ورود ریزماشین‌ها به دنیای اندازه گیری دقیق

به طور خلاصه این دستاورد ابتکاری می‌تواند زمینه ورود تخصصی و دقیق به دنیای میکروسکوپی را برای متخصصان رشته‌های خاص علوم فراهم کند. چون با این فناوری نوین آنها قادر به ارائه نوعی «بینی تراشه‌ای» فوق حساس و دقیق برای کشف و تعقیب مظنونین تحقیقات جنایی، حسگرهایی برای شناسایی مواد جامد یا گازی شکل خطرناک و همچنین کلاس نوینی از ابزارهای آزمایشگاهی مافوق دقیق برای تحقیقات تخصصی در حوزه فناوری‌های نانو و زیستی خواهند شد.

در دنیای میکروسکوپی هر روز می‌توان دست به سنجش صحیح و دقیق کمیت‌هایی مثل فاصله و جرم زد. در حال حاضر چون که استانداردهای شناخته شده‌ای نظیر خط‌کش‌ها یا اوزان را برای مدرج کردن و تنظیم وسایل داریم که می‌تواند فواصل یا نیروها را اندازه‌گیری کند، اما برای جهان‌های میکرو ـ یا نانوسکوپی ـ استانداردها یا روش‌های عملی برای سنجش کمیت‌های بسیار کوچک وجود ندارند. به همین دلیل سامانه‌های میکرو الکترومکانیکی برای طیفی از کاربردهای فناوری برتر نویدبخش و مدعی به حساب می‌آیند.

البته محققان پیش از این نیز از تکنیک‌های متنوعی برای درجه‌بندی نیرو و جنبش در اهداف ریز کمک گرفته‌اند که هر یک حاوی مولفه‌هایی بوده‌اند که اندازه‌گیری آنها باید در مقیاس‌هایی از میکرو، نانو، میلیونیم یا میلیاردم متر صورت می‌گرفته است؛ با وجود این دقت و درستی تکنیک‌های فعلی به دلیل عدم قطعیت‌های ذاتی‌شان نوعا از 10درصد یا بیشتر تجاوز نمی‌کند. به نحوی که در مورد تغییرات فرآیند، هیچ دو ریز ساختاری را نمی‌توان یافت که خواص هندسی و موادی یکسانی داشه باشند. در حالی که این متغیرهای کوچک در کیفیت‌هایی همچون هندسه ریزساختاری، سختی و جرم می‌توانند تا حد معینی روی عملکرد نهایی تاثیر بگذارند.

به عنوان مثال، یک تغییر10درصدی در پهنا می‌تواند سبب تغییری 100درصدی در سختی یک ریزساختار شود. به همین دلیل تغییرات فرآیند کار پیش‌بینی صحیح عملکرد را برای محققان دشوار می‌کند ولی فناوری ابداعی ما موسوم به فن اندازه‌گیری الکترومیکرو EMM، مهندسان را قادر می‌سازد این تغییرات فرآیند را بدرستی و با توسل به دقت عمل به کار رفته در سامانه‌های میکرو الکترومکانیکی لحاظ کنند.

اکنون و برای نخستین بار سامانه‌های میکرو الکترو مکانیکی می‌توانند بدون هرگونه مرجع خارجی دست به « خود تنظیمی» واقعی بزنند، یعنی ریزماشین‌های ما قادر به تعیین خواص عملکرد مکانیکی منحصربه‌فردشان خواهند بود و برای انجام این وظیفه مهم در نقش حسگرها یا فعال‌کننده‌های بسیار دقیق ظاهر می‌شوند. ریزماشین‌هایی که اکنون در محصولات تجاری نظیر بازی‌های رایانه‌ای، آیفون‌ها، ربات‌های راهپیما و کیسه‌های هوای خودروها استفاده می‌شوند کارایی خوبی دارند، چون که به دقت و صحت عمل مافوق بالا نیاز ندارند؛ ولی در مورد اندازه گیری نیروهای بسیار کوچکی مثل نیروهای فان در وال بین مولکولی یا پدیده موسوم به اثر کاسیمیر که در نتیجه پریدن ذرات به داخل و خارج هر جای موجود در عالم رخ می‌دهد، فناوری فعلی از عهده اندازه‌گیری مافوق دقیق برنمی‌آید. زیرا این نیروها در مقیاس پیکو نیوتن(یک تریلیونیم وزن یک سیب متوسط) اندازه‌گیری می‌شوند.

قابلیت خود تنظیمی موضوعی بسیار مهم و ضروری است، چون ریزماشین‌ها ممکن است در معرض محیط‌های بسیار خشن قرار بگیرند یا لازم باشد برای دوره‌های مدید در وضعیت خواب و تاخیر ماموریت قرار داده شوند. فرض کنید یک حسگر MEMS در محیط خارجی یا روی کاوشگر فضایی دارید. شما می‌خواهید مامورتان برای مواردی مثل تغییرات ناشی از اختلافات دمایی، تغییرات در محیط گاز یا مایع یا سایر شرایطی که ممکن است خواص آن را تحت‌تاثیر قرار دهد، بتواند بیدار شده و خودش را برای محاسبه این تغییرات تنظیم مجدد کند. بی‌تردید در چنین فاصله دور از دسترسی است که نیاز به فناوری خود تنظیم‌گر واقعا احساس می‌شود.

بله، فن سنجش میکرو الکترو خواص مکانیکی را منحصرا بر حسب اندازه‌گیری‌های الکتریکی تعریف می‌کند که با متدهای رایج سنتی متفاوت است. به عنوان مثال، با اندازه‌گیری تغییرات در یک خاصیت الکترونیکی مثل ظرفیت یا همان توانایی ذخیره بار الکتریکی، ما قادر به ارائه کیفیت و کمیت‌هایی همچون شکل ریز ساختار، سختی، نیرو یا جابه‌جایی آن با دقت و صحت عملکرد بالایی هستیم. درواقع ما می‌توانیم ظرفیت الکتریکی را دقیق‌تر از هر کمیت دیگری که تا کنون قادر به سنجش آن بوده‌ایم، اندازه‌گیری کنیم.
به بیان دیگر ما می‌توانیم با استفاده از سامانه‌های میکرو الکترو مکانیکی به‌طور بالقوه‌ای اندازه‌گیری پدیده‌های مکانیکی معین را دقیق‌تر از آنچه با استفاده از ابزار سنجش ماکرو مقیاس صورت می‌گرفت،
انجام دهیم.

در نظر داریم روی فناوری میکروسکوپ نیروی اتمی که به ابزار مورد توجه متخصصان نانو فناوری بدل شده، کارهای تکمیلی انجام دهیم و در گام اول گروه ما در حال برنامه‌ریزی برای آموزش کاربران درخصوص نحوه تنظیم کردن ابزارشان با استفاده از فناوری سامانه‌های میکرو الکترو مکانیکی خودتنظیم‌گر است. همچنین قصد دارم از این رویکرد جدید برای ایجاد یک سامانه خودتنظیم‌گر مینیاتوری در هیات یک میکروسکوپ نیروی اتمی تراشه‌ای استفاده کنم که به نحو چشمگیری اندازه و هزینه ابزارآلات آزمایشگاهی را تنزل می‌دهد. معتقدم چنین دستاوردی درهای دنیای نانو را برای تعداد بیشتری از افراد یا گروه‌ها باز خواهد کرد.