021-22889554
021-26703715
مشاوره آموزشی رایگان

021-22889554  |  021-26703715 مشاوره آموزشی رایگان

گام بعدی در نانوتکنولوژِی

George Tulevski

The next step in nanotechnology

Nearly every other year the transistors that power silicon computer chip shrink in size by half and double in performance, enabling our devices to become more mobile and accessible. But what happens when these components can't get any smaller? George Tulevski researches the unseen and untapped world of nanomaterials. His current work: developing chemical processes to compel billions of carbon nanotubes to assemble themselves into the patterns needed to build circuits, much the same way natural organisms build intricate, diverse and elegant structures. Could they hold the secret to the next generation of computing?


تگ های مرتبط :

Chemistry, Design, Engineering
بیاید یک مجسمه سازی که مجسمه میتراشد را تصور کینم. او با قلمش (سنگهارا) میتراشد. میکل‌آنژ روش زیبایی برای توصیف داشت، وقتی میگفت: "هر تکه از سنگی مجسمه ایست درون ما، و این وظیفه سنگتراش است که آن را کشف کند." اما چه میشود اگر شما در جهت عکس (گفته میکل‌آنژ) کار کنید؟ نه از تکه سنگی جامد، بلکه از توده ایی از گرد و غبار، به طریقی ار چسباندن میلیون‌ها ذره (غبار) به یکدیگر برای تشکیل یک مجسمه. من میدانم ایده ایی بی معنی است. و شاید غیر ممکن است. تنها راه برای اینکه شما مجسمه ایی به وسیله توده ای از گرد و غبار درست کنید، این است که مجسمه خودبخود ساخته شه باشد.
اگر ما بطریقی بتوانیم میلیون‌ها از این ذرات را وادار کنیم تا کنار یکدیگر برای شکلگیری یک مجسمه، جمع شوند. اما، با این عجیبی که بنظر میرسد، این دقیقا مشکلی است که من در آزمایشگاهم بر روی آن کار میکنم. من (اشیا را) با سنگ نمیسازم، بلکه من با نانو مواد اینکار را میکنم. آنها بطرز غیر ممکنی کوچک و اشیای کوچک شگفت انگیزی هستند. اگر این کنترل(در دستم) یک نانو ماده می بود خیلی کوچک می بود، بطوری که موی انسان در مقایسه با آن ، به اندازه کل این سالن سخنرانی میشد. و این موضوع اصلی بحثی است که ما آن را نانو تکنولوژی می نامیم، که مطمئنم ما همه در مورد آن شنیده ایم، و همه شنیده ایم که چگونه این (تکنولوژی) همه چیز را دگرگون خواهد کرد.
میدونید، وقتی من دانشجوی کارشناسی ارشد بودم، یکی از هیجان انگیز ترین زمان‌ها برای کار بر روی نانو تکنولوژی بود. هر لحظه یک پیشرفت غیر منتظره ایی صورت میگرفت. کنفرانس های (علمی) پرهیاهو بودند، مبالغ هنگفتی از طرف سازمان های مالی (برای تحقیقات) جاری میشد. و علت این بود وفتی اشیا بسیار کوچک میشوند، آنها با (قوانین) فیریکی متفاوتی از قوانین اشیای معمولی ، کنترل میشوند، شبیه چیزی که ما با آن سروکار داریم. ما این (قوانین را)، مکانیک فیزیک کوانتوم مینامیم. و چیزی که میگوید این است که شما میتوانید رفتار آنها را دقیقا کوک کنید فقط با یک تغییرکوچک ظاهری در آنان،
مثل اضافه یا حذف کردن یک تعداد انگشت شماری از اتم ها، یا پیچاندن مواد. این شبیه ابزاری همه جانبه است. شما واقعا قدرت را احساس میکنید؛ شما احساس میکنید هرچیزی را میتوانید بسازید ما انجامش دادیم. -- منظورم از ما، کل دانشجویان فوق لیسانس نسل من است. ما در تلاش بودیم که کامپیوتر های فوق سریع را توسط نانو موادها بسازیم. ما نقاط کوانتومی را ساختیم که روزی میتوانند به بدنتان بروند و در پیداکردن و مبارزه با بیماری به کار آیند. حتی گروهی نیز در تلاشند آسانسوری برای (سفر) به فضا توسط نانو لوله های کربن، بسازند. شما میتونید در این باره جستجو کنید، حقیقت داره.
