برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۳/۲۶ تا ۱۳۹۷/۰۴/۰۱

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۳,۲۴۷
  • بازدید این ماه ۵۷
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۷۴
  • قبول شدگان ۵۴
  • شرکت کنندگان یکتا ۴۳
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۲
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

مقالات منتخب ماهنامه نانو

نویسندگان
امتیاز کاربران

فناوری نانو برای ارتباطات بی‌سیم

دستگاه‌هایی که از سیستم مخابرات بی‌سیم استفاده می‌کنند طیفی از گیرنده‌های تلویزیون تا نشانه‌های RFID و از تلفن‌های همراه تا ماهواره‌ها را شامل می‌شوند. دسترسی به اینترنت از طریق تلفن همراه و تبلت‌ها در حال رشد است، و این موضوع تقاضا را برای عملکرد دستگاه‌ها و شبکه‌های همراه (متحرک) افزایش می‌دهد. قطعات الکترونیکی فرکانس رادیویی (RF) از تعداد زیادی قطعات غیرفعال، مانند خازن‌ها و القاکننده‌ها، استفاده می‌کنند که این قطعات نمی‌توانند با سرعتی همانند ترانزیستورها و مدارهای الکترونیکی دیجیتال کوچک شوند. پیش‌بینی می‌شود ظرف ۱۰ تا ۱۵ سال آینده، تکنولوژی‌های فعلی RF توانایی این را نداشته باشند که عملکرد رو به رشد و مورد نیاز گوشی‌های همراه را فراهم کنند. اکنون، استفاده از حسگرهای بی‌سیم برای نظارت بر سلامت و فعالیت‌های ورزشی متداول است. ارتباطات بی‌سیم به‌طور گسترده در بین دستگاه‌های خانگی، در سیستم‌های امنیتی و نظارتی، و سیستم‌های تدارکات در کارخانه‌ها و انبارها استفاده می‌شود.
انتظار می‌رود توسعه‌ی دستگاه‌های حسگر بی‌سیم به دستگاه‌هایی کوچک‌تر، ارزان‌تر، کم‌مصرف‌تر و با کارایی بیشتر تاثیر قابل توجهی در زمینه‌های یادشده بگذارد و راه‌ حل‌های جدیدی برای خدمات، بهداشت و درمان، نظارت بر محیط زیست، و تدارکات به همراه داشته باشد.
1. نانوفناوری چگونه می‌تواند مثمر ثمر واقع شود؟
انگیزه‌های اصلی برای استفاده از فناوری نانو در وسایل بی‌سیم عبارت است از:
• استفاده از پهنای بیشتری از طیف RF
• بهبود عملکرد پایین‌تر قطعات RF در مقایسه با قطعات الکترونیک دیجیتال
• تقاضا برای دستگاه‌های کم‌مصرف‌تر، کوچک‌تر و ارزان‌تر

1.2. قطعات رادیویی قابل تنظیم
برآورد شده است تا سال ۲۰۱۵، در آمریکا مقدار داده‌های منتقل شده از طریق اتصالات بی‌سیم از مقدار داده‌های منتقل ‌شده از طریق اتصالات سیمی بیشتر خواهد بود.
The Digital Agenda for Europe امکان دسترسی همه‌ی شهروندان اروپا به Mbps 30 تا سال ۲۰۲۰ را به عنوان هدف قرار داده است.
محقق‌ شدن این هدف دشوار به نظر می‌رسد، زیرا طیف فرکانس رادیویی یک منبع طبیعی محدود است و باید بین سیستم‌های مختلف رادیویی به اشتراک گذاشته شود. در حال حاضر، بسیاری از باندهای فرکانسی شلوغ شده‌اند، مساله‌ای که باعث ایجاد تاخیر و کاهش ترافیک داده‌ها می‌شود. روش‌های اشتراک‌گذاری جدید طیف و پروتکل‌ها برای کاهش این مشکل طراحی شده‌اند. برای این‌که دستگاه‌های تلفن همراه بتوانند از فرکانس‌های کاری مختلف استفاده کنند از ترکیب چند فرستنده و گیرنده رادیویی مختلف بهره می‌گیرند. راه حل انعطاف‌پذیرتری که در حال توسعه است انجام پردازش‌های باندپایه (base band) و فرکانس رادیویی (RF) با نرم‌افزار و قطعات RFmultiradio است. با این حال، الکترونیک مورد نیاز برای قسمت‌های رادیویی انتهایی (قسمت‌های بین آنتن و اولین طبقه در فرکانس‌های میانی) مختص فرکانس استفاده شده است و با استفاده از تکنولوژی‌های امروزه قابلیت تنظیم برای فرکانس‌های مختلف را ندارد. در نتیجه، قطعات رادیویی قابل تنظیم موردنیاز هستند.
تشدیدکننده‌های نانوالکترومکانیکی (NEMS) مبتنی بر استفاده از گرافن به‌عنوان تشدید‌کننده‌های تنظیم‌پذیر پیشنهاد شده‌اند. مقاومت نوار گرافن در برابرکشش‌های بسیار بالا امکان تنظیم فرکانس عمل تشدیدکننده را در یک پهنای باند وسیع، با اعمال کشش توسط الکتریسیته، فراهم می‌کند.

