تبلیغات
«أللَّهُمَّ کُن لِوَلیِکَ ألحُجَّةِإبنِ الحَسَن صَلَواتُکَ عَلَیهِ وَعَلی آبَائِهِ فِی هَذِهِ السَّاعَة وَ فِی کُلِّ السَاعَة وَلِیَّاً وَ حَافِظَاًً وقَائِداً وَ نَاصِراً و دَلیلاً وَ عَیناً حَتّی تُسکِنَهُ أَرضَکَ طَوعاً وَ تُمَتِّعَهُ فیهَا طَویلاً » زیست شناسی زیستا - سوییچهای مولكولی آموزشی - خبری
زیست شناسی زیستا
منوی كاربری

این وبلاگ را صفحه خانگی خود كن !    ایمیل  به مدیر وبلاگ !    این وبلاگ را به لیست علاقه مندی های خود اضافه كنید !

پیغام مدیر : ورود شما را به وبلاگ زیست شناسی زیستا خوش آمد عرض میکنم امیدوارم مطالب این وبلاگ مورد استفاده شما قرار گیرد.

نظرسنجی
دوست دارید چه موضوعاتی به وب لاگ اضافه شود






صفحات وبلاگ
لینكدونی
لوگوی ما
چند خبر
لینكستان
        سوییچهای مولكولی مقالات ,
سوییچهای مولكولی

سوئیچ كردن با مولكول‌ها :

آزمایشگاه هیث در خط مقدم تلاشهای انجام‌شده برای ساخت كامپیوتری از پایین به بالا- چیزی كه او آن را " نانوكامپیوتر الكترونی با چیدمان شیمیایی" می‌نامد- است. گروه او با همراهی یك شیمیدان به نام استانلی ویلیامز و یك معمار كامپیوتر به نام فیلیپ كوئك از  آزمایشگاههای Hewlett-packard  واقع در پالوآلتوی كالیفرینا، سبكهای معماری بسیاری برای چنین ماشینی مطرح كرده‌اند. و چندی بیشتر با همكاری گروه استودارت در UCLA شروع به ساخت آنها نمودند .

 

 هیث خاطرنشان می‌كند : " وقتی شما به مردم می‌گویید كه می‌خواهید كامپیوتری بسازید، آنها فكر می‌كنند شما در حال استخدام شدن در Intel هستید . مقصود ما چنین چیزی نیست." هدف او نشان دادن این مطلب است كه یك نانوكامپیوتر ساده را واقعا" می‌توان ساخت. او با ذهنی مملو از چالشها می‌گوید :" ما فكر می‌كنیم این تمرینی سخت خواهد بود، كه سعی كنیم بفهیم چگونه یك چنین ماشینی را می‌توان ساخت و سپس آن را عملا" بسازیم."

ابتدا هیث توضیح می‌دهد كه پروژه شامل به نخ كشیدن دهها سوئیچ مولكولی و نانوسیم به صورت مدارات منطقی و مدارات حافظه و " فراهم‌آوری امكان گفتگوی آنها" است. سوئیچ‌های مولكولی‌ای كه محققینی UCLA روی آنها كار می‌كنند ،" زنجیره"‌ها(Catennan) ، "تسبیح"‌ها (Rotaxane) و "شبه تسبیح‌"هایی است كه در دهه گذشته در آزمایشگاه استودارت ایجاد شده‌اند. ساده‌ترین مثال این قبیل سوئیچ‌ها ، یك حلقه مولكولی است كه به صورت مكانیكی به یك حلقه متفاوت دیگر زنجیر شده ( تا یك زنجیره را تشكیل دهد) یا روی یك مولكولی به بند كشیده شده است. ( تا یك تسبیح‌ یا شبه تسبیح‌ را شكل دهد) . در هركدام از این ساختارها حلقه مزبور می‌تواند دو موقعیت متفاوت كه بیانگر " 0" و " 1" دیجیتالی است داشته باشد، و به كمك اعمال ولتاژهای متفاوت بین این دو حالت سوئیچ كند.