به هر طریقی، ما فکر میکنیم این تاثیر خواهد گذاشت در تمامی قسمت‌های علم و تکنولوژی، از محاسبات کامپیوتری تا پزشکی. و من این (تحول در تکنولوژی را)می پذیرم. من به طور تمام و کمال این تکنولوژی را پذیرفته ام. (اصطلاح) (تاکید بیشتر بر اصطلاح) اما این ۱۵ سال قبل بود، و -- علمی شگفت انگیز به بار نشست، کاری بسیار مهم بود. ما چیز های زیادی آموختیم. ما هیچ وقت قادر به ترجمه این علم به تکنولوژِی جدیدی نبودیم به تکنولوژی که بتواند عملاً در (زندگی) مردم تاثیر بگذارد. و دلیل اینه که، این نانو موادها، شبیه شمشیر دولبه است.
چیز مشابهی که این ها را بسیار جالب کرده، اندازه کوچکشان است. که همچنین (این ویژگی) آنها را برای کارکردن ناممکن کرده است این عیناً مانند ساختن مجسمه از توده ایی از گرد و غبار است. و ما ابزاری به اندازه کافی کوچک برای کار با آنها نداریم. اما حتی این ابزار را میداشتیم، خیلی مهم نبود، چون ما نمیتوانیم میلیون ها ذره را یک به یک کنار یکدیگر برای ساخت تکنولوزی قرار بدیم پس بنابر آن، تمامی وعده ها و تمامی هیجان ها فقط در این (کلمات) خلاصه شده: وعده و هیجان. ما هیچ نانو رباتی برای مبارزه با بیماری ها نداریم، هیچ آسانسوری برای سفر به فضا نیست،
و چیزی که بسیار به آن علاقه مندم،هیچ مدل جدیدی از محسابات کامپیوتری وجود ندارد. بنابراین آخرین مشکل، مهمترین تکه این ماجراست. ما فقط میتونیم منتظر پیشرفت نامحدود سرعت محاسبات باشیم. ما تمام اقتصاد را بر پایه این ایده بنا نهاده ایم. و این پیشرفت وجود دارد بدلیل قابلیت ما در جای دادن قطعات بیشتری درون یک تراشه کامپیوتری. و هرچه این قطعات کوچکتر میشوند، آنها سریعتر میشوند، مصرف(انرژی) کمتری دارند و ارزان تر میشوند. و این هدف مشترک ما است که به ما سرعت (پیشرفت) غیرقابل توصیفی میدهد. به عنوان مثال:
اگر ما به کامپیوتری که به اندازه یک اتاق بود، و سه نفر را به ماه برد و بازگرداند(فضاپیمای آپولو) نگاه کنیم و به طریقی آن را فشرده کنیم، قویترین کامپیوتر آن زمان را فشرده کنیم، با اندازه تلفن همراه شما برابری خواهد کرد، تلفن هوشمند فعلی تان، چیزی که شما فقط ۳۰۰ دلار به آن داده اید، و هر دوسال یکبار بیرونش میندازید، تمام این چیز ها را از شکست میدهد. شما نباید تحت تاثیر قرار بگیرید. اون هرچیزی که تلفن همراه شما انجام میده رو هم نمیتونه انجام بده. بلکه،کندتر خواهد بود. شما هرچیزی را نمیتونید درون آن کامپیوتر بریزید، شما احتمالا فقط میتونید دو دقیقه اول
سریال مردگان متحرک را ذخیره کنید، البته اگر خوش شانس باشید. (خنده) هدف این پیشرفت است، پیشرفتی که تدریجی نیست. پیشرفی که بی امان است. بصورت نمایی است. و سال به سال (تابع پیشرفت نمایی آن) پیچیده تر میشود، به هدفی که در آن اگر شما مقایسه کنید یک تکنولوژی از نسل قبل را با تکنولوژی (نسل جدید)، تقریباً غیر قابل تشخیص خواهد بود. و ما ادامه این روند پیشرفت را بر خود بدهکاریم. ما میخواهیم همین چیز را از ۳۰ , ۲۰ , ۱۰ سال قبل تا الان بگوییم: به کارهایی که در ۳۰ سال گذشته انجام داده ایم،نگاه کنید. هنوز هم ما میدانیم شاید این پیشرفت برای همیشه باقی نماند.
