دانلود مقاله نانو تکنولوژی و الکترونیک بیومولکولی

چکیده تجربه پیشرفت‌های سریع در دو دهه اخیردر بیو تکنولوژی, الکترونیک و سیستم‌های کامپیوتری فرصت‌های جدیدی را در اختیار بشر قرار داده است تا با به اشتراک گذاشتن آنها پیشرفت‌های تکنولوژیکی جدیدی را فراهم سازد.

نانوتکنولوژی از تلاقی این حرکت‌ها حاصل آمده است یکی از موضوعات اصلی در نانوتکنولوژی نانوالکترونیک است که به دو بخش الکترونیک مولکولی والکترونیک بیومولکولی تقسیم می‌شود.

در الکترونیک بیومولکولی هدف بر این اصل استوار است که امکان ایجاد سیستم‌ها و کامپیوترهای مختلف در اثر اختلاف مبانی فیزیک و ریاضی با دانستنی‌های زیست شناسی به‌وجود آید.

واژه‌های کلیدی: نانوتکنولوژی, نانوالکترونیک, الکترونیک بیومولکولی, الکترونیک مولکولی مقدمه هرچیزی که درپیرامون ما قرار دارد از اتم‌ها ساخته شده است یعنی می‌توانیم اتم‌ها را به نوعی کوچکترین واحد سازنده مواد بنامیم.ازعصر حجر گرفته تا اعصار بعد از آن(مس، برنزوآهن)که پشت سرهم در زمانهای مختلف پدید آمده‌اند و در حال حاضر هم که عصر سیلیکون‌ها در جریان است بشر را همواره متوجه این مسأله کرده است که چگونه و با چه اصولی میلیاردها اتم در کنارهمدیگر قرارمی‌گیرند و بطورهم زمان‌‌‌، یک شکل ومدل خاصی را ایجاد می‌کنند تا شی‌ ماکروسکوپیک به‌وجود آید.حتی در حال حاضر در دنیای پیشرفته میکروالکترونیک یک تراشه کامپیوتر با بالاترین تکنولوژی وکوچکترین حجم وقتی با یک اتم مقایسه می‌شود مثل یک کوهستان در مقابل یک خرده سنگ است.

تکنولوژی حاصل از قرن بیستم شاید درحال حاضر خیالی باشد ولی حالت واقعی به خود می‌گیرد وقتی که تصور کنیم در قرن بیست ویکم بشر قادر خواهد بود اجسامی در بالاترین سطح از نظر کیفیت کنترلی تولید کند که حدحسایست آنها هم اتمی باشد.

طبیعت برای میلیون‌ها سال است که این نقش را با ظرافت کامل انجام می‌دهد ومصالح ساختمانی را با دقت اتمی در کنار هم قرار می‌دهد.

هر موجود زنده‌ای از سلول‌هایی ساخته شده است که مملو از نانو ماشین‌هایی[1] همچون پروتئین‌ها، DNA، RNAوغیره می‌باشند.

و هر کدام از این نانوماشین‌ها مجموعه‌ای از مولکولها و اتم‌ها هستند که تغییر در جایگاه هر کدام از آنها می‌تواند باعث خسارت واختلال در عملکردشان شوند.

نانوتکنولوژی، علم ساختن مجموعه‌هایی همانند ماشینها، غذاها، خانه‌ها وسفینه‌های فضایی می‌باشد که با تجمع وجای گیری مناسب اتم‌ها ومولکولها به وجود می‌آیند.

با اتحاد فرآورده‌ها و معلومات شیمی وتوانایی‌های مهندسی و ماشین‌های خود سامان ده خودساز،امکان تولید کالاهای مورد نیاز در زندگی روزمره از مواد خام ارزان قیمت فراهم می‌شود.

شکل1.

شماتیک از نحوه قراردادن اتم‌ها در کنار همدیگر نانوتکنولوژی، علم دستکاری مولکولی واتمی می‌باشد.

به عبارت‌ساده‌تر، اجزای ساختاری یک مجموعه را از حد اتم یا مولکول برنامه‌ریزی می‌کند.یک نانو متر 9-10 متر است (عرض 3 یا 4 اتم) واگر بخواهیم آ‎ن را خوب تجسم کنیم می‌توانیم یک توپ فوتبال را در اندازه جهان تصور کنیم.

در این صورت، اتم‌های آن قابل رویت خواهند بود و هر کدام از اتم‌ها در اندازه یک حبه انگور مشخص و نمایان خواهند شد.

نانو‌تکنولوژی را می‌توان یک اتقلاب بزرگ در ساختن مجموعه‌ها نامید که بشر را می‌تواند در نیمه اول قرن بیست و یک به خود مشغول سازد.

نانو‌تکنولوژی با به کارگیری اطلاعات فیزیک،شیمی ومهندسی، اشیا را اتم به اتم ومولکول به مولکول خواهد ساخت وفراگیری فوت‌وفن آن باعث خواهد شد که شما با مهارت و بدون نقض هیچ کدام از قوانین جاری در فیزیک، مکانیک مولکولی و مکانیک کوانتوم اتم‌ها را هر جا که نیاز دارید قرار بدهید.نانوتکنولوژی به خوبی خصوصیات فیزیکی شناخته شده اتم‌ها و مولکولها را برای ساختن دستگاههای جدید با خصوصیات خارق‌العاده به‌کار می‌برد.

