นาโนอิเล็กทรอนิกส์
ปัจจุบันเรากำลังอาศัยอยู่ในโลกอิเล็กทรอนิกส์และดิจิตอลคอมพิวเตอร์ ศาสตร์ของอิเล็กทรอนิกส์ทำให้มนุษย์เรา สรรสร้างสิ่งอำนวยความสะดวกขึ้นมามากมาย และดูเหมือนไม่ว่าเราจะมองไป ณ ที่แห่งใดก็ตามที่อารยะธรรมของมนุษย์แผ่ไปถึง เราก็จะพบสิ่งประดิษฐ์ของมนุษย์ ที่มีส่วนของอิเล็กทรอนิกส์เป็นองค์ประกอบอยู่แทบทั้งสิ้น จนอาจกล่าวได้ว่าอิเล็กทรอนิกส์เป็นพื้นฐานของอารยะธรรมสมัยใหม่ บทความนาโนเทคโนโลยีในตอนนี้ จึงมุ่งไปที่บทบาทของนาโนเทคโนโลยีที่กำลังจะเข้าไปปรับเปลี่ยนทิศทาง และพัฒนาศาสตร์ของอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งกำลังจะเดินทางมาถึงจุดอับ ให้สามารถพัฒนาต่อไปได้ การกล่าวเช่นนี้ อาจทำให้หลายๆ ท่านรู้สึกไม่สบายใจเท่าไรนัก วิศวกรคอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่ไม่อยากยอมรับความจริงข้อนี้ ความจริงที่ว่าเราอาจจะไม่สามารถรักษาสถิติเดิมๆ ที่เราสามารถพัฒนาคอมพิวเตอร์ให้มีความเร็วสูงขึ้นในอัตราที่สูง ดังที่ กอร์ดอน มัวร์ ผู้ก่อตั้งบริษัทอินเทลกล่าวไว้ว่า "จำนวนของทรานซิสเตอร์ซึ่งบรรจุอยู่บนแผ่นวงจรรวม หรือ ไมโครชิพ นี้จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกๆ 18 เดือน" คำกล่าวอันสร้างชื่อแก่เขาในฐานะกฎของมัวร์ (Moore's Law) ซึ่งได้รับการยอมรับ และเป็นแรงกดดันให้วงการผลิตชิพสามารถพัฒนาชิพ ให้มีความเร็วสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว จนทำให้คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลที่ซื้อมาใหม่มีอันต้องล้าสมัยไปทุกๆ ปีครึ่งเช่นเดียวกัน แต่กฎของมัวร์นี้กำลังจะถูกสั่นคลอน การเพิ่มจำนวนทรานซิสเตอร์ลงไปบนชิพด้วยการย่อขนาดของวงจรกำลังจะมาถึงขีดจำกัด เพื่อให้เข้าใจสถานการณ์นี้อย่างแจ่มชัด เราน่าจะมาทำความเข้าใจกับพัฒนาการของวงการอิเล็กทรอนิกส์กันก่อน
ประวัติของวงการอิเล็กทรอนิกส์
ประวัติศาสตร์หน้าแรกของวงการอิเล็กทรอนิกส์ น่าจะเริ่มมาจากการประดิษฐ์หลอดรังสีคาโธด (Cathode Rays Tube) ของเซอร์ วิลเลียม ครุกส์ (Sir William Crookes) ในปี ค.ศ. 1875 อันนำไปสู่การค้นพบรังสีเอ็กซ์โดย เรินท์เกน (Wilhelm Conrad Roentgen) ในปี ค.ศ. 1895 และการค้นพบอิเล็กตรอนโดย ทอมสัน (Joseph Thomson) ในปี ค.ศ. 1897 จากนั้นในปี ค.ศ. 1904 เฟลมิง (John Ambrose Fleming) ได้ประดิษฐ์หลอดไดโอดขึ้นเป็นครั้งแรก ซึ่งก็เป็นพื้นฐานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกชนิด จากนั้นอีก 2 ปีต่อมา ฟอเรสต์ (Lee De Forest) ก็สามารถประดิษฐ์หลอดไตรโอดซึ่งสามารถควบคุมกระแสการไหลของอิเล็กตรอนได้ ถัดมาอีก 13 ปี คือในปี ค.ศ. 1919 ชอตต์กี (Walter Schottky) คิดค้นหลอดสุญญากาศแบบหลายขั้ว นอกจากนั้นเขายังได้พัฒนาทฤษฎีที่ใช้อธิบายการไหลของอิเล็กตรอนและหลุมในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
