ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΙΤΛΟΣ: ΑΝΑΛΥΤΙΚΗ ΑΝΑΦΟΡΑ ΣΤΗ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΤΙΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ.

Transcript

1 Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τμήμα Ηλεκτρολογίας ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΙΤΛΟΣ: ΑΝΑΛΥΤΙΚΗ ΑΝΑΦΟΡΑ ΣΤΗ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΤΙΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ. ΧΑΤΖΗΙΩΑΝΝΙΔΗΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ (Α.Μ.: 3210) ΚΕΣΣΟΠΟΥΛΟΣ ΙΩΑΝΝΗΣ (Α.Μ.: 3243) ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: Δρ. ΜΑΓΚΑΦΑΣ ΛΥΚΟΥΡΓΟΣ ΚΑΒΑΛΑ 2008

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Εισαγωγή 1 Περίληψη 3 Ιστορική Αναδρομή 4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Από την μικροηλεκτρονική στην νανοηλεκτρονική και την νανοτεχνολογία Η εμφάνιση της νανοηλεκτρονικής Πληροφορική τεχνολογία Τεχνολογίες ενσωματωμένου πυριτίου Η χρήση της νανοηλεκτρονικής στην εξέλιξη των υπολογιστών και της πληροφορικής Τρανζίστορ φωτός Κβαντικοί υπολογιστές με χρήση φωτός Η κβαντική μηχανική οδηγεί σε ταχύτερα chip υπολογιστών Νανομνήμες 25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Νανοσωματίδια Σύντομη παρουσίαση νανοδομημένων υλικών Παρασκευή νανοδομημένων υλικών Ιδιότητες νανοϋλικών Μηχανικές ιδιότητες νανοδομημένων υλικών Ηλεκτρικές ιδιότητες νανοδομημένων υλικών 34 I

3 2.4.3 Μαγνητικές ιδιότητες νανοδομημένων υλικών Οπτικές ιδιότητες νανοδομημένων υλικών Χημικές ιδιότητες νανοδομημένων υλικών Εφαρμογές νανοδομημένων υλικών Μοντελοποίηση (modelling) και μηχανική υλικών σε νανοκλίμακα Μοντελοποίηση υλικών σκοπός και μέθοδοι Διαμόρφοση υλικών Τι μπορούν να διαμορφωθούν; Νανορομπότ 43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Τεχνολογία των λεπτών υμενίων Από τα λεπτά υμένια στις νανοδομές και στις νάνο & μεγάλης κλίμακας κατασκευές Τεχνολογία λεπτών υμενιών Τι ονομάζουμε λεπτό υμένιο; Κατασκευή λεπτών υμενίων Επικάλυψη μέσω βύθισης Επικάλυψη μέσω περιστροφής Χρήση λέιζερ για ελεγχόμενη εμφύτευση εξωτερικών προσμίξεων σε λεπτά υμένια Τεχνική Sol Gel Στερεά μορφή gel Ανάλυση διαδικασίας sol gel 69 II

4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Νανοσωλήνες από άνθρακα Αναπτύσσοντας τους μικρότερους νανοσωλήνες άνθρακα Μερικές χρήσεις των νανοσωλήνων Θεωρητικά όρια Κατασκευή φουλερένιου Εφαρμογές φουλερένιου Πολυμερές φουλερένιου σε ρόλο μαγνήτη Νέα τεχνολογία τρανζίστορ βασισμένη σε νανοσωλήνες άνθρακα Νανοσωλήνες άνθρακα οι νέοι υπεραγωγοί Τα πρώτα ψηφιακά κυκλώματα νανοσωλήνων Καινοτομία στην νανοηλεκτρονική Γραφίνες 94 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Οι επιδράσεις τις νανοτεχνολογίας στην ζωή μας. 5.1 Στον τομέα της υγείς Στον τομέα της οικονομίας Στην δημιουργία νέων δομικών υλικών και στην ανάπτυξη των κατασκευαστικών τεχνικών Στον τομέα της αυτοκίνησης Στον τομέα της ένδυσης Στον τομέα της καθημερινής υγιεινής 101 III

5 5.7 Στον τομέα της ιατρικής και της βιολογίας Στην διατήρηση των τροφίμων Στον τομέα περιβάλλοντος και ενέργειας Στον τομέα αεροναυπηγικής και εξερεύνησης του διαστήματος 104 Παράρτημα 105 Γλωσσάριο Νανοτεχνολογίας 106 Παράρτημα Εικόνων 109 Βιβλιογραφία 120 IV

6 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Νανοτεχνολογία Νανοτεχνολογία ( nanotechnology ) είναι ο όρος που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη δημιουργία και χρήση λειτουργικών δομών μεγέθους μεταξύ 1 και 100 νανομέτρων ( nm ), της τάξεως δηλαδή του μέτρων. Οι διαστάσεις γίνονται ευκολότερα αντιληπτές αναφέροντας πως ένα νανόμετρο ισούται περίπου με το 1/ μιας ανθρώπινης τρίχας ή με το μήκος 10 ατόμων υδρογόνων σε σειρά. Κατά παρόμοιο τρόπο ορίζεται και ο όρος νανοεπιστήμη ( nanoscience ) αναφερόμενος σε επιστήμες οι οποίες μελετούν φαινόμενα στην κλίμακα αυτή. Αν και το πεδίο της νανοτεχνολογίας μόλις πρόσφατα άρχισε να αναπτύσσεται ουσιαστικά, οι δυνατότητες της είχαν αρχίσει να γίνονται ήδη εμφανείς από την εποχή που ο φυσικός Richard Feynman έδωσε το λόγο με τίτλο "There's Plenty of Room at the Bottom", μιλώντας για τα μεγάλα περιθώρια που αφήνουν οι νόμοι τις φύσης για τον έλεγχο της ύλης σε ατομικό επίπεδο. Στη μέχρι τώρα ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας σημαντικό ρόλο έπαιξε η βελτίωση του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου, ενώ σταθμοί μπορούν να θεωρηθούν οι ανακαλύψεις δομών άνθρακα σε μορφή σφαίρας γνωστές ως φουλερένια (buckminister fullerenes ή fullerenes ή buckyballs ) καθώς και σε μορφή σωλήνα γνωστές ως νανοσωλήνες άνθρακα ( carbon nanotubes ) με ιδιαίτερες ιδιότητες το καθένα. Ο όρος νανοτεχνολογία είναι πολύ γενικός για να περιγράψει οτιδήποτε συμβαίνει στις διαστάσεις του νανομέτρου. Κατά συνέπεια, μπορεί να χωρισθεί σε πιο ειδικά θέματα όπως αυτό της νανοηλεκτρονικής, των νανοϋλικών και άλλων. Οι εφαρμογές της είναι αναρίθμητες, ενώ οι επιπτώσεις της γίνονται αντιληπτές σε πολλαπλά επίπεδα. Κατά κύριο λόγο στον οικονομικό τομέα επηρεάζοντας παγκόσμιες βιομηχανίες και οικονομίες, αλλά και στο κοινωνικό βελτιώνοντας το επίπεδο ζωής μας. 1

7 Δε θα πρέπει ωστόσο να φανταστεί κάποιος πως η νανοτεχνολογία πρόκειται για επιστημονική επανάσταση. Τα περισσότερα θέματα όπου αυτή περικλείει προκύπτουν σαν συνέπεια της εξελικτικής ικανότητας της επιστήμης και της τεχνολογίας να ερευνά και να εργάζεται σε όλο και μικρότερη κλίμακα. Εξάλλου, ολόκληρα επιστημονικά πεδία όπως η χημεία ή η βιολογία ανέκαθεν δούλευαν σε τέτοιες διαστάσεις παρόλο που ο όρος νανοεπιστήμη εισήχθη μόλις πρόσφατα. 2

8 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα πτυχιακή εργασία αναφέρονται οι επιδράσεις που θα έχει η ανάπτυξη της Νανοτεχνολογίας και των Νανοεπιστημών σε διάφορους τομείς της ζωής μας αλλά κυρίως στην τεχνολογία των ηλεκτρονικών. Η εργασία χωρίζεται σε πέντε κεφάλαια. Το πρώτο κεφάλαιο αναφέρεται στην ανάπτυξη της νανοηλεκτρονικής και στις καινούριες τεχνολογίες στην πληροφορική. Πιο ειδικά την χρήση νανοϋλικών για την κατασκευή ηλεκτρονικών υπολογιστών, αποθηκευτικών μέσων και διαφόρων άλλων συσκευών (μνήμες, τρανζίστορ, επεξεργαστές, κτλ.). Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύονται τα νανοσωματίδια και οι ιδιότητες τους, η μηχανική υλικών σε νανοκλίμακα, η μοντελοποίηση τους και η κατασκευή νανομηχανών. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στην τεχνολογία των λεπτών υμενίων και στις τεχνικές παρασκευής τους, καθώς και στις εφαρμογές που βρίσκουν χρήση. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στην επίδραση των νανοσωλήνων από άνθρακα στην ανάπτυξη και εξέλιξη τις νανοτεχνολογίας και των νανοεπιστημών γενικότερα, αλλά και σε τεχνικές ανάπτυξης των ίδιων των νανοσωλήνων. Στο πέμπτο κεφάλαιο αναφέρονται οι επιδράσεις που θα έχει η ανάπτυξης της νανοτεχνολογίας σε διάφορους τομείς της ζωής μας. Τέλος στο παράρτημα υπάρχει γλωσσάριο όπου αναλύονται κάποιοι όροι της νανοτεχνολογίας, και δίνετε ένθετο με σχετικές εικόνες.. 3