همانطور که اشاره شد، زمینه‌‌های فعالیتی نانوتکنولوژی وسیع بوده و می‌تواند حوزه‌های مختلف عملی را زیر پوشش قرار دهد و اگر بخواهیم یک جمع بندی کلی از حوزه فعالیتهای نانوتکنولوژی داشته باشیم می‌توانیم به موارد زیر اشاره کنیم: 1.

نانوالکترونیک[2] و تکنولوژی اطلاعات.

2.

مدیریت وسرپرستی مدل‌سازی[3] وشبیه‌سازی[4] ساختارها و فرایندهایی در اندازه نانو.

3.

توسعه روش‌ها ودستگاههای آزمایشگاهی برای اندازه‌گیری خصوصیات کمّی‌ و کیفی در حد نانومتری.

4.

ارتباط بازیست‌شناسی (ساختارهای زیستی‌وسیستمهایی با الگوهای زیستی) –نانوبیوتکنولوژی[5] - 5.

سنتز، سامان دهی و توسعه مواد نانوساختاری[6] با طراحی.

6.

معماری وطراحی دستگاه ها وسیستم ها.

نانوالکترونیک [16] تقریباً از 40سال پیش یک رشد بسیار زیادی در کامپیوترهای الکترونیکی شروع شده است که باگذشت زمان قدرت آنها نسبت به حالت های اولیه آن بسیار زیادتر می‌شود و در همین حین نیز از حجم ترانزیستورها[7] کاسته می‌شود.

با وجود این قوانین مکانیک کوانتوم، محدودیت تکنیک‌های‌ ساخت وساز ممکن است به زودی ازکاهش بیش از این، از لحاظ اندازه در ترانزیستورهای FET [8] معمولی جلوگیری شود.

بیشتر تحقیقات در پروژه‌های الکترونیکی نسل آینده در مدت 10 تا15 سال حول ‌وحوش این مسأله خواهد بود که کوچک‌ترین اندازه ممکن ترانزیستور را تولید‌کنند که حجم آن از250 نانومتربه 100 نانومتر کاهش پیداکند، دستگاه‌هایی که تولید آنها پرهزینه وبسیار مشکل خواهد بود.

به این ترتیب، کوچک‌سازی[9] عناصر مدارها و جریانات تا به حد نانومتری حتی در اندازه مولکولی،محققان را به سمتی سوق می‌دهد که در جهت افزایش قدرت وکارآیی ترانزیستورها، خیلی خیلی بیشتر از حالت معمول فعالیت و تحقیق کنند.

این دستگاه‌های الکترونیکی نانومتری جدید (نانوالکترونیک) می‌توانند در دو حالت سویچ[10] وآمپلی‌فایر[11] ایفای نقش کنند (همانند ترانزیستورهای امروزی).

با وجود این، برعکس FETهای امروزی که عمل آنها براساس جابه‌جایی اجرام الکترون‌ها در حجم ماده می‌باشد دستگاه‌های جدید براساس پدیده مکانیک کوانتومی عمل می‌کنند و در اندازه نانومتری ظاهر می‌شوند.

با توجه به سیر حرکتی نانوالکترونیک که شیب خطی مثبتی را در جهت کوچک سازی دستگاه‌های الکترونیکی طی می‌کند زمینه‌های مختلف تحقیقاتی نیز برحسب نیاز در آن ایجاد شده و یا ایجاد خواهد شد.

برهمین اصل، به دو حیطه فعالیتی نانوالکترونیک که مرتبط با زمینه‌های تحقیق در بیوفیزیک می‌باشد اشاره می‌کنیم: الکترونیک مولکولی[12] واژه الکترونیک مولکولی شاید برای اولین بار در سال 1980 به‌طور جدی به‌کار گرفته شد.

درست است که سال‌های قبل از آن نیز دانشمندان زیادی در فرآیندهای الکترونیکی در سطوح مولکولی این واژه را به کار برده بودند با وجود این تازمانی که نانوتکنولوژی ظهورنکرده بود وساختمان مولکولی و دستگاه‌هایی با قدرت تفکیک اتمی شناخته‌نشده بودند نیازی به الکترونیک مولکولی احساس نمی‌شد.

اما با ظهور اینها، الکترونیک مولکولی به عنوان یکی از شاخه‌های جدید علم شناخته شد.

این واژه بعضی وقت‌ها برای تعریف یک کلاس جدید از دستگاه‌هایی با تفکیک مولکولی به‌کار برده می‌شود (مانند STMیا یک روش مانند Langmuir-Blodgett).

پیشرفت الکترونیک مولکولی بسیارمحسوس است.

اگر یک نمودار در نظر بگیرید که مؤلفه اندازه بر حسب زمان باشد یک حالت پیوسته‌ای از کوچک سازی را مشاهده می‌کنیم برحسب اینکه محور اندازه لگاریتمی می‌باشد.