2.2. الکترونیک فرکانس بالا
کارشناسان پیش‌بینی کرده‌اند که به‌زودی باندهای فرکانسی اضافی نیز مورد نیاز است. در حال حاضر، تلاش‌های استانداردسازی مداوم برای معرفی فرکانس‌های جدید برای ترافیک داده تلفن همراه در فرکانس‌های بالاتر در محدوده ۲ - ۵ گیگاهرتز و بالای ۶۰ گیگاهرتز وجود دارد. نیاز برای محدوده فرکانسی بیشتر در اینجا متوقف نمی‌شود؛ در آینده، به دستگاه‌هایی احتیاج است که در فرکانس‌های 60-100 گیگاهرتز کار کنند. پیاده‌سازی این دستگاه‌ها خارج از محدوده فعلی فناوری‌های ترانزیستورهای سیلیکونی است. برای ساخت سیستم‌های الکترونیکی که در فرکانس‌های بسیار بالا کار می‌کنند به راهکارهای جدیدی نیاز داریم. یکی از جایگزین‌های امیدوارکننده ترازیستورهای RF ساخته‌شده از گرافن است.

جدول ۱. نمونه‌هایی از کاربرد فناوری نانو در ادوات بی‌سیم
filereader.php?p1=main_d33f8e20649168827


3. الکترونیک گرافن
گرافن یک شبکه دوبعدی از اتم‌های کربن با خواص استثنایی الکتریکی، نوری، حرارتی، شیمیایی، و مکانیکی است. پس از جداسازی در سال ۲۰۰۴، کاربردهای متعددی برای گرافن نشان داده شده است:
• ترانزیستورهای گرافن با فرکانس‌های عمل بیش از ۱۰۰ گیگاهرتز
• میکسرهای فرکانس رادیویی و دیگر قطعات
• صفحات نمایش‌های لمسی گرافن منعطف و مدارها
• حسگرهای نوری بسیار سریع و حسگرهای شیمیایی بسیار حساس
• مواد الکترود برای ابرخازن‌ها
موانع اصلی بر سر راه تجاری‌شدن این تکنولوژی ساخت فیلم‌های گرافن با کیفیت خوب و یکپارچگی با فناوری‌های سیلیکونی هستند.