9 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ Η επιστήμη στις αρχές του 20ου αιώνα ασχολούνταν κυρίως με τα άτομα και τα στοιχειώδη σωμάτια, με τη θεμελίωση της κβαντικής θεωρίας και αργότερα με την πυρηνική σχάση. Μετά τον Β' Παγκόσμιο πόλεμο η επικρατέστερη επιστημονική δραστηριότητα ήταν η πυρηνική φυσική και σαν επέκταση οι ενοποιημένες θεωρίες για την προέλευση του σύμπαντος, δραστηριότητες που και σήμερα είναι στην πρώτη γραμμή του ενδιαφέροντος. Προς το τέλος του 20 ου και αρχές του 21 ου αιώνα επιστήμες όπως η βιολογία / βιοτεχνολογία έχουν την προτεραιότητα στον επιστημονικό κόσμο λόγω των άμεσων επιδράσεων στον ίδιο το άνθρωπο. Παράλληλα η χημεία, κυρίως, αλλά και η επιστήμη των υλικών συνέθεταν νέες ενώσεις χρησιμοποιώντας μεμονωμένα άτομα / μόρια και φαινόμενα όπως η κατάλυση - η επιτάχυνση ή επιβράδυνση μιας χημικής διεργασίας με την παρουσία τρίτου παράγοντα (καταλύτη) που δεν συμμετέχει στην αντίδραση - ήτανε γνωστά. Όμως η μελέτη ομάδων ατόμων δεν είχε γίνει αντικείμενο εκτεταμένης έρευνας σε σύγκριση με τη μελέτη των ατόμων η των στερεών. Η επιστημονική κοινότητα δέχτηκε ένα ισχυρό σοκ όταν το 1959 ο καθηγητής φυσικής Richard Feynman, στη διάλεξή του με θέμα: "There s plenty of room at the bottom" προκάλεσε την επιστημονική κοινότητα λέγοντας «Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Brittanica on the head of a pin?», και προέβει σε υποδείξεις πώς να επιτευχθεί η εγγραφή καθώς και άλλες εφαρμογές που βασίζονται στην τακτοποίηση ατόμων η μορίων διαστάσεων μερικών νανομέτρων! Από πολλούς θεωρείται ότι με την ομιλία αυτή έγινε η γέννηση ενός καινούργιου κλάδου της Νανοεπιστήμης. Ωστόσο η ιδέα για την κατασκευή υλικών σε διαστάσεις νανοκλίμακας αν και δεν ήταν νέα άρχισε να αποκτά ενδιαφέρων μετά από την έκδοση των νόμων του Moore. 4

10 Το 1965 ο πρώτος νόμος αναφερόταν στο ότι η ποσότητα των τρανζίστορ που περιέχονται σ έναν επεξεργαστή θα διπλασιάζεται περίπου κάθε δύο χρόνια. Ο δεύτερος νόμος έκανε λόγο για συρρίκνωση (σμίκρυνση) των κυκλωμάτων και προέβλεπε ότι αυτά, με την πάροδο του χρόνου, θα μικραίνουν όλο και περισσότερο στο μέγεθος. Η πρόβλεψη αυτή επιβεβαιώθηκε από τις εξελίξεις σε μεγαλύτερο βαθμό από την πρώτη. Το μέγεθος τόσο των κυκλωμάτων όσο και των τρανζίστορ υποτετραπλασιαζόταν κάθε τρία περίπου χρόνια. Tο 1971 (15 Νοεμβρίου) κατασκευάζεται ο πρώτος 4bit μικροεπεξεργαστής (4004) από τον Marcian E. Holl για την Intel, ο οποίος περιέχει 2300 τρανζίστορ. Έχει την δυνατότητα συνδυασμών το δευτερόλεπτο και συχνότητα 108 ΚHz. Από το 1972 και μετά οι υπολογιστές που φτιάχνονται ονομάζονται 4 ης γενιάς και βασίζονται στην LSI (Large Scale Intergration) μέθοδο κυκλωμάτων, τυπικά περιέχουν 500 ή περισσότερα εξαρτήματα σ ένα chip. Μετέπειτα εξελίξεις περιλαμβάνουν την VLSI (Very Large Scale Intergration) κυκλωμάτων που περιέχουν τυπικά εξαρτήματα σ ένα chip. Σήμερα τα μοντέρνα κυκλώματα μπορεί να περιέχουν εκατομμύρια εξαρτήματα. Το 1976 κατασκευάζεται ο Gray 1, ο πρώτος σούπερ υπολογιστής με ολοκληρωμένα κυκλώματα και δυνατότητα εκτέλεσης 150 εκατομμυρίων λειτουργιών ανά δευτερόλεπτο. Το 1978 (8 Ιουνίου) παρουσιάζεται από την Intel ένας 16bit μικροεπεξεργαστής (8086) που περιείχε τρανζίστορ. Τον Φεβρουάριο του 1982 δίνεται στην αγορά το πρώτο 80286, το οποίο υποστηρίζει κυκλικές συχνότητες ως και 20 MHz εισάγοντας έναν νέο τρόπο λειτουργίας, επιτρέποντας πρόσβαση σε παραπάνω μνήμη (μέχρι 16ΜΒ) σε αντίθεση με το 1ΜΒ του Η γρηγορότερη του έκδοση έτρεχε στα 12.5 ΜHz και περιείχε τρανζίστορ. 5

11 Τον Οκτώβριο του 1985 κυκλοφορεί ο 80386DX ο οποίος υποστηρίζει συχνότητα ρολογιού μέχρι και 33 ΜΗz. Η ταχύτερη του έκδοση λειτουργούσε στα 20 ΜΗz και περιείχε τρανζίστορ. Δέκα χρόνια μετά την, 1 Νοεμβρίου 1995, κυκλοφορεί το Pentium Pro. Στην παρουσίαση του έφτασε τα 200 MHz. Το Pentium Pro περιέχει 4.4 εκατομμύρια τρανζίστορ, αυτό είναι σχεδόν 2400 φορές περισσότερο από τον πρώτο μικροϋπολογιστή, τον 4004, και φορές περισσότερο όσον αφορά στις οδηγίες ανά δευτερόλεπτο. Στης 4 Ιανουαρίου του 1996 η Intel κυκλοφόρησε τις εκδόσεις Pentium των 150 ΜΗz και 166 ΜΗz, οι οποίοι εμπεριέχουν πάνω από 3.3 εκατομμύρια τρανζίστορ. Τρία χρόνια αργότερα, στης 22 Φεβρουαρίου 1999, η AMD κυκλοφορεί τον επεξεργαστή Κ6-ΙΙΙ στην έκδοση των 400 MHz, ο οποίος περιέχει περίπου 23 εκατομμύρια τρανζίστορ. Τον Ιανουάριο του 2004 ερευνητές της Intel σε μία μελέτη τους με τίτλο Limits to Binary Logic Switch Scaling A.Gedanken προβλέπουν ότι ο νόμος του ιδρυτή και επίτιμου πλέον προέδρου Moore έχει όρια. Παρ όλα αυτά όμως τον Ιούνιο του ίδιου έτους η μελέτη των μηχανικών της Intel ανατρέπεται καθώς η εταιρία NEC παρουσίασε στο Τόκιο το μικρότερο τρανζίστορ στον κόσμο με πύλη μεγέθους 5nm (νανόμετρα). Τον επόμενο χρόνο (Φεβρουάριο 2005) είχαν ήδη αρχίσει να κατασκευάζονται chips με μέγεθος 90 νανόμετρα, τα οποία έχουν διακόπτες με πύλες μεγέθους 37 νανομέτρων. Τον Δεκέμβριο του 2005 οι επιστήμονες έδωσαν και πάλι ημερομηνία λήξης στον νόμο του Moore κάπου ανάμεσα στο 2015 και το 2021 βάση των προβλέψεών τους για τις επόμενες δεκαετίες. 6

12 Στο μέλλον από τις μέχρι σήμερα επιστημονικές αναφορές και τα εργαστηριακά επιτεύγματα που έχουν προκύψει, οι σημαντικότερες αλλαγές που θα επιφέρει η νανοτεχνολογία και η νανοηλεκτρονική στην πληροφορική είναι οι ακόλουθες: Το πυρίτιο στα τρανζίστορ θα αντικατασταθεί από νανοσωλήνες άνθρακα, ενώ κάθε τρανζίστορ θα περιέχει ένα και μόνο ένα ηλεκτρόνιο. Η μαγνητική μνήμη MRAM (Magnetic Random Access Memory) θα κάνει την εμφάνισή της και θα μπορεί να αποθηκεύει και να διατηρεί μαγνητικά τα δεδομένα. Μία νέα τεχνολογία, τα spintronics (σπειροειδής - στροφονική ηλεκτρονική), θα αναδυθεί και θα αντικαταστήσει την ηλεκτρονική. Θα αναπτυχθούν κβαντικοί και μοριακοί υπολογιστές που θα επεξεργάζονται δεδομένα στο επίπεδο των κβάντων και των μορίων, αντίστοιχα. Έτσι, θα δημιουργηθούν ασύγκριτα μικρότεροι, ταχύτεροι υπολογιστές, με μεγαλύτερες επιδόσεις, τεράστιες αποθηκευτικές δυνατότητες και με ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας με σκοπό την προσαρμογή τους τόσο στις οικιακές όσο και στις βιομηχανικές μας ανάγκες. 7

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΑΠΟ ΤΗΝ ΜΙΚΡΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΣΤΗΝ ΝΑΝΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΚΑΙ ΤΗΝ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Η μικροηλεκτρονική τεχνολογία είναι στην βάση της ανάπτυξης όλης της αλυσίδας της τεχνολογίας της πληροφορίας και για τον λόγο αυτό αποτελεί στρατηγικό στόχο τόσο της Ευρώπης όσο και των ΗΠΑ και των χωρών της Ασίας. Η μικροηλεκτρονική σήμερα έχει πλέον μετεξελιχθεί σε νανοηλεκτρονική μια και είναι σε παραγωγή από την βιομηχανία ολοκληρωμένα κυκλώματα με ηλεκτρονικές διατάξεις διαστάσεων 100 nm. Οι προβλέψεις αναφέρουν ότι για να συνεχισθεί η αύξηση της ταχύτητας των υπολογιστών καθώς και η χωρητικότητα των ηλεκτρονικών μνημών, με τους σημερινούς ρυθμούς, οι διαστάσεις μιας ηλεκτρονικής διάταξης δεν θα πρέπει να ξεπερνούν τα 10 nm μέχρι το έτος Την εξέλιξη αυτή δεν φαίνεται ότι υπάρχει κάποιος φυσικός νόμος που μπορεί να την εμποδίσει. Στα πλαίσια αυτά θα παρουσιάσουμε τις εξελίξεις καθώς και τα προβλήματα που πρέπει να ξεπερασθούν στην νανοηλεκτρονική για την σμίκρυνση των διαστάσεων των ηλεκτρονικών διατάξεων στα παραπάνω όρια. Πέραν όμως των εξελίξεων στην νανοηλεκτρονική θα αναφερθούμε και στην παράλληλη ανάπτυξη που παρουσιάζει ο κλάδος των μικρο-νανοαισθητήρων. Ο κλάδος αυτός χρησιμοποιώντας κατά βάση την ίδια τεχνολογία με την νανοηλεκτρονική αναπτύσσει καινούργιες ιδέες για αίσθηση του φυσικού περιβάλλοντος, ανοίγοντας έτσι τον δρόμο για εφαρμογές σε ένα όλο και ευρύτερο φάσμα της ανθρώπινης δραστηριότητας. 8