برای اتّصال دادن سوئیچ‌های مولكولی، تیم UCLA در حال كاوش در زمینه استفاده از نانوسیمهای سیلیكونی و نانولوله‌های كربنی كه در شبكه‌أی- به قول هیث "مثل یك صفحه ساعت"- قرار دارد،می‌باشد. این معماری مشتق‌شده از معماری كامپیوتر منحصر به فرد سیلیكونی Teramac است كه توسط Hewlett packard چندسال قبل ساخته شد . در هر بند این شبكه، نانوسیمها با تك لایه‌ای از سوئیچ‌های مولكولی متصل شده‌اند. سال قبل، هیث استودارت و همكارانشان نشان دادند، كه سوئیچ‌های مولكولی از نوع تسبیح‌ را می‌توان به صف كرد تا یك گیت منطقی ایجاد كرد، هرچند وضعیت این سوئیچ‌ها تنها یكبار قابل تغییر بود.]C&EN,July 19,1999,Page 11 [Science,285,391(1999);

   در آگوست گروه گام بعدی را برداشت و گزارش داد كه سوئیچ‌های مولكولی زنجیره‌ای را میتوان بارها پیكربندی مجدد – یعنی بین حالت روشن و خاموش سوئیچ"- نمود.[Science,286,1172(2000)] اگرچه تفاوت حالات "روشن" و "خاموش" ( از نظر مقاومت الكتریكی ) بسیار كمتر از حدی است كه برای مدارات منطقی مفید باشد، ولی  این سوئیچ‌ها، به گفته هیث، برای حافظه مناسب هستند . هیث خاطرنشان می‌كند كه اهمیت این كار در این بود كه برای اولین بار او فهمید كه سوئیچ‌های مولكولی می‌توانند تحت شرایط عادی، بارها و بارها عمل كنند.

تك لایه ای از "زنجیره‌ها" كه بین دو صفحه الكترود محدود شده، به عنوان سوئیچ مولكولی عمل می‌كند

         

 

 

        محققین UCLA  هم‌اكنون سوئیچ‌های مولكولی قابل تغییر دیگری دارند كه نسبت به مورد ماه آگوست پیشرفتهای زیادی كرده است . آنها انتظار دارند به زودی، این سوئیچ‌ها را در مدارات منطقی و حافظه بكار ببرند. هیث می‌گوید :" پس از آن ما باید آن سوئیچ‌ها را وارد گفتگو با هم كنیم، تا شما صاحب یك كامپیوتر شوید. نمونه اولیه چنین كامپیوتری تنها سه یا چهار سال دیگر وقت می‌خواهد.

به سمت یك استراتژی نانوسلولی :

یك مدل كاملا" متفاوت برای ساخت كامپیوترهای مولكولی از پایین به بالا در مركز علوم و فناوری نانوی دانشگاه رایس درهوستون پیگیری می‌شود. استاد شیمی جیمز تور و همكارانش در آنجا سیمهای مولكولی را ساخته و مطالعه كرده‌اند. نانوسیمهای آنها رشته‌های مزدوجی است كه در آنها به عنوان مثال حلقه‌های عاملی‌ بنزن بطور یك در میان با گروههای استیلنی قرار گرفته است. این سیمها گروههای عاملی خاصی در دو سر خود دارند كه مثل " گیره‌های تمساحی" موجب اتصال سیمها به طلا یا  الكترودهای دیگر می‌شوند. با استفاده از چنین تكنیكهایی تور و همكار تمام وقتش مارك رید، استاد مهندسی برق و فیزیك كاربردی دانشگاه ییل، توانسته‌اند جریانهای الكتریكی كوچكی را كه از میان این سیمها می‌گذشت، اندازه‌گیری كنند.

 آزمایشگاه تورمولكولهای مشابه دیگری نیز ساخته است، مثل حلقه‌های آروماتیك با گروههای استیلنی یك در میان كه به صورت دیودیا سوئیچ مولكولی عمل می‌كنند. سال گذشته مثلا" تور و رید تك لایه‌ای از چنین مولكولی گزارش كردند، كه وقتی تا 60 درجه كلوین سرد می‌شد، رفتار سوئیچ‌كنندگی غیرعادی نشان می‌داد كه در ابزارهای سیلیكونی مرسوم دیده نشده است.] C&EN,Nov 22,1999,Page11[Science,286,1550(1990); وقتی به این تك لایه ولتاژی با افزایش منظم اعمال می‌شد مولكولها تا قبل از یك آستانه ولتاژی، جریان محسوسی را عبور نمی‌دادند و پس از آن با افزایش ولتاژ جریان به سرعت افزایش یافته و سپس قطع می‌شد.

