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電子裝置微型化的極致

科景_96
・2011/02/07 ・777字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 569 ・九年級

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Original publish date:Nov 15, 1999

編輯 CCLo 報導

這是電子裝置微型化的極致:由碳分子組成的管狀裝置﹐其寬度 不大於 DNA 束﹐卻可以導電﹐能夠被彎曲、切斷甚至做到電子線路 當中 — 這種東西被稱為 “carbon nanotubes”。現在美國的物理學家 發表論文指出他們可以將 “carbon nanotube” 做入真正的電子線路中。

Carbon Nanotubes@wikipedia
Carbon Nanotubes@wikipedia

自從 carbon nanotube 在1991年被發現以來﹐其在微型線路中的 應用已被科學家吹噓了很久。這樣的想法導因於” carbon nanotube “的結構和石墨一樣﹐既然石墨可以導電﹐”carbon nanotube” 也應該 可以導電。理論計算亦證實有些 “carbon nanotube “可以像金屬 線一般導電。

目前積體電路是以矽為基礎﹐標準的蝕刻技術可以將元件做到最小約 0.2 微米(10-6m)﹐而” carbon nanotube” 比這個還小 一百倍。問題是﹐在製造時要如何精確的控制這些 nanotuge 的位置?

去年﹐史丹佛 (Stanford Univ.) 大學的研究人員發展了一套方法: 他們直接將 nanotube 藏在電子元件的金屬電極上 ( Nature 359, 878 (1998)) 。Nanotube 可以在富含碳的蒸汽中生長﹐就像冬天的冰柱凝結 一樣﹐不過史丹佛的人用催化劑來加速 nanotube 的生長。

現在﹐賓州大學 (Univ. of Pennsylvania) 的 Alan Johnson 與同事們 在最近一期的 Applied Physics Letters ( App. Phys. Lett. 75, 3014 (1999)) 中發表一篇論文表示他們可以用已經做好的 nanotube 來組合 電路。他們使用的工具是原子力顯微鏡 (Atomic force microscope, AFM) 。 AFM 最早是被用來觀察原子尺度的表面結構﹐而後來也被發現可以用來移動 物體表面的分子。

Johnson 等人使用 AFM 將一個 nanotube 交疊在另一個 naotube 上﹐ 把他們切短﹐再掃去不用的部份﹐然後研究交疊區的性質。他們發現 這個交疊區的電性就像是所謂的 tunnel junction 一樣。在tunnel junction 中電子會從一個導體中漏出﹐穿過非良導體區然後到另外 一個導體上。他們認為這是因為上面的 nanotube 變形造成結構 的破壞導致局部區域的導電性降低。

利用這種交疊方法﹐研究人員可以改變 nanotube 的電性﹐也因此可以 製造出微小的電子裝置。如果我們可以找到更容易控制的方法來製造 nanotube 的交疊﹐也許不久後我們可以看到微電子裝置縮小到 分子尺度﹐而且以碳為基礎而非矽。

參考來源:

  • Nature science update (11/12/99)

相關連結:

  • Nature science update (11/01/99)

 

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Sciscape成立於1999年4月,為一非營利的專業科學新聞網站。

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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獨自搞定電腦與通訊的理論基礎,卻罕為人知的天才——夏農│《電腦簡史》數位時代(四)
張瑞棋_96
・2020/09/14 ・2348字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 538 ・八年級

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【齒輪時代】的最後一章提到,MIT 教授凡納爾.布希除了發明微分分析儀之外,也直接或間接地對電腦發展做出重要貢獻。其中一項間接貢獻就是來自他所指導的學生夏農 (Claude E. Shannon)。這位不世出的天才雖然大眾知名度不高,但事實上,現代電腦與通訊的發展,都始於他憑一己之力提出的理論基礎。

本文為系列文章,上一篇請見:電腦運算的基礎——布林代數,是麼搞出來的?│《電腦簡史》數位時代(三)