14 1.1.2 Η ΕΜΦΑΝΙΣΗ ΤΗΣ ΝΑΝΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Το 1965 ο Γκόρντον Μουρ, συνιδρυτής της Intel, διατύπωσε δύο προβλέψεις για την εξέλιξη της επεξεργαστικής ισχύος των υπολογιστών. Η πρώτη πρόβλεψη, που έμεινε στην ιστορία ως "Νόμος του Μουρ", εκτιμούσε ότι ο αριθμός των τρανζίστορ που θα περιέχονται σ' έναν επεξεργαστή θα διπλασιάζεται κάθε 12 μήνες. Όπως αποδείχθηκε, η πρόβλεψη αυτή δεν ήταν σωστή. Ο ίδιος ο Μουρ αναγκάστηκε να αναθεωρήσει αρκετές φορές το χρονικό διάστημα διπλασιασμού, με τελευταία αυτή στις αρχές της δεκαετίας του '90, όπου και κατέληξε ότι ο αριθμός των τρανζίστορ που θα μπορούν να ενσωματωθούν σ' ένα κύκλωμα (chip) και όχι σ' έναν επεξεργαστή, αυτή τη φορά θα διπλασιάζεται κάθε 18 μήνες. Ο Νόμος του Μουρ, αν και θα μπορούσε κανείς να του προσάψει αστοχίες, είναι σημαντικός γιατί απέδωσε και αποδίδει τη γενικότερη τάση που επικρατεί εδώ και πολλές δεκαετίες στο χώρο των υπολογιστών. Έτσι, ο πρώτος επεξεργαστής της Intel (1971) είχε μόλις τρανζίστορ, ένας σύγχρονος υπολογιστής (2005) διαθέτει μερικές δεκάδες εκατομμύρια, ενώ εκείνοι που θα κυκλοφορήσουν σε λίγα χρόνια αναμένεται να περιέχουν περίπου ένα δισεκατομμύριο τρανζίστορ. Ο Νόμος του Μουρ γενικευμένος, υπό την έννοια και τη μορφή αυξητικής τάσης, δεν περιορίστηκε στα τρανζίστορ και τους επεξεργαστές, αλλά επεκτάθηκε στη μνήμη RAM, στους σκληρούς δίσκους κ.α., όπου πράγματι οι δυνατότητες αυξάνονται διαρκώς. Ο δεύτερος νόμος έκανε λόγο για συρρίκνωση (σμίκρυνση) των κυκλωμάτων (σχ. 1.1) και προέβλεπε ότι αυτά, με την πάροδο του χρόνου, θα μικραίνουν όλο και περισσότερο, στο μέγεθος. Η πρόβλεψη αυτή επιβεβαιώθηκε από τις εξελίξεις σε μεγαλύτερο βαθμό από την πρώτη. Το μέγεθος τόσο των κυκλωμάτων όσο και των τρανζίστορ υποτετραπλασιάζεται κάθε 3 περίπου χρόνια. Αν ο ρυθμός αυτός συνεχιστεί, που είναι και το πιθανότερο, σε μερικά χρόνια (10-20) τα κυκλώματα θα έχουν το πάχος ελάχιστων χιλιοστών. Όμως η συρρίκνωση αυτή, όπως επίσης και η αύξηση των τρανζίστορ, δεν μπορούν να συνεχιστούν έπ' άπειρον, για μια σειρά από λόγους: φυσικής, λειτουργικότητας, παραγωγικότητας, οικονομικούς και άλλους, που θέτουν το όριο 9

15 Σχήμα 1.1 Νάνο - chips πέραν του οποίου η εξέλιξη στο πλαίσιο της "νομολογίας" Μουρ δεν μπορεί να συνεχιστεί. Χαρακτηριστικό παράδειγμα το πυρίτιο, το φυσικό υλικό από το οποίο κατασκευάζονται τα τρανζίστορ. Έχει φυσικά όρια (αντοχής, συρρίκνωσης, καλής λειτουργίας κ.λπ.) τα οποία, είναι πολύ δύσκολο να ξεπεραστούν. Στην ίδια κατάσταση βρίσκονται και οι λοιπές ηλεκτρονικές τεχνολογίες που χρησιμοποιούν οι υπολογιστές. Όλα συντείνουν στο ότι η ηλεκτρονική τεχνολογία έχει ημερομηνία λήξεως, με την έννοια ότι από ένα σημείο και πέρα οι εξελίξεις στον τομέα της ηλεκτρονικής θα είναι ανύπαρκτες, αν δεν βρεθεί "κάτι άλλο".στο σημείο αυτό η νανοτεχνολογία προβάλλει ως μία πολύ πιθανή λύση για να ξεπεραστούν τα προβλήματα, και οι εκτιμήσεις του Μουρ να συνεχίζουν να υφίστανται, με τη μορφή της αέναης εξέλιξης. 10

16 Από τις μέχρι σήμερα επιστημονικές αναφορές και τα εργαστηριακά επιτεύγματα που έχουν προκύψει, οι σημαντικότερες αλλαγές που θα επιφέρει η νανοτεχνολογία στην πληροφορική είναι οι ακόλουθες: Το πυρίτιο στα τρανζίστορς θα αντικατασταθεί από νανοσωλήνες άνθρακα, ενώ κάθε τρανζίστορ θα περιέχει ένα και μόνο ένα ηλεκτρόνιο. Η μαγνητική μνήμη MRAM (Magnetic Random Access Memory) θα κάνει την εμφάνισή της και θα μπορεί να αποθηκεύει και να διατηρεί μαγνητικά τα δεδομένα. Μία νέα τεχνολογία, τα spintronics (σπειροειδής - στροφονική ηλεκτρονική), θα αναδυθεί και θα αντικαταστήσει την ηλεκτρονική. Θα αναπτυχθούν κβαντικοί και μοριακοί υπολογιστές που θα επεξεργάζονται δεδομένα στο επίπεδο των κβάντων και των μορίων, αντίστοιχα. Όλα αυτά περιγράφουν τον όρο νανοηλεκτρονική. 1.2 ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Η υπέρβαση της σημερινής τεχνολογίας ολοκληρωμένων τσιπ πυριτίου θα απαιτήσει συρρίκνωση των λογικών κυκλωμάτων και κυκλωμάτων μνήμης στο μέγεθος μερικών νανομέτρων. Μεγάλες διατάξεις από διασταυρούμενα νανοκαλώδια, τα οποία ονομάζονται ραβδεπαφικά δίκτυα, παρέχουν τη βάση για μία από τις καλύτερες υποψήφιες τεχνολογίες για νανοϋπολογιστές. Τα νανοκαλώδια (σχ. 1.2) που συγκροτούν τα ραβδεπαφικά δίκτυα είναι τόσο μικρά ώστε κατά την κατασκευή τους δημιουργούνται αναπόφευκτα ατομικές ατέλειες και ελαττώματα που διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο. Ο πλεονασμός νανοκαλωδίων στα κυκλώματα και η χρήση τεχνικών από τη θεωρία κωδικοποίησης αντισταθμίζει πολλές από τις ατέλειες αυτές. 11

17 Σχήμα 1.2 Νανοκαλώδια ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΕΝΣΩΜΑΤΟΜΕΝΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ H Ιntel Corporation ανακοίνωσε ότι προτίθεται να χρησιμοποιήσει τεχνολογίες ενσωματωμένου πυριτίου για να οδηγήσει τη σύγκλιση πληροφορικής και επικοινωνιών, την επόμενη δεκαετία, δημιουργώντας τις προϋποθέσεις για ένα ψηφιακό μέλλον που θα κάνει τις ηλεκτρονικές συσκευές πιο απλές, περισσότερο προσιτές και εύκολες στη χρήση. Στελέχη της εταιρείας, οι τεχνολογίες πυριτίου που περιλαμβάνουν λειτουργίες πληροφορικής και επικοινωνιών θα απέφεραν οφέλη που σχετίζονται με το νόμο του Moore σε τομείς, όπως οι ασύρματες και οπτικές επικοινωνίες. Απεκάλυψαν επίσης ότι η Ιntel θα επιμηκύνει το χρόνο ισχύος του Νόμου του Moore στο μέλλον, μέσω της αναβαθμισμένης έρευνας στην νανοτεχνολογία πυριτίου. 12

18 Σύμφωνα με το Νόμο του Moore, η πυκνότητα των τρανζίστορ στα ενσωματωμένα κυκλώματα (σχ. 1.3) διπλασιάζεται κάθε δύο χρόνια, γεγονός που έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της απόδοσης και τη μείωση του κόστους. Επίσης το ενσωματωμένο πυρίτιο θα φέρει καινοτόμες, σύγχρονες και χαμηλού κόστους τεχνολογίες, έτσι ώστε να δημιουργηθεί ένας κόσμος στον οποίο όλοι οι υπολογιστές θα επικοινωνούν, και όλες οι συσκευές που σχετίζονται με την επικοινωνία θα κάνουν υπολογιστικές πράξεις. Σχήμα 1.3 Ολοκληρωμένο κύκλωμα πυριτίου Μερικές τεχνολογίες που επιδιώκει να δημιουργήσει η εταιρεία, περιλαμβάνουν την ανάπτυξη «silicon radios» βασισμένα στη διαδικασία παραγωγής χαμηλής ενέργειας CMOS. Τα επόμενα χρόνια αυτά τα radios θα ενσωματωθούν στα μελλοντικά chips της Intel, έτσι ώστε κάθε συσκευή να έχει δυνατότητες ασύρματης ραδιο-επικοινωνίας. Επιπρόσθετα, παρουσιάστηκε και ένα συντονιζόμενο laser που χρησιμοποιεί φωτόνια πυριτίου. Η έρευνα της Ιntel βρίσκεται στη διαδικασία να εφαρμόσει το νόμο του Moore προς την κατασκευή υψηλά ενσωματωμένων συστατικών, συνδυάζοντας την ψηφιακή λειτουργικότητα με τις οπτικο-ηλεκτρονικές συσκευές που βασίζονται στο πυρίτιο, σε ένα μόνο chip. Ο στόχος της έρευνας αυτής είναι να ελαττωθεί δραματικά 13