]17[ نمودار1.

کاهش اندازه با زمان اگر بخواهید همان مسیر حرکتی را به سمت کوچک‌سازی ادامه دهید در این صورت به ترکیباتی خواهید رسید که اندازه‌ای در حدود1nm دارند با این شرط که اندازه هر اتم حدود 2/.

یا 3/.

نانومتر است پس چنین ترکیباتی دارای کمترین تعداد اتم می‌باشند واگر این توانایی در دسترسی به اتم‌ها را به‌دست آوریم به‌طور حتم شیمیدانها می‌توانند با توجه به نوع عملکردی که از یک سیستم انتظار دارندآن را طراحی کنند.

در این مسیر ما به یک فاز جدیدی از الکترونیک و شیمی می‌رسیم که اصطلاحاً الکترونیک مولکولی نامیده می‌شود.

]17[ برای اینکه قادر باشیم مولکول‌ها را در الکترونیک آینده به‌کار ببریم بایستی هرچیزی از الکترونیک نیمه‌‌هادی حالت - جامد موجود به اندازه مناسب کوچک شود.این شامل همه اجزا همچون اتصال سیم‌ها نیز می‌باشد بنابراین ضرورت دارد سیم‌های مولکولی نیز از همان نوع ساخته شوند.

یکی از جالب‌ترین گروه مولکول‌ها برای این منظور، زنجیره‌های حلقوی بنزن‌آروماتیک مانند پلی‌فنیلین‌ها،[13] پلی‌پورفیرین‌ها[14] و پلی‌تیوفن‌ها[15] می‌باشند [18 و 19].

در اینجا مناسب است یک جمع‌بندی کلی از رویکردهای دانش الکترونیک مولکولی ارایه دهیم[25]: 1.

به‌کارگیری روش‌های شیمیایی سنتز جهت ساخت سیستم‌های شبه‌زیستی.

الگوگیری از ساختار و فعالیتهای سیستم‌های حیاتی.

به‌کارگیری مولکول‌های زیستی به عنوان عناصر یک سیستم الکترونیکی.

یافتن راهکارهایی که عدم تطابق زیستی و غیرزیستی راحل و فصل نماید.

5.

بهره‌گیری از مهندسی ژنتیک به جهت طراحی و ساخت پروتئین‌هایی که در حالت طبیعی وجود ندارند.

بررسی مکانیسمهای شناخت مولکولی در جهت تبیین خودسامانی عناصر یک سیستم در اندازه‌های مولکولی یا بزرگتر.

به وضوح می‌توان دریافت که دانش الکترونیک مولکولی امروزه به طبیعت زنده و روندهای مولکولی حیات روی‌آورده است.

چنین رویکردی کاملاً هوشمندانه است چرا که طبیعت زنده از پس گذران میلیون‌ها سال تغییرو تحول در جهت انطباق با شرایط گوناگون محیطی، به تکامل یافته‌ترین سازو کارهای مولکولی دست یافته است.

از این‌رو، پیشرفتهای کنونی دانش الکترونیک، در زمینه الکترونیک بیومولکولی تجسم یافته‌ است.

الکترونیک بیومولکولی « آیا یک مولکول به تنهایی می‌تواند هوشمند عمل کند؟» شاید جزو اولین سؤال‌هایی بود که بشر را به سمت دنیای میکرو و نانوکشاند در پاسخ به این سؤال دانشمندان اول به ناتوانایی‌های کامپیوترها اشاره کردند که می‌توان این نارسایی‌ها را با الهام از الگوهای زیستی به حداقل رساند.

موجودات زیستی با عناصر کاربردی عمل می‌کنند که دارای دیمانسیون‌های مولکولی، کوانتومی و پدیده نوسان دمایی هستند.

مواد بیولوژیکی جهت ساخت دستگاه‌های الکترونیکی تا قبل از آقای سِوِلدوُف چندان جدی گرفته نمی‌شد ولی سولدوف اولین‌بار با ساخت دستگاه عکس‌برداری و میکروفیلم از موادبیولوژیکی که فیلم بیوکروم نامیده می‌شود انقلابی در صنعت الکترونیک ایجاد کرد.

ماده کلیدی برای این کار باکتریوروداپسین[16] بود.

بعد از سولدوف گروههای تحقیقاتی مختلفی در کشورهای پیشرفته جهان شروع به کار کردند و هدف اصلی آن پایه‌ریزی تکنولوژی آینده براساس کوچک‌سازی دستگاه‌های الکترونیکی طبق مبانی تئوری‌های کوانتوم و فیزیک می‌باشد ]20[.

در حقیقت هدف اصلی براین استوار است که امکان ایجاد سیستمها و کامپیوترهای مختلف در اثر اختلاط مبانی فیزیک و ریاضی با دانستنیهای زیست‌شناسی به‌وجود آید.

به‌عنوان مثال، می‌توان کامپیوترهایی با توان خیلی بالاتر از حالت‌های کنونی ایجاد کرد که ساخت آنها براساس الگوی مغز بشر طراحی شده باشد.