رید و تور این رفتار سوئیچ‌كنندگی را كه به مقاومت تبعیضی منفی ( NDR ) معروف است، در مولكول مشابهی در دمای اتاق نیز مشاهده كردند ، هرچند كه تأثیر آن چندان گیرا نبود. از آنجاكه این مولكولها می‌توانند بین دو حالت اكسیداسیون پایدار سوئیچ كنند، می‌توانند اطلاعات را به شكل "0" (حالت عایق)، یا "1" (حالت رسانا) ذخیره كنند و درنتیجه به عنوان حافظه مولكولی بكار روند. [Appl.Phys.Lett.,77,7224(2000)]

 

   تور: آموزش دهی نانوسلولها برای محاسبه                              

 

 

 

 

 

 

مولكولهای دارای خواص دستگاهی غیرعادی مثل NDR از منظر علمی ، به گفته هیث ،"بسیار جالب توجه اند. این هیجان‌انگیز است كه شما بتوانید خاصیتی را در یك مولكول با استفاده از تكنیكهای مرسوم بیافرینید و مشاهده كنید كه آن خاصیت در یك دستگاه قابل اطمینان با قراردادن آن مولكول بین دو الكترود ، ظهور پیدا كند. این نتیجه‌ای است كه هیچ‌كس انتظار دیدنش را نداشت. این به معنای آن است كه شما می‌توانید به قصر كاملی از وسایل با خواص منحصر به فرد فكر كنید."

تورورید در تحقیقاتشان دریافتند كه این مولكول در 60 درجه كلوین ، مقاومت منفی جزئی (یك نوع رفتار سوئیچی) از خود بروز می‌دهد و مثل یك حافظه قادر به ذخیره اطلاعات است.

 

 

 

تور امیدوار است كه چنین مولكولهای عمل‌كننده‌ای را برای ساخت یك كامپیوتر مولكولی بكار بگیرد. همانطور كه درماه آگوست در یك سخنرانی در همایش ملّی جامعه شیمی آمریكا در واشنگتن ایراد كرد، این كامپیوتر از واحدهای ساده‌ای كه " نانوسلول"  نامیده می‌شوند تشكیل شده است. این واحدها بطور شیمیایی خودچیدمان هستند و برای انجام كار لازم برنامه‌ریزی می‌شوند.

 

 فرایندهای خودچیدمانی كه در قلب اقدامات دانشگاههای رایس\ییل و UCLA برای ساخت كامپیوتر مولكولی قرار گرفته است، ناكاملند. یعنی قادر به تضمین موقعیت و جهت صحیح یك مولكول خاص نیستند. البته این خیلی مهم نیست، چون هر دو طرح كامپیوتری نسبت به نقایص اغماص زیادی دارند.از این جهت تمایز خشنی با كامپیوترهای امروزی دارند كه با یك عنصر معیوب زمین‌گیر می‌شوند.

 

 نانوسلولی كه تور و همكارانش بدست آورده‌اند، حدود یك میكرومترمربع است و شامل یك آرایه دو بعدی از چندصد نانوذره فلزی است كه توسط حدود 1500 مولكول عمل‌كننده (مثل آنهایی كه NDR را بروز می‌دهند) به هم متّصل شده‌اند. این مولكولها ، نانوذرات را به درگاههای ورودی و خروجی پیرامون نانوسلول نیز متّصل می‌كند. بنابراین با تركیبات متفاوتی از این دریچه‌های ورودی و خروجی ، می‌توان مسیرهای حامل جریان مختلفی را مشخّص كرد.

 

یك  چیپ آزمایشی (چپ) كه توسط رید طراحی شده و برای مطالعه مشخّصات جریان /ولتاژ مولكولهایی كه تور آماده كرده است بكار گرفته شده است . دو تصویر سمت راست نماهای بزرگتر شده مركز دو الگوی مربعی مختلف روی چیپ است. در تصاویر بزرگ‌شده ، سیمهای در طول لبه‌ها تا دنیای ماكروسكوپی امتداد یافته‌اند. دراینجا دریچه های تست قادر به قلاب شدن و گیر كردن هستند. بعضی از خطوط لیتوگرافی كه در مناظر بزرگ‌شده، دیده می‌شوند، در تماس با صفحات طلایی كه 3/0 تا  1]میكرو[ متر فاصله دارند، قرار می‌گیرند. وقتی چیپ بطور آنی در محلولی از تركیب آزمایشی قرار می‌گیرد، مولكولها خودشان را در عرض این صفحات سوار می‌كنند . خواص الكتریكی این مولكولها را می‌توان مطالعه كرد.