19 το κόστος των οπτικών δικτύων, ενσωματώνοντας τεχνολογίες δομής σε χαμηλού κόστους δομικά στοιχεία πυριτίου. Τελικά, αναφερόμενος σε μία τεχνολογία γνωστή ως «sensor nets», στέλεχος της Intel δήλωσε ότι τα οφέλη των χαμηλού κόστους σύγχρονων αισθητήρων πυριτίου που μπορούν να υπολογίζουν και να επικοινωνούν ήδη γίνονται σήμερα πραγματικότητα σε πεδία δοκιμών πραγματικού χρόνου. Ένα τέτοιο πεδίο δοκιμών βρίσκεται στη νήσο Great Duck του Μέιν, όπου ερευνητές από το Intel Research Berkeley Lab και το College of Atlantic αναπτύσσουν και χρησιμοποιούν ασύρματα δίκτυα αισθητήρων για να μελετήσουν τον μικρόκοσμο του νησιού. Οι αισθητήρες, οι οποίοι αποτελούνται από chips, μετράνε τη θερμοκρασία, την υγρασία, την πίεση των βαρομετρικών, καθώς και ανιχνευτών υπέρυθρους, επιτρέπουν στους επιστήμονες να κάνουν μετρήσεις χωρίς να παρενοχλούν τα άγρια ζώα και τα υπόλοιπα όντα του νησιού. Τα περιβαλλοντικά δεδομένα στέλνονται στο Internet μέσω μίας σύνδεσης με δορυφόρο, έτσι ώστε οι ερευνητές να έχουν πρόσβαση στις πληροφορίες αυτές σε πραγματικό χρόνο. Η τεχνολογία του δικτύου ανιχνευτών προσφέρει έναν νέο τρόπο για να λαμβάνει περιβαλλοντικά δεδομένα, ο οποίος είναι λιγότερο ενοχλητικός για το μικρόκοσμο από ότι για τους ανθρώπους που την χρησιμοποιούν. Ενώ η Intel συνεχίζει να αναβαθμίζει την έρευνα σχετικά με τη σμίκρυνση των αισθητήρων ενσωματωμένων σε πυρίτιο, η εταιρεία δημιουργεί επίσης εργαλεία λογισμικού για τον προγραμματισμό των δικτύων ανιχνευτών, έτσι ώστε να δώσει στον κλάδο τη δυνατότητα να αξιοποιήσει την τεχνολογία ταχύτερα. Η έρευνα και ανάπτυξη νέων τεχνολογιών σιλικόνης περιλαμβάνουν, εκτός από τις καινοτομίες, όπως το παραμορφωμένο πυρίτιο που έχει μπει στη διαδικασία παραγωγής των 90 νανόμετρων της Intel, λιθογραφία Extreme Ultraviolet, νέες δομές τρανζίστορ και τρανζίστορ διηλεκτρικής πύλης. Ένα από τα ερευνητικά προγράμματα της Intel αναφέρεται σε τρανζίστορ( terahertz) τα οποία αναμένεται ότι θα βγουν στην παραγωγή κατά το δεύτερο μισό της δεκαετίας, επικεντρώνονται σε πειραματικά υψηλή απόδοση, non planar τρανζίστορ τριπλής πύλης CMOS (σχ. 1.4) (αποκαλούμενα Tri-Gate transistors). 14

20 Αυτός ο τύπος τρανζίστορ ξεφεύγει από το σύγχρονο «planar» (επίπεδο) σχέδιο χρησιμοποιώντας μία τρισδιάστατη αρχιτεκτονική, η οποία αυξάνει την επιφάνεια της πύλης του τρανζίστορ, αυξάνοντας έτσι την απόδοση και ενσωματώνει επεξεργαστές υψηλότερης ταχύτητας. Τέτοια τρανζίστορ θα απαιτούσαν περαιτέρω βελτίωση, πριν βγουν στην παραγωγή το δεύτερο μισό της δεκαετίας. Επίσης οι ερευνητές της Intel συνεργάζονται με Πανεπιστήμια σε μακροπρόθεσμα σχέδια νανοτεχνολογίας, όπως οι νανοαγωγοί άνθρακα και τα νανοκαλώδια πυριτίου, δημιουργώντας τις δομές που ίσως μία μέρα προσφέρουν τρανζίστορ βελτιωμένης απόδοσης. Η Intel περιμένει η πρακτική χρήση των νανοαγωγών ή των νανοκαλωδίων, όπως τα εξαρτήματα των υπολογιστών, να πραγματοποιηθεί σε μία δεκαετία. Σχήμα 1.4 Μελλοντικά CMOS 15

21 1.3 Η ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΝΑΝΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΣΤΗΝ ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΚΑΙ ΤΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Η χρήση της νανοτεχνολογίας στα ηλεκτρονικά θα δημιουργήσει ασύγκριτα μικρότερους υπολογιστές, ταχύτατους, με τεράστιες αποθηκευτικές δυνατότητες και με ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας. Επιπλέον, ο τρόπος αποθήκευσης και μεταφοράς δεδομένων θα αλλάξει ριζικά. Η μνήμη (σχ. 1.5) θα αποκτήσει μεγαλύτερη πυκνότητα. Τα αποθηκευτικά μέσα θα διαθέτουν αποθηκευτικές δυνατότητες που θα μετριούνται σε Terabytes, η ταχύτητα πρόσβασης σε αυτά θα είναι ασύλληπτη, ενώ η διατήρηση δεδομένων δεν θα εξαρτάται αναγκαστικά από το ηλεκτρικό ρεύμα. Παράλληλα, η μείωση του όγκου των συσκευών θα είναι κατακόρυφη (σχ. 1.6). Οι οθόνες θα γίνουν τόσο λεπτές, που θα μετριούνται σε χιλιοστά, ενώ ταυτόχρονα θα μπορούν να είναι και διάφανες. Σχήμα 1.5 Ολοκληρομένο κύκλωμα νανομνήμης 16

22 Οι υπολογιστές θα ξεκινούν αμέσως, χωρίς να χρειάζεται να περάσουν από τη διαδικασία της εκκίνησης του λειτουργικού συστήματος (boot), θα εκκινούν δηλαδή όπως εκκινούν και οι τηλεοπτικές συσκευές. Το πληκτρολόγιο, με τη σημερινή μορφή, θα αντικατασταθεί από ένα εικονικό πληκτρολόγιο που θα εμφανίζεται στην επιφάνεια του γραφείου ή κάποιας άλλης επιφάνειας και θα εξαφανίζεται όταν θα κλείνει ο υπολογιστής. Παρόμοια επιτεύγματα θα καταγραφούν και στους συναφείς με την πληροφορική κλάδους: τις τηλεπικοινωνίες και την τηλεματική. Τα κινητά τηλέφωνα θα μικρύνουν περισσότερο και θα φθάσουν το μέγεθος ενός κουμπιού, που θα μπορεί κάλλιστα να φορεθεί στο αυτί. Οι υπολογιστές παλάμης θα αποτελούν ιδιαίτερα κομψά δημιουργήματα και το μέγεθός τους δεν θα είναι μεγαλύτερο από μία πιστωτική κάρτα. Θα ενσωματώνουν δε σχεδόν τα πάντα. Θα είναι τηλέφωνο, υπολογιστής, τηλεόραση, φωτογραφική μηχανή, βιντεοκάμερα, σύστημα πλοήγησης, συσκευή εγγραφής και αναπαραγωγής ήχου κ.ά. Ασφαλώς, οι συσκευές θα μπορούν να μικρύνουν ακόμη περισσότερο, κάτι τέτοιο όμως θα αποτελούσε πρόβλημα για τους χρήστες, που θα δυσκολεύονταν να τις χειριστούν, λόγω "αντικειμενικών" δυνατοτήτων. Σχήμα 1.6 Νάνο - chip 17

23 1.4 ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΦΩΤΟΣ Μια νέα συσκευή υπόσχεται να κάνει με τη βοήθεια του φωτός τη δουλειά που κάνουν τα τρανζίστορς στα ηλεκτρονικά σήματα. Η φτηνή και απλή κατασκευή αυτού του «φωτονικού τρανζίστορ» τοποθετεί την οπτική επεξεργασία της πληροφορίας στο κοντινό μέλλον. Οι υπολογιστές που χρησιμοποιούν το φως είναι ταχύτεροι από τις ηλεκτρονικές συσκευές. Θα είναι μάλιστα και απευθείας συμβατές με τις οπτικές ίνες που χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση δεδομένων χωρίς να μεσολαβούν δύσχρηστες συσκευές μετατροπής ηλεκτρονικού σε φωτεινό σήμα. Και σήμερα μερικά βήματα κατά την επεξεργασία των σημάτων γίνονται οπτικά, όπως πχ η χρήση μιας δέσμης φωτός για να διευθύνει προς νέα κατεύθυνση μια άλλη δέσμη σ ένα δίκτυο οπτικών ινών. Αλλά για την διεκπεραίωση πολύπλοκων διεργασιών σαν αυτές που επιτελούνται σ έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή χρειάζονται λογικές πύλες οι οποίες επί του παρόντος φτιάχνονται αποκλειστικά από microchips πυριτίου. Ένα τρανζίστορ (σχ. 1.7) είναι ένα είδος διακόπτη στον οποίο ένα σήμα μπορεί να επιτρέψει ή να διακόψει ένα άλλο σήμα όπως επίσης μπορεί και να το ενισχύσει. Η επίτευξη ενίσχυσης έχει αποδειχτεί δύσκολη σε συσκευές αποκλειστικά οπτικές, όπου χρησιμοποιούνται ως είσοδοι και έξοδοι δέσμες Laser. Στο νέο φωτονικό τρανζίστορ, που επινοήθηκε από τον Junji Tominanga και τους συνεργάτες του στο Ινστιτούτο προχωρημένης βιομηχανικής έρευνας και τεχνολογίας της Tsukuba, μια ερυθρή δέσμη laser κάνει μια άλλη μπλε δέσμη να ενισχύεται μέχρι 60 φορές σε ένταση. Οι ερευνητές χρησιμοποιούν την ερυθρή δέσμη για να διοχετεύσουν ενέργεια στο νέφος των ευκίνητων ηλεκτρονίων που βρίσκονται στους μικροσκοπικούς κόκκους αργύρου, οι οποίοι έχουν αποτεθεί στην επιφάνεια ενός συνηθισμένου οπτικού δίσκου DVD. Η ενέργεια αυτή διεγείρει τα πλασμόνια, τα οποία είναι κβαντισμένες κυματικές καταστάσεις του νέφους των ηλεκτρονίων. Τα πλασμόνια αλληλεπιδρούν στη συνέχεια με τη μπλε δέσμη, όπως περίπου τα κύματα από το πέρασμα ενός πλοίου βάζουν σε κίνηση ένα άλλο γειτονικό σκάφος. 18