در حقیقت، جشن شادی در حال فروکش کردن است. شبیه "آخرین شانس برای گرفتن الکل" میباشد، درسته؟ اگر شما بدقت نگاه بندازید، به بسیاری از مولفه ها همچون سرعت و کارایی، پیشرفت در حال آهسته شدن برای توقف می باشد. بنابراین اگر ما میخواهیم این جشن را ادامه دهیم، ما باید چیزی را که همیشه میتوانیم انجام دهیم را بکار بگیریم، و این نوآوری است. بنابراین وظیفه و ماموریت گروه ما نوآوری در بکارگرفتن لوله های نانو کربنی می باشد، چون ما فکر میکنیم آنها مسیری برای ادامه این سرعت پیشرفت فراهم میکنند. آنها شبیه اسم خود هستند. آنها لوله های حفره دار اتم کربنی بسیار کوچکی هستند،
و اندازه نانومقیاس انان، با خواص الکترونیکی برجسته ایی که دارند، به آنها اجازه ترقی میدهد. و علم به ما میگوید، اگر ما بتوانیم از آنها در محاسبات کامپیوتری استفاده کنیم، ما شاهد بهبودی در عملکرد تا ده برابر خواهیم بود. آین همانند پرش از چندین نسل تکنولوژی در یک قدم می باشد. پس ما اون رو داریم. ما این مشکل بسیار مهم رو داریم و ما هچنین راه حل ایده عال بنیادی رو داریم. علم در حال فریاد به ماست، "و این چیزی است که شما باید برای حل مشکلتان انجام دهید." پس،خیلی خوب، بیاید شروع کنیم، بیاید انجامش بدیم. اما شما مستقیم بسمت آن شمشیر دولبه برمیگردید.
این "راه حل ایده آل" شامل موادی است که کارکردن با آن ناممکن است. ما باید میلیاردها از آنها را برای ساخت تنها یک تراشه کامپیوتری جا بدهیم. و این همان معماست، شبیه مشکل فنا ناپذیر ماست، و در این لحظه ما میگوییم، "بیایید بایستیم، بیایید از همان جاده پایین نرویم. بیایید، بفهمیم چه چیزی را از دست داده ایم. با چه چیزی ما سرکار نداریم؟ چه کاری را نکردیم که نیاز بود بکنیم؟" این شبیه "فیلم پدرخوانده" است، درسته؟ وقتی فرِیدو به برادرش مایکل خیانت کرد، ما همه میدانیم چه چیزی نیاز به انجام دادن است. منظورم اینه، فرِیدو باید بره.
(خنده) اما مایکل -- سر میدواند. درنهایت، من فهمیدم، مادرشان هنوز زنده است، (با اینکار) مادرش را ناراحت میکند. ما گفتیم، "در مشکل ما فرِدو چیست؟ با چه چیزی ما سرکار نداریم؟ چه چیزی را انجام نمی دهیم، اما نیاز است تا انجام بگیرد تا این پیشرفت را بسازد؟" و پاسخ این است، آن مجسمه باید خودش ساخته شود. ما باید روشی پیدا کنیم، به طریقی، برای وادار کردن و متقاعد کردن میلیون ها از آن ذرات تا خودشان را درون تکنولوژی جمع کنند. ما اینکار رو برایشان نمیتونیم انجام بدهیم. آنها باید خودشان اینکار رو بکنن.
