עמוד הבית > טכנולוגיה ומוצרים
גליליאו : כתב עת למדע ומחשבה



תקציר
הננוטכנולוגיה, הכרוכה בשליטה במיקומם של אטומים בודדים, מאפשרת מידה מדהימה של מזעור ושימושיה הפוטנציאליים נוגעים לרוב ההיבטים המדעיים והטכנולוגיים של חיינו.



ננוטכנולוגיה
מחבר: פרופ' אורי סיוון


הננוטכנולוגיה, הכרוכה בשליטה במיקומם של אטומים בודדים, מאפשרת מידה מדהימה של מזעור ושימושיה הפוטנציאליים נוגעים לרוב ההיבטים המדעיים והטכנולוגיים של חיינו. עם זאת, כדי שנוכל להשתמש בה נידרש להתמודד עם בעיות סבוכות מאוד, מורכבות לאין שיעור מאלה הקיימות בהנדסה המקובלת

המונח ננוטכנולוגיה נגזר מנָנוֹמֶטֶר, אורך השווה למליארדית (10-9) המטר. קטן? מאד. בשנת 2000 יוצרו בעולם כעשרה מיליארדי מיליארד (1019) סיביות (bits) מידע, לערך גיגה ביט מידע לאדם על פני כדור הארץ. מידע זה כולל הכול: סרטים, פלט מחשב, מוסיקה, טלויזיה, צילום. רק כ-0.003% מהמידע הכולל מודפס על נייר, וחלקם של הספרים והעיתונים זניח.

צפיפות אגירת המידע באמצעים מגנטיים, אופטיים, או אלקטרוניים היא כמיקרומטר (מיליונית המטר) רבוע לסיבית או עשרה מיליארד (1010) סיביות לתקליטור DVD. אגירת המידע השנתי דורשת לכן כמיליארד תקליטורים, מגדל שגובהו 1000 ק"מ. ומה לו יכולנו לאגור את המידע בצפיפות של ננומטר מעוקב לסיבית? האם יכולת אז לדחוס את כל המידע לגורד שחקים? לבית? לארון? התשובה היא שיכולנו לדחוס כעשר פעמים המידע השנתי לגודל קוביית סוכר. דמיוני? מבחינת המזעור לא. מבחינות אחרות כן.

איור 1 מציג תהליך הרכבת צמיד שכל אחד מחרוזיו עשוי אטום ברזל בודד. הצמיד מורכב על משטח נחושת חלק באמצעות מיקרוסקופ מנהור סורק (scanning tunneling microscope) המאפשר דימות האטומים על פני המשטח וכדרורם למקום הרצוי.

הצמיד שבאיור מכיל 48 אטומים ותהליך הבנייה דורש שליטה מלאה, כלומר מיקום יחידני של יחידות המבנה הבסיסיות ביותר – אטומים, באתרים מדויקים. האדווה המעגלית באיור 1 משקפת את אופיים הגלי של האלקטרונים על פני הנחושת, תכונה אליה נחזור מאוחר יותר.

קוטרם של האטומים המרכיבים את הצמיד כעשירית הננומטר וניתן לקודד באמצעותם מידע, למשל "1" באמצעות אטום ו-"0" על ידי רווח. האיור מדגים לכן מזעור משמעותי אפילו יחסית לאגירת סיבית בננומטר מעוקב. אך האם הבנייה באיור ניתנת להרחבה לאטומים? לא בדיוק. מעֵבר לעובדה שהצמיד יציב רק בטמפרטורות מאד נמוכות (מספר מעלות קלווין), בנייה אטום אחר אטום אינה מעשית. בהנחה שכדרור אטום למקומו לוקח שנייה, כתיבת סיביות תימשך יותר מפי עשרה מגילו של היקום, וגם כתיבת תוכנו של דיסק קשיח מקובל תימשך 3000 שנה. איור 1 מדגים לכן את יכולת המזעור העומדת לרשותנו אך באותה מידה הוא מדגיש את הממד הנוסף של הננוטכנולוגיה, הצורך להתמודד עם רמת סיבוכיות גבוהה לאין שיעור מזו המשתקפת בהנדסה המקובלת. הרצון לשלוט בכל אבן בניין ננומטרית פירושו צורך לטפל ברמות מורכבות גדולות לאין שעור מאלו עמן אנו יודעים להתמודד.