24 Σχήμα 1.7 Μίκρο - Τρανζίστορ Το κεντρικό μέρος της συσκευής είναι οι συρμοί των σωματιδίων αργύρου, ο καθένας μεταξύ 200 και 300 εκατομμυριοστού του μέτρου σε μήκος, που βρίσκονται στην επιφάνεια του δίσκου. Τα σωματίδια αυτά σχηματίζονται όταν μια δέσμη Laser θερμάνει ένα λεπτό στρώμα οξειδίου του αργύρου και το μετατρέψει σε μικροσκοπικούς κόκκους μετάλλου, το μέγεθος των οπίων εξαρτάται από την ένταση της δέσμης Laser. Οι περιοχές αυτές του αργύρου παίζουν το ρόλο μικρών λιμνών εντός των οποίων δημιουργούνται τα κύματα των ηλεκτρονίων (πλασμόνια). Επειδή αυτά τα τμήματα του φωτονικού τρανζίστορ είναι εξαιρετικά μικρά και εύκολα στη δημιουργία τους, τα οπτικά λογικά κυκλώματα θα έχουν χαμηλό κόστος και πολύ μικρό μέγεθος. Η Επανάσταση της οπτικής επεξεργασίας είναι πλέον ορατή. 1.5 ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΦΩΤΟΣ Ένα κομπιούτερ που συνδυάζει την εκπληκτική υπολογιστική ισχύ της κβαντομηχανικής με την ευκολία του χειρισμού του φωτός αναπτύχθηκε από τους ερευνητές του πανεπιστημίου του Rochester. 19

25 Η συσκευή (σχ. 1.8) αυτή αποδεικνύει ότι μια ειδική κβαντική ιδιότητα των σωματιδίων, που επιτρέπει στους επιστήμονες να κάνουν τεράστιο αριθμό υπολογισμών σχεδόν στιγμιαία, μπορεί ν αντικατασταθεί με την αντίστοιχη ιδιότητα του φωτός το οποίο όμως έχει το πρακτικό πλεονέκτημα πολύ πιο εύκολου ελέγχου. Το αποτέλεσμα είναι ένας υπολογιστής που εκτελεί μερικές εργασίες ένα δισεκατομμύριο φορές ταχύτερα από τους σημερινούς υπερυπολογιστές και χρησιμοποιεί μια σχετικά απλή τεχνολογία. Σχήμα 1.8 Κβαντικό chip Η έρευνα για την πραγματοποίηση της συσκευής ανακοινώθηκε στο συνέδριο με θέμα Lasers και Ηλεκτροοπτικά Κβαντικά Ηλεκτρονικά συστήματα, που διεξήχθη στις ΗΠΑ. Η συσκευή μιμείται την κβαντική συμβολή, μια σημαντική ιδιότητα που κάνει τους κβαντικούς υπολογιστές εκθετικά ταχύτερους των συμβατικών σε εργασίες όπως το σπάσιμο κρυπτογραφικών κωδίκων ή το ψάξιμο σε τεράστιες βάσεις δεδομένων. Αντί για την συμβολή, οι συμβατικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν τα ηλεκτρόνια για να κάνουν τις διάφορες εργασίες διαδοχικά. Η νέα συσκευή αποδεικνύει ότι η χρήση της συμβολής του φωτός είναι τόσο αποτελεσματική όσο και η κβαντική συμβολή στην εύρεση πληροφοριών από μια βάση δεδομένων. 20

26 Ο καθηγητής οπτικής Ian Walmsley του πανεπιστήμιου Rochester, ο οποίος ηγείται της ομάδας που ανακάλυψε τη συσκευή δήλωσε: «Υπάρχει μεγάλη ώθηση στην τεχνολογία της επεξεργασίας της πληροφορίας η οποία στηρίζεται στην κβαντομηχανική. Μπορείς να κάνεις πράγματα με την κβαντική μηχανική που είναι ακατόρθωτα με τις κλασσικές μηχανές. Αυτό που δείξαμε εδώ είναι ότι αν έχεις ένα κβαντικό υπολογιστή που στηρίζεται αποκλειστικά στην κβαντική συμβολή, μπορείς να φτιάξεις έναν εξ ίσου αποτελεσματικό υπολογιστή, βασισμένο αποκλειστικά στην συμβολή του φωτός. Το φως βέβαια είναι πολύ ευκολότερο να το διαχειριστούμε από τα κβαντικά συστήματα.» Ένας από τους μεγαλύτερους περιορισμούς των κβαντικών υπολογιστών εθεωρείτο πάντα η ανάγκη χρησιμοποίησης του φαινομένου του συσχετισμού (entanglement). Μια συνθήκη σύμφωνα με την οποία οι ιδιότητες διαφορετικών σωματιδίων συνδέονται όσο μακριά και αν βρίσκονται αυτά μεταξύ τους και μπορούμε έτσι να φτιάξουμε αντίγραφά τους. Όπως περίπου δημιουργούνται και οι κλώνοι οι οποίοι μοιράζονται κοινές ιδιότητες όσο μακριά και αν βρίσκονται ο ένας από τον άλλο. Ο συσχετισμός (entanglement) είναι δύσκολος να επιτευχθεί, και μέχρι τώρα δεν έχει κατορθωθεί παρά μόνο για πολύ λίγα σωματίδια κάθε φορά. Οι επιστήμονες όμως σύντομα ανακάλυψαν ότι ο συσχετισμός μπορεί να μην είναι απαραίτητος για εργασίες όπως το ψάξιμο μιας βάσης δεδομένων. Αντί γι αυτόν μπορεί να χρησιμοποιηθεί η κβαντική συμβολή. Όταν το πληροφορήθηκε αυτό ο Walmsley ήταν σίγουρος ότι μπορούσε να φτιάξει έναν υπολογιστή που θα χρησιμοποιούσε τη συμβολή του φωτός αντί για τη συμβολή υποατομικών σωματιδίων. Η συσκευή του Walmsley χρησιμοποιεί ένα κομμάτι από διαφανές οξείδιο τελλουρίου το οποίο αποκαλείται ακουστο-οπτικός διαμορφωτής. Αυτός παίζει το ρόλο της βάσης δεδομένων αποθηκεύοντας την πληροφορία υπό μορφή ακουστικών κυμάτων. Ένας πομπός ταλαντώνεται απέναντι από τη μια πλευρά του διαμορφωτή και στέλνει ηχητικά κύματα στον αέρα. Τα κύματα προκαλούν ελαφρά συμπίεση σε μερικά μέρη του διαμορφωτή και ελαφρά αραίωση σε κάποια άλλα μέρη, δημιουργώντας ένα σχηματισμό ο οποίος εξομοιώνει τις πληροφορίες που αποθηκεύονται σε μια συνηθισμένη βάση δεδομένων. Για να γίνει το ψάξιμο της βάσης δεδομένων, ο Walmsley κατευθύνει μια δέσμη φωτός προς τον διαμορφωτή. 21

27 Η δέσμη χωρίζεται αρχικά στα δύο, με το ένα μέρος να περνάει μέσα από ένα πρίσμα έτσι ώστε ένα φάσμα από διαφορετικές συχνότητες να εξέρχεται από το πρίσμα και να προσπίπτει στο διαμορφωτή. Το φως κάθε συχνότητας προσπίπτει σ ένα διαφορετικό συμπιεσμένο ή αραιωμένο τμήμα του διοξειδίου του τελλουρίου και καθώς περνάει μέσα από αυτό διαθλάται. Η διάθλαση της κάθε συχνότητας είναι διαφορετική, αφού οφείλεται σε διαφορετικές πυκνότητες του υλικού. Το φάσμα τέλος όλων των συχνοτήτων ανασυνθέτεται μετά την έξοδό του από το υλικό σε μια και μοναδική πάλι δέσμη. Με την ανάμειξη της νέας αυτής δέσμης με το τμήμα εκείνο της αρχικής που δεν είχε υποστεί διάθλαση, προκύπτει η ανάδειξη εκείνης της συχνότητας που έχει υποστεί αλλαγές από το ταξίδι της διαμέσου του υλικού και μεταφέρει τις πληροφορίες από τη βάση δεδομένων. Έτσι στην περίπτωση της συσκευής του Walmsley, 50 διαφορετικές συχνότητες φωτός περνάνε μέσα από τον διαμορφωτή, και αν η 20η συχνότητα είναι αυτή που έπαθε τη μεταβολή, τότε γνωρίζουμε ότι το bit της πληροφορίας που αναζητούσαμε βρισκόταν στη θέση 20 της βάσης δεδομένων. Ένας συμβατικός υπολογιστής θα είχε να πραγματοποιήσει 20 ελέγχους για να βρει τη θέση της πληροφορίας. Αν η βάση δεδομένων ήταν ένας τηλεφωνικός κατάλογος, η αναζήτηση ενός συγκεκριμένου αριθμού θα απαιτούσε σε ένα συμβατικό υπολογιστή αρκετά εκατομμύρια ψαξίματα, ενώ μια συσκευή βασισμένη στο φως θα εύρισκε τον αριθμό με μία μόνο φορά. Η ελκυστικότητα της συσκευής έγκειται στο ότι είναι πολύ απλή σε σύγκριση με τους κβαντικούς υπολογιστές. Οι μηχανικοί έχουν εμπειρία δεκαετιών στους ακριβείς χειρισμούς του φωτός. Όλες οι ιδέες που υλοποιούνται στη συσκευή βασίζονται στην κλασσική φυσική του 19ου αιώνα, αν και η τεχνολογία για την εκτέλεση του πειράματος αναπτύχθηκε μόλις τα δέκα τελευταία χρόνια. Η ανάπτυξη της συσκευής δείχνει για μια ακόμη φορά τους στενούς δεσμούς μεταξύ βασικής επιστήμης και σύγχρονης τεχνολογίας. 22

