کوچک‌ترین ویولن جهان ساخته شد

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، فیزیکدانان دانشگاه لافبورو در بریتانیا با بهره‌گیری از فناوری پیشرفته نانو، چیزی را ساختند که به گفته‌ی آنها شاید «کوچک‌ترین ویولن جهان» باشد. این ویولن به اندازه‌ای کوچک است که روی پهنای یک تار موی انسان جا می‌گیرد.

به نقل از وبسایت دانشگاه لافبرو، این ویولن از پلاتین ساخته شده و ابعادی برابر با ۳۵ میکرون طول و ۱۳ میکرون عرض دارد. هر میکرون برابر با یک میلیونیم متر است. برای مقایسه باید بدانید که ضخامت موی انسان بین ۱۷ تا ۱۸۰ میکرون و اندازه‌ی جانوران میکروسکوپی محبوب یعنی خرس‌های آبی بین ۵۰ تا ۱۲۰۰ میکرون است.

این ویولن مینیاتوری به‌عنوان یک پروژه آزمایشی برای نمایش توانایی‌های سیستم نانو لیتوگرافی (Nanolithography) جدید این دانشگاه ساخته شد که مجموعه‌ای پیشرفته از فناوری است که به پژوهشگران اجازه می‌دهد ساختار‌هایی در مقیاس نانو بسازند و آن‌ها را بررسی کنند. این سیستم در پروژه‌های تحقیقاتی مختلفی برای شناسایی مواد و ایجاد روش‌های فناورانه جدید مورد استفاده قرار خواهد گرفت؛ موادی که می‌توانند ساخت نسل بعدی ابزار‌های محاسباتی را ممکن سازند.

پروفسور کلی موریسون (Kelly Morrison)، رئیس دپارتمان فیزیک دانشگاه و متخصص در فیزیک تجربی، می‌گوید: درست است که ساخت کوچک‌ترین ویولن جهان ممکن است بازی و سرگرمی به نظر برسد، اما بسیاری از چیز‌هایی که در این فرآیند یاد گرفتیم، واقعا پایه‌گذار تحقیقاتی است که اکنون در حال انجام آن هستیم.

سیستم نانولیتوگرافی ما به ما اجازه می‌دهد آزمایش‌هایی طراحی کنیم که مواد را با روش‌های مختلفی با استفاده از نور، مغناطیس یا برق بررسی کنیم و واکنش آنها را مشاهده کنیم. زمانی که بفهمیم مواد چگونه رفتار می‌کنند، می‌توانیم از آن دانش برای توسعه فناوری‌های جدید استفاده کنیم، چه برای افزایش بهره‌وری محاسباتی و چه برای کشف روش‌های نوین برای استخراج انرژی. اما ابتدا باید علم بنیادی را درک کنیم و این سیستم دقیقا این امکان را فراهم می‌سازد.

چرا ویولن؟

گروه تحقیقاتی این ویولن نانومقیاس را به‌عنوان ارجاعی شوخ‌طبعانه به ضرب‌المثل معروفی ساختند که می‌گوید: می‌تونی صدای کوچک‌ترین ویولن دنیا رو بشنوی که فقط برای تو داره می‌نوازه؟ این عبارت معمولا برای تمسخر شکایت‌های اغراق‌شده یا واکنش‌های بیش‌ازحد نمایشی افراد به‌کار می‌رود. این جمله اغلب با حرکت انگشتانی که انگار دارند یک ویولن کوچک را بین شست و انگشت اشاره می‌نوازند همراه است.

گمان می‌رود این عبارت نخستین بار در تلویزیون در دهه ۱۹۷۰ مطرح شده باشد.

ویولن دانشگاه لافبورو، متاسفانه، یک ابزار موسیقی قابل نواختن نیست، بلکه تصویری میکروسکوپی از یک ویولن است، و با اینکه هیچ مرجع رسمی تاکنون آن را به‌عنوان «کوچک‌ترین ویولن جهان» تایید نکرده، اما می‌توان گفت: واقعا خیلی کوچک است.

این ویولن چطور ساخته شد؟

در مرکز سیستم نانوفناوری دانشگاه لافبورو که یک آزمایشگاه کامل را در بر می‌گیرد دستگاهی به نام نانو فریزور (NanoFrazor) قرار دارد، که یک ابزار پیشرفته برای شکل‌دهی در مقیاس نانو است و توسط شرکت Heidelberg Instruments ساخته شده است. این دستگاه از فناوری لیتوگرافی با پروب حرارتی (thermal scanning probe lithography) استفاده می‌کند؛ در این روش، یک نوک سوزن‌مانند داغ، با دقت بسیار بالا، الگو‌هایی را در سطح نانو ایجاد می‌کند.

پروفسور موریسون با حمایت دکتر نائمی لئو و تکنسین پژوهشی دکتر آرتور کاونی، ابتدا تراشه‌ای کوچک را با دو لایه از ماده‌ای ژل‌مانند به نام resist پوشاندند.

سپس این تراشه در زیر نانو فریزور قرار گرفت که با نوک داغ خود، طرح ویولن را دقیقا روی لایه سطحی ایجاد کرد.

پس از آن، لایه زیرین در معرض ماده‌ای قرار گرفت که قسمت‌های آشکارشده را حل کرد و حفره‌ای به شکل ویولن بر جای گذاشت. بعد از این مرحله، لایه‌ای نازک از پلاتین روی تراشه رسوب داده شد. در نهایت، با شستشو در استون، باقی‌مانده‌های مواد پاک شدند و ویولن نهایی نمایان شد.