לננוטכנולוגיה שני צירים נוספים, מחירה של אבן בניין והזמן הדרוש ליצירתה והרכבתה. במיקרו-מעבד עדכני, כארבעים מיליון טרנזיסטורים המשמשים כמתגים זעירים. מחיר מעבד כ-100$ ומחיר מתג לכן כשתיים וחצי מיליוניות הדולר. המעבדים הראשונים שיצאו לשוק בתחילת שנות השבעים הכילו כ-4000 טרנזיסטורים ועלו מחיר דומה, כלומר 2.5 סנט למתג. לו נדרשנו היום לשלם מחיר דומה למתג היה מעבֵּד עולה מיליון דולר! מעבר לשיפור בביצועיו של מתג, הוזלתו היא שאפשרה את מהפכת המחשוב והתקשורת בעשורים האחרונים. המשך המזעור, למשל לדחיסת פי מיליון יותר רכיבים לאותו מעגל יחייב לכן הוזלת מחירו של מתג לפיקו-דולר. שיקולים דומים ניתן להפעיל על ממד הזמן ביצירתה והרכבתה של אבן בניין. מובן שייצור והרכבה מקבילים הכרחיים לכל סכימה מעשית. עוד נחזור לשני היבטים אלו בהמשך, אבל הסקרנים יכולים להרהר בהם בהקשר הביולוגי.

הננוטכנולוגיה מתקיימת אם כן במרחב הארבע ממדי שציריו מזעור, מורכבות, מחיר אבן בניין, והזמן והמאמץ הדרושים לייצורה והרכבתה.

כאן המקום להגדיר את המונח "מורכבות" (complexity). למה מתכוונים כשאומרים שמכונה מסוימת מורכבת, ואיך נבדיל בין מבנה מורכב ומורכב פחות? קיימות הגדרות אחדות ואני מבקש לסבך את הדברים ולהציע הגדרה נוספת: סיבוכיות מבנה או מכונה שווה למספר ההוראות המינימלי הדרוש כדי לתאר את בנייתה מאבני בניין יסודיות. ההגדרה המוצעת סובלת ממספר פגמים. היא למשל תלויה בהגדרת אבני הבניין (חלקיקים אלמנטרים? אטומים? מולקולות?). אולם החיסרון העיקרי בהגדרה הוא שאינה אופרטיבית, כלומר אינה מאפשרת לקבוע את מידת הסיבוכיות של מבנה מתוך התבוננות בו. ממש כפי שהתבוננות בסדרת מספרים אינה מסגירה את כמות המידע האגורה בה. עם זאת, ההגדרה מספקת תובנות חשובות. למשל ברור שצרור ההוראות לגידול גביש מחזורי הוא קטן ובהתאם קטנה הסיבוכיות הטמונה בו. מסקנה דומה תופסת גם לגבי הרכבה עצמית (self-assembly) של שכבות מולקולריות על משטחים שונים, נושא בעל ישומים רבים בננוטכנולוגיה. קל לחוש שיש קשר הדוק בין סיבוכיות ומידע: מבנה מורכב הוא מבנה שהוטבע בו הרבה מידע.

בהמשך אתמקד בשני הצירים הפיזיקלים, מיזעור ומורכבות. לשני הצירים האחרים, מחיר אבן בניין והזמן והמאמץ הדרושים להרכבתה, נחזור רק מאוחר יותר.