تکنولوژیی که طبق الگوگیری از مغز ساخته می‌شود دارای دانسیته اطلاعات بالا، مصرف انرژی پایین، انعطاف‌پذیری بیشتر، حافظه تداعی معانی عالی وغیره می‌باشد.

سیستم‌های بیولوژیکی نیز با پیشرفت علوم کامپیوتر می‌توانند کارآیی بالاتری از خود نشان دهند که البته این می‌تواند زمانی صورت بگیرد که مطابق داشته‌ها و پیش‌گویی‌هایی که به‌توسط این کامپیوترها انجام می‌گیرد کیفیت و کمیّت تولید توسط سیستم‌های بیولوژیکی افزایش یابند.

[21 - 24] در حقیقت هدف اصلی براین استوار است که امکان ایجاد سیستمها و کامپیوترهای مختلف در اثر اختلاط مبانی فیزیک و ریاضی با دانستنیهای زیست‌شناسی به‌وجود آید.

[21 - 24] با افزایش پیچیدگی‌ها و تقاضاها برای تکنولوژی، اطلاعات آینده مسیری به سمت طراحی و ساخت نانوساختارهای هوشمندی که روی سطوح سیلیکون یا مواد دیگر قرار می‌گیرد طی می‌کند این ساختارها می‌توانند هم از طریق سنتزشیمیایی مولکول‌ها، ماکرومولکول‌ها یا مراکز شناسایی فعال بیولوژیکی به‌دست آیند و هم به صورت طبیعی از واحدهای فعال بیومولکولی با وزن زیاد تهیه شوند.[21 - 24].

شیمیدآنها اغلب واکنش‌ها و گونه‌های سنتزی را در سطح مولکولی مطالعه و بررسی می‌کنند.

روش‌های سنتزی در این سطح یک حالت توسعه یافته بالایی را به‌دست آورده است و مولکول‌های خیلی پیچیده مانند کلروفیل و رشته‌های فلزی بزرگ می‌تواند ساخته شوند.

چنین واکنش‌های سنتزی معمولاً به وسیله مجموعه‌ای از اندرکنشها در محیط یکنواخت (هموژن) صورت می‌گیردمخصوصاً اینکه‌ در محیط آبکی یا گازی بهتر انجام بگیرد.

روش‌های واکنش، اتصال و طبیعت اینترکنشهای درون مولکولی در این سطح خوب فهمیده و درک می‌شود روش‌های سنتزی برای مولکول‌های بزرگ‌تر (پلی‌مرها و ماکرومولکول‌ها) با تشابه بالایی توسعه یافته‌اند و تعداد فراوانی از پلی‌مرها و کوپلی‌مرها با خصوصیات شیمیایی مختلف و ویژگی‌های ساختاری جدید در آینده قابل تولید خواهند بود.

موجودات زنده برای انجام بیشتر فـعالیت‌های خود وابـسته به سیستم‌های شیمیایی سازمان یافته‌ای چون فتوسنتز و فسفریلارسیون اکسیداتیو هستند.

یک سلول از گیاهان سبزآلی را در نظر بگیرید بیشتر این اندامکها شامل همان سیستم‌های شیمیایی سازمان یافته هستند.

شکل2.

اندام‌های مختلف در یک سلول گیاهی دو نوع مشخص از اندامک‌های سلولی که در سوخت و ساز سلول‌ها نقش اصلی را ایفا می‌کنند عبارتند از: کلروپلاست و میتوکندری.

میتوکندری [28 - 25] فرآیندهای کسب انرژی در طبیعت دیرزمانی است که مورد توجه پژوهشگران قرار دارد.

مجموع این مطالعات بیانگر این مهم است که سیستم‌های مبدل انرژی، ساز و کار واحدی دارند؛ نقل و انتقال الکترون‌های پرانرژی به واسطه کاهش تدریجی در انرژی آزاد حاملین، در نهایت به شکل‌گیری ترکیباتی می‌انجامد که انرژی لازم را برای فرآیندهای حیاتی تأمین می‌کنند.

این الکترون‌های پرانرژی یا ماحصل جذب انرژی نورانی هستند (فتوسنتز) یا از اکسیداسیون مواد غذایی (تنفس سلولی) پدید می‌آیند.

در حالت اخیر، الکترون‌های حاصل به طور عمده توسط مولکول نیکوتین آمیدآدنین دی‌نوکلئوتید(NADH) به صورت یون هیدرید (H+) به زنجیره انتقال الکترون‌ها در غشای داخلی میتوکندری هدایت می‌شوند اکسیداسیون یون هیدرید توسط اکسیژن که به تشکیل مولکول آب می‌انجامد انرژی‌زا است.

حال اگر این واکنش به واسطه فرآیندهای متعدداکسیداسیون و احیای در غشای داخلی میتوکندری به انجام ‌رسد انرژی حاصله در نهایت در مولکول‌های ATP ذخیره خواهد شد.

ATP منبع انرژی سلول می‌باشد.

شکل3.

ساختار میتوکندری شکل4.

