تحقیق در مورد مهندسان مرکز تحقیق مواد پیشرفته با فرمت ورد

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  و قابل ویرایش و پرینت

تعداد صفحات: 8

مهندسان مرکز تحقیق مواد پیشرفته، مشغول مطالعه بر روی یک روش اندازه‌گیری در مقیاس‌نانو می‌باشند که به آنها اجازه می‌دهد ساختارهای نیمه‌هادی جدید را در مقیاس اتمی مورد آزمایش قرار دهند، که می تواند راهگشای نسل جدیدی از وسایل الکترونیکی باشد.دراین روش جدید از طراحی مدل کامپیوتری به همراه میکروسکوپی الکترون عبوری بدون انحراف، که می‌تواند تا 0.7 آنگستروم را تفکیک کند استفاده می‌شود. اکثر فواصل بین اتمی در بلورها، مانند سیلیکون، کمتر از 0.1 نانومتر (یک آنگستروم) می‌باشند.توانایی مشاهده ساختارهای اتمی امکان تولید ساختارهای نیمه هادی پیشرفته، مثل ترانزیستورهای اثر میدانی تیغه‌ای (ترانزیستوری که جریان خروجی آن توسط یک میدان الکتریکی متناوب کنترل می‌شود و جایگزین ترانزیستورهای قدیمی خواهد شد) را افزایش می دهد.دای‌بولد، یکی از اعضای این تیم تحقیقاتی می‌گوید: اصلاح انحراف میکروسکوپ الکترونی، قدرت تفکیک آن را تغییر داده و پنجره جدیدی رو به ساختارهای اتمی فناوری‌نانو گشوده است. او افزود : با استفاده از مدل ها ما قادر خواهیم بود عکس ها را با دقت بیشتری شبیه سازی کرده و در نتیجه برداشت صحیحی از آنچه نگاه می کنیم داشته باشیم.دکتر برایان کوچ، استاد مهندسی شیمی دانشگاه تگزاس و مدیر این پروژه، می‌گوید: هدف این پروژه به کارگیری نرم‌افزارمنحصر به فرد برای شبیه‌سازی پراش الکترونی مدل‌های نانوسیم‌هایی است که با قطری کمتر از 20 نانومتر، ابعادی شبیه نسل بعدی ورودی و خروجی های ترانزیستورها وساختارهای تیغه‌ای ترانزیستورهای اثر میدانی دارند. از آنجایی که نانوسیم‌ها ساختارهای ساده‌تری دارند، استفاده از آنها به محققان اجازه می دهد که روش‌های میکروسکوپی جدید را برای نیازهای علم اندازه‌گیری در آینده بهبود بخشند.دای‌بولد می‌گوید: در گذشته علم اندازه گیری، برای همگام شدن با پیشرفت های سریع، در درجه بندی نیمه‌هادی‌ها مشکل داشت، ولی امروزه ابزاری در اختیار داریم که به ما امکان شناخت ساختار سطح، فصل مشترک و ساختارهای اتمی را به گونه ای که در قدیم امکان پذیر نبود می دهد. همچنین به ما کمک می کند گام بزرگی در جهت شناخت ساختارهای وسایل آینده برداریم.مرکز تحقیق مواد پیشرفته بر روی جدید ترین مواد و قابلیت هایشان برای نسل بعدی نیمه هادی ها مطالعه می کند، همان گونه که جدیدترین تحقیق در زمینه فناوری نانو، بیوتکنولوژی و سایر فناوری‌های پیشرفته را انجام داده است. هدف از تلاش پنج ساله مرکز تحقیق مواد پیشرفته تسریع تجاری شدن تحقیقات فناوری‌های مهم است که به عقیده اقتصاد دانان، صنعت، اشتغال و درآمدهای مالیاتی آینده را تامین می کنند.

عبور دادن DNA از یک نانوحفرهمحققان دانشگاه ایلی‌نویز ایالات متحده، از یک میدان الکتریکی برای وارد کردن نیرو به مولکول‌های DNA جهت عبور از یک حفره باریک استفاده نمودند. در نهایت ممکن است این روش برای تعیین مشخصات مکانیکی مجموعه‌های DNA-پروتئین به کار رود.اَلِکسی آکسی‌مِنتیوف یکی از اعضای این تیم تحقیقاتی بیان داشت:« ما در حال توسعه یک ابزار حالت جامد هستیم تا توسط آن بتوانیم توالی تک‌مولکول‌های DNA را در حین عبور از یک حفره نانومتری در یک غشای سیلیکونی تعیین نماییم. هرچه قطر حفره کوچک‌تر باشد، کنترل ما بر روی شکل‌بندی (کنفورماسیون) DNA درون حفره بیشتر بوده و شانس ما برای تعیین توالی نوکلئوتیدهای مولکول‌های DNA (کد ژنتیکی) افزایش می‌یابد.»بنا بر اظهارات آکسی‌مِنتیوف، شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای نشان می‌دهد استفاده از یک میدان الکتریکی قوی، محققان را قادر خواهد ساخت تا بتوانند یک مولکول DNA دو رشته‌‌ای را درون یک محلول از یک حفره کوچک‌تر از قطر مولکول عبور دهند. محققان دریافتند این وضعیت در حقیقت حالت مورد نظر آنها می‌باشد. آنها توانستند یک مولکول DNA دو رشته‌ای را از یک حفره به قطر 5/2 نانومتر عبور دهند. به نظر می‌رسد میدان الکتریکی قادر است مولکول‌های DNA را کشیده و آنها را باریک‌تر نماید. این محققان آزمایشات خود را در یک سل دو بخشی، که هر بخش حاوی الکترولیت کلرید پتاسیم و الکترود Ag/AgCl بود، انجام دادند. آنها با استفاده از اشعه الکترودی، حفره‌هایی در یک غشای نیترید سیلیکونی به ضخامت 10 نانومتر، که دو بخش سل را از هم جدا می‌کرد، ایجاد نمودند. این نانوحفره‌ها قطری معادل یک تا سه نانومتر داشتند. این تیم تحقیقاتی مولکول‌های تک‌رشته‌ای و دو رشته‌ای DNA را در قسمت الکترود منفی محلول وارد کرده و پتانسیلی به دو طرف غشا اعمال نمودند و سپس جریان عبوری از حفره را اندازه‌گیری کردند. عبور مولکول‌های DNA به طور موقتی جریان الکترولیت را مسدود کرد. دانشمندان تخمین می‌زنند که توانسته‌اند در حین عبور DNA از حفره، نیرویی معادل 1-300 pN به آنها وارد نمایند.  

شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی آزمایشات نشان داد که حد آستانه عبور مولکول‌های DNA دو رشته‌ای، به شعاع حفره و پتانسیل اعمالی در دو طرف غشا بستگی دارد. این نتیجه‌گیری، توسط داده‌های حاصل از آزمایشات نیز تایید شده‌اند.آکسی‌مِنتیوف می‌گوید:«کاربردهای احتمالی این روش می‌تواند شامل ایجاد یک فناوری با کارایی بالا برای اندازه‌گیری نیرو‌های مابین DNA و پروتئین‌ها در یک مجموعه DNA-پروتئین باشد. با اندازه‌گیری زمان جدا شدن پروتئین از DNA (در حین عبور از حفره) با استفاده از نیروهای کششی متفاوت، ما باید بتوانیم انرژی برهمکنش مابین پروتئین و DNA را استنتاج نماییم.» آکسی‌مِنتیوف معتقد است با مشخص شدن موارد غیرمعمول در انرژی پیوندی توسط این روش، می‌توان بیماری‌ها را تشخیص داده و روشی برای درمان آنها پیشنهاد داد.آکسی‌مِنتیوف می‌افزاید:«کاربرد دیگر این روش، ایجاد یک فناوری با کارایی بالا برای توالی‌سنجی DNA می‌باشد. این حقیقت که رشته‌های DNA منفرد می‌توانند در یک حفره یک نانومتری جا شوند، یک محدودیت بالا برای بازهای DNA ایجاد می‌کند. این محدودیت می‌تواند DNA را در مدت زمانی که بتوان نوع نوکلئوتید آن را تعیین کرد، در حفره ثابت نگه دارد. اما این کاربرد هنوز دور از دسترس می‌باشد.»در حال حاضر محققان در حال برنامه‌ریزی بر روی ضبط اثرات الکتریکی مولکول‌های DNA عبوری از یک نانوحفره در یک ویفر سیلیکونی می‌باشند. هدف از این کار درک فرآیندهای نانومقیاسی است که درون حفره اتفاق می‌افتد.

تکنیک‌های بهینه‌سازی، چه در فضای ریاضیات پیوسته و چه در فضای ریاضیات گسسته، اثری عمیقی بر طراحی مهندسی گذاشته است. در این مقاله اثر تکنیک‌های بهینه‌سازی در مقابله با فضای نانومحاسبات را در پنج حوزه:

الف) سطوح انرژی پتانسیل (PES)

ب)‌ روش‌های کمینه سازی انرژی (الگوریتم‌ها)

ج) مدل‌سازی مرحلة انتقال فاز

د) ساختار بیشترین کمینه

ه) مدل‌سازی مسیر برهم‌کنش‌ها

پنج حوزة فوق را در شکل زیر ملاحظه می‌کنید:

مفاهیم بهینه‌سازی در سطوح انرژی پتانسیل:

گرادیان: مشتق اول انرژی نسبت به هندسه (z ,y, x )، که به نام "نیرو" نیز خوانده می‌شود. (دقیقاً، گرادیان با علامت منفی مفهوم نیرو می‌دهد)

نقاط سکون : عبارت است از نقاطی بر روی PES که گرادیان (نیرو) صفر است. این نقاط شامل: حداکثر، حداقل، گذارفاز، و نقاط زینی " مرتبة بالاترند.

مفاهیم فیزیکی PES:

Hessian: مشتق دوم PES نسبت به هندسه و تشکیل ماتریس نیرو را گویند

"بردار ویژه" و "مقدار ویژه": قطری کردن ماتریس Hessian، "بردار ویژه" می‌دهد که مدهای نرمال ارتعاش هستند و مقادیر ویژه نسبت به مجذور کردن فرکانس‌های ارتعاشات به دست می‌آید.

علامت مشتق دوم:

علامت مشتق دوم برای افتراق میان MAX و MIN بکار می‌رود. Min روی PES دارای مقدار ویژه مثبت است (فرکانس‌های ارتعاشی). MRX یا نقاط زینی (نقاط زینی نقاطی هستند که دارای جهت MAX از یک جهت و دارای جهت Min از سوی دیگر هستند) دارای یک یا بیشتر فرکانس منفی می‌باشد.مفاهیم فوق را در شکل زیر ملاحظه می‌کنید.

الگوریتم‌های کمینه‌سازی انرژی:

 روش کمینه‌سازی یک متغیره (شکل زیر)