מיזעור ומורכבות תלויים כמובן זה בזה אך באופן גס; הישגינו במיזעור עולים לאין ערוך על יכולתנו להרכיב מבנים מורכבים מאבני בניין ננומטריות. אבירם ורטנר הדגימו במאמר משנת 1974 כיצד מולקולה בודדת יכולה לשמש כמיישר זרם ופתחו בכך שטח הנקרא היום אלקטרוניקה מולקולרית. מאז נתגלו וסונתזו עשרות מולקולות בעלות פונקציונליות חשמלית: מיישרים, מתגים, זכרונות, ועוד. עם זאת, במשך קרוב לשלושים השנים שחלפו לא הומצאה אף סכימה מעשית, למעט רעיונות הנשענים על מיקרואלקטרוניקה, המלמדת כיצד לחבר מספר מולקולות כדי לקבל פונקציות משולבות. נשאלת כמובן השאלה: האם סכימות כאלו קיימות?

אין בידינו דוגמה למעגלים אלקטרונים כאלה אך הביולוגיה מספקת שפע הוכחות להיתכנות מערכות פונקציונליות אחרות מאבני בניין מולקולריות. ריצ'רד פיינמן בהרצאתו המפורסמת בפני החברה האמריקאית לפיזיקה בשנת 1959, "There is plenty of room at the bottom - an invitation to enter a new science", הרצאה שסימנה במידה רבה את תחילתה של הננוטכנולוגיה, הפנה את תשומת לב השומעים לדוגמה הבולטת מכולן, סינתיזה של חלבונים בהסתמך על המידע המקודד במולקולות הדנ"א. כידוע, המידע אגור ברצף ארבעת נוקליאוטידי הדנ"א המשמשים כסיביות מידע בבסיס 4 (לעומת בסיס 2, הבסיס הבינרי המקובל). כל נוקליאוטיד מכיל כחמישים אטומים ומאחר שהנוקליאוטידים בדנ"א מופיעים בזוגות, מורכבת כל סיבית מכמאה אטומים. למרבית הפלא, נפחו של זוג בסיסים הוא בקרוב טוב ננומטר מעוקב אחד. הטבע מספק לכן דוגמה שניתן לאגור מידע בצפיפות של סיבית לננומטר מעוקב וכיצד ניתן לקרוא מידע זה ולייצר לפיו מכונות מורכבות, קרי חלבונים. מובן שהתמונה המלאה מורכבת יותר, מאחר שיצירת חלבונים דורשת בנוסף לדנ"א גם חלבונים אחרים המכילים חלק מהמידע, למשל זה הדרוש לקיפול נכון של מולקולת החלבון. במונחי הגדרת הסיבוכיות ברור לכן שמורכבות החלבון גדולה מרצף חומצות האמינו שלו והוראות היצור חייבות כנראה להכיל גם את הוראות הקיפול.

העובדה שהטבע נזקק למאה אטומים לסיבית מידע ולא לאטום בודד אינה מקרית. היא נובעת מהצורך לחבר סיביות זו לזו ומהאופן בו נקרא המידע. הננומטר מהווה לכן סקלת אורך ייחודית שהיא מחד גיסא קטנה מספיק כדי לדחוס מידע עצום לנפח קטן (הגנום האנושי, למשל, מכיל שלושה מיליארד זוגות נוקליאוטידים ומוכל בגרעין תא שנפחו מספר מיקרומטרים מעוקבים בלבד) ומאידך גיסא מספיק גדולה כדי לאפשר חיבור הסיביות למילים וקריאתן. קשה לדמיין מנגנון קריאה וכתיבה כימיים המאפשרים דחיסה רבה יותר במידה משמעותית. גם הדוגמה שבאיור 1 מטעה הואיל והמצע עליו מוקמו האטומים צריך להיספר כחלק מהאטומים המשמשים לקידוד. הערכה מינימלית תיתן שוב בערך ננומטר מעוקב לסיבית מידע.