 

 

به گفته تور، ترتیب نانوذرات و مولكولهای اتّصال‌دهنده در این مسیرها، تصادفی است و مسیرها احتمالا" در ابتدا قادر به انجام هیچ عمل منطقی نخواهند بود ولی با اعمال پالس‌های ولتاژی به تركیبات مختلف دریچه‌های ورودی و خروجی، امكان آن وجود دارد كه مولكولها را گروهی " روشن" یا " خاموش" كرد. این كه كدام سوئیچ روشن (رسانا) و كدام یك خاموش (عایق) است، مشخّص نیست، ولی اهمیتی هم ندارد. در یك روال حدس و خطایی ، الگوریتم‌های كامپیوتری خاصی بطور پشت سرهم كار تست و تعمیر را (با استفاده از پالس‌های ولتاژی با مقادیر متفاوت) انجام می‌دهند تا این كه آن مسیر عملیات مطلوب را مثلا" به عنوان یك گیت یا افزاینده منطقی انجام دهد. یك كامپیوتر مولكولی واقعی حداقل شامل صدهزار تا یك میلیون نانوسلول خواهد بود ، كه با لیتوگرافی معمولی به هم مرتبط شده‌اند. پس از این كه اولین نانو سلولها تعلیم داده شدند، آنها به صورت تست‌كننده و تعلیم‌دهنده نانوسلولهای اطرافشان عمل خواهند كرد . بنا به گفته تور، این نحوه " خود راه‌اندازی" امكان برنامه‌ریزی و تعلیم‌دهی سریع و اتوماتیك نانوسلولها را فراهم می‌آورد.

او همكارانش قبلا" با مدلسازی (شبیه‌سازی) نشان داده بودند كه به یك نانوسلول می‌توان انجام یك عمل خاص را تعلیم داد. ولی تور می‌گوید:"ما هنوز یك نانو سلول كامل را نساخته‌ وبه آن برنامه نداده ایم. هرچند چنین برنامه‌ریزی‌ای در عرض شش‌ماه صورت خواهد گرفت." گذشته از این مسئله، او و اعضای تیم‌اش هنوز باید بر معضلات دشوار بسیار دیگری فائق آیند تا یك نمونه موفق از كامپیوتر مولكولی‌شان را عرضه كنند.

 

 مشابه  دانشمندان UCLA ، تور نیز فكر نمی‌كند كه كامپیوتر مولكولی در كوتاه‌مدت جایگزین كامپیوترهای سیلیكونی فعلی شود. با این حال، الكترونیك مولكولی اولین مورد مصرف خود را در سیستمهای مخطوط كه مولكولها در هماهنگی با سیلیسیم عمل می‌كنند" خواهد یافت.

سوئیچ كردن با نانولوله‌ها :

همه مدلهای محاسبه مولكولی الزاما" برمبنای مولكولها نیست، كه با سنتز آلی مرحله به مرحله قابل دسترسی باشند. مثلا" در دانشگاه هاروارد ، استاد شیمی چارلز لیبر و همكارانش - توماس روئكس، كیونگ‌ها كیم، و  ارنستو جوزلویچ - در حال بكار انداختن نانولوله‌های تك دیواره (SWNTها) برای استفاده در اجزای دستگاهی (مثل سوئیچ‌ها) و سیمها برای خواندن و نوشتن اطلاعات هستند.

 

 ایده لیبر عبارتست از الگودهی یك آرایه از نانولوله‌های موازی- روی یك لایه نازك دی‌الكتریك (عایق) كه نمونه رسانا را پوشش می دهد- كه سپس در بالای این آرایه ، آرایه موازی دیگری از نانولوله‌ها، به زوایه قائمه به صورت آویزان قرار می‌گیرد. نانولوله‌های بالایی بطور غیرهم‌سطح پایینی‌ها را قطع می‌كنند، چون به كمك بلوك‌های تكیه‌گاهی با فواصل منظم 5 نانومتر بر فراز نانولوله‌های پایینی نگه داشته‌شده‌اند. هر نانولوله در انتهایش به یك الكترود فلزی متّصل است. لیبر و همكارانــش در مقالــه جدیدشان [Science,289,94(2000)]  این چنین بیان كردند : " هر نقطه تقاطع در این ساختار یك عنصر دستگاهی محسوب می‌شود". و هر عنصر دستگاهی در دو حالت می‌تواند باشد : در حالت " خاموش"  لوله‌های متقاطع كاملا" از هم جدا بوده و لذا مقاومت تماسی در این نقطه بسیار بالاست. در مقابل، در حالت " روشن"  نانولوله‌های بالایی به سمت لوله‌های پایین آنقدر كشیده می‌شوند تا با آنها تماس یابند ، كه در نتیجه مقاومت تماسی فوق‌العاده كم خواهد شد.