تمام این سیستم در یک محفظه بسته با دستکش نگهداری می‌شود، چرا که وجود رطوبت و گردوغبار می‌تواند تحقیق را مختل کند. برای حفظ این شرایط کنترل‌شده، تراشه به‌کمک بازو‌های فلزی کوچک که از بیرون کنترل می‌شوند، بین اتاقک‌ها جابجا می‌شود.

ساخت یک ویولن با این سیستم حدود سه ساعت زمان می‌برد، اما نسخه نهایی پس از چند ماه آزمون و خطا و اصلاح روش‌ها آماده شد.

ویولن تکمیل‌شده، اندازه‌ای کوچک‌تر از یک ذره گردوغبار روی تراشه دارد و تنها با میکروسکوپ قابل مشاهده است.

سیستم نانو لیتوگرافی چگونه تحقیقات جدید را پیش می‌برد؟

در حال حاضر، دو پروژه تحقیقاتی در دانشگاه لافبورو با استفاده از این سیستم در جریان است یکی از آنها پژوهشی درباره جایگزین‌هایی برای ذخیره‌سازی مغناطیسی داده‌ها و دیگری مطالعه‌ای بر اینکه چگونه می‌توان از گرما برای ذخیره‌سازی و پردازش سریع‌تر و کم‌مصرف‌تر داده‌ها استفاده کرد، هستند.

پروفسور موریسون می‌گوید: از میزان کنترل و امکاناتی که این سامانه فراهم می‌کند واقعا هیجان‌زده‌ام. منتظرم ببینم خودم و دیگر پژوهشگران چه چیز‌هایی می‌توانیم با آن بسازیم.

استفاده از گرما برای ساخت ابزار‌های کوچکتر و بهینه‌تر

دکتر نائمی لئو، یکی از دریافت‌کنندگان بورسیه رهبران آینده، در حال استفاده از سیستم نانولیتوگرافی برای بررسی این است که چگونه می‌توان از گرمای کنترل‌شده با دقت بالا برای توسعه نسل بعدی رایانه‌ها استفاده کرد.

یکی از چالش‌های عمده در فناوری دیجیتال امروزی، افزایش بهره‌وری در عین کوچک‌سازی ابزار‌ها و افزایش سرعت پردازش است. یک مشکل کلیدی مدیریت گرماست. دستگاه‌های مدرن مقدار زیادی برق مصرف می‌کنند، و بخش قابل‌توجهی از این انرژی به‌صورت گرما از بین می‌رود. این نه تنها باعث اتلاف انرژی می‌شود، بلکه می‌تواند عملکرد را کاهش داده یا حتی به قطعات حساس آسیب برساند.

اما گرما همیشه چیز بدی نیست. در شرایط مناسب به‌ویژه زمانی که گرما به‌صورت غیر یکنواخت توزیع شود می‌تواند باعث ایجاد اثرات فیزیکی مفیدی شود که می‌توان از آنها برای ذخیره و پردازش داده‌ها به شکل سریع‌تر و کارآمدتر استفاده کرد.

پژوهش دکتر لئو بر روی چگونگی ایجاد و کنترل این شیب‌های دمایی تمرکز دارد، تا ابزار‌هایی جدید، سریع و بهینه توسعه دهد. او قصد دارد این هدف را از طریق ترکیب مواد مغناطیسی و الکتریکی با نانوذرات طراحی‌شده مخصوص که انرژی نور را به گرما تبدیل می‌کنند، محقق سازد.

سیستم نانو لیتوگرافی نقش محوری در این پژوهش دارد و امکان الگودهی دقیق و ادغام چندین ماده و عملکرد مختلف روی یک ابزار را فراهم می‌کند که گامی کلیدی برای ساخت رایانه‌های آینده است.

مواد جدید برای ذخیره‌سازی مغناطیسی داده‌ها

دکتر فاسیِل دژنه (Fasil Dejene) نیز از این سیستم در پروژه‌ای استفاده می‌کند که به بررسی این می‌پردازد که آیا مواد کوانتومی نوظهور می‌توانند جایگزینی کارآمدتر برای فناوری‌های ذخیره‌سازی مغناطیسی کنونی باشند یا خیر.

یکی از نمونه‌های رایج ذخیره‌سازی مغناطیسی داده‌ها، هارد دیسک سنتی است که داده‌ها را در بیت‌های مغناطیسی روی دیسکی چرخان ذخیره می‌کند.

هرچه ابزار‌های حافظه کوچک‌تر می‌شوند، پایداری مغناطیسی هر بیت سخت‌تر حفظ می‌شود. این موضوع، نیاز به حسگر‌های کارآمدتر را افزایش می‌دهد و لزوم مطالعه بر روی مواد جدیدی را نمایان می‌کند که بتوانند در مقیاس نانو عملکرد قابل اعتمادی داشته باشند.

پژوهش دکتر دژنه بررسی خواهد کرد که آیا مواد کوانتومی نوظهور می‌توانند ساخت حافظه‌های مغناطیسی کوچک‌تر، سریع‌تر و قابل‌اعتمادتری را ممکن سازند که نه‌تنها در ذخیره‌سازی داده‌ها کاربرد خواهند داشت، بلکه در فناوری‌های محاسبات الهام‌گرفته از مغز انسان نیز موثر خواهند بود یا خیر.