دیاگرام غشای داخلی میتوکندری و مسیر عبور الکترون و پروتون در آن میتوکندری به عنوان مدل امروزه به واسطه اطلاعاتی که در ارتباط با نقل و انتقالات الکترونی غشای داخلی میتوکندری و ساختارهای مربوطه داریم، قادر خواهیم بود چنین سیستمی را از نقطه‌نظر فن‌آوری نیز مورد توجه قرار دهیم.

در این رابطه می‌توان به پژوهش‌هایی اشاره کرد که که از طریق مهندسی پروتین‌های ناقل الکترون نظیر سیتوکروم‌ها درصدد طراحی و ساخت ساختارهایی هستند که در نهایت امکان بهره‌وری در صنایع بیوسنسور وبیوالکترونیک را داشته باشند.

مفاهیمی نظیر نیروی محرکه انتقالات الکترونی، نیروهای الکترواستاتیکی با برد بلند، انرژی بازسامان یابی مراکز احیایی و محیط اطراف، فاصله دهنده و گیرنده الکترون و ماهیت حدواسط آنها، پشتوانه نظری چنین پژوهش‌هایی می‌باشند [25-31].

سیتوکروم‌ها از این‌نظر هم قابل توجه هستند که ساختار آنها وابسته به حالت‌های اکسیداسیون و احیاء می‌باشد به عبارت دیگر سیتوکروم‌ها قادر هستند به واسطه تغییرات ساختاری خود، اطلاعات بیوشیمیایی و و الکترونیکی را به یکدیگر تبدیل کنند.

در همین زمینه پژوهشگران پروتئین‌های آلوستریک جدیدی را به‌وجود آوردند که حاصل اتصال سیتوکروم‌های مهندسی شده به پروتین‌هایی است که فاقد حالت اکسیداسیون واحیا می‌باشند [28 - 31].

خودسامانی و مواد سامان‌ده بیومولکولی اگر بخواهیم یک تعریف مختصری ازحوزه عملکردی مواد بیومولکولی داشته باشیم می‌توانیم به این مطالب اشاره کنیم که آن، شالوده درهم‌آمیختگی منظم سه حوزه علمی می‌باشد که عبارتنداز بیولوژی‌مولکولی،فیزیک و مهندسی مواد.

به‌عبارت‌دیگر، مواد بیومولکولی مرز اتصال بین علم حیات و علم مواد می‌باشند.

آن مبانی پایه‌ای چون خودسازمان‌یابی، تنظیم، نسخه‌برداری، ارتباط تعاون را به‌کار می‌برد و یک ناحیه جدیدی از علوم کاربردی را توسعه می‌دهد که در این ناحیه شکوفا، امکان طراحی موادی که کاربردهای جدید و خاصی برای آنها تعریف می‌شود وجود خواهد داشت.

قولی که تکنولوژی مواد بیومولکولی به بشر می‌دهد و شاید یک مقدار هم خارج از تصور ما باشد کاربردهایی در جهت تندرستی مواد زیستی و تکنولوژیکی می‌باشد و این مرحله از رویای بشر می‌تواند با توسعه و درهم‌آمیختگی بیولوژی مولکولی پیشرفته، افزایش قدرت تمییز و تفکیک وجه مشخصات مواد به صورت میکروسکوپیک و توسعه مطالب تئوری تحقق بیابد.

در حال حاضر، با توجه به تبحری که انسان در درک و فهم پیچیدگیهای فیزیکی به‌دست آورده است آمادگی تفسیر، تحول وتوسعه در دنیای موادمرکب را دارد اما این توانایی در حضور الگوگیری از رفتار کم نظیر سیستم‌های بیولوژیکی قابل دسترسی می‌باشد.

رفتارهایی چون شناسایی و پاسخ‌گویی، خودسامان‌دهی و خود‌تعمیری.

این مبانی می‌تواند به سمت کنترل سنتز مواد پیشرفته بسط و توسعه داده شود و این نیز به سوی مواد جدید و فرآیندهایی با ناحیه وسیعی از تکنولوژی پیش می‌رود.

روش‌هایی که می‌تواند در رسیدن به این اهداف کمک کنند می‌توانند به دو صورت زیر باشند: الف – یک روش، تقلید مستقیم از سیستمها یا فرآیندهای بیولوژیکی می‌باشد تا بدین وسیله مواد جدیدی با خصوصیات القاشده تولید شود.

برای مثال این روش می‌توان به تکنیک‌های ژنتیک مولکولی اشاره کرد که به وسیله آن، پلیمرهایی با طول مولکولی،با شکل مورد نظر تولید می‌شود.

ب- روش دیگر شامل مطالعه این موضوع است که چطور طبیعت یک عمل و وظیفه را به نتیجه می‌رساند یا یک ساختار با خصوصیات خاص ایجاد می‌کند و در همان حین، این تجربیات را در تکینک‌های مشابهی در موقعیت کاملاً متفاوت یامواد کاملاً متفاوت به‌کار می‌برد.