                                                             

 لیبر: آرایه‌های نانولوله ‌\ نانوسیم 

 

 

 

 

 

 

این محققین می‌نویسند: " با باردار كردن گذرای نانولوله‌ها- به منظور تولید نیروهای الكترواستاتیك جاذبه یا دافعه‌ای- یك عنصر دستگاهی می‌تواند بین این دو حالت تعریف شده- روشن و خاموش- سوئیچ كند." این كار با اعمال پالس ولتاژی به زوج‌الكترودهایی كه یك نقطه تقاطع خاص را نشانه گرفته‌اند، صورت می‌گیرد. به گفته لیبر، وضعیت – روشن یا خاموش – هر نقطه تقاطع را با سنجیدن مقاومت تماسی به راحتی می‌توان خواند. چنین آرایه متقاطعی را نه تنها برای شكل‌دهی عناصر منطقی كامپیوترها ، كه به عنوان یك حافظه دسترسی اتفاقی (RAM) غیر فرار نیز می‌توان بكار برد، چراكه مزایای‌قابل ملاحظه‌ای نسبت به RAMهای نیمه‌هادی مرسوم از نظر اندازه، سرعت و هزینه دارا می‌باشند. لیبر مثلا" می‌گوید، كه  1012  عنصر دستگاهی را می‌توان در     2 Cm 1 از یك چیپ جا داد. این در حالی است كه یك  چیپ پنتیوم با این اندازه  107 تا  108 قطعه را در خود جا می‌دهد. به علاوه، هر عنصر این حافظه نانولوله‌ای قادر به ذخیره یك بیت است، در حالی كه ابزارهای سیلیكونی فعلی، به یك ترانزیستور و یك خازن برای ذخیره یك بیت در RAM متغیر (كه بایستی پی در پی از نو پر شود ) یا چهار تا شش ترانزیستور برای ذخیره یك بیت در RAM  ایستا نیازمندند. اضافه بر این، بنا به ازمایشات و محاسبات انجام شده،RAM نانولوله‌ای عمل سوئیچینگ را با سرعت GHz100 ، یعنی 100 برابر سریعتر از نسل جدیدچیپ های  شركت اینتل انجام می دهند.

آزمایشات گروه هاروارد تاكنون روی اتّصالات منفرد كلاف‌های با قطر 20 تا 50 نانومتر نانولوله كه به "طناب" موسوم هستند، صورت گرفته است. در چندین دستگاه مشابه ، لیبر و همكارانش سوئیچینگ بازگشت‌پذیر را بین دو حالت تعریف‌شده روشن و خاموش مشاهده كرده‌اند : " ما فكر می‌كنیم این آزمایشات كاملا" ایده معماری ارائه‌شده از طرف ما را اثبات می‌كند."

بااین حال اتّكا صرف به نانولوله‌ها برای این آرایه متقاطع مشكل‌زاست. محققین هاروارد بطور آرمانی دوست دارند ، آرایه‌ها را با SWNT های منفرد با ضخامت نانومتری بسازند – نانولوله‌های نیمه‌هادی در پایین و نانولوله‌های فلزی در بالا. لیبر در این باره می‌گوید : " ما همیشه نیازمند اتّصالات فلز /نیمه‌هادی خواهیم بود" – برای عمل یكسوسازی؛ یعنی به جریان فقط در یك جهت اجازه عبور می‌دهند. اتّصالات یكسوساز موجب اطمینان از این می‌شود، كه وضعیت هر اتّصال را مستقل از بقیه بتوان خواند.

 

 متأسفانه كسی نمی‌داند چگونه نانولوله‌ها را بنا به نیاز به شكل فلزی یا نیمه‌هادی بسازد.این محققین نوعا" كار خود را با بكارگیری مخلوطی از انواع متفاوت نانولوله‌ها یا انجام مشاهدات شانسی صورت می‌دهند. یك راه برای فائق آمدن براین مشكل استفاده از نانوسیمهای نیمه‌هادی آغشته در كنار نانولوله‌هاست. گروه لیبر چند سال گذشته را صرف توسعه یك روش كاتالیتیكی لیزری برای ایجاد نانوسیمهای با اندازه‌های گوناگون، منجمله نیمه‌هادی‌های سیلیسیم، ارسنیدگالیم، فسفید ایندیم و غیره كرده‌اند . این روش به قول لیبر، امكان ، " كنترل سنتزی بالایی" را روی قطر ، طول و خواص الكتریكی این نانوسیمها فراهم می‌آورد.