พัฒนาการที่สำคัญของวงการอิเล็กทรอนิกส์เกิดขึ้นเมื่อปี ค.ศ. 1940 หลังจากที่หลอดสุญญากาศแสดงบทบาท ในฐานะอุปกรณ์ควบคุมในเครื่องใช้อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหลายมาร่วม 3 ทศวรรษ โดยโอลห์ (Russell Shoemake Ohl) ค้นพบว่าผลึกซิลิกอนสามารถจะนำมาสร้างเป็นอุปกรณ์ไดโอดได้ ซึ่งนำไปสู่การคิดค้นทรานซิสเตอร์ของ ชอคลี (William Bradford Schockley) แบรตเทน (Walter H. Brattain) และ บาร์ดีน (John Bardeen) ในปี ค.ศ. 1948 หลังจากนั้นอุปกรณ์พวกสารกึ่งตัวนำได้เริ่มเข้ามาแทนที่หลอดสุญญากาศ ทำให้เครื่องใช้อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ มีขนาดเล็กลงและราคาถูกลงมาก อย่างไรก็ตามก็ยังไม่เป็นที่พึงพอใจของอุตสาหกรรมเท่าไรนัก เนื่องจากว่าการสร้างเครื่องใช้อิเล็กทรอนิกส์ยังคงต้องนำอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำจำนวนมากมาต่อเชื่อมกันให้เป็นวงจรรวม ซึ่งเป็นงานที่ค่อนข้างยุ่งยาก จึงเกิดแนวความคิดที่จะทำให้อุปกรณ์หล่านั้น รวมทั้งวงจร ถูกยุบรวมเข้าไปบนสารกึ่งตัวนำที่เป็นชิ้นเดียว และแล้วในปี ค.ศ. 1959 เออร์นี (Jean Hoerni) และ นอยซ์ (Robert Noyce) ก็สามารถพัฒนาแผงวงจรรวมดังกล่าว (Integrated Circuit หรือ IC) ได้สำเร็จ และเพียงปีเดียวเท่านั้นแผงวงจรรวมดังกล่าวก็เข้าไปแทนที่อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำแบบแยกส่วนถึง 90% เลยที่เดียว ในช่วงต้นๆ ของทศวรรษ 1960 นั้น วงจรรวมยังไม่มีความซับซ้อนมาก โดยอาจมีทรานซิสเตอร์ประมาณ 20-200 ตัวต่อแผ่นชิพหนึ่งแผ่น และเพิ่มขึ้นมาเป็น 200-5000 ตัวในช่วงปี 1970 ปัจจุบันนี้เรามีแผงวงจรรวมที่มีทรานซิสเตอร์นับล้านตัวเลยทีเดียว
รูปที่ 1 ความซับซ้อนของวงจรรวม (ภาพจาก IBM)
การผลิตไอซี - บทบาทของไมโครเทคโนโลยี
ถึงแม้ปัจจุบันการผลิตชิพไอซีจะมีเทคโนโลยีที่ก้าวหน้ามากจนกระทั่งคนในวงการอุตสาหกรรมเรียกมันว่าไฮเทคโนโลยีก็ตาม ขั้นตอนและกระบวนการที่ใช้ผลิตก็ยังอาศัยแบบแผนที่คิดค้นขึ้นมาตั้งแต่สมัยของเออร์นี และ นอยซ์
การผลิตชิพนั้นเริ่มต้นโดยการนำทรายมาแยกเอาซิลิกอนที่มีความบริสุทธิ์สูง ระดับ 99.9999999 เปอร์เซ็นต์ นั่นก็คือในหนึ่งพันล้านอะตอมนั้น จะมีอะตอมของธาตุอื่นปลอมปนมาได้ไม่เกินหนึ่งอะตอมเท่านั้น โดยปล่อยให้ซิลิกอนตกผลึกเป็นแท่งกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาด 6 ถึง 8 นิ้ว จากนั้นนำแท่งซิลิกอนมาฝานออกเป็นแผ่นกลมบางๆ ที่มีความหนาขนาด 0.002 นิ้ว ที่เรียกว่าแผ่นเวเฟอร์ (wafer) ขั้นตอนต่อไปก็คือ ทำให้ผิวของเวเฟอร์นั้นอยู่ในรูปของออกไซด์ โดยนำไปสัมผัสกับไอน้ำร้อนๆ ออกไซด์ดังกล่าวมีประโยชน์ในการเป็นฉนวนไฟฟ้า เป็นตัวควบคุมสนามไฟฟ้า เป็นตัวป้องกันการโดพ (dope) สารในบริเวณที่ไม่ต้องการ เนื่องจากความสามารถในการป้องกันแผ่นเวเฟอร์ จากการรบกวนจากภายนอกของชั้นออกไซด์ แผ่นเวเฟอร์จึงแทบจะไม่มีประโยชน์เลยหากถูกเคลือบโดยออกไซด์ทั้งหมด