برای مثال این روش می‌توان به مطالعه ساختارهایی اشاره کرد که توسط پوسته‌های Clam پوشیده می‌شوند.

یک نماد از مهندسی معکوس برای طراحی یک ترکیب سرامیکی می‌باشد.

ترکیب به‌دست آمده با این روش دو برابر قوی‌تر از ترکیبات دیگر است و سخت‌تر نیز می‌باشد و به صورتی که از هم‌نوع‌های طبیعی آن نیز استحکام بیشتری دارد.

پس چنین مهندسی معکوسی (که از سیستم‌های بیولوژیکی الگوبرداری می‌کند و برای سیستم‌های کاملاً متفاوت به‌کار برده می‌‌شود) بهتر از سیستم‌های بیولوژیکی منشأ هستند و مواد قدرت و استحکام بالاتری دارند.

علاوه براین، فهم این موضوع که چگونه طبیعت یک کار را تمام می‌کند یا چگونه یک ساختار غیرعادی را ایجاد می‌کند می‌تواند عامل و جهت حرکت به سمت مواد جدید یا فرآیندهای جدیدتر و پیشرفته‌تری در فهم روش طبیعی مهندسی معکوس باشد که بهتر از یادگیری برای کپی‌برداری یا تغییردادن آن است.

پس با توجه به مطالبی که در بالا اشاره شد.

بیولوژی و مواد بیولوژیکی به تنهایی جوابگوی خیلی از تقاضاهای بشر نمی‌باشند اما برای رسیدن به اوج کارآیی مواد بیومولکولی وشیمیایی نیازمند همکاری چندین گروه علمی می‌باشد که عبارتند از:شیمی، بیولوژی، فیزیک، علوم مواد و مهندسی مواد.

خصوصیات زیر باعث ارجحیت استفاده از مواد بیومولکولی نسبت به مواد غیربیولوژیکی شده است: 1- آنها معمولاً در حالت مرکب به توسط نیروهای جهت‌دار و ضعیف روی همدیگر اثر می‌گذارند.

2- به خاطر اندرکنشهای‌ ضعیف بین این مولکول‌ها، نوسانات دمایی آنها خیلی مهم است.

3- مواد اغلب به صورت ساختارهایی خودسامان روی سطوح میکروسکوپیک در اندازه 100A تا 10mm هستند.

4- این ساختارها ممکن است سلسله مراتبی عمل کنند به‌عنوان مثال، آنها برحسب فعالیت‌ها و عملکردهایشان می‌توانند در اندازه‌های مختلف تجمع یابند.

5- سیستم‌هایی که آنها تشکیل می‌دهند شامل چندین ترکیب می‌باشد.

خودسامانی خودسامان‌یابی مولکولی تشکیلات خودبه خود مولکول‌ها در حالت جمع‌شدگی، پایدار و از لحاظ ساختاری مناسب می‌باشد.

اصول گرفته شده از بیولوژی به فهم و درک اساس خودسامانی کمک کرده است و پیشرفتهای جدیدی در جهت کاربردو استفاده از آنها ارایه می‌دهد و در حال حاضر، امکان استفاده از خودسامان دهی مولکولی برای دستکاری‌هایی در اندازه مولکولی و ساخت ساختارهایی در انواع مشخص را ایجاد می‌کند.

اصول اولیه و پایه خودسامان‌دهی مولکولی تماماً از بیولوژی گرفته شده است که تراکم وتاخوردگی پروتئین‌ها و جفت شدن جفت بازها در DNA دو تا مثال بسیار شناخته شده از اینها می‌باشند.

این اصول گرفته شده از بیولوژی عبارتنداز: 1- خودسامان‌دهی مولکولی میانکنش‌های چندتایی، ضعیف و برگشت‌پذیر را جهت تجمع و سامان‌دهی زیرواحدهای مولکولی منفرد به مجموعه‌هایی پایدار، به‌کارمی‌برد (مانند پیوند هیدروژنی، پیوندیونی و میانکنش‌های واندروالسی).

2- ساختار محصول نهایی دارای حالت پایداری از لحاظ ترمودینامیکی می‌باشد و این در نتیجه تعادل ایجاد شده بین این نیروها است.

3- ساختار با کمترین انرژی به وسیله وجه مشخصه زیرواحدهای اولیه تعیین و پیشگویی می‌شود؛ اطلاعات مورد نیاز برای خودسامانی در شکل و خصوصیات مخصوصاً خصوصیات سطح ذخیره شده است.

4- تعداد از انواع زیرواحدها در یک سیستم مخصوص معمولاً برای ساده‌کردن مقدار و نوع اطلاعات مورد نیاز جهت تعیین ساختار نهایی مجموعه کوچک است.

5- زیر‌واحدهای منفرد می‌توانند نسبتاً کوچک و به آسانی سنتز شوند؛ این وجه مشخصات ممکن است برای کنترل سطح مولکولی به جایگزینی اتم‌های منفرد اجازه دهد.