 

 

 

 اخیرا" به عنوان مثال  گروه او نشان داده اند، كه نانوسیمهای سیلیكونی را می‌توان با دیگر عناصر آغشته كرد تا مواد نیمه‌هادی نوع N (آغشته به الكترون) یا نوع P (آغشته به حفره) را بدست دهد.,104,5213,(2000)] J.Phys.Chem.B [لیبر خاطرنشان می‌كند : " یك نانوسیم سیلیكونی نوع N، همیشه با یك نانولوله‌ اتّصالی یكسوساز را شكل می‌دهد؛ چه نانولوله فلزی و چه نیمه‌هادی باشد." بعلاوه با تقاطع نانوسیمهای آغشته با نانولوله‌ها، اتّصالات دستگاهی با انواع مختلفی از خواص الكترونیكی را می‌توان داشت. و لذا اگر شما به ساخت ابزارهای مخلوط علاقه‌مند باشید، وارد كردن اجزای سیلیكونی] آغشته[ به دستگاهتان  معنی‌دار خواهد بود.

 

 

نمای سه بعدی ایده لیبر برای یك آرایه متقاطع معلّق با چهار اتّصال نانولوله (عناصر دستگاهی) ، كه دو تا آنها در وضعیت " روشن" (در حال تماس) و دوتای دیگر در وضعیت " خاموش" (جدا ازهم) قرار دارند. نانولوله‌های پایینی روی یك لایه نازك دی‌الكتریك ( مثلا" Sio2)  هستند، كه در بالای یك لایه رسانا ( مثلا" سیلیسیم با آغشتگی بالا) قرار گرفته‌است. نانولوله‌های بالایی به كمك چند تكیه‌گاه (بلوكهای خاكستری) آویزان شده‌اند. هر نانولوله به یك الكترود فلزی (بلوكهای زرد) متّصل است.

 چگونه این آرایه‌های متقاطع ساخته می‌شوند؟ یك استراتژی نویدبخش ، به گفته لیبر ، الگودهی شیمیایی سطح به صورت خطوط موازی با فاصله چندنانومتر و سپس استفاده از یك جریان مایع روی سطوح الگودهی شده برای ردیف كردن نانوسیمها در آن الگوهاست. وی می‌گوید : " ایجاد آرایه معلّق نیازمند حقّه بیشتری است،" ولی ممكن است با رشد كنترل شده نانولوله‌ها ازنانو ذرّات كاتالیستی، ]فرایند ساخت نانولوله[ این كار را بتوان انجام داد.

لیبر می‌گوید گروهش دیوانه‌وار كار می‌كند تا آرایه‌های متقاطعی را بسازد كه شامل 16000 اتّصال و " دانسیته‌ای فراتر از آنچه در چند سال آینده فناوری سیلیسیم می‌تواند انجام دهد" باشد. به گفته او، چنین چیپی        به معنای طی كردن بخش مهمی از راه است – البتّه یك قسمت خیلی كوچك از راه دراز تجاری شدن فناوری نانوالكترونیك.

 

چیدمان و محاسبه متكی بر DNA :

 

ایده آرایه‌ها، سیمهای متقاطع، و محاسبات در كارهای استاد شیمی نادریان سیمن در دانشگاه نیویورك نیز نمود یافته است. ولی در این مورد، سیمها ، رشته های زیگزاك ، به هم بافته و متقاطع DNA هستند كه مشابهشان در طبیعت دیده نشده است. برخی از این مولكولها برای ساخت اشیا و ابزارهای نانومتری برپایه DNA یا حتی محاسبه DNA ای مناسب هستند.

در طول دو دهه گذشته ، سیمن از پتانسیل DNA برای ساختن یا به عنوان مواد ساختمانی ساختارهایی مثل بلورها یا نانوابزارها، بهره جسته است. او و همكارانش با استفاده از مولكولهای DNA شاخه‌دار دو رشته‌ای با سرهای چسبنده ( لبه‌های رشته‌های‌ DNA كه می‌توانند به لبه‌های مكّمل رشته‌های DNA دیگر متّصل شوند)، اشیای نانومتری پیچیده‌ای مثل مكعب، هشت‌وجهی ناقص و دیگر اشكال ساخته شده ازDNA را بدست آورده‌اند.