ขั้นตอนต่อไปจึงต้องทำการขจัดชั้นของออกไซด์ออกไปในบริเวณที่จะใช้งาน วิธีนี้เรียกว่าวิธีสร้างลายวงจรด้วยแสง (Photolithography) โดยนำแผ่นเวเฟอร์มาเคลือบด้วยสารเคมีที่ไวต่อแสง โดยสารเคมีดังกล่าวจะละลายในตัวทำละลายได้ดีหากโดนแสง ดังนั้นเมื่อนำลายวงจรมาเป็นฉากกั้นหน้าแผ่นเวเฟอร์ แล้วฉายแสงลงไปบนฉาก บริเวณที่แสงส่องลงไปโดนเวเฟอร์นี้ แสงจะไปเปลี่ยนคุณสมบัติของสารเคมีที่เคลือบอยู่ทำให้ละลายออกได้ง่าย ซึ่งเมื่อผ่านตัวทำละลายลงไป มันก็จะไปขจัดเอาชั้นออกไซด์ออกไปด้วย ส่วนบริเวณที่ไม่โดนแสงก็ยังคงมีชั้นออกไซด์นั้นอยู่ ดังนั้นการทำ Photolithography หลายๆ ครั้ง ก็จะสามารถสร้างลายวงจรที่มีความซับซ้อนได้
รูปที่ 2 แผ่นเวเฟอร์หนึ่งแผ่นสามารถผลิตชิพได้นับร้อย สี่เหลี่ยมสีแดงในภาพคือขนาดของวงจรรวมทั้งหมดที่จะนำไปบรรจุในชิพ (ภาพจาก Fullman Company)
เมื่อได้แผ่นเวเฟอร์ที่มีลายวงจรมาแล้ว แผ่นเวเฟอร์จะถูกนำมาโดพด้วยสิ่งแปลกปลอมเพื่อให้ซิลิกอนมีสมบัตินำไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงไป ทำให้เสมือนกับสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เล็กๆ ภายในแผ่นเวเฟอร์ จากนั้นจะเคลือบแผ่นเวเฟอร์ในบางบริเวณด้วยฟิล์มบาง เสมือนกับการต่อสายไฟให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในบนแผ่นเวเฟอร์เชื่อมโยงกัน จากนั้นนำแผ่นเวเฟอร์ไปตัดเป็นชิ้นเล็กๆ ที่มีวงจรรวมอยู่และประกอบเป็นชิพ แผ่นเวเฟอร์หนึ่งแผ่นจะสามารถสร้างชิพได้เป็นจำนวนนับร้อยเลยทีเดียว
ปัญหาของไมโครเทคโนโลยี - จุดตีบตันของวงการอิเล็กทรอนิกส์
นับตั้งแต่มีการคิดค้นแผงวงจรรวมไอซีขึ้น ก็ได้มีความพยายามที่จะเพิ่มจำนวนของทรานซิสเตอร์ในแผงวงจรรวม วิธีการหนึ่งที่ได้ผลดีคือการย่อขนาดของทรานซิสเตอร์ให้เล็กลง จากที่เคยมีขนาดของทรานซิสเตอร์ในระดับมิลลิเมตร ทุกวันนี้เรามีทรานซิสเตอร์ในขนาดเพียง 0.13 ไมโครเมตร และมีความพยายามเป็นอย่างมากที่จะย่อขนาดของวงจรลงไปที่ระดับ 0.1และ 0.05 ไมโครเมตร แต่ขณะนี้กลับยังไม่มีใครทราบว่าโฉมหน้าของไมโครเทคโนโลยีระดับ 0.05 ไมครอนจะมีลักษณะเป็นอย่างไรด้วยซ้ำไป ทำให้เป็นที่วิตกกังวลแก่สมาคมผู้ประกอบการสารกึ่งตัวนำในอเมริกาเป็นอย่างมาก นักวิทยาศาสตร์หลายๆ คนถึงกับปรามาสว่า อุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์อาจจะไม่สามารถทำงานได้ในระดับต่ำกว่า 0.05 ไมครอน หรือไม่การประกอบชิพที่ระดับดังกล่าว อาจมีราคาแพงเสียจนพัฒนาการของวงการชิพอาจจะต้องล่าช้าไปอีก .... จนกระทั่งมีคนเรียกจุดอับนี้ว่า กำแพง 0.05 ไมครอน (0.05 micron barrier)
อะไรที่เป็นสาเหตุของจุดอับนี้ ก่อนอื่นเราลองมาทำความเข้าใจกันก่อนว่าชิพคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันทำงานกันอย่างไร เริ่มจากคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลของเรา ส่วนที่เป็นสมองของมันคือ หน่วยประมวลผลกลาง (CPU) ซึ่งมันก็ประกอบไปด้วยวงจรอิเล็กทรอนิกส์ และสวิตช์ และเกต (gate) ต่างๆ ที่ทำหน้าที่ทางตรรกะ เช่น AND OR และ NOT ซึ่งเกตทางตรรกะเหล่านี้ก็ประกอบขึ้นจากทรานซิสเตอร์หลาย