חוקי הטבע בממדים קטנים

להערכתנו, כל חוקי הטבע המכתיבים את התנהגותן של מערכות ננומטריות ידועים. אין להסיק מכך שהתכונות כולן מובנות, מאחר שאפילו חוקים פשוטים יוצרים לעיתים התנהגות מורכבת מאד. הממדים הקטנים מביאים לידי ביטוי היבטים שונים של חוקי הטבע מאלו המשתקפים בתכונותיהם של גופים גדולים. למשל, הממדים הקטנים מביאים לידי ביטוי את אופיים הגלי של האלקטרונים, את העובדה שאלקטרון יכול להתאבך עם עצמו, לעבור דרך שני סדקים בו זמנית, או לחצות מחסום פוטנציאל שאינו עביר לחלקיק קלסי. הגלים המעגליים באיור 1 משקפים את אופיים הגלי של האלקטרונים הנעים על שפת הנחושת.

אחת התוצאות הנובעות מאופיים הגלי של אלקטרונים היא הספקטרום הבדיד של אטומים, כלומר, העובדה שרמות האנרגיה של אלקטרונים באטום יכולות לקבל ערכים מסוימים בלבד ולא כל ערך שהוא. כיום אנו יודעים לייצר "אטומים מלאכותיים", אם כי גדולים יותר, בעלי תכונה דומה. במערכות אלו, המכונות "נקודות קוונטיות" (quantum dots) ניתן לשלוט על מספר האלקטרונים ולהרכיב טבלה מחזורית חדשה לאטומים מלאכותיים. ניתן גם לצמד שתי נקודות קוונטיות ליצירת מולקולה מלאכותית. ב-15 השנים האחרונות פותחו טכניקות רבות לייצור נקודות קוונטיות ממוליכים למחצה, מתכות, מולקולות, צבירים, ועוד. מגוון השימושים הפוטנציאלים עצום, ממקורות אור יעילים בעלי אורך גל נשלט, דרך גלאים אופטים, טרנזיסטורים הנשענים על כך שמספר האלקטרונים בנקודה הקוונטית בדיד, סמנים פלואורסנטים לדיאגנוסטיקה ביולוגית, חומרי סיכה, ועוד. אחד השימושים המסעירים, ובשלב זה ספקולטיבים, הוא לחישוב קוונטי, דרך חישוב חדשה לחלוטין הנשענת על מוזרויות תורת הקוונטים.

הדמיון בין נקודות קוונטיות ואטומים לא מפתיע, אך ההבדל ביניהם משעשע מבחינה היסטורית. בסוף המאה התשע עשרה, לאחר שהתגלה האלקטרון הציע מגלהו ג'. ג'. תומסון (Thomson) את מודל "עוגת הצימוקים" לאטום. לפי מודל זה, האלקטרונים נעוצים כצימוקים בעלי מטען שלילי ב"בצק" חיובי התופס את נפח האטום. בתחילת העשור השני של המאה העשרים ביצע תלמידו ארנסט רתרפורד (Rutherford) את ניסוי הפיזור המפורסם של אלומת חלקיקי אלפא (שהם גרעיני הליום) על רדיד זהב. הניסוי הוכיח שכל המטען החיובי של האטום ורוב המאסה שלו מרוכזים בגרעין קטן שסביבו נעים האלקטרונים במסלולים מרוחקים. הניסוי הכריע בבירור בין מודל עוגת הצימוקים לבין התמונה המקובלת למבנה האטום. עם השנים הלכה ונשכחה עוגת הצימוקים. רצה הגורל והנקודות הקוונטיות אותן למדנו לייצר קרובות יותר לעוגת הצימוקים מאשר למודל רתרפורד, מאחר שהמטען החיובי בהן מחולק באורח אחיד, פחות או יותר, על פני הנקודה. וכך, מאה שנים לאחר כישלונו של מודל פיזיקלי המציא האדם אטום מלאכותי המתאים לו. מובן שהבנת תכונותיהן של נקודות קוונטיות דורשת את תורת הקוונטים שפותחה בשנות העשרים של המאה העשרים ומודל עוגת הצימוקים אינו יכול לכן לתאר את הפיזיקה של מערכות אלו.

