بیونیک 2 – کاربردهای الکترونیکی و نانوالکترونیکی

در مقاله قبلی با عنوان «بیونیک 1- معرفی و مبانی» به معرفی علم بیونیک و زیرشاخه‌های آن پرداخته شد. گفته شد که بیونیک یکی از زمینه‎ها‎ی جدید علوم مختلف مهندسی، مدیریت، اطلاعات، کامپیوتر، و معماری است که پلی بین طبیعت و علوم یاد شده به وجود آورده است. این علم به دنبال بررسی طبیعت و استفاده از آن برای ساخت تجهیزات مختلف، به‌روزرسانی آنها و یا حل یک مشکل در دنیای واقعی است. «بیومیمتیک» یکی از زیرشاخه‎های بیونیک و به معنای تقلید از طبیعت است. بیونیک تنها به تقلید خلاصه نمی‎شود، بلکه الهام از طبیعت، مهم‌ترین ابزار بیونیک در توسعه فناوری‌ها و تجهیزات است. درحالی‌که پژوهشگران علوم مختلف به دنبال ساخت تجهیزات یا توسعه فرآیند‎های جدید در حوزه کاری خود هستند، دانشمندان علم بیونیک به بررسی سازه‎ها، ابزارها و ساختارهای موجود در طبیعت می‎پردازند و سعی بر بهره‎گیری از اطلاعات به‎دست آمده برای خلق یا ارتقاء سیستم‎ها، تجهیزات، ابزارها، و فرایند‎های علوم مختلف دارند.
در ابتدای پیدایش علم بیونیک، موجودات زنده در طبیعت، برای طراحی و ساخت سیستم‎ها و ادوات مصنوعی مورد بررسی قرار گرفتند. می‎توان طراحی ماشین پرنده نقاش معروف لئوناردو داوینچی را که از طرح کلی بدن خفاش الهام گرفته شده بود، یکی از اولین ایده‌های عملی و کاربردی بیونیک دانست. اما امروزه بیونیک فقط به سیستم‎ها و تجهیزات فیزیکی محدود نمی‎شود و حتی به حوزه الگوریتم‎های پیشرفته به‌دست آمده از داده‎های طبیعی نیز نفوذ کرده است.
به‎طور کلی، می‎توان بیونیک را به سه زیرشاخه اصلی «بیونیک فرآیندی»، «بیونیک سازه‎ای» و «بیونیک اطلاعاتی» تقسیم ‎بندی کرد. بیونیک فرآیندی به ساخت و طراحی فرآیندهای مختلف براساس سازوکارهای موجود در طبیعت می‌پردازد. بیونیک سازه‎ای به دنبال توسعه فناوری‎ها و ساخت تجهیزات مختلف بر اساس سازه‎های موجود در طبیعت است. بیونیک اطلاعاتی نیز از داده‎ها و الگوریتم‎های طبیعی موجود در دنیای زنده، برای پیشرفت و طراحی الگوریتم‎های مختلف استفاده می‎کند.
بیونیک در حوزه‎های مختلف مهندسی، معماری، مدیریت، کامپیوتر و پزشکی کاربرد دارد. شاید بتوان یکی از اصلی‌ترین کاربردهای بیونیک را «بیونیک نانوالکترونیکی» (nanoelectronic bionic) دانست که در آن، صنعتگران و دانشمندان به دنبال الهام از طبیعت برای بهبود سیستم‌های فعلی هستند. از مهم‌ترین محصولات این حوزه می‌توان به حسگرها، باتری‎ها، سلول‎های خورشیدی، ربات‎ها، و اندام‎های مصنوعی پزشکی اشاره کرد که برای طراحی‎، ساخت و یا بهبود آنها می‎توان از طبیعت استفاده کرد. در ادامه، به معرفی تعدادی از کاربردهای بیونیک در حوزه (نانو)الکترونیک پرداخته می‌شود.