28 1.6 Η ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΟΔΗΓΕΙ ΣΕ ΤΑΧΥΤΕΡΑ CHIPS ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Χρησιμοποιώντας την μοντέρνα κβαντική φυσική, οι επιστήμονες έχουν προσδιορίσει πως μυστηριώδη σωματίδια του φωτός (περιπλεγμένα φωτόνια) θα μπορούν να συμπεριφέρονται με ένα τρόπο, που αλλάζει ριζικά τους συμβατικούς τρόμους της δημιουργίας περισσότερο ισχυρών τμημάτων των υπολογιστών. Ο Johathan Dowling, ερευνητής Φυσικός της NASA στο JPL και συνάδελφοι του από εκεί και από το Πανεπιστήμιο της Ουαλλίας ανακάλυψαν ότι ζεύγη των επονομαζόμενων πεπλεγμένων φωτονίων, ζεύγη φωτονίων που κάτω από συγκεκριμμένες συνθήκες αποτελούν ένα σύστημα, κατέχουν εσωτερικά χαρακτηριστικά που θα επιτρέψουν στους κατασκευαστές να παράγουν chips που βρίσκονται πολύ μακριά από αυτά που επιτρέπουν οι τρέχουσες τεχνολογίες. Οι τεχνικοί χρησιμοποιούν ρεύματα φωτονίων από λέιζερ για να χαράσσουν πάνω στα τσιπ πυριτίου τα τρανζίστορς και τους 'δρόμους ' μέσα από τους οποίους περνούν τα ηλεκτρικά σήματα που αντιστοιχούν στην επεξεργασία δεδομένων. Όσο πιο μικρό είναι το τρανζίστορς τόσο περισσότερα χωρούν σε ένα chip και τόσο πιο γρήγορα εργάζεται. Η μέθοδος αυτή παρασκευής chips ονομάζεται φωτολιθογραφία. Τα περισσότερα μοντέρνα chips (σχ. 1.9) έχουν τρανζίστορς στο μέγεθος των 180 nm, περισσότερο από 400 φορές στενότερα από ότι η ανθρώπινη τρίχα. Αλλά οι κατασκευαστές των chip δεν θα μπορούν να τα φτιάξουν μικρότερα των 124 nm, σύμφωνα με την κύρια αρχή της οπτικής που είναι γνωστή σαν κριτήριο του Rayleigh. Έτσι τα όρια των σημερινών τεχνικών βρίσκονται σε αυτή την περιοχή μεγέθους. Θεωρητικά, αν χρησιμοποιηθούν τα πεπλεγμένα φωτόνια αντί για τα συμβατικά φωτόνια των laser, θα μπορούν να ξεπεράσουν οι τεχνικοί τα όρια των 124 nm, και να φτιαχτούν έτσι τρανζίστορς (σχ. 1.10) μικρότερα από 64 νανόμετρων. 23

29 Σχήμα 1.9 Κβαντικά chip Η/Υ Σχήμα 1.10 Σχηματική παράσταση νανο - τρανζίστορ 24

30 Τα πεπλεγμένα αυτά φωτόνια θα μπορούν να ταξιδεύουν μαζί και να συμπεριφέρονται σαν ένα μοναδικό φωτόνιο, αντί για δύο ξεχωριστά. Αυτό οφείλεται στο ότι τα πεπλεγμένα φωτόνια έχουν ως σύστημα το μισό μήκος κύματος από ότι έχουν ως ατομικά σωματίδια, μία από τις παράδοξες συνέπειες των κβαντικών νόμων. Οι νόμοι της κβαντικής φυσικής δεν επιτρέπουν, όμως, σε μια τέτοια περίπτωση να γνωρίζουμε τη διαδρομή που ακολουθεί το κάθε ξεχωριστό σωματίδιο, το οποίο μπορεί θεωρητικά να ακολουθεί οποιαδήποτε διαδρομή. Το φαινόμενο των πεπλεγμένων φωτονίων ήταν γνωστό αρκετά χρόνια, και έχει αποτέλεσμα να αλληλοεπηρεάζονται από μεγάλη απόσταση τα φωτόνια του ζεύγους, χωρίς να επιδρούν το ένα πάνω στο άλλο μέσω μιας φυσικής δύναμης. Η κβαντική μηχανική ασχολείται με τη φύση των ατομικών και υποατομικών σωματιδίων καθώς και με τα κύματα των στοιχειωδών σωματιδίων. Για παράδειγμα, οι θεωρητικοί φυσικοί της κβαντομηχανικής θεωρούν πως αναμεμιγμένα φωτόνια μπορούν να επηρεάσουν το ένα το άλλο, μια διαδικασία που ο Albert Einstein καλούσε "στοιχειωμένη δράση από απόσταση". 1.7 ΝΑΝΟΜΝΗΜΕΣ Καθώς οι ανάγκες για αποθηκευτικό χώρο στις μικρομεσαίες αλλά και στις μεγαλύτερες επιχειρήσεις συνεχώς πολλαπλασιάζονται, οι σκληροί δίσκοι σύντομα θα πάψουν να αποτελούν ικανή λύση για την κάλυψη του συνόλου των αυξανόμενων αυτών απαιτήσεων. Πολλές επιχειρήσεις αναζητούν νέες λύσεις αποθήκευσης των πολύτιμων δεδομένων τους, καθώς διαπιστώνουν ότι η αγορά περισσότερων και μεγαλύτερων servers αλλά και σκληρών δίσκων δεν "σώζει" την κατάσταση. Συνηθέστερη μέθοδος αποθήκευσης δεδομένων (back-up) σε μικρές επιχειρήσεις είναι η απλή αντιγραφή των αρχείων σε CD και DVD, η εγγραφή τους σε σκληρούς δίσκους διακομιστών (servers) ή σε ταινίες (tapes). 25

31 Οι μέθοδοι αυτές δεν μπορούν να θεωρηθούν οικονομικές, ενώ δεν αρκούν όταν τα προς αποθήκευση δεδομένα απαιτούν πολλά Gigabytes σε χωρητικότητα. Έτσι με την συνεχόμενη μείωση του μεγέθους των μνημών (σχ. 1.11) θα μπορούμε να έχουμε αποθηκευτικές συσκευές (CD, DVD, σκληροί δίσκοι, μνήμες τύπου flash) με μεγαλύτερη αποθηκευτική ικανότητα στο ίδιο μέγεθος ή και ακόμα μικρότερο. Σχήμα 1.11 Κύκλωμα νανο - μνήμης 26

32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ Τα νανοσωματίδια ( nanoparticles ) είναι σωματίδια διαμέτρου μερικών νανομέτρων. Το πιο χαρακτηριστικό παράδειγμα νανοσωματιδίων είναι αυτό της υψηλά διεσπαρμένης ενεργού φάσης ενός στηριζόμενου καταλύτη. Σε τέτοιους καταλύτες όπως θα δούμε και παρακάτω το μέσο μέγεθος ενός μεταλλικού καταλυτικού σωματιδίου μπορεί να ανήκει στη τάξη του νανομέτρου. Τα νανοσωματίδια αυτά συνήθως είναι μεμονωμένοι κρύσταλλοι παρόμοιοι με αυτούς που ανήκουν στο εσωτερικό ενός πολυκρυσταλλικού υλικού. Το μέγεθος αυτών των σωματιδίων καθορίζεται κυρίως από την συνεισφορά της επιφανειακής ενέργειας στην ολική. Καθώς η πιο σταθερή δομή είναι αυτή με τη μικρότερη ενέργεια το σωματίδιο τείνει να αποκτήσει μορφή όπου περιγράφεται από: Α) Όσο το δυνατό μικρότερη επιφάνεια Β) Πλευρές χαμηλής επιφανειακής ενέργειας Μελετώντας ένα υλικό μακροσκοπικά και συνεπώς σαν συνεχές μέσο θα λέγαμε ότι τις προϋποθέσεις αυτές πληρεί η σφαιρική μορφή. Ωστόσο, σε νανομετρικές διαστάσεις δε μπορούμε να αγνοήσουμε τη διακριτή τοποθέτηση των ατόμων στο χώρο (σχ. 2.1). Α) Κυβο-οκταεδρική μορφή Β) Μορφή οκταέδρου Σχήμα 2.1 Τοποθέτηση ατόμων στο χώρο 27

33 Η ενέργεια των επιφανειακών επιπέδων είναι υψηλότερη από αυτή του εσωτερικού καθώς χαρακτηρίζονται από θετική ελεύθερη ενέργεια σχηματισμού. Αυτό το καταλαβαίνουμε εύκολα φανταζόμενοι ένα μακροσκοπικό υλικό το οποίο τεμαχίζεται προκειμένου να δημιουργηθεί μία νέα ελεύθερη επιφάνεια. Θα πρέπει τότε να δοθεί ενέργεια στο σύστημα προκειμένου να σπάσουν οι δεσμοί που συγκρατούσαν το στερεό κατά το επίπεδο όπου εμείς το τεμαχίζουμε. Το πλεγματικό επίπεδο ενός (f.c.c.) μετάλλου με την μικρότερη επιφανειακή ενέργεια είναι η μορφή 111 (σχ. 2.4). Κατασκευάζοντας ένα νανοσωματίδιο με (111) επίπεδα μόνο καταλήγουμε σε μία οκταεδρική μορφή. Ωστόσο αυτή η δομή δεν χαρακτηρίζεται από τη μέγιστη δυνατή επιφάνεια. Αν κόψουμε τις ακμές του οκταέδρου τότε θα πάρουμε μία δομή αποτελούμενη από 8 (111) πλεγματικά επίπεδα και 6 (100) (σχ. 2.2). Τα πλεγματικά αυτά επίπεδα αν και υψηλότερης ενέργειας, συνεισφέρουν κατά τέτοιο τρόπο ώστε το νέο σωματίδιο να χαρακτηρίζεται από μικρότερο λόγο επιφάνειας όγκου. Επομένως μειωμένης συνολικής ενέργειας και αυξημένης σταθερότητας. Η δομή αυτή συνήθως υιοθετείται ως μοντέλο για τα καταλυτικά σωματίδια τα οποία δεν αλληλεπιδρούν ισχυρά με το υπόστρωμα, ώστε να επηρεαστεί η μορφολογία τους. Νανοσωματίδια μπορούν να παρασκευαστούν με πολλές τεχνικές όπως η sol - gel ή η ball milling. Καθώς οι παράμετροι κάθε τεχνικής καθορίζουν την τελική μορφή του νανοσωματιδίου μπορούμε να τα παρασκευάσουμε βελτιστοποιημένα για κάποια συγκεκριμένη χρήση. Όσων αφορά την ενέργεια υδρογόνου, το ενδιαφέρον για τα νανοσωματίδια έγγυται κυρίως στις καταλυτικές τους ιδιότητες για τη χρήση τους σε κυψέλες καυσίμου αλλά και γενικότερα. 28