אופיין הקוונטי של מערכות ננומטריות מטיל מגבלות על מזעורן. הטרנזיסטורים המרכיבים את יחידת החישוב המרכזית של מחשב (CPU) מבוססים על אלקטרונים המושרים במצע סיליקון על ידי שער (gate) המופרד מהם בשכבה דקה של תחמוצת סיליקון (זכוכית). מיתוח חיובי של השער יחסית לערוץ משרה אלקטרונים בערוץ ומשפר את מוליכותו בעוד שמיתוח שלילי מסלק אלקטרונים ומנתק את הזרם דרך הטרנזיסטור. ככל שהשער קצר יותר ניתן למתג את הטרנזיסטור מהר יותר ולבצע יותר פעולות חישוב ליחידת זמן. זה אחד המניעים המרכזיים למזעור המיקרואלקטרוניקה. כדי שטרנזיסטור יוכל להפעיל טרנזיסטורים נוספים במעגל, השער צריך להיות ארוך משמעותית מעובי תחמוצת הסיליקון (בטרנזיסטורים מקובלים – בערך פי 50). בטרנזיסטורים בטכנולוגיה של 0.09 מיקרון של אינטל עובי התחמוצת 1.2 ננומטר – חמש שכבות אטומיות. בטרנזיסטורים בעלי שער באורך 20 ננומטר, העומדים להיכנס לשימוש בשנים הקרובות, עובי התחמוצת 0.8 ננומטר – שלוש שכבות אטומיות בלבד. תכונותיה החשמליות של שכבה כה דקה נשלטות על ידי תורת הקוונטים, ובפרט על ידי יכולתם של אלקטרונים למַנהֵר (tunnel) דרך מחסומים שחלקיקים קלסיים היו נבלמים בהם. מִנהוּר אלקטרונים מהשער אל ערוץ האלקטרונים דרך שכבת התחמוצת גדל מהר מאד עם דיקוקה ומשבש את פעולת הטרנזיסטור. לפיכך דיקוק משמעותי נוסף אינו מעשי. וכך, בדלת האחורית צצה לה תורת הקוונטים ומכתיבה עובי ננומטרי מינימלי לעובי התחמוצת שממנו נגזר אורך שער גדול בהרבה וגודל מתג גדול עוד יותר. אופייה הקוונטי של המציאות בממדים ננומטרים מכתיב לעתים ממדים סופיים גדולים בהרבה.

החיים בעולם הננומטרי שונים גם בהיבטים אחרים. לא ניתן למשל לבנות מכונות חום כמו מנועי שריפה פנימית מאחר שקיבול החום או כושר יצור החום קטנים הרבה יותר מהר עם מיזעור המערכת מאשר הולכת החום לסביבה (הראשונים מתכונתים לנפח המערכת בעוד האחרון מתכונתי לקוטרה). זהו לכן בדרך כלל עולם איזותרמי, עולם בו הטמפרטורה אחידה. לא פלא שכל המנועים הביולוגים, גם אם הם נעזרים ברעש תרמי, נשענים על המרה ישירה של אנרגיה כימית לתנועה.

חלק ניכר מהננוטכנולוגיה עתיד להתבצע בתמיסה. זהו עולם תזזיתי בו חלקיקים ננומטרים נעים כשיכורים עקב התנגשות בלתי פוסקת עם מולקולות הממס. חלקיק בקוטר ננומטר עובר במהלך שנייה אחת עשרות מטרים במהלך מזוגזג המביא אותו באופן אופייני למרחק של כשלושים מיקרומטרים ממקומו המקורי, פי 30,000 מגודלו. בעולם כזה לא ניתן לתכנן את מסלולו המדויק של חלקיק.