نانوغشاها یکی از پراستفاده‎ترین اجزاء در بدن موجودات زنده هستند که از ابتدای پیدایش، طبیعت از آن استفاده کرده است. تمام سلول‎های زنده، از باکتری گرفته تا سلول‎های موجود در بدن انسان، از نانوغشاها برای اتصال و تبادل جرمی سیتوپلاسم با محیط پیرامون بهره می‎برند. از این غشاها می‎توان برای ساخت ادوات و حسگرهای الکترواپتیکی تقلید کرد. برخی از اندام‌های زیستی به تابش نور در محدوده‎های مشخصی از طول موج امواج الکترومغناطیسی حساس هستند. به عنوان مثال، گیاهان نسبت به تابش امواج الکترومغناطیس در محدوده 0/4 تا 0/7 میکرومتر واکنش نشان می‎دهند. این قابلیت در سیستم بینایی حیوانات و انسان‎ها نیز وجود دارد. برای مثال، چشم انسان امواج الکترومغناطیس را در ناحیه مرئی (0/27 تا 0/75 میکرومتر) دریافت و حس می‎کند. این در حالی است که سیستم بینایی (دریافت امواج الکترومغناطیس) حیوانات ممکن است در بازه‌‎های دیگری از طول موج عمل کند. این متغیر بودن سیستم‎های حسگری در حیوانات به این واقعیت برمی‌گردد که جاندار مورد نظر بتواند بهترین عملکرد را از سیستم بینایی خود دریافت کند، بیشترین حساسیت را نسبت به محیط اطراف داشته باشد، و بیشترین حجم اطلاعات را از محیط پیرامون دریافت کند. به عنوان مثال، زنبور عسل برای بیشترین استفاده از سیستم بینایی خود در تشخیص رنگدانه گل‎ها، قابلیت تشخیص امواج الکترومعناطیس در محدوده امواج زرد تا امواج فرابنفش (0/3 میکرومتر) را دارد. به طور مشابه، تعدادی از موجودات زنده به حسگرهایی در بازه امواج فروسرخ مجهز هستند. دلیل اهمیت این دسته از حسگرها این است که امواج فروسرخ بیش از نصف طیف پرتوهای خورشیدی را دربرمی‎گیرند و اطلاعات زیادی از محیط پیرامون موجود زنده را در خود دارند. از طرف دیگر، بدن موجودات زنده مانند انسان، بخش اعظمی از گرما  یا انرژی درونی خود را از طریق امواج فروسرخ ساطع می‎کند. لذا حسگرهایی که امواج فروسرخ را دریافت و شناسایی می‎کنند، قابلیت تشخیص بدن اکثر موجودات زنده را دارند. به همین دلیل، حسگرهای بیونیکی مورد توجه بسیاری از پژوهشگران قرار گرفته‎اند.
مار زنگی یکی از موجوداتی است که به این حسگرها مجهز است. حسگر این مار که در شکل 1 نشان داده‎ شده‎است، واکنش بسیار مناسبی به امواج ساطع شده از بدن موجودات خون‌گرم (دمای بدن حدود 40 درجه سانتی‎گراد) می‎دهد. مکانیزم حسگر این مار بدین صورت است که هرگاه فوتون‎های امواج فروسرخ ساطع شده، به فرکانس تشدید مولکولی بافت زنده برسد، جذب غشا شده و منجر به ارتعاشات مولکولی و درنهایت، شناسایی هدف توسط حسگر می‎شود.

