سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس نانو (NEMSs)

مقدمه
سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس نانو یا همان سیستم‌های نانو الکترومکانیکی ترجمه‌ی واژه‌ی Nano ElectroMechanical Systems است که در اختصار NEMSs گفته می‌شود. ما در مقاله‌ی قبل به مزایا و محدودیت‌های این سامانه‌ها در مقیاس میکرو اشاره کردیم. بدیهی است تمامی آن مزایا و محدودیت‌ها البته با شدت بیش‌تری در سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس نانو نیز وجود دارد. رؤیای کاربرد این سامانه‌ها در آینده‌ی نزدیک در صنایع گوناگون به منظور کسب اطلاعات در مقیاس نانو و نیز انجام مأموریت‌های خاص در این مقیاس، انگیزه‌ی پژوهش‌گران را به توسعه‌ی آن بیش‌تر می‌کند.
اگر چه عده‌ای از دانشمندان در آزمایشگاه‌ها موفق شده‌اند نمونه‌هایی از سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس نانو را طراحی کرده و بسازند، لیکن استفاده از آن‌ها در کاربردهای صنعتی هنوز اتفاق نیفتاده است. در واقع توسعه‌ی بیش‌تر این سامانه‌ها مستلزم تلاش و پژوهش بیش‌تر است. ما در این مقاله به بررسی مختصر دو مثال معروف از سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس نانو می‌پردازیم. هدف از بررسی این دو مثال آشنایی بیش‌تر شما با ساز و کار عملکرد این سامانه‌ها و ایده‌هایی است که در این سامانه‌ها مطرح و دنبال می‌شود.
در مثال اول مشاهده می‌کنیم که چگونه یک میدان الکتریکیِ خارجی موجب چرخشِ یک چرخِ مقیاسِ نانومتری می‌شود و در مثال دوم مشاهده خواهیم کرد که چگونه با تابیدن پرتوهای نور فرابنفش، حرکت‌های رفت و برگشتیِ منظمی در یک مولکول پلیمری در ابعاد نانو ایجاد می‌شود.

• مثالِ اول، چرخشِ چرخِ نانومتری
  چرخ نانومتری که می‌خواهیم آن را به چرخش واداریم همان مولکول C60 یا باکی‌بال است. همان طور که می‌دانیم C60 یک اَبَرمولکول است که از 60 اتم کربن تشکیل شده و به دلیل این که قطر آن در مقیاس چند نانومتر است از ساختارهای نانومتری شمرده می‌شود. در شکل1 ساختار یک مولکول C60 را ملاحظه می‌کنید.

شکل 1- ساختار یک مولکول C60​

در واقع می‌خواهیم یک مولکول C60 را بر روی سطح یک بلور مانند پتاسیم کلرید (KCl) به چرخش واداریم. همان طور که می‌دانیم نوع برهم‌کنش‌ها در ساختار پتاسیم کلرید از نوع یونی است. یعنی یون‌های مثبتِ پتاسیم و یون‌های منفیِ کلر با قرار گرفتن کنار یکدیگر، ساختار بلور پتاسیم کلرید را تشکیل می‌دهد. اکنون اگر بتوانیم مولکول C60 را با استفاده از یک میدان الکتریکی خارجی باردار کنیم، مولکول C60 قطبی می‌شود (یعنی دارای قطب مثبت و منفی می‌شود) و بدین ترتیب بر روی سطح باردار پتاسیم کلرید شروع به حرکت می‌کند(شکل2 را ملاحظه کنید). این همان چیزی است که به دنبال آن بودیم، چرخش یک چرخ در مقیاس نانومتری!

شکل 2- چرخش یک مولکول C60 بر روی سطح یک بلور پتاسیم کلرید (چرخش یک چرخ در مقیاس نانومتری

​