین شبیه دمبلی به طول تقریبی 6 نانومتر می‌باشد که حلقه‌ای به پنهای 3/1 نانومتر در اطراف میله آن قرار گرفته است. این حلقه می‌تواند در طول میله دمبل حرکت کند؛ ولی نمی‌تواند از متوقف کننده‌های توده‌ای دو انتهای آن رد شود.

دو نقطه روی این شکل دمبلی وجود دارد که حلقه بیشتر در آن نقطاط قرار می‌گیرد. وقتی یکی از دو انتهای دمبل نور خورشید را جذب می‌کند، الکترونی را به یکی از این دو نقطه انتقال می‌دهد و حلقه را به آن نقطه می‌کشد و سپس با یک چرخش به وضعیت دیگر برمی‌گردد. پس از آن که الکترون دوباره به سر دمبل برگردد، حلقه نیز به محل سابق خود باز می‌گردد و همچنین چرخه مجدداً تکرار می‌شود.

Stoddart

 می‌گوید: حرکات این نانوموتور کاملاً سریع است و یک چرخه کامل آن در کمتر از یک هزارم ثانیه صورت می‌گیرد که تقریباً معادل

60000 دور در دقیقه موتور یک خودرو است.

  جالب آن که این نانوموتور برای حرکت خود به هیچ سوخت شیمیایی نیاز ندارد؛ این در حالی است که موتورهای مشابهی که قبلاً ساخته شده بودند، از جمله موتورهای بیولوژیکی، به سوخت نیاز داشتند. اما نیروی این موتور مستقیماً از نور خورشید تأمین می‌شود، بدون آن که نیاز به گردش سوخت و مصرف آن داشته و ماده زایدی تولید کند.

درست همان نسبتی که بین یک خودرو خورشیدی با یک موتور بنزین سوز وجود دارد، در اینجا نیز هست و این گامی مهم و رو به جلو در تلاش‌های شیمیدانان برای ساخت ماشین‌های مولکولی به شمار می‌آید؛ به طوری که دیگر دانشمندان هم تحت تأثیر پیچیدگی ساختار ترکیبی آن قرار گرفته‌اند.

به گزارش ایسنا از ستاد ویژه توسعه فن‌آوری نانو، در حال حاضر این نانوموتورها می‌تواند در محیط محلول به طور تصادفی و نسبتاً مستقل از هم، و بدون آن که به هم بچسبند، حرکت کنند؛ لذا فعلاً نمی‌توان کاری از این سیستم انتظار داشت.

دانشمندان به دنبال آن هستند که بتواند این نانوماشین‌ها را دنبال هم و روی یک سطح و حتی داخل غشاء سلول‌ها قرار دهند به طوری که بتوانند در کنار هم کاری انجام داده و در نهایت یک کار مکانیکی در مقیاس ماکروسکوپیک به ثمر رسد

محققان آی بی‌ام آمریکا و دانشگاه