העולם הננומטרי הוא עולם אריסטוטלי פרֶה-ניוטוני, במובן זה שמהירות החלקיק – ולא תאוצתו – מתכונתית לכוח המופעל עליו. זהו עולם חסר התמדה (חסר אינרציה), בו התנועה נקבעת על ידי החיכוך עם הסביבה, עולם ללא גלגלי תנופה, מטוטלות, פטישים או קליעים. בהעדר התמדה שונה התנועה במים באופן מהותי יחסית לתנועת גוף גדול.

ככלל, עם המיזעור קטנה חשיבותם של הכוחות הגרוויטציונים וגדלה חשיבותם של הכוחות החשמליים בגלגוליהם השונים.

לבסוף, בגרגר שקוטרו ננומטר נמצאים כחצי מהאטומים על פני השטח. הכימיה והפיזיקה של פני השטח, והאינטרקציה שלהם עם הסביבה, מכתיבים לכן במידה רבה את תכונות המערכת. מידת ההידרופיליות (חיבה למים) ,למשל, מכתיבה את תכונות ההמסה ואת טיב האינטרקציה בין חלקיקים ובין חלקיקים למשטחים.

יישומי הננוטכנולוגיה

סקירה מקיפה למגוון העצום של שימושים פוטנציאלים לננוטכנולוגיה מצויה במסמך היסוד של היזמה הלאומית האמריקאית לננוטכנולוגיה (National Nanotechnology Initiative). רשימת הנושאים כוללת את רוב ההבטים הטכנולוגים והמדעיים של חיינו:

  • חומרים מעוצבים ננומטרית – חזקים יותר, קלים יותר, קשים יותר, בעלי יכולת תיקון עצמית, ובטוחים יותר. ניתן גם להוסיף: בעלי יכולת שיכפול עצמי.
  • ננואלקטרוניקה, אלקטרואופטיקה, ומגנטיות.
  • טיפול ודיאגנוסטיקה רפואית.
  • תהליכים ננומטריים הקשורים לאיכות הסביבה.
  • שימור ואגירת אנרגיה.
  • חלליות זעירות למחקר ולניצול החלל.
  • חיישנים ביולוגים לגילוי מחלות מדבקות ואיומים ביולוגים.
  • יישומים לתעבורה בטוחה וזולה.
  • ביטחון לאומי.

אסתפק כאן בתיאור שתי דוגמאות בלבד. הדוגמה הבולטת מכולן לפיתוח חומרים חדשים היא גילוים של צורוני פחמן חדשים, בקמינסטר-פולרין (Backminsterfullerene) וננו-שפופרות פחמן (carbon nanotubes). הבקמינסטר-פולרין הוא מולקולה המכילה 60 אטומי פחמן היוצרים מבנה מרחבי דמוי כדור-רגל בן שנים עשר מחומשים (הטלאים השחורים בכדורגל) ועשרים משושים (הטלאים הלבנים). קוטרו של הכדור 0.7 ננומטר. שמו של הכדור הושאל מדימיונו למבנים מרחביים שיצר הארכיטקט בקמינסטר פולר (Buckminster Fuller) ממוטות ומחברים. הבקמינסטר-פולרין זיכה את מגליו, רוברט קורל (Curl), הרולד קרוטו (Kroto), וריצ'רד סמולי (Smalley) בפרס נובל לכימיה לשנת 1996.