1.3. حسگرهای بی‌سیم
گرایش به محیط‌های هوشمند و دسترسی به اطلاعات در همه‌جا به این معنی است که نوع جدیدی از حسگرهای مستقل با ارتباطات بی‌سیم در اشیا روزمره تعبیه خواهند شد. این دستگاه‌ها باید کوچک و ارزان باشند. همچنین باید بتوانند با انرژی ذخیره‌شده توسط یک باتری بسیار کوچک، الکتریسیته تولید شده از نور، امواج رادیویی یا انرژی حرارتی کار کنند.
حسگرهای نانویی ترکیب‌شده با فرستنده و گیرنده‌های RF کوچک می‌توانند در دستگاه‌های بررسی [مونیتورینگ] سلامتی، نیز در دستگاه‌های نظارت بر کیفیت هوا و خاک و آلودگی آب استفاده شوند. برچسب‌های RFID سیستم‌های ساده‌ای هستند و معمولاً از یک سیستم غیرفعال ساخته شده‌اند که با استفاده از یک فرستنده و گیرنده رادیویی قابل خواندن است. ساخت این برچسب‌ها با استفاده از تکنولوژی چاپی می‌تواند هزینه‌های حسگرهای بی‌سیم را به‌طور قابل ملاحظه‌ای کاهش دهد. استفاده از نانوذرات به عنوان جوهر در این تکنولوژی می‌تواند عملکرد دستگاه‌ها را افزایش دهد.
2.3. مدیریت حرارت
مدیریت حرارتی مساله‌ای ویژه درباره دستگاه‌های تلفن همراه است. حرارت تولیدشده توسط مدارهای الکترونیکی باید به نحوی تلف شود. این اتلاف حرارت وقتی که دستگاه‌ها کوچک‌تر می‌شوند و چگالی توان بالاتر می‌رود، با مشکلات بیشتری همراه خواهد بود. امروزه، مدیریت حرارت یک محدودیت شدید است. این محدودیت از یک‌سو با نیاز به پردازنده‌های قوی‌تر برای کاربردهای نرم‌افزاری پیچیده و سرعت انتقال بالا، و از سوی دیگر کوچک‌کردن مدارها بحرانی خواهد بود.
برآورد شده است در مدت زمان ۱۰ تا ۱۵ سال، سیستم‌های الکترونیکی معمولی و روش‌های مدیریت حرارتی پیش‌بینی‌شده نمی‌توانند حرارت تولیدشده از دستگاه‌های کوچک دستی را با سرعت کافی - به‌نحوی که دمای سطح قابل تحمل باشد- از بین ببرند. نانومواد، مانند نانولوله‌های کربنی، به دلیل خواص هدایت حرارتی عالی، به‌عنوان عناصر خنک‌کننده بر روی تراشه‌ها مورد مطالعه قرار گرفته‌اند.

filereader.php?p1=main_4e52c4c15970d8778
شکل ۱. ابعاد بازار جهانی تخمین‌زده‌شده برای فناوری‌های RF بر اساس نوع


filereader.php?p1=main_9c15da262029b6eac
شکل ۲. تصور کلی فناوری نانو بر روی تلفن همراه، نوکیامورف

4. اثرات
فناوری‌های فرکانس رادیویی امکان ایجاد بخش‌هایی مانند صنایع مخابرات راه دور را فراهم آورده‌اند که با سرعت بالایی در حال رشد در سراسر جهان است. فناوری‌های RFهم از لحاظ چشم‌اندازهای اقتصادی و هم از لحاظ دیدگاه‌های امنیتی نظارتی، بهداشت و محیط زیست، و دیدگاه‌های امنیت ملی دارای اهمیت است. توسعه این فناوری نقش مهمی در زندگی روزمره عموم مردم و در اقتصاد مدرن اروپایی داشته است.

1.4. اقتصاد / صنعت (WP3)
اثرات اقتصادی فناوری فرکانس رادیویی (RF) قابل توجه است. بازار جهانی برای محصولات با استفاده از رادیو دیجیتال، تلویزیون HD، تلفن همراه پیشرفته، شبکه‌های بی‌سیم، شناسایی RF، سیستم‌های موقعیت‌یاب جهانی (GPS)، و پلاسمای فرکانس رادیویی به ارزش نزدیک به ۱۴۹ میلیارد یورو در سال ۲۰۱۰ بوده است. انتظار می‌رود این رقم درسال ۲۰۱۵ به ۳۰۹ میلیارد یورو برسد. تخمین بازار جهانی کل برای تلفن‌های همراه، RFIDها، آنتن‌ها، و میکروحسگرها در شکل ۱ ارائه شده است.

2.4. سطوح آمادگی فناوری
فناوری‌های رایج RF دارای محدودیت‌هایی است که نمی‌توان به‌راحتی یا با هزینه بهینه بر آن غلبه کرد. در این راستا، راه حل‌هایی بر مبنای استفاده از نانوفناوری، به‌عنوان یک جایگزین امیدوارکننده، توسط کارشناسان در نظر گرفته می‌شود. بسیاری از فناوری‌ها هنوز در مرحله تحقیق هستند، و پیش از آن‌که آماده‌ی استفاده تجاری باشند، به مهندسی و تحقیقات بسیاری نیاز است. به طور خاص، تلاش‌های قابل توجهی احتیاج است تا پژوهش‌هایی که در سطح قطعات جزء صورت می‌گیرد به راهکارهایی در سطح سیستم‌ها منتهی شود. برچسب‌های RFID که با الکترونیک چاپی ساخته شده‌اند در حال حاضر در دسترس هستند و تکنولوژی استفاده از نانوذرات به‌عنوان جوهر در مراحل نزدیک به تجاری‌شدن قرار دارد.