چطور این اصول خودسامان‌دهی مولکولی برای حل مسایل ساخت به‌کار می‌روند؟

چرا خودسامان‌دهی برای ساخت در اندازه میکرو به‌کاربرده می‌شود؟

در جواب این سؤالات می‌توان گفت: الف - خودسامان‌دهی مولکولی یک راه‌برد مناسب برای ساخت در پایین‌ترین حد انرژی از لحاظ ترمودینامیکی می‌باشد و تجمع مولکولی به این صورت یکی از حالت‌های مطلوب را از لحاظ ترمودینامیکی ایحاد می‌کند.

ب-آن یک مسیر خوب برای تعریف ساختارهایی که اندازه‌ایی در حدود یک نانومتر تا هزار میکرومتر دارند را پیشرو می‌گذارد و به‌دست ‌آوردن آن از طریق روش‌هایی دیگر مرسوم مشکل است.

ساختارهایی با این اندازه برای سامان‌دهی اتم به اتم بزرگ هستند و همچنین برای روش‌های مرسوم در میکرولیتوگرافی نیز کوچک هستند.

ج- یک مطلوبیت نسبی نسبت به روش‌های دیگر ساخت در حد میکرو دارد چون ترتیب اندازه مولکولی به سختی (در دمای اتاق) به‌دست می‌آید.

تک لایه‌های خودسامان‌ده یکی از زمینه‌هایی که مطالعات فراوانی را به خود اختصاص داده است، نحوه آرایش مولکول‌های فعال سطحی در حدواسط محیط‌های آب و هوا می‌باشد.

این نحوه آرایش که به ایجاد این تک لایه مولکولی می‌انجامد در ارتباط مستقیم با طراحی وسایل الکترونیکی حالت جامد تلقی شده و پیشرفت‌های قابل توجهی را نیز در پی داشته است.

شکل5.

یک شکل نمادین از ساختار مولکولی یک SAM روی یک سطح سوبسترا مولکول‌های فعال سطحی عموماً ماهیتی دوگانه دوست دارند یعنی یک قسمت مولکول (سر) قطبی و قسمت دیگر آن (دنباله) غیرقطبی است.

چنین مولکول‌هایی در مواجهه با یک محیط قطبی (ویا غیرقطبی) عملکردی دو گانه خواهند داشت، یعنی اینکه سرهای قطبی قابلیت برهم کنش با محیط قطبی را دارند و سرهای غیرقطبی از آن محیط گریزان هستند این رفتارهای دوگانه در نهایت به ساختاری منتهی می‌شود که از لحاظ قوانین ترمودینامیکی قابل توجیه باشد.

به‌عنوان مثال، ایجاد تک لایه از مولکول‌های دوگانه دوست در حدواسط آب (محیط قطبی) و هوا (محیط غیرقطبی) مناسب‌ترین آرایشی است که از نقطه‌نظر قوانین فیزیکوشیمیایی مجاز است.

ایجاد چنین ساختارهایی نشان می‌دهد پس از شکل‌گیری آرایش مولکولی مطلوب می‌توان آن را به فاز جامد مناسبی نظیر سطح یک الکترود فلزی و یا قطعاتی از شیشه و میکا منتقل نمود.

اگر مولکول‌های دوگانه دوست در سر قطبی خود واجد عوامل فعال نوری یا الکتریکی باشند، جهت بروز بهینه این خواص یک آرایه تک‌لایه از مولکول مناسب خواهد بود.

نظیر این پدیده را در استفاده از مولکول WDH6T ، جهت ساخت‌هادی‌ها ونیمه‌هادی‌ها تجربه کرده‌ایم.

نمودار2.

ایزوترم فشار سطحی و سطح اشغال شده توسط هر مولکول (A) همچنین اگر سرقطبی مولکول دارای خاصیت انتخاب گری باشد می‌توان با تثبیت چنین آرایشی از مولکول برروی یک الکترود به حسگرهای مطلوبی دست یافت.

علاوه‌بر این‌ها آرایش تک‌لایه می‌تواند بستره‌ای مناسب برای قرارگیری عوامل فعال الکتریکی یا نوری تلقی شود.

البته می‌توان چنین عواملی را با تغییرات شیمیایی مطلوب،یعنی اضافه نمودن زنجیره‌های هیدروکربنی طویل، به ساختارهایی دوگانه دوست تبدیل نمود.

به عنوان، مثال اضافه نمودن زنجیره‌های C10H21 به عوامل جانبی مولکول ZnoDEP، این مولکول را قادر خواهد ساخت که – به‌واسطه ایجاد فاز کریستال مایع – در سلول فتوولتاتیک و نیز حافظه فوتوالکتریک کاربرد مطلوبی داشته باشد.

در پایان لازم است به این نکته اشاره نمود که در روند کوچک‌سازی وسایل الکترونیکی، بروز پدیده‌های کوانتومی در سطوح مولکولی همواره به عنوان عامل محدود کننده تلقی شده است، حال آن که در ساختارهایی که از مولکول‌های آلی تشکیل شده‌اند پیوندها از نوع واندروالسی بوده بنابراین چنین پدیده‌هایی مطرح نمی‌باشد.

منابع و مراجع: David S Goodsell, Biomolecules and Nanotechnology, American Scientist, Nay/ Jun (2000), 230-237.