ๆ ตัว ดังนั้นแทบจะกล่าวได้ว่าทรานซิสเตอร์ก็คือองค์ประกอบพื้นฐาน (building block) ของชิพคอมพิวเตอร์เลยทีเดียว ทรานซิสเตอร์สามารถทำหน้าที่ได้ทั้งในฐานะสวิตช์ สามารถกำหนดสถานะทางตรรกะของวงจรเป็น เปิด และ ปิด ได้ และยังสามารถทำหน้าที่เป็นตัวขยายสัญญาณอีกด้วย พื้นฐานการทำงานของทรานซิสเตอร์จะใช้สนามไฟฟ้าในการควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้า (Field Effect Transistor)
รูปที่ 3 ภาพแสดงการทำงานของ Field Effect Transistor มีเกตสำหรับควบคุมกระแส เมื่อไม่มีสนามไฟฟ้าที่เกต กระแสจะไม่สามารถไหลได้ (b) แต่เมื่อเกตมีศักย์ไฟฟ้าเป็นบวกประจุบวกจะถูกผลักออกไป ทำให้อิเล็กตรอนสามารถไหลได้ง่ายขึ้น (c) (ภาพจาก MITRE Corporation)
หากเราดูจากภาพที่ 3 ทรานซิสเตอร์นั้นประกอบด้วยเกตที่ควบคุมการไหลของอิเล็กตรอนจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง (source to drain) ปัญหาแรกที่จะพบเมื่อทรานซิสเตอร์มีขนาดเหลือ 0.1 ไมครอน นั้นจะทำให้ source และ drain เขยิบเข้ามาใกล้กันมากขึ้น จนสนามศักย์ของเกตจะควบคุมการไหลของอิเล็กตรอนได้ยากขึ้น เพราะอิเล็กตรอนจะไหลได้เองง่ายขึ้น จนอาจจะไม่ต้องพึ่งสนามศักย์จากเกต ปัญหาที่สองก็คือว่า ปรกติทรานซิสเตอร์จะต้องมีสนามไฟฟ้าช่วยควบคุมการไหลของกระแส โดยขนาดของสนามไฟฟ้านี้จะต้องมีขนาดมากพอ ที่จะไม่ถูกบดบังจากสัญญาณรบกวน ในเมื่อทรานซิสเตอร์มีขนาดที่ลดลงมาก ทำให้สนามไฟฟ้ากระทำกับระยะทางที่ลดลง เป็นผลทำให้ความเข้มข้นของสนามไฟฟ้ามากขึ้น ซึ่งอาจทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกไปมากจนควบคุมไม่ได้ , ปัญหาอีกประการหนึ่งนั้นเกี่ยวกับความสามารถของอิเล็กตรอนในการหายตัวข้ามกำแพงที่กั้น (Tunnelling) โดยที่อิเล็กตรอนสามารถที่จะลอดจากด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่งของกำแพงศักย์ได้ โดยไม่จำเป็นต้องกระโดดข้ามกำแพงหากกำแพงมีความหนาที่ไม่มากนัก , เมื่อจำนวนของทรานซิสเตอร์มีมากขึ้นในพื้นที่ๆลดลง ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวก็จะมาอยู่ใกล้กันมากขึ้น โอกาสที่อิเล็กตรอนในทรานซิสเตอร์ตัวหนึ่งๆจะลอดไปรบกวนการทำงานของทรานซิสเตอร์ตัวอื่นๆก็จะมีมากขึ้น หรืออิเล็กตรอนอาจจะลอดผ่านแผ่นฉนวนออกไซด์ที่กั้นระหว่างช่องเดินทางของอิเล็กตรอน (channel) กับเกตได้
จากอิเล็กทรอนิกส์แบบซิลิกอนสู่อิเล็กทรอนิกส์โมเลกุล - นาโนอิเล็กทรอนิกส์
จากปัญหาดังกล่าวจึงเกิดแนวคิด ที่ต้องการจะปฏิวัติวงการอิเล็กทรอนิกส์ด้วยการเปลี่ยนแปลงวิธีการแบบเดิมคือสร้างวงจรอิเล็กทรอนิกส์บน Solid State Semiconductor ไปสู่การสร้างวงจรอิเล็กทรอนิกส์ด้วยโมเลกุล (Molecular Electronics) อิเล็กทรอนิกส์แบบใหม่นี้ จะต้องมีการทำงานในระดับโมเลกุลเลยทีเดียวและอุปกรณ์แต่ละตัวจะเป็นแบบอิเล็กตรอนเดียว (Single Electron Devices) การปฏิวัติดังกล่าวนี้คาดว่าจะเกิดขึ้นภายใน 10 ปีนี้เพื่อให้มีเทคโนโลยีใหม่เกิดขึ้นทดแทนก่อนอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์จะไปถึงจุดอับ จริงๆแล้วการที่จะไปสู่เป้าหมายดังกล่าวนั้นถือว่าเป็นวิสัยทัศน์ระยะยาวเลยทีเดียว เพราะว่ายังไม่มีใครรู้ว่ารูปแบบที่อิเล็กทรอนิกส์เชิงโมเลกุลสุดท้ายนั้น จะมีหน้าตาอย่างไร เหตุนี้ปัจจุบันจึงมีผู้เสนอแนวทางแบบต่างๆมากมาย