و این راه سختی است که پیش پاافتاده نیست، اما در این مورد، این تنها راهه. اکنون که این موضوع معلوم شد، این مشکلی تاکنون دیده نشده ایی نیست. ما هیچ چیزی را از این راه نمیسازیم. مردم نیز هیچ چیزی را از این راه نمیسازند. اما اگر شما به اطرافتان نگاه کنید، هرجا مثالی برای این (روش) است. طبیعت مادرانه، همه چیز را از این راه میسازد. همه چیز از ابتدا تا انتها ساخته میشود. شا میتونید به ساحل بروید، شما این موجودات ساده را که از پرونئین ها استفاده میکنند، پیدا خواهید کرد. اساساً مولکول ها به چیزی که اساساً شن و ماسه است شکل میدهند،
فقط با برداشتن آن ها از دریا، و ساختن این معماری های خارق العاده با تنوعی فوق العاده زیاد. طبیعت همانند ما خام نیست، فقط با تلاش در بهینه کردن. طبیعت زیبا و هوشمند است، با هرچیزی که دردسترس است میسازد، مولکول به مولکول آن را، ساختار ها را با یک پیچیدگی و تنوعی میسازد که ما حتی نزدیکش هم نمیتوانیم بشویم. و طبیعت درحال حاضر از نانو است. و او از صدها میلیون سال پیش همینگونه بوده است. ما کسی هستیم که از نانو بودن عقب مانده ایم. بنابراین ما تصمیم گرفتیم از ابزار های مشابهی که طبیعت استفاده میکند، سود ببریم، و آن شیمی است.
علم شیمی ابزار فراموش شده است. و شیمی در این مورد کار میکند چون این اشیای نانو مقیاس در حدود اندازه مولکول ها هستند، ما میتوانیم از این علم برای هدایت این اشیا به جای مشخصی استفاده ببریم، بسیار شبیه یک ابزار. این دقیقاً همان کاریست که ما در آزمایشگاهمان انجام داده ایم. ما شیمی را توسعه داده ایم که به سمت توده ایی از گرد غبار میرود، بسمت توده ایی از نانو ذرات ها، و دقیقا همان چیزی را که ما میخواهیم بیرون میدهد. پس ما واقعا میتوانیم از شیمی برای نظم دادن دادن به میلیون ها ذرات (نانو) به الگویی که ما برای ساخت مدارهای (منطقی تراشه) نیاز مندیم، استفاده کنیم. و چون ما میتونیم آن را انجام بدیم،
ما میتوانیم مدارهایی طراحی کنیم که خیلی سریعتر هستند از آنچه که هرکسی قبلاً با نانو مواد قادر به ساخت آنها بود. علم شیمی ابزار گمشده است، و هر روز ابزار ما برجسته تر و دقیق تر میشود. و بالاخره، امیدواریم در سالهای انگشت شمار بعدی بتوانیم یکی از وعده های اصلی خود را ارائه بدهیم. اکنون، محاسبات کامپیوتری فقط یک مثال است. آن چیزی است که من بدان علاقمندم، که گروه من بر رویش سرمایه گذاری نموده است، اما کاربرد های دیگری در انرژی ها تجدید پذیر، در پزشکی، در مواد ساختاری، هرچایی که علم به شما میگوید به سمت نانو پیشرفت کن.