擔任布希助理,操作微分分析儀,奠定電路基本功

夏農自小就喜歡搞電子實驗,他還曾利用鐵圍籬和八百公尺外的鄰居互傳電報。1936 年,夏農以數學和電機雙學位自密西根大學畢業後,進入 MIT 電機研究所就讀,同時在布希的實驗室當研究助理。

夏農(Claude Shannon, 1916-2001)。圖:Wikipedia

當時微分分析儀是唯一能算高階微分的計算機,所以實驗室不時會接受教授或其它研究單位的委託,為他們計算微分方程式。夏農的工作便是針對他們的問題,調整微分分析儀的設定,包括大大小小的連桿、滑輪等機械零件,以及近百個控制電動馬達的繼電器。

夏農相當樂在其中,看著微分分析儀按照自己的設定運轉,最後自動畫出答案,總令他心情愉悅。而最令他著迷的,就是在背後控制所有動作的繼電器。繼電器就像閘門,掌控電流的進出,雖然只有開與關兩種狀態,但串成迴路後,就能以特定的順序開開關關,就能讓微分分析儀解出各種微分方程式。

於貝爾實驗室實習,悟出電子迴路與布林代數的關聯性

第二年暑假,夏農到美國電話電報公司 (AT&T) 的貝爾實驗室實習。當時貝爾實驗室正在開發縱橫式自動交換機,也是利用繼電器來控制電話線路的搭接。夏農操作了一學年的微分分析儀,對繼電器的運作已了然於胸,儘管電話交換機是截然不同的機器,其中的迴路也更密集複雜,他卻能看出兩者在運作上有共通之處。

1924年的電話交換機尚需人工操作。圖:Wikipedia

無論迴路大小,都是由許多繼電器與電路所組成,不同的連接方式決定電流如何流動,進而讓機器做出不同動作。如果兩個繼電器在一條電路上前後串聯,就必須兩個繼電器都打開,電流才能通過。如果電路一分為二,各自經過一個繼電器再合而為一(這稱為並聯),就只要有一個是開的,電流就能繼續往前了。

這只是電路的基本常識,每個工程師都知道,但就是沒有人像夏農那樣,看出電子迴路與布林代數的關聯。

夏農是以數學和電機雙學位畢業,對布林代數自然不陌生,但要從實體的電路聯想到抽象的邏輯關係,真的要有超乎常人的洞見。在他眼中,繼電器只有開、關兩種狀態,恰可用布林代數中的 1 與 0 兩種數字表示。繼電器串聯相當於邏輯運算的「且」(AND),並聯則是相當於「或」(OR),不管是什麼迴路,都可以用布爾代數描述。

暑期實習結束後,夏農回到學校,立即向導師布希提及自己的想法。布希深感興趣,鼓勵他以此做為碩士論文的題目。

史上最重要的碩士論文,堪稱資訊時代的大憲章

沒幾個月,夏農就在 1937 這一年完成劃時代的論文,題為〈繼電器與交換電路的符號分析〉(A Symbol Analysis of Relay and Switching Circuits),開宗明義即宣告:「任何電路都可以用一組方程式表示,……。事實證明,其計算方式完全等同於符號邏輯所用的命題運算。」

夏農先以簡單的雙開關電路為例,說明如何用布林代數標示串聯與並聯的接法,並列出基本公理與交換律、結合律、……等運算法則。接著他再進一步分析不同型式的複雜電路,證明也都可以用布林代數表示。最後夏農強調這套方法不只可以用於現有的機器,還可以解決各種問題。

他寫道:「事實上,任何運算只要是用『若』、『或』、『且』等字眼在有限的步驟內描述,都可以用繼電器自動算出來。」

為了佐證這項主張,他提出三種全新的應用,並附上自己設計的電路圖。第一個是電路的簡化;原本使用二十個元件的電路,經由邏輯演算找出等效的表達式後,可以將元件減少為十四個。第二個與第三個應用都是他的創新發明,分別是使用五個按鍵開關的電子密碼鎖,以及二進位的電子加法器(嚴格來說仍不算電子式,因為繼電器的開關仍是利用電磁鐵的機械動作)。