امروزه از حسگرهای مار زنگی، برای ساخت حسگرهای مصنوعی امواج فروسرخ تقلید می‎کنند. این حسگرهای بیونیکی به‌طور کلی به دو دسته فوتونی و گرمایی تقسیم‎بندی‎ می‎شوند. دسته‎اول برپایه نیمه‎رساناها هستند که حساسیت بالایی داشته و باید در دمای پایین نگه‎داری شوند. به همین دلیل این گروه از حسگرها قیمت بالایی دارند و استفاده از آنها دشوار است. دسته دوم (حسگرهای گرمایی) برپایه تهییج فوتون‎ها یا الکترون‎ها توسط امواج فروسرخ در یک جسم جامد عمل می‎کنند. موج فروسرخ تابیده شده، پس از طی یک سری فرآیندها توسط جسم جامد جذب می‌شود و باعث حرکت اتفاقی یون‎های موجود در شبکه و تولید حرارت می‎گردد. در ادامه می‎توان این امواج را به پالس‎های الکتریکی تبدیل کرد و در سیستم انتقال داد. نسل جدید این‎گونه حسگرها دارای حساسیتی مشابه با حسگرهای فوتونی و قیمتی پایین‌تر است، اما زمان پاسخ‎دهی آنها از زمان پاسخ‎دهی حسگرهای فوتونی بیشتر است.
نانوغشاهای مصنوعی (synthetic nano-membranes) که در ساخت آنها از نانوغشای طبیعی موجودات زنده به‌ویژه مار زنگی الهام گرفته شده است، یکی از اجزای اصلی حسگرهای بیونیکی به شمار می‌روند. نانوغشای مصنوعی به ساختارهای صفحه‎ای شکل با ضخامت 5 تا 100 نانومتر گفته می‎شود. ضخامت نانومتری این غشاها باعث می‎شود که بتوان از آنها در ساخت تجهیزات نانوالکترومکانیکی (NEMS) استفاده کرد. شکل 2 نمونه‌ای از نانوغشاهای بیونیکی را نشان می‎دهد. «گرافن» یکی از موادی است که در ساخت این حسگرها بکار می‎رود. این ماده دارای ساختار دوبعدی (صفحه‎ای) از اتم‎های کربن است و باعث ایجاد عملکردی مشابه با عملکرد حسگرهای مار زنگی در حسگر مصنوعی می‎شود. ضخامت بسیار کم گرافن (حدود 1 نانومتر) راه را برای ساخت غشاهای نانومتری بسیار نازک (حدود چند نانومتر) فراهم می‌کند. چنین غشاهایی امروزه در حسگرهای فروسرخ مدرن مورد استفاده قرار می‎گیرند. شکل 3 نمونه‌ای از حسگرهای فروسرخ ساخته شده از نانوغشاهای پایه گرافن را نشان می‎دهد. دلیل محبوبیت گرافن برای استفاده به عنوان نانوغشای بیونیکی، نسبت ابعادی بسیار بالا، عرض بسیار ناچیز نوار ممنوعه، و رسانایی بالای آن است.

امروزه شاید انرژی الکتریکی یکی از پراستفاده‌ترین انواع انرژی در جوامع انسانی باشد. یکی از منابع ایجاد این انرژی، انرژی موجود در سوخت‎های شیمیایی است. راهکار اولیه برای تولید انرژی، سوزاندن سوخت برای تولید انرژی حرارتی و تبدیل آن به انرژی مکانیکی و سپس انرژی الکتریکی است. این روش بازده پایینی دارد و باعث تولید حرارت اضافی می‌شود. این حرارت اضافی از چرخه تولید انرژی خارج و باعث گرم شدن اتمسفر کره زمین می‎شود. در مقابل، «روش تبدیل الکتروشیمیایی» برای تبدیل انرژی شیمیایی سوخت به انرژی الکتریکی، یک روش پربازده و هم‌دما (isothermal) است و محدودیت‎های چرخه کارنو را نیز ندارد. باتری‎ها و سلول‎های سوختی دو نمونه از ژنراتورهای ساخته شده به دست بشر هستند که براساس تبدیل الکتروشیمیایی کار می‎کنند. صرف‌نظر از شباهت‌های بسیاری که باتری‌ها و سلول‎های سوختی دارند، سلول‎های سوختی برعکس باتری‌ها، از منابع شیمیایی خارجی برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می‎کنند.
سلول‎های سوختی انواع مختلفی دارند که معروف‌ترین آنها، سلول‌های مبتنی بر غشاهای تبادل پروتون Photon Exchange Membrane (PEM)) است. شکل 4 شمایی از روش کار این نوع از سلول‎ها را نشان می‌دهد. بخش مرکزی این سلول‎ها، از غشای نازک غیررسانایی تشکیل شده است که پروتون در آن، قابلیت نفوذ بالایی دارد. در سمت آند سلول، گاز هیدروژن توسط نانوکاتالیست‎های پلاتینیومی پوششکاری شده بر روی آند، تجزیه و به الکترون و پروتون تبدیل می‎شود. الکترون تولیدی در سمت آند، جمع شده و به مدار خارجی فرستاده می‎شود تا جریان الکتریسیته تولید شود. به‏طور همزمان، پروتون‎های تولیدی از مسیر غشاء به سمت کاتد مهاجرت می‎کنند. در سمت کاتد، پروتون‎ها و الکترون‎ها با اکسیژن توسط کاتالیست پلاتینیومی ترکیب شده و ملکول آب را تولید و به محیط بازمی‌گردانند. بیان ریاضی واکنش‎های سلول سوختی، در معادلات 1 و 2 آورده شده است. اگرچه سلول‎های سوختی هیچ انتشار حرارتی ندارند، اما بازده عملی آنها در حدود 40 درصد است. البته بازده تئوری سلول‌های خورشیدی تا 90 درصد هم می‎تواند باشد.