آن جایی است که بزرگترین سودش را دارد. اما اگر ما برویم تا آن را انجام دهیم علم امروز و فردا نیاز خواهند داشت به ابزار های جدیدی ابزارهایی شبیه انچه که من توضیح دادم. و آنها به شیمی نیازمند خواهند بود. آن هدف است. زیبایی علم در اینست که هنگامی که شما ابزار های جدیدی را توسعه میدهید، آنها باقی میمانند. آنها برای همیشه باقی میمانند، و هرکسی در هرجایی میتواند آنهارا برداشته و از آنها استفاده کند، و در ارائه وعده های نانو تکنولوژی کمک کند. بسیار ممنونم بخاطر وقتتان. من قدرش رو میدونم. (
Let's imagine a sculptor building a statue, just chipping away with his chisel. Michelangelo had this elegant way of describing it when he said, "Every block of stone has a statue inside of it, and it's the task of the sculptor to discover it." But what if he worked in the opposite direction? Not from a solid block of stone, but from a pile of dust, somehow gluing millions of these particles together to form a statue. I know that's an absurd notion. It's probably impossible. The only way you get a statue from a pile of dust is if the statue built itself --
if somehow we could compel millions of these particles to come together to form the statue. Now, as odd as that sounds, that is almost exactly the problem I work on in my lab. I don't build with stone, I build with nanomaterials. They're these just impossibly small, fascinating little objects. They're so small that if this controller was a nanoparticle, a human hair would be the size of this entire room. And they're at the heart of a field we call nanotechnology, which I'm sure we've all heard about, and we've all heard how it is going to change everything.
When I was a graduate student, it was one of the most exciting times to be working in nanotechnology. There were scientific breakthroughs happening all the time. The conferences were buzzing, there was tons of money pouring in from funding agencies. And the reason is when objects get really small, they're governed by a different set of physics that govern ordinary objects, like the ones we interact with. We call this physics quantum mechanics. And what it tells you is that you can precisely tune their behavior just by making seemingly small changes to them,
like adding or removing a handful of atoms, or twisting the material. It's like this ultimate toolkit. You really felt empowered; you felt like you could make anything. And we were doing it -- and by we I mean my whole generation of graduate students. We were trying to make blazing fast computers using nanomaterials. We were constructing quantum dots that could one day go in your body and find and fight disease. There were even groups trying to make an elevator to space using carbon nanotubes. You can look that up, that's true.
Anyways, we thought it was going to affect all parts of science and technology, from computing to medicine. And I have to admit, I drank all of the Kool-Aid. I mean, every last drop. But that was 15 years ago, and -- fantastic science was done, really important work. We've learned a lot. We were never able to translate that science into new technologies -- into technologies that could actually impact people. And the reason is, these nanomaterials -- they're like a double-edged sword.
The same thing that makes them so interesting -- their small size -- also makes them impossible to work with. It's literally like trying to build a statue out of a pile of dust. And we just don't have the tools that are small enough to work with them. But even if we did, it wouldn't really matter, because we couldn't one by one place millions of particles together to build a technology. So because of that, all of the promise and all of the excitement has remained just that: promise and excitement. We don't have any disease-fighting nanobots,
there's no elevators to space, and the thing that I'm most interested in, no new types of computing. Now that last one, that's a really important one. We just have come to expect the pace of computing advancements to go on indefinitely. We've built entire economies on this idea. And this pace exists because of our ability to pack more and more devices onto a computer chip. And as those devices get smaller, they get faster, they consume less power and they get cheaper. And it's this convergence that gives us this incredible pace.
As an example: if I took the room-sized computer that sent three men to the moon and back and somehow compressed it -- compressed the world's greatest computer of its day, so it was the same size as your smartphone -- your actual smartphone, that thing you spent 300 bucks on and just toss out every two years, would blow this thing away. You would not be impressed. It couldn't do anything that your smartphone does. It would be slow, you couldn't put any of your stuff on it, you could possibly get through the first two minutes
of a "Walking Dead" episode if you're lucky -- (Laughter) The point is the progress -- it's not gradual. The progress is relentless. It's exponential. It compounds on itself year after year, to the point where if you compare a technology from one generation to the next, they're almost unrecognizable. And we owe it to ourselves to keep this progress going. We want to say the same thing 10, 20, 30 years from now: look what we've done over the last 30 years. Yet we know this progress may not last forever.