รูปที่ 4 หากต้องการให้การเพิ่มของจำนวนทรานซิสเตอร์เป็นไปตามกฎของมัวร์ การผลิตชิพจะต้องเข้าสู่ยุคของนาโนเทคโนโลยี (ภาพจาก MITRE Corporation)
ด้วยการเล็งเห็นความสำคัญของอิเล็กทรอนิกส์เชิงโมเลกุลในอนาคต จึงได้มีการรวมตัวของนักวิจัยที่ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล และจัดตั้งเป็นกลุ่มวิจัยนาโนเทคโนโลยีและโมเลกุลาร์อิเล็กทรอนิกส์ขึ้นด้วยทัศนคติที่ว่า "หากเราจะทำอิเล็กทรอนิกส์แบบเก่าๆ เราแข่งกับเค้าไม่ได้แน่เพราะเค้าเริ่มกันมา 30 กว่าปีแล้ว แต่ถ้าหากเราทำอิเล็กทรอนิกส์เชิงโมเลกุลนั้น ทุกคนเริ่มหัดเดินเหมือนกันหมด เรายังมีโอกาสทำอะไรได้บ้าง" โดยทางกลุ่มประกอบด้วยนักฟิสิกส์สารกึ่งตัวนำ นักโพลิเมอร์ผู้มีความสามารถด้านการสังเคราะห์วัสดุอิเล็กทรอนิกส์ นักวิทยาศาสตร์เชิงคำนวณที่สามารถออกแบบและโมเดลวัสดุด้วยคอมพิวเตอร์ และนักทฤษฎีที่เชี่ยวชาญทางด้านผลของควอนตัม งานวิจัยตามหัวข้อนี้เป็นโครงการต่อเนื่องระยะยาวมากกว่า 10 ปี ซึ่งจริงๆแล้วน่าจะทำไปจนตลอดชีวิตนักวิจัยเสียด้วยซ้ำ เนื่องจากงานทางอิเล็กทรอนิกส์เชิงโมเลกุลนั้นจะไปสอดคล้องกับการพัฒนานาโนเทคโนโลยีโดยตรง และเรื่องนาโนเทคโนโลยีนี้ก็เป็นที่คาดกันว่าจะครอบครองพื้นที่ในการทำวิจัยส่วนใหญ่ของศตวรรษที่ 21 เลยทีเดียว
นาโนคอมพิวเตอร์
ในอนาคตข้างหน้านั้นอุปกรณ์หรือจักรกลต่างๆจะมีขนาดเล็ก อุปกรณ์เหล่านั้นได้รับการเรียกขานต่างๆ กันเช่น หุ่นยนต์นาโน (Nanorobot) จักรกลนาโน (Nanomachine) จักรกลโมเลกุล (Molecular Machine) อุปกรณ์เหล่านั้นจะต้องมีหน่วยควบคุม หรือหน่วยประมวลผลซึ่งเป็นส่วนสมองของจักรกลนาโน จึงมีความคิดว่าน่าจะมีการพัฒนานาโนคอมพิวเตอร์ขึ้นมาเพื่อควบคุมการทำงานของอุปกรณ์ หรือจักรกลเหล่านั้น นาโนคอมพิวเตอร์นี้ต่างจากคอมพิวเตอร์ธรรมดาอย่างที่เราเข้าใจกัน เช่นคอมพิวเตอร์ตั้งโต๊ะ ที่ทำงานโดยการปฏิสัมพันธ์กับประสาทสัมผัสของมนุษย์โดยตรง เช่นมีส่วนรับข้อมูลเข้าเป็นคีย์บอร์ด มีส่วนแสดงผลเป็นมอนิเตอร์ แต่นาโนคอมพิวเตอร์จะมีการรับข้อมูลเข้าทางเซนเซอร์ มีการแสดงผลออกเป็นสัญญาณหรือการทำงานกับจักรกลนาโน ทั้งนี้นาโนคอมพิวเตอร์จะมีปฏิสัมพันธ์โดยตรงกับอุปกรณ์ที่ทำงานมากกว่ากับมนุษย์ การพัฒนาอิเล็กทรอนิกส์เชิงโมเลกุลจะมีประโยชน์ต่อการพัฒนานาโนคอมพิวเตอร์ รวมทั้งยังมีประโยชน์ต่อการพัฒนาคอมพิวเตอร์รูปแบบเดิมเช่น คอมพิวเตอร์ตั้งโต๊ะด้วย
ด้วยความรู้ ณ ปัจจุบัน เรามองทิศทางการพัฒนานาโนคอมพิวเตอร์ออกเป็น 4 สายคือ
Electronic Nanocomputer
นาโนคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์มีพื้นฐานการทำงานคล้ายกับคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันคือทำงานจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน แต่นาโนคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์จะไม่อาศัยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจำนวนมหึมาอย่างที่เป็นอยู่ในคอมพิวเตอร์ปัจจุบัน แต่จะใช้อิเล็กตรอนตัวเดียวหรือมากกว่านั้น , ซึ่งจะทำงานโดยอาศัยประโยชน์จากผลของควอนตัม (Quantum Effect) ซึ่งเป็นอุปสรรคของคอมพิวเตอร์ยุคปัจจุบันแต่กลับเป็นกลไกให้นาโนคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ทำงาน วงจรอิเล็กทรอนิกส์ของนาโนคอมพิวเตอร์แบบนี้จึงต้องมีขนาดเล็กในระดับโมเลกุลเกิดเป็นคำใหม่ขึ้นมาว่า อิเล็กทรอนิกส์เชิงโมเลกุล
Biochemical or Chemical Nanocomputer
นาโนคอมพิวเตอร์เชิงเคมีทำงานโดยการสร้างหรือทำลายพันธะทางเคมี มันสามารถเก็บและดำเนินการทางตรรกะและสารสนเทศโดยอาศัยหลักของโครงสร้างทางเคมี เช่น อันตรกริยาระหว่างส่วนต่างๆในโมเลกุล การปรับเปลี่ยนคอนฟอร์เมชัน เป็นต้น ประจักษ์พยานที่แสดงถึงความเป็นไปได้ของนาโนคอมพิวเตอร์เชิงชีวเคมีมีให้เห็นอยู่แล้วในธรรมชาติ นั่นคือการดำเนินการทางชีวสารสนเทศในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตนั่นเอง
Mechanical Nanocomputer
คอมพิวเตอร์เชิงกลนั้นมีมาก่อนคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์เสียอีก หลักการทำงานของนาโนคอมพิวเตอร์เชิงกลก็อิงวิธีการของคอมพิวเตอร์เชิงกลที่คิดค้นโดยชาลส์ บาบเบจ (Charles Babbage) ผสมผสานกับคำชี้แนะของริชาร์ด ฟายน์แมน (Richard Feynman) คือมีการทำงานทางตรรกะและดำเนินการทางสารสนเทศโดยอาศัยกลไกของเกียร์ แบริ่ง และเพลา เพียงแต่ย่อส่วนลงไปสู่ระดับโมเลกุลนั่นเอง
Quantum Nanocomputer
ควอนตัมนาโนคอมพิวเตอร์อาศัยการทำงานตามสถานะควอนตัม (Quantum State) ของหน่วยพื้นฐานซึ่งสามารถทำให้เล็กสุดถึงระดับของอะตอมจึงสามารถสร้างให้ให้มีความหนาแน่นของวงจรสูงมาก การทำงานเชิงตรรกะของหน่วยพื้นฐานควบคุมจากสภาวะรอบข้างเช่น สนามแม่เหล็ก ความเป็นไปได้ของนาโนคอมพิวเตอร์แบบนี้ถูกกระตุ้นโดยริชาร์ด ฟายน์แมน ทำให้ปัจจุบันมีกลุ่มวิจัยที่ทำงานเรื่องนี้อยู่เป็นจำนวนมาก
สำหรับนาโนคอมพิวเตอร์ทั้ง 4 ประเภทข้างต้นนี้ นักวิจัยส่วนใหญ่ได้ให้ความสนใจเป็นพิเศษกับ Electronic Nanocomputer เพราะเหตุที่ว่าความเป็นไปได้ของนาโนคอมพิวเตอร์ประเภทนี้มีสูงที่สุด ประกอบกับมีโครงสร้างพื้นฐานที่รองรับการทำวิจัยหัวข้อนี้ได้มากกว่า
เรคติไฟเออร์โมเลกุล
