رایانه توی جیب جلبک‌ها!

جلبک‌ها، زمینه‌های بسیار مساعدی را برای تحقیقات فناوری نانو فراهم کرده‌اند. محصولات متنوعی از قبیل پوشاک، وسایل ورزشی و حتی برخی از ابزارآلات پزشکی و قطعات سخت‌افزاری در رایانه‌ها، همه و همه مرهون چنین فناوری‌ای است. از بین انواع جلبک‌های تک‌سلولی، دیاتومه‌ها یا جلبک‌های قاب سیلیسی، مهمترین گروهی هستند که در این فناوری کاربرد دارند. دیاتومه‌ها دارای ساختار پوسته‌ای از جنس دی‌اکسید سیلیس با خلوص 99 درصد در طبیعت اعم از آب‌های شور، شیرین و انواع خاک‌ها، انتشار وسیعی دارند. دیاتومه‌ها بسیار متنوع هستند و تاکنون یکصد هزار گونه از آنها شناسایی شده است و حتی تنوع زیستی آنها را تا حدود یک میلیون گونه برآورد کرده‌اند. یکی از عوامل ساختاری مهم در این گروه از جلبک‌ها که مسیر پیشرفت فناوری نانو را فراهم کرده‌اند، وجود تزئینات بسیار متنوع و همچنین دانه‌بندی بسیار دقیق و ظریف در سلول‌های آنهاست. بدون شک ساختن اشکال هندسی با چنین دقتی در مقیاس نانو، بسیار دشوار است و بنابراین تنوع میلیونی و همچنین فراوانی دیاتومه‌ها چنین مساله‌‌ای را برای متخصصان به طور قابل توجهی تسهیل کرده است.

طبق تخمین‌ها، سالانه 20 درصد از دی‌اکسید کربن محیط توسط این موجودات دریافت شده و از آن برای تولید پوسته‌ای الگودار از دی‌اکسید سیلیکون، در اعماق اقیانوس‌ها و دریاچه‌ها استفاده می‌شود.

یک ماشین مجهز

فرض کنیم یک متخصص نانو بخواهد یک میکروربات بسازد تا بتواند آن را در سیستم عروقی انسان هدایت کند و محل انسداد را ردیابی و برطرف سازد. بدیهی است چنین موردی نیاز به افزار و شیوه‌های دقیق دارد. با توجه به ویژگی‌های فیزیکی دیاتومه‌ها، از آنها می‌توان به عنوان اجزای یک ماشین مجهز استفاده کرد. البته با این تفاوت که تولید چنین افزاری از لحاظ کمیت و کیفیت، بسیار فراتر از فناوری متداول است. از سوی دیگر، صرفه‌جویی اقتصادی با تاکید بر مصرف بهینه از مواد اولیه، دلیل دیگری برای رشد و توسعه چنین فناوری‌ای خواهد بود. باید دانست در حال حاضر، بررسی شیوه‌های انتقال و به عبارتی تزریق آلیاژهای گوناگون به داخل حفره‌ها و شیارهای موجود در دیاتومه‌ها، اهمیت بسزایی دارد. در همین راستا، جستجوی راهکارهای مناسب برای آرایش مجموعه‌ای از این سلول‌ها در سطوح گوناگون کاربردی اعم از مصارف نظامی، پزشکی و تجاری، اهمیت بسیاری دارد.

دانش فنی در این زمینه بویژه در طراحی، ساخت و تولید مواد نانو براساس شناخت جامع و فراساختاری این گروه از جلبک‌هاست. در برخی موارد برای تهیه و ارزیابی قابلیت‌های محصولات نانو، نیاز به تامین افزار خاصی از قبیل ابزار دقیق اندازه‌گیری، آشکارسازها و انواع نشانگرهاست. در چنین مواردی با استفاده از فناوری نانو‌افزار خاص مورد نیاز، طراحی و ساخته می‌شود.

واقعیتی پشت پرده‌

حتی اگر کسی عجیب به نظر برسد، جلبک‌ها در مقایسه با پیکر سبز تمامی گیاهان موجود در جنگل‌ها و مراتع حتی اراضی کشاورزی، بیشترین خدمت را به بشریت انجام می‌دهند. جلبک‌ها به تنهایی بیش از 85 درصد از کل فرایند فتوسنتز یعنی تولید اکسیژن و کربوهیدرات‌ها را به عهده دارند. بنابراین جلبک‌ها در این زیست کره از نظر تولید مواد اولیه‌دار نتیجه ذخیره انرژی خورشیدی مقام اول را به خود اختصاص داده‌‌اند. به نظر می‌رسد میزان جلبک‌های خشک‌تری بسیار ناچیز باشد ولی با یک محاسبه ساده، نتیجه بسیار شگفت‌‌آور خواهد بود. به طور کلی در یک هکتار از زمین‌های زراعی به عمق 30 سانتیمتر که از لحاظ مواد آلی و کانی‌ها در سطح متوسطی قرار دارد، به میزان یک هزارم وزن حجمی خاک، جلبک وجود دارد. به این ترتیب به ازای هر هکتار از زیبایی‌های زراعی، حداقل 2 هزار کیلوگرم جلبک یافت می‌شود. چنین توان تولیدی در مقایسه با برخی از محصولات دیم، قابل تامل است.
علاوه بر این تنوع زیستی جلبک‌ها در این اراضی هم قابل توجه است. به طوری که براساس آخرین مطالعات انجام شده، بیش از 35 گونه از انواع جلبک‌ها در یک هکتار از سطح زیر کشت ذرت شیرین وجود دارد. چنین برآوردهایی به صورت بازنگری در واقعیت‌های چندین میلیون قرن و در ارتباط با فناوری‌های جدید بسیار ضروری است. بازتاب چنین نگرشی را می‌توان در فناوری نانو بخوبی مشاهده کرد. محصول‌های این فناوری‌ با مقیاس‌های بسیار کوچک یعنی یک تا صد میلیاردم متر، جهان را در مرحله‌ای از تحول کم‌نظیر قرار داده است برای تجسم چنین مقیاسی کافی است یادآور شویم ضخامت یک تار موی انسان حدود 20 هزار نانومتر است.