(معادله 1)                                        H_2→2H₊2e^– ₍E_r=0V)

(معادله 2)                             O₂+4H+4e^–→2H₂O (E_r=1.23V)

مهم‎ترین بخش سلول‎های سوختی، غشای تبادل پروتون آنها است. وظیفه اصلی این غشا، عبور دادن پروتون و در عین حال، جلوگیری از عبور گازها و الکترون است. یکی از متداول‌ترین غشاها، غشای نفیون (nafion membrane) است که بازده کمی دارد و باعث افزایش پیچیدگی و قیمت سلول سوختی می‎شود.
از نظر تئوری، مسیر خطی بین دو الکترود، بهترین و پربازده‎ترین مسیر برای انتقال پروتون است. اما نفیون دارای حفرات نامنظم با اشکال مختلف است که باعث انتقال پروتون در مسیری پیچ‌درپیچ و اتفاقی می‎شود. در حقیقت، انتقال پروتون در نفیون، با مکانیزم «حامل» (vehicle mechanism) انجام می‌شود که بازده‎ کمی دارد. به طور کلی، پروتون‎ها با دو مکانیزم در عرض غشاء انتقال می‎یابند:

مولکول پیچی گرامیسیدین A (gramicidin A) یکی از اجزاء طبیعی است که می‎توان با الهام از آن، سلول‎های سوختی با مسیر مستقیم انتقال پروتون ساخت. این مولکول با ساختار پیچشی خود در غشاهای دولایه فسفولولیپید (phospholipid) قرار دارد و مسیری مستقیم برای عبور پروتون از غشا در خود به وجود می‌آورد (شکل 5-الف). می‎توان با تقلید از این ساختار و استفاده از نانولوله کربنی پر شده با آب (شکل 5-ب)، مسیری مستقیم برای انتقال پروتون از طریق مکانیزم گراتوس در غشای میانی سلول‎های سوختی ایجاد کرد. این کار باعث افزایش قابل توجه کارایی سلول‌های سوختی می‌شود.