กล่าวสำหรับ Electronic Nanocomputer นั้นหากจะพัฒนาขึ้นมาแล้ว มีความจำเป็นที่จะต้องศึกษาสถาปัตยกรรมของมันว่า ควรจะมีลักษณะหน้าตาอย่างไร และหน่วยพื้นฐานจะมาเชื่อมโยงกันเพื่อทำงานเชิงตรรกะได้อย่างไร หน่วยพื้นฐานหนึ่งซึ่งเรียกว่าไดโอด (Diode) โดยหากเป็นไดโอดที่มีสมบัติของการกรองกระแสคืออนุญาตให้กระแสไหลผ่านได้ทางเดียวก็จะเรียกว่าเรคติไฟเออร์ (Rectifier) เรคติไฟเออร์ระดับโมเลกุลนี้ได้รับแนวคิดมาจาก Aviram และ Ratner โดยเขาทั้งสองเสนอไว้ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1974 ว่าโมเลกุลก็อาจจะสามารถทำหน้าที่เป็นเรคติไฟเออร์ได้ถ้าหากสามารถหาโมเลกุลที่ข้างหนึ่ง มีความสามารถในการให้อิเล็กตรอนในขณะที่ข้างหนึ่งมีความสามารถในการรับอิเล็กตรอน ซึ่งหลักการทำงานดังกล่าวนั้นก็เลียนแบบมาจากอุปกรณ์กึ่งตัวนำแบบมีขั้ว p-n ทั่วๆไป หลังจากนั้นเป็นต้นมาก็ได้มีนักวิจัยเป็นจำนวนมาก , พยายามที่จะค้นหาโมเลกุลที่มีคุณสมบัติดังกล่าว และเมื่อเร็วๆนี้ ก็ได้มีผู้ค้นพบโมเลกุลที่มีสมบัติเป็นเรคติไฟเออร์นี้ (Molecular Rectifiers) ทำให้นักวิจัยทั้งหลายมีความหวังและกำลังใจมากขึ้นว่า การสร้างวงจรอิเล็กทรอนิกส์ด้วยโมเลกุลจะไม่ใช่สิ่งเพ้อฝันอีกต่อไป ถึงแม้ว่าจะมีการค้นพบเรคติไฟเออร์โมเลกุลแล้วก็ตาม แต่ก็ยังไม่มีใครสามารถที่จะต่อเรคติไฟเออร์ดังกล่าวเพื่อสร้างเป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ทำงานอย่างสมบูรณ์ได้ งานค้นหาเรคติไฟเออร์ที่ดีกว่าก็ยังดำเนินต่อไป พร้อมๆกับการพัฒนาเทคโนโลยีในการควบคุมให้เรคติไฟเออร์มีความเสถียรมากขึ้น
ก่อนที่เรคติไฟเออร์โมเลกุลหรือหน่วยพื้นฐานอื่นๆ เช่น ทรานซิสเตอร์โมเลกุลจะมีศักยภาพเพียงพอที่จะนำมาต่อเป็นวงจร โครงสร้างพื้นฐานอีกอย่างที่จะต้องพัฒนาขึ้นมาให้พร้อมก่อนก็คือ สถาปัตยกรรมและตรรกะของวงจร ได้มีองค์กรระดับนโยบายในประเทศสหรัฐอเมริกาที่ชื่อว่า MITRE Corporation ได้สนับสนุนกลุ่มนักวิจัยกลุ่มหนึ่งให้ศึกษาความเป็นไปได้ของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ระดับโมเลกุลดังกล่าว และก็ได้ทำการตีพิมพ์ต้นแบบของสถาปัตยกรรมของวงจรอิเล็กทรอนิกส์เชิงโมเลกุลออกมาเมื่อเร็วๆนี้ ผู้วิจัยในกลุ่มดังกล่าวได้ใช้ระเบียบวิธีการคำนวณทางกลศาสตร์ควอนตัมเพื่อหาโครงสร้างเชิงอิเล็กตรอนของเรคติไฟเออร์โมเลกุล กลุ่มผู้วิจัยได้ศึกษารายงานวิจัยดังกล่าวพบว่ายังมีหลายๆจุดในงานวิจัยดังกล่าวที่ยังบกพร่องและสามารถจะปรับปรุงให้มีคุณภาพสูงขึ้น เช่นคุณภาพของโมเดลที่ใช้ยังต่ำเกินไปและการแปลความหมายของตัวเลขที่ได้จากการคำนวณไปเป็นความหมายทางกายภาพยังไม่ค่อยถูกต้องนัก หากถามว่าทำไมนักวิจัยกลุ่มดังกล่าวซึ่งอยู่ในหน่วยงานระดับโลกจึงยอมปล่อยให้รายงานที่ดูเหมือนยังมีข้อบกพร่องออกมาสู่สาธารณะ คำตอบชัดๆอาจแจงได้เป็น 2 ประการ ประการแรกคือ งานดังกล่าวเป็นการเสนอต้นแบบของสถาปัตยกรรมวงจรอิเล็กทรอนิกส์ระดับโมเลกุล ที่ยังไม่เคยมีใครเสนอมาก่อน กลุ่มผู้เขียนเหล่านั้นต้องการกระตุ้นให้เกิดการตื่นตัวในการศึกษารายละเอียดปลีกย่อยต่างๆโดยนักวิจัยกลุ่มอื่นๆต่อไป ไม่ได้มุ่งที่ความถูกต้องของผลที่ได้โดยตรงซึ่งเพิ่งจะอยู่ในขั้นต้นเท่านั้น ประการต่อมาก็คือกลุ่มวิจัยดังกล่าวเกิดขึ้นมาจากการรวมตัวของวิศวกรอิเล็กทรอนิกส์เป็นหลัก ยังขาดความเข้าใจในระเบียบวิธีการคำนวณกลศาสตร์ควอนตัมอย่างถ่องแท้ และนี่ก็เป็นช่องทางหนึ่งที่นักวิจัยไทย โดยเฉพาะนักฟิสิกส์ควอนตัมจะสามารถเข้าไปมีส่วนร่วมในการออกแบบสถาปัตยกรรมนี้ ซึ่งในขณะนี้กลุ่มวิจัยนาโนเทคโนโลยีและโมเลกุลาร์อิเล็กทรอนิกส์ที่มหาวิทยาลัยมหิดล ก็กำลังทำวิจัยในเรื่องดังกล่าว
