محاسبات در دنياي نانو(3)

کامپيوترها در دنياي پيشرفته امروز نقش کليدي و گسترده اي را در زندگي بشر، مخصوصا توسعه علم و گسترش مرزهاي دانش بازي مي کنند. يکي از پايه اي ترين موضوعاتي که متخصصين کامپيوتر مي آموزند برنامه سازي هاي کامپيوتري است. در علوم و فناوري نانو شبيه سازي هاي کامپيوتري به شدت وابسته به تسلط در برنامه سازي ها و کار با نرم افزارهاي شبيه سازي است. نرم افزارهايي که پايه آنها برنامه نويسي ويژوال بيسيک است و به کمک آن مي توان مفاهيم ساده اي نظير حرکت نوسان گر هماهنگ و يا ديناميک مولکولي را شبيه سازي کرد، اما به دليل اينکه هدف ما در اين سري مقالات تنها آشنايي با کاربرد محاسبات در مقياس نانو است مستقيما به سراغ مدل سازي در دنياي نانو مي رويم. 

مدل سازي اصطکاک در مقياس نانو

اگر جسمي را با سرعت اوليه مشخصي روي ميزي افقي رها کنيم، سرانجام خواهد ايستاد، به بياني، نيرويي در خلاف جهت حرکت جسم روي سطح به آن وارد مي شود. اين نيرو را که هنگام لغزيدن جسم روي سطح به آن وارد مي شود، نيروي اصطکاک جنبشي مي ناميم. اصطکاک به صورت يک بر هم کنش تماسي ميان جامدات(در ابعاد بزرگ) است. نيروي اصطکاک وارد بر جسم در خلاف جهت حرکت آن جسم نسبت به سطح زيرين است. در واقع نيروي اصطکاک همواره با اين حرکت نسبي رويارويي مي کند و هيچگاه به آن کمک نمي کند. اين تعاريف، مستقل از ابعاد طولي جسم هستند. در ابعاد ميکروني و بالاتر اجسام پيوسته فرض مي شوند. اما همان گونه که مي دانيم تمام اجسام با ابعاد ميکروني و بالاتر، اجسام پيوسته فرض مي شوند. اما همانگونه که مي دانيم تمام اجسام با ابعاد ميکروني و بالاتر در مقياس نانو از مولکول ها و آنها هم به نوبه خود از اتمها تشکيل شده اند. منشا و سرچشمه اصلي هر پديده اي در ابعاد بزرگ، ابعاد اتمي- مولکولي است،لذا پديده اصطکاک نيز از اين قاعده مستثني نيست. در اين مقاله ضمن مرور بر دانش قبلي، به اصطکاک در ابعاد ميکرون و بالا، به اصطکاک در ابعاد نانو نيز به طور فشرده خواهيم پرداخت.

اگر هيچ حرکت نسبي هم در کار نباشد ممکن است ميان دو جسم نيروي اصطکاک وجود داشته باشد. اين نوع اصطکاک را اصطکاک ايستايي مي گوييم. وقتي جسمي در آستانه حرکت به واسطه اعمال نيروي خارجي قرار گيرد نيروي مخالفي به نام نيروي اصطکاک ايستايي در برابر اين نيرو قرار مي گيرد. نيروي اصطکاک ايستايي بزرگتر از نيروي اصطکاک جنبشي است. اين بزرگتر بودن را به اين صورت ساده مي توان توضيح داد: هنگامي که جسم در حالت ايستا است و نيروي بيروني ثابتي به آن وارد شود گويي جسم مي خواهد از سد پتانسيل ( که ناشي از پستي و بلندي هاي سطح جسم زيرين است) گذر کند. کار نيروي بيروني به اين گذر کمک مي کند. از سويي براي رهانيدن جسم در حال حرکت، انرژِي جنبشي جسم به کمک کار نيروي بيروني مي آيد و گويي گذر از همان سد پتانسيل آسان تر مي شود و اينجاست که گمان مي کنيم نيروي اصطکاک جنبشي کمتر شده است.

آدمي از ساليان پيش مي دانست که با کمک روغن کاري مي توان حرکت اجسام روي سطح را روان کرد. يک نگاره بر ديوار غاري در مصر که به زمان حدود 1900 سال پيش از ميلاد بر مي گردد مجسمه سنگي بزرگي را نشان مي دهد که روي سورتمه اي کشيده مي شود و مردي در جلوي سورتمه روي مسير روغن مي ريزد. امروزه شرکتهاي روغن سازي گوناگوني در جهان به طور علمي براي توليد روغن موتور خودروها رقابت مي کنند. کوشش آنها در توليد روغن هايي است که در برابر گرماي بالا و سرماي سخت طول عمر و کارايي بيشتري داشته باشند.

ميکروسکوپ نيروي اتمي

همانگونه که در پيش گفتار اين کتاب گفته شد از ديد فيزيکي تمام جنبه هاي ميکرو و نانوي پديده ها ناشي از نيروهاي ميان اتمي شناخته شده هستند. همچنين به لحاظ نظري هر ساختار اتمي مولکولي که از قوانين بنيادي فيزيک و شيمي پيروي مي کند، امکان پذير است. از جمله اين پديده ها، اصطکاک است. پرسشي که در ذهن شکل مي گيرداين است که چرا با وجود مفهوم نيرو در زمان نيوتن و همچنين شناخت نيروهاي ميان اتمي در آغاز سده بيستم و فرمول بندي  نظريه مکانيک کوانتمي، تا يکي دو دهه پيش مطالعات و بررسي هاي جدي روي اصطکاک در ابعاد نانو صورت نگرفته است. پاسخ را دستگاههاي جديد که تولدشان را وام دار پيشرفت هاي همه جانبه دانش کامپيوتري و نيز صنعت الکترونيک هستند بشر را توانا به اندازه گيري ها و مشاهدات اتمي ساخته اند. امروزه ميکروسکوپ هاي گوناگوني با ساز و کارهاي گوناگون در خدمت علوم و مهندسي قرار گرفته اند. يکي از رايج ترين آنها ميکروسکوپ نيروي اتمي است که توانا به اندازه گيري (مشاهده نامستقيم) طول هاي نانومتري و کمتر از آن است. اين ميکروسکوپ، داراي اجزاي اصلي "انبرک و نوک" است.