سنتز و شخصه‌یابی نانوذرات فلزی، یکی از زمینه‎های مهم تحقیقاتی برای ساخت تجهیزات نانوالکترونیکی مبتنی بر نانوذرات است. روش سنتز این ذرات می‎تواند بر روی اندازه، شکل، کیفیت و سایر خواص آنها تاثیر بگذارد و نتیجه آن، تغییر خواص فیزیکی، شیمیایی و الکتریکی باشد. به همین دلیل، روش سنتز نانوذرات فلزی به شدت در کاربردهای نانوالکترونیکی مانند حسگر‎ها، کاتالیست‎ها، تجهیزات نانوبیوالکترونیکی و اپتوالترونیکی حائز اهمیت است. تاکنون طیف گسترده‌ای از روش‎های سنتز براساس سازوکارهای فیزیکی-شیمیایی (physicochemical) برای نانوذرات فلزی پیشنهاد شده است. اکثر این روش‎ها بسیار فعال هستند و باعث مشکلات و خطرات زیست‌محیطی و بیولوژیکی می‎شوند. در مقابل، روش‎های سنتز بیوممیمتیک که از مواد غیرسمی موجود در طبیعت استفاده می‎کنند، روش‎های بی‌خطر و دوست ‎دار محیط‌زیست هستند. به عنوان مثال، نانوذرات نقره یکی از نانوذرات فلزی است که در تجهیزات نانوالکترونیکی به‌ویژه پزشکی کاربرد دارد در روش‎های بیومیمتیکی معرفی شده برای سنتز نانوذرات نقره، از مواد طبیعی مانند عصاره گیاه شعمدانی، برگ لیمو، برگ درخت تمبرهندی، و فلفل سیاه استفاده می‌شود.

داربست‎های نانوالکترونیکی ((nanoelectronic scaffolds (nanoESs) که با تقلید از اجزای زیستی بدن ساخته می‎شوند، مواد متخلخل سه‌‌بعدی هستند که از یک شبکه به‎هم‌پیوسته از ترانزیستورهای اثر میدان مبتنی بر نانوسیم (nanowire field effect transistors) تشکیل می‌شوند و سلول‎های زیستی بر روی آنها رشد می‌کنند. این داربست‎ها می‎توانند به عنوان داربست‎های خارج‌سلولی (extracellular) در رشد عصب‎ها، سلول‎های ماهیچه‎ای و قلبی مورد استفاده قرار گیرند. شکل 6 شمایی از فرآیند ساخت این داربست‎ها را نشان می‌دهد.

بیونیک علمی است که درصدد حل مسائل و چالش‌های سایر علوم با استفاده از داده‎ها و اطلاعات به‌دست آمده از مطالعه ساختارها و فرآیندهای موجود در طبیعت است. این بررسی تنها تقلید از طبیعت نیست، بلکه الهام از فرآیندهای موجود در طبیعت را نیز شامل می‎شود. یکی از حوزه‎هایی که علم بیونیک کاربرد گسترده‎ای در آن دارد، حوزه نانوالکترونیک است. امروزه قطعات و تجهیزات مختلفی از حوزه نانوالکترونیک مانند حسگرها، ادوات ذخیره انرژی و تجهیزات زیستی، با الهام و تقلید از طبیعت و یا استفاده مستقیم از مواد طبیعی، طراحی و ساخته می‌شوند. به عنوان نمونه می‌توان به حسگرهای امواج فروسرخ (که در ساخت آنها از حسگرهای طبیعی در سر مار زنگی الهام گرفته شده است) و سلول‎های سوختی (که از مسیر مستقیم عبور یون از مولکول‎های موجود در غشای طبیعی تقلید شده است) اشاره شد. کاربرد بیومیمتیک تنها در تولید تجهیزات نانوالکترونیکی نیست، بلکه از این علم می‎توان در بهره‌برداری از طبیعت برای تولید نانوذرات فلزی پرکاربرد در صنایع نانوالکترونیک استفاده کرد. در پایان، باید اشاره کرد که کاربرد علم بیونیک در حوزه نانوالکترونیک تنها معطوف به موارد ذکر شده در این مقاله نیست و امروزه کاربردهای وسیعی از این علم در حوزه نانوالکترونیک توسعه یافته ‎و روز به روز در حال گسترش است. از این رو، الهام و تقلید از طبیعت در حوزه نانوالکترونیک می‎تواند زمینه پژوهشی مناسبی برای دانشمندان کشور عزیزمان باشد.