34 Σχήμα 2.2 STM εικόνα επιφάνειας Si (100) Σχήμα 2.3 STM εικόνα 48 ατόµων Xe σε επιφάνεια Ni (110) Σχήμα 2.4 STM εικόνα 48 ατόµων σιδήρου σε επιφάνεια Cu (111) 29

35 2.2 ΣΥΝΤΟΜΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΝΑΝΟΔΟΜΗΜΕΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Τα νανοϋλικά αποτελούν ιδιαίτερο πεδίο έρευνας τα τελευταία χρόνια. Νανοϋλικά ( nanomaterials ) ονομάζονται τα υλικά των οποίων οι δομικοί λίθοι ανήκουν στην τάξη του νανομέτρου (σχ. 2.5). Σε αυτά τα χαρακτηριστικά οφείλονται και οι ιδιαίτερες ιδιότητες τους, ιδιότητες κατά πολύ ανώτερες αυτών των συμβατικών υλικών που χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο αυτή τη στιγμή στη βιομηχανία. Σχήμα 2.5 Νανοϋλικά 30

36 Στα νανοδομημένα υλικά ή αλλιώς νανοκρυσταλλικά υλικά (nanocrystalline materials ) αναφερόμαστε στο μέγεθος ενός κρυσταλλίτη ή αλλιώς κόκκου ( grain ), ο οποίος αποτελείται από ένα μικρό αριθμό ατόμων. Συνέπεια αυτού είναι ένα μεγάλο ποσοστό (τα μισά ή περισσότερα) αυτών των ατόμων να βρίσκονται στην επιφάνεια του. Από άποψη φυσικής, αυτό κάνει τα φαινόμενα επιφάνειας (φαινόμενα μεταφοράς μάζας, διαμόρφωση επιφανειακών ενεργειακών σταθμών κτλ) να παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη μελέτη των νανοδομημένων υλικών. Όπως είναι λογικό, οι εφαρμογές των νανοϋλικών είναι ανάλογες σε αριθμό των δυνατοτήτων τους. Οι βελτιωμένες ηλεκτρικές, οπτικές, φυσικές, χημικές, μαγνητικές και μηχανικές ιδιότητες τους είναι το κίνητρο για την έρευνα που γίνεται πάνω σε αυτά. Ενώ έχουν αναπτυχθεί πολυάριθμες μέθοδοι, αν και όχι όλες κατάλληλες για την επιθυμητή από τη βιομηχανία μαζική παραγωγή τους. Ένας δεύτερος λόγος που δικαιολογεί το ενδιαφέρον για τα νανοϋλικά είναι ότι η φυσική που τα χαρακτηρίζει διαφέρει ριζικά από αυτήν που στηρίζεται η σύγχρονη βιομηχανία, για παράδειγμα η μικροηλεκτρονική. Απαιτούνται νέες μέθοδοι προσέγγισης, που όμως μόλις πρόσφατα άρχισαν να αναπτύσσονται. Ενδεικτικές χρήσεις των νανοϋλικών είναι, καλύτερα υλικά για υπολογιστές νέας γενιάς, καλύτερα μονωτικά υλικά, κοπτικά εργαλεία, μπαταρίες υψηλής χωρητικότητας, εξαιρετικά ισχυρούς μαγνήτες κτλ. 2.3 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΝΑΝΟΔΟΜΗΜΕΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Καθώς ο όρος "νανοϋλικά" είναι ιδιαίτερα ευρύς καλύπτοντας μία πολύ μεγάλη κατηγορία υλικών δεν μπορούμε να μιλήσουμε για κάποια γενική μέθοδο παρασκευής του. Παρακάτω θα παρουσιαστούν διάφοροι τρόποι παρασκευής, αναφερόμενοι όμως σε συγκεκριμένα υλικά κάθε φορά. Ενδεικτικά, από τις πιο δημοφιλής είναι η λεγόμενη sol - gel synthesis. Ανήκει στην κατηγορία των χημικών μεθόδων και είναι ικανή να παράγει ικανοποιητικά μεγάλες ποσότητες νανοδομημένων υλικών. Να συνθέσει μεγάλο αριθμό υλικών και 31

37 να δώσει μέχρι 99,99% καθαρό προϊόν, ενώ προσφέρει ακριβή έλεγχο πάνω στη δομή του τελικού προϊόντος. Εξίσου χρησιμοποιείται η τεχνική του mechanical alloying (ή ball milling ) κυρίως για να δημιουργήσει μεταλλικά κράματα νανοκρυσταλλικής δομής. Αρχικά τοποθετείται μείγμα σκόνης διαφορετικών στερεών ουσιών σε κατάλληλο κλειστό μηχανισμό ο οποίος εκτελεί ταχεία περιστροφική κίνηση γύρω από έναν ή περισσότερους άξονες. Τότε συνεχείς συγκρούσεις της σκόνης με μεταλλικές μπάλες, λόγω της φυγόκεντρου δύναμης, μεγάλων σχετικά ενεργειών έχει ως αποτέλεσμα να προκύψουν σωματίδια μικρών διαστάσεων αναλογίας ουσιών ίδιας με του αρχικού μείγματος. Ο χώρος συνήθως βρίσκεται σε κενό ή σε αδρανή ατμόσφαιρα. Στην εικόνα (σχ. 2.6) βλέπουμε κάτοψη ενός μηχανισμού ball milling. Το μέγεθος των σωματιδίων εξαρτάται από τη χρονική διάρκεια της κατεργασίας. Για μεγάλους χρόνους παίρνουμε σωματίδια εξαιρετικά μικρών διαστάσεων μέχρι και λίγα νανόμετρα. Με αυτή τη τεχνική είναι δυνατόν να δημιουργηθούν κράματα μη αναμιγνύσιμων μετάλλων. Σχήμα 2.6 ball milling μηχανισμός 32

38 Πλεονέκτημα της είναι η ευκολία της και η μικρή τιμή του εξοπλισμού όπου απαιτεί. Μειονέκτημα αποτελεί η δυσκολία συνένωσης των παραγόμενων σωματιδίων σε μεγαλύτερα στερεά με παράλληλη διατήρηση της νανοδομημένης φύσης τους. 2.4 ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΝΑΝΟΥΛΙΚΩΝ Όπως ήδη αναφέρθηκε τα νανοϋλικά δείχνουν εξαιρετική βελτίωση (ή γενικά, απόκλιση) από τις ιδιότητες των υλικών που αποτελούνται από μεγαλύτερους δομικούς λίθους. Θα αναφερθούμε λίγο πιο αναλυτικά για κάποιες από αυτές ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΝΑΝΟΔΟΜΗΜΕΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Καθώς ο όγκος του κόκκου μειώνεται, αυξάνεται σημαντικά ο αριθμός των ατόμων που βρίσκονται στην επιφάνεια του. Η απόδοση ενός κρυσταλλικού υλικού, κατά κανόνα, όσων αφορά κάποια ιδιότητα του είναι αντιστρόφως ανάλογη του μεγέθους των κόκκων, μέχρι όμως ένα κατώτατο όριο. Μετά από αυτό δεν έχει νόημα πια η έννοια του πολυκρυσταλλικού υλικού αλλά μιλάμε πλέον για άμορφα υλικά. Αυτό γιατί τα περισσότερα ενεργά άτομα και αυτά στα οποία οφείλονται κυρίως οι ιδιότητες τους, είναι τα άτομα που βρίσκονται στην επιφάνεια του κρυσταλλίτη. Τα νανοκρυσταλλικά υλικά παρουσιάζουν πολύ υψηλή σκληρότητα. Για τα νανοκρυσταλλικά μέταλλα κόκκων μεγέθους περίπου 10 nm, για παράδειγμα, μπορεί να παρατηρηθεί από 2 έως και 7 φορές περισσότερη σκληρότητα από μέταλλα με μεγαλύτερους κόκκους μεγέθους (περισσότερο από 1μm ). Εξαίρεση αποτελούν τα λεπτά υμένια ( thin films ) με κόκκους μικρότερους των 6 nm όπου η σκληρότητα μειώνεται καθώς μειώνεται το μέγεθος του κόκκου. 33

39 2.4.2 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΝΑΝΟΔΟΜΗΜΕΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Η πιο χαρακτηριστική χρήση των νανοϋλικών με τέτοιο τρόπο ώστε να εκμεταλλεύονται οι ηλεκτρικές ιδιότητες τους είναι οι νανοσωλήνες άνθρακα, οι οποίοι έχουν ευρεία χρήση στη νανοηλεκτρονική και στην ηλεκτρονική μικροσκοπία. Οι ηλεκτρικές ικανότητες των νανοσωλήνων άνθρακα εξαρτώνται από τη διάμετρο τους και το προσανατολισμό των ανθράκων ως προς τον κεντρικό άξονα τους. Ανάλογα μπορούν και συμπεριφέρνονται ως μεταλλικά ή ως ημιαγώγιμα υλικά. Οι νανοσωλήνες άνθρακα όπως θα δούμε χρησιμοποιούνται και για την αποθήκευση υδρογόνου ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΝΑΝΟΔΟΜΗΜΕΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Από τις πιο σημαντικές ιδιότητες των νανοϋλικών είναι οι μαγνητικές. Η παραμένουσα μαγνήτιση των διφασικών σκληρών/μαλακών μαγνητικών προϊόντων νανοκρυσταλλικής δομής έχει βιομηχανικά πάρα πολλές χρήσεις. Επιπλέον τα νανοκρυσταλλικά ελαφρά μαγνητικά προϊόντα παρουσιάζουν τις μικρότερες απώλειες ενέργειας από οποιοδήποτε άλλο υλικό. Στα νανοϋλικά επίσης μπορούμε να παρατηρήσουμε και το φαινόμενο της γιγαντιαίας μαγνητοαντίστασης (Giant Magnetoresistance ή GMR ) κατά το οποίο η ηλεκτρική αντίσταση ενός υλικού μειώνεται όταν το υλικό εκτεθεί σε μαγνητικό πεδίο. Η ιδιότητα του αυτή αναφέρθηκε πρώτη φορά για πολυστρωματικά λεπτά υμένια ( multilayer thin films ). 34