James K.

Gimzewski, Nanoscale Science of Single Molecules Using Local Probes, Science, Vol 283,12 March (1999), 1683-1689.

Metals Park, Nanotechnology Overveiw, Advanced Materials and Processes, May (2000), 157, 48.

Gregory Timp, Nonotechnology (1998), NewYork, U.S.A, Chap 1, 8.

Gary Stix, Waiting for Breakkthroughs, Scientific American, April (1996), 94-100.

Service RF., Is nanotechnology dangerous?, Science, Nov 24 (2000); 290(5469): 1526-7 Ball P.

Nanotechnology, Molecular movers and shakers; Nature, Dec 21-28 (2000); 408 (6815); 904.

May M., Nanotechnology: thinking Small, Environ Health Perspect, Sep (1999); 107 (9): A450-1.

Nanotechnology: basic concepts and definitions, Clin Chem, Sep (1994); 40(9): 1797-9.

Freedam DH., Exploiting the nanotechnology of life, Science, Nov 29 (1991); 254 (5036): 1308-10.

Christopher R Lowe, Nanobiotechnology, Current Opinion in Structural Biology, 10 (2000): 425-434.

Jennifer L Ewst, Applications of nanotechnology to biotechnology, Current Opinion in Structural Biology 11 (2000), 215-217.

Jean- Marc Laval, Nanobiotechnology and its role in the development of new analytical devices, Analyst (2000); 125, 29-33.

Martin U Kopp, Development in technology and application of microsystems, Current Opinion in Structural Biology (1997): 1: 410-419.

Allen J.

Bard, Integrated Chemical Systems (1994), Chap.1 Ralph C.

Merkle, Biotechnology as a route to nanotechnology, Trends in Biotechnology, July (1991), Vol 17 No 7, 271-274.

David Goldhaber-Gordon, Overview of Nanoelectronics Devices, Proceedings of the IEEE, April (1997), Vol 85, No.4.

Nina Hall, (2000), The New Chemistry, Cambridge, United Kingdom, Chap.

12.

Reed, M.A, Molecular- Scale Electronics, Proceedings of the IEEE.

(1999), 87,4, 277-283.

Tour, J.

et al., Are Molecular Wires Conducting?, Science (1996), 271, 1705-1707.

Nikolai Vsevolodov, Biomolecular Electronic, (1998), Birkhauser, Boston, Chap.1.

Wolf gang Gopel, Bioelectronics and Nanotechnologies, Biosensors and Bioelectronics, 13 (1998), 723-728.

Tien HT, Salamon Z, Lipid bilayer based sensors and biomolecular electronics, Crit Rev Biomed Eng.

(1991): 18(5): 232-40.

Zieglerc, Gopel W, Biosensor development, Curr Opin Chem Biol.

Oct (1998): 2(5): 585-91.

Perham RN., Structural aspects of biomolecular recognition and self-assembly, Biosens Bioelectron.

(1994)., 9(9-10): 753-60.

Lodish, Molecular Cell Biology, (2000) U.S.A, PP: 635, 637, 632.

P.VOET, Biochemistry (1995), John Wiley & Sons, U.S.A, PP: 563-593.

P.

Graber, Bioenergetics, Brik hauser, Boston, PP: 212-274.

J.

David Rown, Biochemistry, (1989), Neil Patterson Pub., U.S.A, PP: 359-383 Sadeghi.

S.J.

et al.

Engineering non-physiological electrontransfer, Biochemical Society Transactions, (1999), Vol 27,P.A58.

Meharenna Y.T., et al, Re-designing a catalitically self – sufficient cytochrome P 450, Italian Biochemical Society Transactions (1998), Vol 10, P.

146.

Faver, O, et al, Structure function Correlation of intramolecular electron Transfer in wild type and Single.

Site mutated azoarins, Chemical Physics, Vol: 204, PP: 271-277.

Kurth DG,A route to hierachical materials based on complexes of metallosuperamolecular Polyelectrolytes and amphiphiles, Proc Natl Acad Sci, USA, May (2000) 23: 97 (11): 5704-7.

Hubbard JB., Self assembly driven by hydrophobic interactions at alkanethiol monolayers: mechanisms of formation of hybrid bilayer membranes, Biophys Chem, Dec 14 (1998), 75 (3): 163-76.

Rudolph AS., Biomaterial biotechnology Using self-assembled Lipid micro structures, J Cell Biochem, Oct (1994): 56 (2): 183-7.

R.

Brige, Protein-Based Computers, Scientific American 272, Marck (1995): 90-95.

J.S.

Schultz, Biosensors, Scientific American: 265 August (1991): 64-69.

L.

H.

Dubois and R.G.

Nuzzo: Synthesis, Structure, and Properties of Model Organic Surfaces: Annu.

Rev.

Phys.

Chem 60: 437(1992).

Mc Murry, Organic Chemistry (1998), Brooks/ Cole Pub.

PP: 746, 992.

Seyhaan Ege, Organic Chemistry (1994), PP.

615, 983, 1222.