سیمن امیدوار است در نهایت قادر به ساخت ساختمانهایی تو در تو به شكل دو و سه بعدی باشد، به نحوی كه نیازی به تعیین مكان ویژه ای روی- برای یك جزء خاص كه بایستی وارد آرایه شود- نباشد. وی می‌گوید : " من معتقدم این مسئله ما را واقعا" به جامدات طرّاح و مواد هوشمند می‌رساند."

 

 بااین حال خاطرنشان می‌كند،كه   به عنوان یك ماده ساختمانی ، DNA شاخه‌دار معمولا" فاقد سفتی است. بنابراین در سالهای اخیر گروه او، نحوه‌های چیدنی از رشته‌های DNA ارائه داده‌اند كه استحكام ساختمانی بیشتری داشته، و برای ساخت آرایه‌های دو بعدی DNA و یك ابزار نانومكانیكی كه بازوهای صلب آن فقط بین دو حالت ثابت قادر به چرخش‌اند، بكار گرفته شده‌اند.

 

 آخرین شاهكار سیمن در این راستا، مولكولهای موسوم به چلیپای سه گانه است كه چهار رشته DNA با هم تركیب شده‌اند تا سه مارپیچ دو رشته‌ای مسطح موسوم به كاشی را به وجود بیاورند.] J.Am.Chem.Soc.,122,1848(2000) [ این مارپیچ‌ها ازطریق چهار نقطه، كه رشته‌های یك مارپیچ به مارپیچ دیگر وصل می‌شوند ، به همدیگر زنجیر شده‌اند. و البتّه  می‌توانند رشته‌های چسبیده همتای خود را مبادله ‌كنند. مارپیچ مركزی با حلقه‌های سنجاقی در دو سر بسته شده است،ولی مارپیچ های دیگر سرهای چسبنده‌ای دارند كه به كاشی‌ها امكان می‌دهد یكدیگر را بشناسند.

 

 بنا به گفته سیمن و همكارش جان‌ریف ، یك استاد علوم كامپیوتر دانشگاه دوك، سرهای چسبنده شامل اطلاعاتی هستند كه به كاشی امكان می‌دهد خودچیدمانی را به صورتی كه یك محاسبه منطقی صورت گیرد، انجام دهند. [Nature,407,493(2000)]  آنها و همكارانشان چنگ‌دی مائو و توماس لابین به كمك عمل منطقی موسوم به "XOR فزاینده" از این كاشی‌ها برای انجام چهار مرحله محاسباتی روی رشته‌ای از صفر و یك‌ها استفاده كرده‌اند. نتیجه عمل XOR، "0" است كه اگر دو عدد پیاپی مشابه باشند (0 و 0 یا  1 و 1) و  1 است،  اگر دو عدد متوالی متفاوت باشند. ارزش هر كاشی (0 یا 1) به كمك یك “محل محدودیت” (توالی خاصی از DNAكه شناخته‌شده و با آنزیمهای "محدودیت" بریده می‌شوند) مشخّص می‌شود.

 

كاشی‌های ورودی و خروجی ، سرهای چسبنده متفاوتی دارند.و در محلول با كاشی‌های" نبشی" مخلوط هستند. كاشی‌های نبشی ارزشهای محاسبه را در ابتدای كار وارد كرده و به تاسیس یك قالب كاری برای ارتباط كاشی‌های ورودی و خروجی كمك می‌كنند. كاشی‌ها مطابق الگوریتمی كه توسط كاشی‌های خروجی تعیین شده است، عمل خود چیدمانی را انجام می‌دهند (به طور اتوماتیك كنار هم قرار می‌گیرند.) كـاشی‌های ورودی در ابتدا در یك وضعـیت مسطح پلكانی چیده می‌شوند.و بسته به نحوه مرتّب شدنشان، كاشی‌های خروجی خود را- ازطریق جفت شدن سرهای چسبنده مكمل یكدیگر- در شكافهای كوچك موجود روی پلكان جا می‌دهند.