In fact, the party's kind of winding down. It's like "last call for alcohol," right? If you look under the covers, by many metrics like speed and performance, the progress has already slowed to a halt. So if we want to keep this party going, we have to do what we've always been able to do, and that is to innovate. So our group's role and our group's mission is to innovate by employing carbon nanotubes, because we think that they can provide a path to continue this pace. They are just like they sound. They're tiny, hollow tubes of carbon atoms,
and their nanoscale size, that small size, gives rise to these just outstanding electronic properties. And the science tells us if we could employ them in computing, we could see up to a ten times improvement in performance. It's like skipping through several technology generations in just one step. So there we have it. We have this really important problem and we have what is basically the ideal solution. The science is screaming at us, "This is what you should be doing to solve your problem." So, all right, let's get started, let's do this.
But you just run right back into that double-edged sword. This "ideal solution" contains a material that's impossible to work with. I'd have to arrange billions of them just to make one single computer chip. It's that same conundrum, it's like this undying problem. At this point, we said, "Let's just stop. Let's not go down that same road. Let's just figure out what's missing. What are we not dealing with? What are we not doing that needs to be done?" It's like in "The Godfather," right? When Fredo betrays his brother Michael, we all know what needs to be done.
Fredo's got to go. (Laughter) But Michael -- he puts it off. Fine, I get it. Their mother's still alive, it would make her upset. We just said, "What's the Fredo in our problem?" What are we not dealing with? What are we not doing, but needs to be done to make this a success?" And the answer is that the statue has to build itself. We have to find a way, somehow, to compel, to convince billions of these particles to assemble themselves into the technology.
We can't do it for them. They have to do it for themselves. And it's the hard way, and this is not trivial, but in this case, it's the only way. Now, as it turns out, this is not that alien of a problem. We just don't build anything this way. People don't build anything this way. But if you look around -- and there's examples everywhere -- Mother Nature builds everything this way. Everything is built from the bottom up. You can go to the beach, you'll find these simple organisms that use proteins -- basically molecules --
to template what is essentially sand, just plucking it from the sea and building these extraordinary architectures with extreme diversity. And nature's not crude like us, just hacking away. She's elegant and smart, building with what's available, molecule by molecule, making structures with a complexity and a diversity that we can't even approach. And she's already at the nano. She's been there for hundreds of millions of years. We're the ones that are late to the party. So we decided that we're going to use the same tool that nature uses,
and that's chemistry. Chemistry is the missing tool. And chemistry works in this case because these nanoscale objects are about the same size as molecules, so we can use them to steer these objects around, much like a tool. That's exactly what we've done in our lab. We've developed chemistry that goes into the pile of dust, into the pile of nanoparticles, and pulls out exactly the ones we need. Then we can use chemistry to arrange literally billions of these particles into the pattern we need to build circuits. And because we can do that,
we can build circuits that are many times faster than what anyone's been able to make using nanomaterials before. Chemistry's the missing tool, and every day our tool gets sharper and gets more precise. And eventually -- and we hope this is within a handful of years -- we can deliver on one of those original promises. Now, computing is just one example. It's the one that I'm interested in, that my group is really invested in, but there are others in renewable energy, in medicine, in structural materials, where the science is going to tell you to move towards the nano.
That's where the biggest benefit is. But if we're going to do that, the scientists of today and tomorrow are going to need new tools -- tools just like the ones I described. And they will need chemistry. That's the point. The beauty of science is that once you develop these new tools, they're out there. They're out there forever, and anyone anywhere can pick them up and use them, and help to deliver on the promise of nanotechnology. Thank you so much for your time. I appreciate it. (Applause)