3.4. تاثیر اجتماعی بر شهروندان اروپایی
در حال حاضر، دستگاه‌های موبایل بخشی از زندگی روزمره اغلب مردم اروپاست. دسترسی به اینترنت از طریق تلفن همراه تقریبا تمام حوزه‌های جامعه‌ی اروپا را به شیوه‌ای تحت تاثیر قرارداده است؛ بنابراین، ارزیابی تاثیر کلی آن بر اقتصاد کار آسانی نیست. این فناوری منجر به ایجاد انواع جدیدی از خدمات شده، همچنین مشاغل تازه‌ای دربخش فناوری اطلاعات و خدمات به وجود آورده است. حسگرهای بی‌سیم بر مبنای نانو می‌توانند تاثیر شگرفی در بهداشت و درمان هم داشته باشند. امروزه، از ادوات بی‌سیم استفاده‌‌ی فراوانی می‌شود. به‌عنوان مثال، برای انتقال داده‌ها از نمایشگرهای پوشیدنی و یا حسگرهای فشارخون / قندخون از این سیستم‌ها بهره می‌گیرند. تحولات نانوفناوری باعث ایجاد حسگرهای بی‌سیم ارزان‌تر و کوچک‌تری می‌شود که کارآمدی انرژی بیشتر و تطابق بهتری با سیستم‌های بیولوژیکی دارند. تجهیزات کم‌هزینه‌تر نظارت بر سلامت، که توسط تکنولوژی چاپ تولید شده‌اند، آن‌ها را در دسترس افراد بیشتری قرار می‌دهد و منجر به افزایش استفاده از آن‌ها در مراقبت‌های بهداشتی عمومی می‌شود. تحولات نانوفناوری در سنسورها و الکترونیک نیز روش‌های کاملاً جدیدی در بررسی داخل بدن، سیستم‌های تشخیصی تهاجمی کمینه‌ای، و دارورسانی کنترل‌شده به همراه داشته است.
حسگرها و شبکه حسگرهای بی‌سیم زیست‌تخریب‌پذیر و ارزان می‌توانند برای نظارت بر محیط زیست استفاده شوند. مثلا، می‌شود از آن‌ها در دریافت اطلاعات دقیق‌تر برای پیش‌بینی آب و هوا و نظارت بر آن، و یا بررسی جامع‌تر از وضعیت آب و کیفیت خاک بهره برد.
از آن‌جایی که از فناوری‌های RFID استقبال خوبی شده، احتمال کاهش نیروی کار در انبارها و مراکز توزیع وجود خواهد داشت. در عین حال، مشاغل مربوط به تحقیق، ایجاد، نصب و نگهداری سیستم‌های RFID افزایش خواهند یافت، همچنین مشاغلی که شامل طراحی، ساخت، و فروش محصولات با استفاده از RFID هستند.