รูปที่ 5 แสดงการทำงานเป็น Gate ของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ระดับโมเลกุลซึ่งประกอบด้วยเรคติไฟเออร์โมเลกุล 2 ตัวและตัวต้านทาน 1 ตัว (ภาพจาก MITRE Corporation)
ท่อนาโน
ท่อนาโน (Nanotube) คือโมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนก่อรูปกันขึ้นมาเป็นโครงสร้างที่มีลักษณะคล้ายท่อ ท่อนาโนนั้นค้นพบโดยนักฟิสิกส์ชาวญี่ปุ่นชื่อ Iijima ในปีค.ศ.1991 ภายหลังการค้นพบ Fullerene โดยนักนาโนเทคโนโลยีรางวัลโนเบล Richard Smalley 6 ปี งานประยุกต์ของท่อนาโนนั้นมีมากมาย เช่น สามารถนำมาทำเป็นสายนำไฟฟ้าหรือสวิตซ์ในอุปกรณ์นาโนอิเล็กทรอนิกส์ หรือ นำมาทำเป็นหัวจับ (Tip) ของเครื่อง STM เป็นต้น งานประยุกต์ในอนาคตของท่อนาโนนั้นอาจนำมาทำเป็น ส่วนที่ใช้ยึดโครงสร้างระดับนาโนเข้าด้วยกัน (คล้ายกับเสาและคานสำหรับตึก) เกียร์และมอเตอร์สำหรับเครื่องยนต์ระดับนาโน ความก้าวหน้าของศาสตร์สาขานี้จึงนับว่ามีความสำคัญต่อนาโนเทคโนโลยีโดยองค์รวมเป็นอย่างมาก ในภาคอุตสาหกรรมเองได้มีการแข่งขันกันศึกษาและวิจัยความสามารถของท่อนาโนเป็นอย่างมาก บริษัท Samsung Electronics ของเกาหลีใต้คาดว่าจะสามารถผลิตจอแบนที่ทำจากท่อนาโนได้ภายใน 2 ปีข้างหน้า สำหรับงานวิจัยตามโครงการนี้นั้น ให้ความสนใจไปที่การนำท่อนาโนไปใช้ในการกักเก็บและขนส่งประจุ เนื่องจากท่อนาโนนั้นมีลักษณะเหมือนแผ่นกราไฟท์ที่ม้วนตัวจนเกิดเป็นท่อ มันจึงมีแถบการนำไฟฟ้า (Conduction Band) ซึ่งสามารถนำอิเล็กตรอนได้ดี ความที่มันมีลักษณะเป็นท่อกลวงที่มีขนาดใหญ่ มันจึงสามารถกักเก็บอะตอมหรือโมเลกุลได้ จึงมีความเป็นไปได้ที่จะใส่ไอออนโลหะเข้าไปข้างในแล้วประยุกต์ใช้งานเป็นแบตเตอรี ได้มีผู้ทดลองใส่ลิเธียมเข้าไปในท่อนาโน พบว่าสามารถทำได้ หากแต่โครงสร้างความเป็นอยู่ของลิเธียมภายในท่อนาโนนั้นเป็นอย่างไรยังไม่มีใครรู้
ความน่าสนใจอีกประการของท่อนาโนนี้มันสามารถบรรจุอะตอมและโมเลกุลเข้าไปได้ หากเราสามารถใส่ลิเธียมเข้าไปในท่อนาโนจำนวนมากได้ ก็จะสามารถสร้างแบตเตอรีความจุสูงได้ ซึ่งแบตเตอรีความจุสูงนี้มิได้มุ่งหมายให้เป็นแหล่งพลังงานสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในครัวเรือน เช่น โทรศัพท์มือถือ หรือ กล้องถ่ายรูป แต่เพียงอย่างเดียวเท่านั้น หากแต่ยังพุ่งเป้าไปที่การให้เป็นแหล่งให้พลังงาน (Energy Supply) สำหรับจักรกลนาโน เพราะความที่มันเป็นแบตเตอรีความจุสูง เราจึงสามารถผลิตให้มันมีขนาดที่เล็กมากๆ จนสามารถใช้เป็นแบตเตอรีสำหรับอุปกรณ์ขนาดเล็กมากๆ ได้ งานประยุกต์ของท่อนาโนในอนาคตสามารถเป็นไปได้มากมาย บริษัทซัมซุงในเกาหลีใต้ได้ออกมาประกาศว่าจะสามารถผลิตจอแสดงผลแบบจอแบน (Flat Display) ที่ผลิตจากท่อนาโนได้ภายใน พ.ศ. 2545 นี้