電路的邏輯閘。圖:Wikipedia

這篇論文於第二年公開發表後,立即引起巨大的迴響,甚至被譽為「應該是本世紀最重要、最值得注意的碩士論文」,後來《科學美國人》雜誌也稱它是「資訊時代的大憲章」。

電路設計化繁為簡,電腦從此邁向數位時代

的確,夏農這篇論文影響深遠。原本錯綜複雜的電路圖改用布林代數表示後,就可以在實際建造機器之前,清楚計算出執行的結果,大幅減少嘗試錯誤所耗費的時間與成本。除此之外,還能如夏農所示範的,找出更精簡的電路方案。科技產品因為設計效率提升、製造成本下降,才得以更加迅速地推陳出新。

計算機的發展也受惠於夏農的創見,才開啟了數位時代(他革命性的通訊理論會在第三部另外介紹)。

夏農所提出的邏輯電路雖然以繼電器為範例,但其實這套抽象法則具有普遍性,任何有開關兩種狀態的元件皆可套用。因此即使後來繼電器被真空管取代,然後真空管又被電晶體淘汰,無論電腦的硬體零件怎麼換、電路圖多複雜,都還是基於夏農所提出的邏輯閘。

夏農已經指出一條通往未來之路,很快地,這條路上就將出現打造現代電腦的各路好漢……。

張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 630 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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科景_96
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Original publish date:Nov 15, 1999

編輯 CCLo 報導

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Carbon Nanotubes@wikipedia
Carbon Nanotubes@wikipedia

自從 carbon nanotube 在1991年被發現以來﹐其在微型線路中的 應用已被科學家吹噓了很久。這樣的想法導因於” carbon nanotube “的結構和石墨一樣﹐既然石墨可以導電﹐”carbon nanotube” 也應該 可以導電。理論計算亦證實有些 “carbon nanotube “可以像金屬 線一般導電。

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去年﹐史丹佛 (Stanford Univ.) 大學的研究人員發展了一套方法: 他們直接將 nanotube 藏在電子元件的金屬電極上 ( Nature 359, 878 (1998)) 。Nanotube 可以在富含碳的蒸汽中生長﹐就像冬天的冰柱凝結 一樣﹐不過史丹佛的人用催化劑來加速 nanotube 的生長。

現在﹐賓州大學 (Univ. of Pennsylvania) 的 Alan Johnson 與同事們 在最近一期的 Applied Physics Letters ( App. Phys. Lett. 75, 3014 (1999)) 中發表一篇論文表示他們可以用已經做好的 nanotube 來組合 電路。他們使用的工具是原子力顯微鏡 (Atomic force microscope, AFM) 。 AFM 最早是被用來觀察原子尺度的表面結構﹐而後來也被發現可以用來移動 物體表面的分子。

Johnson 等人使用 AFM 將一個 nanotube 交疊在另一個 naotube 上﹐ 把他們切短﹐再掃去不用的部份﹐然後研究交疊區的性質。他們發現 這個交疊區的電性就像是所謂的 tunnel junction 一樣。在tunnel junction 中電子會從一個導體中漏出﹐穿過非良導體區然後到另外 一個導體上。他們認為這是因為上面的 nanotube 變形造成結構 的破壞導致局部區域的導電性降低。

利用這種交疊方法﹐研究人員可以改變 nanotube 的電性﹐也因此可以 製造出微小的電子裝置。如果我們可以找到更容易控制的方法來製造 nanotube 的交疊﹐也許不久後我們可以看到微電子裝置縮小到 分子尺度﹐而且以碳為基礎而非矽。

參考來源:

  • Nature science update (11/12/99)