40 2.4.4 ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΝΑΝΟΔΟΜΗΜΕΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Οι οπτικές ιδιότητες ενός υλικού εξαρτώνται και από το μέγεθος του κόκκου. Ανάλογα λοιπόν με το προς χρήση υλικό και το μέγεθος των κόκκων του μπορεί να επιτευχθούν διαφορετικές τιμές ανακλαστικότητας ή οπτικής διαφάνειας για διαφορετικά μήκη κύματος με συνέπεια πάρα πολλές εφαρμογές ΧΗΜΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΝΑΝΟΔΟΜΗΜΕΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Τέλος πρέπει να αναφερθούμε στη χαρακτηριστική ικανότητα των νανοϋλικών να απορροφούν/αποθηκεύουν μεγάλες ποσότητες υδρογόνου καθώς αντιδρούν φυσικά ή χημικά με αυτό. Αυτό τους δίνει συν τοις άλλοις τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν ως πολύ καλοί καταλύτες σε αντιδράσεις που παίρνει μέρος υδρογόνο, κάτι αρκετά σημαντικό, αφού μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολλές ενεργειακές εφαρμογές όπως η λειτουργία των κυψέλων καυσίμου. Γενικά τα νανοϋλικά, λόγω της μεγάλης επιφάνειας των δομικών λίθων τους (αναφερόμενοι είτε σε κρυσταλλίτες είτε σε νανοσωματιδία) μπορούν να δράσουν καταλυτικά και μάλιστα βέλτιστα σε πάρα πολλές περιπτώσεις. 2.5 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΝΑΝΟΔΟΜΗΜΕΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Όπως εύκολα μπορεί να καταλάβει κάποιος, υλικά με ιδιότητες όπως τις παραπάνω είναι επιθυμητά σε μία πληθώρα εφαρμογών. Αναφέρουμε μερικές ενδεικτικά. Η ταχύτητα των υπολογιστικών συστημάτων είναι αντιστρόφως ανάλογη με το μέγεθος των μικροεπεξεργαστών τους. Ωστόσο με τη σημερινή τεχνολογία το κατώτατο όριο του μεγέθους αυτού δε θα αργήσει να σταματήσει κάθε περαιτέρω βελτίωση. 35

41 Τα νανοϋλικά είναι αυτά που με τη χρήση τους μπορούμε να πετύχουμε το ελάχιστο δυνατό όριο. Επίσης βελτίωση της αποδοτικότητας και μείωση της συχνότητας εμφάνισης λάθους μπορεί να γίνει με τη χρήση καθαρών υλικών όπως τα νανοϋλικά. Δεύτερον, τα νανοκρυσταλλικά υλικά μπορούν να παρασκευαστούν με τέτοιο τρόπο ώστε να καταστούν αρκετά πορώδη για να λειτουργήσουν ως πολύ καλοί μονωτές με τον αέρα να εγκλωβίζεται στα διάκενα του. Τέτοια υλικά δίνει η sol - gel τεχνική που αναφέρθηκε και παραπάνω. Επιπλέον, νανοκρυσταλλικά υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε οπτικές συσκευές που απαιτείται μεγάλη ευκρίνεια. Οι υψηλής ευκρίνειας τηλεοράσεις με χρήση νανοϋλικών αντί για των συμβατικών υλικών που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι ένα παράδειγμα αυτού. Δεύτερο παράδειγμα είναι οι ηλεκτροχρωμικές οπτικές συσκευές των οποίων η φωτεινότητα και χρωματική αντίθεση τους εξαρτάται αποκλειστικά από το μέγεθος του κόκκου του υλικού που χρησιμοποιούν. Με τη χρήση νανοϋλικών μπορούν να παρασκευαστούν, ανθεκτικότερα και σκληρότερα εργαλεία (σχ. 2.7). Σημαντική χρήση τέτοιων εργαλείων αρκετά μικρών διαστάσεων είναι στην κατασκευή μικροηλεκτρικών κυκλωμάτων. Επιπλέον τα προϊόντα της sol - gel τεχνικής αποτελούν άριστα υλικά για την κατασκευή μπαταριών, μεγαλύτερης χωρητικότητας και μικρότερης συχνότητας επαναφόρτισης στην περίπτωση των επαναφορτιζόμενων. Σχήμα 2.7 Σύνθετο νανοεργαλείο 36

42 Οι βελτιωμένες μαγνητικές ιδιότητες αυτών των υλικών μπορούν να δώσουν υψηλής ενέργειας μαγνήτες ώστε να βρουν χρήση σε γεννήτριες ρεύματος και κινητήρες πλοίων. Επίσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή εξαιρετικά ευαίσθητων αναλυτικών όργανα. Τα νανοϋλικά είναι εξαιρετικά ευαίσθητα στις αλλαγές του περιβάλλοντος τους, λόγω του μικρού μεγέθους του κόκκου τους. Χρήση αυτών μπορεί να γίνει για τη βελτίωση των υπαρχόντων αισθητήριων οργάνων. Δεδομένου ότι η αρχή λειτουργίας τους στηρίζεται στη δυνατότητα του ανιχνευτή να αλληλεπιδρά με κάποιο τρόπο με τον περιβάλλον, ώστε μια συνεχώς μετρούμενη ιδιότητα του να αλλάξει. Για παράδειγμα η ηλεκτρονική αγωγιμότητα του, η χημική του σύνθεση ή η χωρητικότητα του κτλ. Στο ίδιο πλαίσιο, νανοαισθητήρες της παραπάνω μορφής μπορούν να αποτελέσουν μέρος ολοκληρωμένων συστημάτων ικανά να συλλέξουν, να επεξεργαστούν και να μεταδώσουν ογκώδη ποσά δεδομένων με ελάχιστο μέγεθος, βάρος και κατανάλωση ενέργειας. Συνεχίζοντας, εκμεταλλευόμενοι τη σκληρότητα των νανοϋλικών μπορούμε να έχουμε ουσιαστική χρήση τους σε αεροδιαστημικές εφαρμογές αφού τα υλικά που χρησιμοποιούνται σήμερα για αυτές τις χρήσεις μπορούν να αντικατασταθούν από άλλα ανθεκτικότερα και ελαφρύτερα. Τα νανοϋλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην κατασκευή κεραμικών τα οποία χαρακτηρίζονται από ιδιαίτερη ευθραυστότητα, δίνοντας κεραμικά εξίσου σκληρά αλλά με πλαστικές ικανότητες. Ακόμα μπορούν να επιτευχθούν υψηλότερες συχνότητες μετάδοσης πληροφορίας με πολλαπλάσιο εύρος ζώνης, καθώς και πιο αποτελεσματική χρήση του οπτικού φάσματος για αυτό το σκοπό, χάρις στις οπτικές ιδιότητες τους. 37

43 2.6 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ (Modelling) ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΥΛΙΚΩΝ ΣΕ ΝΑΝΟΚΛΙΜΑΚΑ Οι διαδικασίες μοντελοποίησης των υλικών περιλαμβάνουν δημοφιλή εργαλεία που αποτελούν ήδη κομμάτι σύγχρονης επιστήμης. Αυτές περιλαμβάνουν τις αναλύσεις finite element (FE), finite difference (FD), fluid dynamics (CFD), και ελαχιστοποίηση ελεύθερης ενέργειας. Όλες αυτές οι διαδικασίες μπορούν να επεκταθούν και να βελτιωθούν. Οι αλλαγές που έχουν συντελεστεί στις διαδικασίες modeling τα τελευταία χρόνια είναι δραματικές. 2.7 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΥΛΙΚΩΝ ΣΚΟΠΟΣ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ Η μοντελοποίηση περιλαμβάνει τις προσεγγίσεις βασισμένες σε υπολογιστή με τις πολύ ποικίλες στρατηγικές, χωρίς να αποκλείονται οι αναλυτικές μέθοδοι. Ο ρόλος του modeling εξαρτάται πολύ από τον τομέα της βιομηχανίας στην οποία θα βρει εφαρμογή. Σχήμα 2.8 Ελεύθερη άρθρωση 38

44 2.7.1 ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΥΛΙΚΩΝ Ποια πρότυπα μπορεί να χρησιμοποιηθούν; Α) Κλασσικές μέθοδοι Μηχανικοί ρευστών και στερεών. FEM, θεωρίες διάχυσης. Θερμοδυναμική. Στατιστική μηχανική. Β) Μεσοσκοπικοί μέθοδοι Θεωρίες συνέχειας κλίσης. Μοριακή δυναμική. Σφιχτές δεσμευτικές μέθοδοι. Γ) Αρχικές μέθοδοι Κβαντική θεωρία, DFT ΤΙ ΜΠΟΡΟΥΝ ΝΑ ΔΙΑΜΟΡΦΩΘΟΥΝ; Υλικά: Μέταλλα, κεραμικά, πολυμερή σώματα, βιολογικά υλικά, νανοδομές μακρο-μοριακή συναρμολόγηση (σχ. 2.10, 2.11, 2.12, 2.13). Σύνθεση: Η σύνθεση και η επεξεργασία, αύξηση λεπτών ταινιών, νανοκατασκευές (σχ.2.8, 2.9), βιομίμηση, αυτο-οργάνωση. Δομές: Κρυσταλλικές, άμορφες, μακρομόρια, κβαντικά σημεία (nanodots). 39

45 Ιδιότητες: Συντελεστές σκληρότητας, τριβολογικής συμπεριφορά, αγωγιμότητας... Φαινόμενα: Ατέλειες και αποτυχίες ορίου διάχυσης επιφάνειας, μέγεθος εξάρτησης και κλιμάκωση νόμων, εξελίξεις μικροδομής. Διάφορες βιομηχανίες (π.χ., η βιομηχανία τροφίμων, ή οι αμυντικές βιομηχανίες) εφαρμόζουν προγράμματα στα οποία χρησιμοποιούνται διάφορες διαδικασίες μοντελοποίησης (modeling). Σχήμα 2.9 Ρουλεμάν Οι διαδικασίες αυτές αποσκοπούν στην ανάλυση, μοντελοποίηση και βελτιστοποίηση διαφόρων παραμέτρων που αφορούν τα υλικά που χρησιμοποιούνται: (α) Είδος του υλικού: Μέταλλα και κράματα μετάλλων, Κεραμικά και γυαλιά, Ημιαγωγοί (πολυστρωματικοί και νανοσυστήματα). Πολυμερή υλικά, Composite υλικά, Μαλακά στερεά (υγρά κρύσταλλα, κολλοειδή) (β) Ιδιότητες: Μαγνητικές, Ηλεκτρικές (μονωτής/διηλεκτρικό, ημιαγωγός, αγωγός, υπεραγωγός) Οπτικές, Θερμικές, Μηχανικές (συντελεστής Young, σκληρότητα, ανθεκτικότητα), Ειδικές ιδιότητες (απόδοση ως αισθητήρα αερίου,καταλύτης) 40