5. چالش‌ها
محرک‌های کلیدی استفاده از فناوری نانو در ارتباطات بی‌سیم شامل بهبود عملکرد، مصرف انرژی کمتر، اندازه کوچک‌تر، و ویژگی‌های جدیدی مانند انعطاف‌پذیری و شفافیت است. در حال حاضر، عملی‌بودن تکنولوژیکی برخی از این موارد اثبات شده است، اما بسیاری از مشکلات تکنولوژیکی هنوز راه حلی ندارند.
کاهش هزینه یک عامل مهم است: فناوری‌های جدید تا زمانی که از نظر قیمت با راه حل‌های موجود قابل رقابت نباشند، سهمی از بازار به دست نمی‌آورند. از آن‌جایی که نیازی واضح به فناوری‌های جایگزین وجود دارد، موانع تجاری‌کردن فناوری‌های جدید برای الکترونیکRF شدت کمتری از الکترونیک دیجیتال دارد.
بر اساس بازخورد تخصصی، موانع اقتصادی تاثیر متوسط تا عمده‌ای دارند؛ موانع سیاسی و تکنولوژیکی تاثیر متوسطی دارند، و انتظار می‌رود موانع اجتماعی و موانع زیست‌محیطی، بهداشت و ایمنی هم تاثیراتی داشته باشند.
انتظار می‌رود اثرات محیط زیست، سلامت و ایمنی نانومواد در دستگاه‌های ارتباطی بی‌سیم مشابه مدارهای الکترونیکی دیگر باشد. نانوذرات نامزد برای ارتباط بی‌سیم عموما به زیرلایه متصل هستند، یا به صورت کامپوزیت در داخل ماتریس قرار گرفته و به‌صورت بسته‌بندی شده در مدار قرار می‌گیرند. بنابراین، انتظار نمی‌رود کاربران در طول استفاده معمول از دستگاه‌ها در معرض اثرات نانومواد قرارگیرند. با این حال، توسعه حسگرهای بی‌سیم مستقل نیاز به یک ارزیابی دقیق از اثرات زیست‌محیطی و انسانی دارد، به‌خصوص اگر حسگرهای طراحی شده در تماس با بدن و یا عضو مصنوعی بدن (به عنوان نمونه، برای نظارت فیزیولوژیکی / متابولیکی) باشند، یا مثلا، برای نظارت محیط‌زیستی عرضه شده باشند.
درباره جنبه‌های اجتماعی دسترسی به اطلاعات موجود و سیستم‌های هوشمند محیطی هنوز به اندازه کافی تحقیق نشده است. به طور خاص، چالش‌های حفظ حریم خصوصی و امنیت نیاز به ارزیابی دقیق‌تر دارند.

6. موقعیت رقابتی اتحادیه اروپا
از گذشته، اروپا در بخش تلفن‌های همراه قوی بوده است، اما در طول چند سال اخیر، رقبای آسیایی و آمریکایی سهم بازار خود را افزایش داده‌اند. جایگاه اروپا هنوز هم از نظر ثبت اختراعات در فناوری‌های بی‌سیم و استانداردها نسبتاً قوی است.
بازار فناوری‌های RFID اروپا ۲۰ درصد سهم بازار جهانی تخمین زده می‌شود و این سهم در حال رشد است. فعالان اروپایی موقعیت قدرتمندی در زنجیره ارزشی RFID دارند و اروپا رقیبی بزرگ در بازار جهانی RFID است. جایگاه ثبت اختراع اروپا در زمینه کاربرد RFID قوی‌تر است، اما در استانداردهای اصلی مربوط به فناوری RFID اروپا پس از آمریکا قرار دارد.

7. خلاصه
• استفاده از سیستم‌های ارتباطی بی‌سیم به‌سرعت در حال افزایش است.
• محرک‌های کلیدی استفاده از فناوری نانو در ارتباطات بی‌سیم شامل بهبود عملکرد، مصرف انرژی کمتر، اندازه کوچک‌تر، و داشتن ویژگی‌های جدید است.
• انتظار می‌رود فناوری‌های کنونی RF برای سرعت بالای انتقال داده در سیستم‌های ارتباطی بتواند نیازهای صنعت را در ۱۰ تا ۱۵ سال آینده برآورده کند؛ پس از آن، محدودیت‌های فیزیکی اساسی در الکترونیک فرکانس بالا شروع خواهد شد که مانعی برای توسعه است. در همین راستا، نیاز به راه حل‌های جدید احساس می‌شود. این راه حل‌ها هنوز در مراحل تحقیقات قرار دارند.
• حسگرهای بی‌سیم و شبکه‌های حسگر در تدارکات، سیستم‌های امنیتی، و نظارت بر محیط زیست و سلامت کاربرد دارند.
• نگرانی‌های عمده‌ی اجتماعی برای دسترسی به اطلاعات در همه‌جا، امنیت و مسائل مربوط به حریم خصوصی، همچنین جنبه‌های زیست‌محیطی سنسورهای یک‌بار مصرف مورد توجه هستند.
• اتحادیه اروپا موقعیت قدرتمندی در دستگاه موبایل و زنجیره ارزش RFID دارد. دربخش‌های بسیاری فعالان اروپایی جزو رهبران بازار هستند.

منابـــع و مراجــــع

ObservatoryNANO, ICT, BRIEFING No. 25, December 2011