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旋轉、跳躍、紗線發電~~ 拉拉扯扯就能發電的神奇螺旋線!?
tinablahblah
・2017/10/06 ・1789字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 517 ・六年級

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螺斯龍放在衣服裡、只要呼吸就可以發電的特性,未來可望應用在充電方面。圖/StockSnap @pixabay

想像一下,以後外出時不用再帶著行動電源,因為你身上穿的衣服就能幫你充電!如果你未來看到這件神奇的衣服,別懷疑,這不是魔術,衣服裡面也沒有隱藏開關,只是內含由奈米碳管纏結而成的特殊紗線,名為「螺旋龍」(暫譯,原文為twistron),本身就有辦法發電!

實驗中的螺旋龍從本來繃緊的狀態到完全鬆開,其中產生的能量足以使一顆LED燈亮起。圖/Shi Hyeong Ki@ Science (上圖) &  Science Magazine@ Youtube (下圖)

這個紗線由德克薩斯州大學達拉斯分校與南韓漢陽大學共同研發,研究發表在今年8月號的《Science》。實驗過程中使用的是直徑比頭髮還要小一萬倍以上的奈米碳管,他們把奈米碳管薄片放置到轉動的馬達上,就像紡紗般,使薄片變為線,接著再強力扭轉線,把線捲得跟家用電話線很像,也就是螺旋龍。接著,研究人員將螺旋龍放在電解液(實驗中用鹽酸)裡,就成了「螺旋集電器」(暫譯,原文為 twistron harvesters)。當原本緊繃的螺旋龍鬆開時,內部的壓力與摩擦力使奈米碳管釋放電荷,並通過電解液抵達電極,就可以成功發電了!

那麼它實際的效果如何呢?實驗中使用了19毫克的紗線,一次的拉扯可以使LED燈瞬間「登!」的亮一下。以每一公斤的紗線來說,放掉的那瞬間繩子旋轉的速度最高可達每秒三十圈(是指速度,不是真的轉三十圈喔xD),可產生250瓦特(也就是250焦耳/秒),而這一公斤紗線從放開、開始旋轉、放慢到完全停下來,平均產生40焦耳的能量。

研究人員已成功將螺旋集電器放入衣服。圖/Science Magazine@ Youtube

以目前來說,可行的應用是可攜式裝置與穿戴式裝置。研究人員已嘗試將螺旋集電器放入衣服裡了,他們將電解質放入凝膠中,另外以導電的奈米碳管作為電極,再加上螺旋龍,全部合在一起做成柔軟有彈性的材料,放入布料中。每當我們活動、甚至只是單純呼吸時,衣服就能隨之起伏而發電!除此之外,也可以應用到襪子、手套等等。(如果放在保險套就可以用愛發電了)(喂)

未來只要奈米碳管價格下降,可望將螺旋龍應用在海洋發電上。圖/Hans@ Pixabay

但研究人員可不只滿足於人體的起伏所發的電,那麼有沒有什麼能起伏更大、又有更多電解液的地方?來來來,讓我們靜心打坐冥想⋯⋯叮!沒錯,此時你應該已經聽到大自然——波浪——的呼喚了。海水本身就是天然的電解質溶液,且浪潮不停地翻滾,正好適合需要拉扯的螺旋集電器(以後可以當神奇海螺的好朋友,叫神奇海螺旋),因此,研究人員希望可以將此應用在海洋能發電,為我們開啟能源的新可能。

這次的研究所使用的技術,使我們對於如何將力學能轉為電能的了解又跨進一步。雖然奈米碳管的價格並不便宜,但是隨著未來價格下降,加上奈米碳管很輕的優點,研究人員相信螺旋集電器的應用範圍很廣。(不過價格到底什麼時候下降到夠低呢⋯我也不知道)(啊不就在講廢話(逃))

參考資料

tinablahblah
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喲荷~我是小小的實習編輯,對科學是最一竅不通的那種,所以,嗯,科普文章的存在真的太重要了!(點頭點頭)