 

 

سیمن: محاسبه نانوهرتز با          DNA 

 

 

 

 

 پس از كامل شدن مجموعه، پاسخ باید استخراج شود . یك رشته گزارشگر كه درون هركدام از كاشی‌ها بافته می‌شود، شامل محل محدودیتی است كه ارزش كاشی را مشخّص می‌كند. رشته‌های گزارشگر مربوط به كاشی‌های مجاور به یكدیگر جوش خورده ، رشته‌ای درازتر ایجاد می‌كنند، كه از مجموعه خارج می‌شود رشته به هم جوش خورده،پس از تقویت شدن، باكمك آنزیمهای محدودیت بریده‌شده و اجزای حاصل به كمك الكتروفوریزیس ژل سنجیدهمی‌شوند. سیمن می‌گوید : " این كار از همه جهت شبیه توالی‌سنجی DNA است ،مگر اینكه دقّت عمل خیلی كمتر است!" ؛   پاسخ- ارزش كاشی‌های خروجی كه خودچیدمانی كرده‌اند- را مستقیما" از الگوی خطوط در ژل می‌توان خواند.

 

 این مدل فقط از چهار ورودی سود می‌برد. محاسبات طولانی‌تر نیز به گفته سیمن با یك مرحله ساده خودچیدمانی انجام می‌شود. ولی با افزایش تعداد مراحل محاسباتی، احتمال خطا بیشتر می‌شود. در تجربه‌ای كه در مجلّه Nature بیان شده، میزان خطا 2 تا 5% برآورد شده است.

 

 سیمن خاطرنشان می‌كند كه این خودچیدمانی الگوریتمی ، نسبت به چیدمانیهای DNAای كه او روی آنها كار كرده است، به صحّت بیشتری نیاز دارد .دركار قبلی‌ او روی آرایه‌های تناوبی، یك كاشی " صحیح" با كاشی‌های " غلط" رقابت می‌كرد و " لذا فراهم‌آوری شرایط كاركرد صحیح زیاد سخت نبود."  او می‌گوید : " در این مسئله ، كاشی صحیح با كاشی‌های نسبتا" صحیح رقابت می‌كند. شما در این مسئله باید سخت‌گیرانه‌تر از مسئله ترتیب تناوبی كار كنید. شما باید به تمام صحت و درستی دست یابید و نه نصف آن! "

 

اریك وین ‌فری ، یك دانشیار علوم كامپیوتر و سیستمهای محاسباتی و عصبی در موسسه فناوری كالیفرنیا، چندسال قبل برای اولین بار پیشنهاد استفاده از DNA برای تقلید كاشی‌های وانگ را ارائه كرده بود- مربع‌هایی با گوشه‌های رنگی كه وقتی طوری كنار هم چیده شوند كه گوشه‌های همرنگ كنار هم قرار گیرند برای انجام محاسبات قابل استفاده‌اند. سرهای چسبنده روی كاشی‌های DNA معادلهای منطقی گوشه‌های رنگی كاشی‌های وانگ اند. وین فری با ذوق زدگی از مقاله سیمن-ریف می‌گوید: " این اولین ظهور تجربی ایده‌هایی است كه من در تز دكترایم مطرح كردم."

 

 هر چند، قسمت مشكل كار حركت از نظم یك بعدی به دو و سه بعدی است، وین فری می‌گوید : " این كار، موجب پردازش اطلاعات بسیار پیچیده‌تری  خواهد شد"- البته در صورت عملی شدن.

دیوید هارلان‌وود، یك استاد علوم كامپیوتر در دانشگاه دلاویر معتقد است، روشن سیمن برای ساخت بیش از محاسبه مفید است. وود می‌گوید : " وقتی من این مقاله را خواندم و به ساختن فكر كردم؛  نظرات شگفت‌انگیزی در مورد سیخ‌ها یا تخته‌های پروازكننده در فضا داشتم." ولی او فكر كرد كه: " اعمال این تكنیك محاسباتی در 1012 مولكول مجزا از یكدیگر،واقعاْ مشكل است. ولی در عوض، یك كامپیوتر الكترونیكی قوی  می‌تواند در كمتراز یك میكرو ثانیه مشكلات این مقیاس را در هم بكوبد."

 

 سیمن تأیید می‌كند :" ما در اینجا در مورد گیگاهرتز صحبت نمی‌كنیم منظور ما 100 نانوهرتز است." نوشته شده توسط عباس طالبی ساعت 10:11 ق.ظ در روز : جمعه 25 آبان 1386

ویرایش شده در جمعه 25 آبان 1386 و ساعت 10:11 ق.ظ

لینك ثابت | نظرات ()


مطالب پیشین