عایق چیپ‌های نیمه هادی از جلبک‌ها

یکی از جدیدترین تحقیقات انجام شده در این زمینه، تلاش برای ساخت عایق چیپ‌های نیمه هادی از دیاتومه‌هاست. دیاتومه‌ها پوسته محافظ خود را با رسوب‌گذاری پی در پی خطوطی از دی‌اکسید سیلیکون (در ابعاد زیرمیکرونی) می‌سازند که این ماده رایج‌ترین ماده مورد استفاده این زمینه است. با توجه به این که شناسایی تمام ژن‌های این نوع ویژه از دیاتومه‌ها در حال انجام است؛ از آنجا که هر یک از انواع دیاتومه‌ها قابلیت الگودهی منحصر به فردی دارد، مرتب‌سازی آنها کاتالوگ گسترده‌ای از الگوها را ایجاد خواهد کرد که می‌توانند در جهت اهداف مختلف با هم ترکیب شوند.

با توجه به این دریافت‌ها، محققان در نظر دارند ژن‌های معینی را فعال یا غیرفعال کنند و از این طریق این خطوط را به دقت کنترل کنند تا چیپ‌های آینده را به شکل دلخواه درآورند. در حال حاضر دانشمندان با استفاده از فرآیند بسیار پیچیده و دشوار آزمون و خطا سعی دارند تاثیرات فعال یا غیرفعال‌سازی هر یک از ژن‌ها روی تولید الگو را فهرست کنند که در صورت تکمیل این فهرست قادر خواهند بود چیپ‌های نیمه هادی تولید شده را بهبود ببخشند.

آنها معتقدند چند سالی تا امکان کنترل دقیق دیاتومه‌ها و الگودهی دقیق چیپ‌های واقعی با ارگانیسم‌های زنده زمان باقی است.

کول دیسک از جلبک‌

واقعا شگفت‌‌انگیز است وقتی که می‌فهمیم برخی از محصولات رایانه‌ای جدید از قبیل صفحات نمایشگر انعطاف‌پذیر یا وسیله‌ای جیبی بسیار کوچک برای ذخیره اطلاعات با ظرفیت‌های فوق‌العاده زیاد به نام کول دیسک و بسیاری از دیگر اختراعات جدید از راه فرآیند فناوری نانو روی همین جلبک‌های تک‌سلولی به وجود آمده‌اند.

یک قصر شیشه‌ای‌

با توجه به اهمیت جلبک‌ها در این زمینه، به نظر می‌رسد کشاورزی سنتی، صنعتی باید در جهت توسعه پایدار فناوری‌های جدید قرار بگیرد؛ زیرا مناسب‌ترین جایگاه برای چنین تحقیقاتی، کشاورزی پیشرفته و بویژه در زیربخش‌های گیاه‌شناسی و با تخصص الکتروبوتانی است. اگرچه ممکن است بعضی علاقه‌مندان به کشاورزی نوین، همچنان هویت جلبک‌ها و بخصوص دیاتومه‌ها را بدرستی ندانند، اما کافی است بدانیم بسیاری از ظروف شیشه‌ای و کریستال در اطراف ما، همه و همه از همین پوسته‌های سیلیسی دیاتومه‌ها ساخته شده‌اند و این در حالی است که هر یک از دیاتومه‌ها برای مهندسین نانو، یک قصر شیشه‌ای محسوب می‌شود.

با توجه به اهمیت منابع طبیعی تجدیدشونده و افزایش تقاضا برای انواع محصولات کشاورزی، کشت و پرورش انواع جلبک‌ها، اجتناب‌ناپذیر است. هر چند تاکنون دسترنج کشاورزان را در مصارف غذایی دارویی و زینتی جستجو می‌کردیم، ولی حالا می‌دانیم که در آینده نه چندان دور، یک کشاورز جلبک، به آسانی مواد اولیه و حیاتی را برای مراکز فناوری نانو تامین خواهد کرد.

جلبک‌ به جای لیتوگرافی‌

تیم‌های تحقیقاتی با ترکیب جدید مهندس برق، زیست شیمیدان و ژنتیک‌شناس، دیاتومه‌ها را تحت کنترل خود درمی‌آورند. یکی از این تیم‌ها، به قصد شناسایی استفاده از دیاتومه‌ها به جای لیتوگرافی تحقیقاتی را انجام داده‌اند. مورد مصرف اصلی دیاتومه‌ها، (در این خصوص) تولید الگوهای پیچیده روی نیمه ‌هادی‌های آینده است. با شناسایی 75 ژن از بین 13000 ژنی که تشکیل الگوی دی‌اکسید سیلیکون را در دیاتومه‌ها کنترل می‌کنند، قصد دارند تا به طور دقیق دیاتمه‌ها را برای ساخت چیپ‌های دلخواه کنترل کنند.

فکر استفاده از دیاتمه‌های میکروسکوپی، از آنجا در ذهن دانشمندان شکل گرفت که بتوانند به طور بالقوه الگوی زیرمیکرونی را روی نیمه‌هادی‌ها ایجاد کنند، که حتی چیزی فراتر ازخوشبینانه‌ترین پیش‌بینی‌ها برای تکنیک‌های آینده فوتو لیتوگرافی است.