בת דודתו של הפולרין, ננו-שפופרת הפחמן התגלתה בשנת 1991 על ידי סומיו איג'ימה (Ijima). האחרון שם לב שהפיח המיוצר על ידי קשת פחמן מכיל סיבים ארוכים (איור 3א)*. דימותם במיקרוסקופ אלקטרונים חודר לימד שהסיבים, שקוטרם בין ננומטר אחד לננומטרים ספורים, מורכבים מאוסף שפופרות קונצנטריות העוטפות זו את זו כגלדי בצל מאורכים. כל גלד ("קליפה") מורכב משכבה חד אטומית של גרפיט הנסגרת על עצמה לכלל שפופרת (איור 3ב)*. מאוחר יותר התגלו שפופרות המכילות גלד בודד. תוך זמן קצר הסתבר שלננו-שפופרות מגוון תכונות מכניות וחשמליות מעולות שהציתו מספר שטחי מחקר חדשים. הסתבר, למשל, שחוזקן המכאני של השפופרות גדול פי 50–100 מפלדה ומשקלן הסגולי קטן פי ארבעה (וראו: יורם אורעד – "מעלית לחלל", גליליאו 49). ריצ'רד סמולי, שנמנה כזכור עם מגלי הבקמינסטר-פולרין, ונמנה גם עם מובילי המחקר בשפופרות פחמן, נוהג להדגים את עליונותן של שפופרות הפחמן באמצעות סיפור המדע הבדיוני הבא. בשנות השמונים כתב ארתור סי. קלרק (Clarke) ספר מדע בדיוני בשם The Fountains of Paradise בו הוא מתאר בניית מעלית חלל המאפשרת העברת מטען מכדור הארץ ללווין סינכרוני הנע סביבו (הרעיון אינו חדש, הוא מיוחס ליורי ארסוטנוב שכתב על כך ב-1960). הלכו המדענים וחישבו האם ניתן לבנות מעלית כזו והסתבר שחוזקה של פלדה יחסית למשקלה אינו מספיק והיא תקרוס מפאת כוח המשיכה. מסתבר שננו-שפופרות פחמן, בהיותן קלות וחזקות יותר, מאפשרות בניית מעלית כזו. בניית המעלית עוד רחוקה מלהיות מעשית, אך שוב הסתבר שחומרים חדשים עומדים בבסיס כמעט כל מהפכה טכנולוגית ועשויים לגשר לבסוף בין מדע לבדיון.

תכונה מכנית מרתקת נוספת של שפופרות הפחמן היא החיכוך המועט שבתנועת קליפה אחת יחסית לרעותה (הקשר החלש בין שכבות גרפיט מאפשר לעיפרון לכתוב על נייר). ג'והן קמינגס (Cumings) ואלכס זטל (Zettl) הראו שניתן להשתמש בשפופרות פחמן כמיסבי החלקה ננומטרים טלסקופיים (איור 4)*.

אותן שפופרות פחמן מבורכות גם בתכונות חשמליות מבטיחות. בהתאם לצורה בה נסגרות שכבות הגרפיט על עצמן הן יכולות להיות מוליכות או חצי-מוליכות. במקרה הראשון השפופרת מכילה נושאי מטען חופשיים המוליכים זרם חשמלי. במקרה השני השפופרת מבודדת אך ניתן להשרות בה בקלות נושאי מטען, למשל על ידי מיתוח שער חשמלי סמוך. בתנאים מסוימים המוליכות החשמלית של השפופרת מגיעה לגבול התיאורטי העליון הצפוי מחוט אידיאלי בעל קוטר כזה. יתרה מכך, מוליכות השפופרת החצי-מוליכה נשלטת על ידי המתח המופעל על השער. ננו-שפופרות פחמן מועמדות לכן לשמש כחוטים ומתגים באלקטרוניקה מולקולרית.

איור 5* מציג שפופרת פחמן מחוברת בין שתי אלקטרודות זהב. יש לציין שבהעדר סכימה לחיבור מרכיבים מולקולרים נזקקים גם מעגלים אלקטרוניים פשוטים יחסית לטכניקות המקובלות במיקרואלקטרוניקה, להן בינתיים אין תחליף. ההתקנים לכן קטנים אך גודל המעגל נקבע על ידי חיווט מקובל.

ננוטכנולוגיה וביולוגיה

שילוב ננוטכנולוגיה עם ביולוגיה ורפואה מציע את אחד מכיווני ההתפתחות המדעיים המרתקים ביותר. השילוב בין שני העולמות טבעי מבחינת הממדים ועתיד לתרום לשני השטחים. לננוטכנולוגיה פוטנציאל ישומי נרחב בדיאגנוסטיקה ובטיפול רפואי ממוקד. העברת תרופות לאתרים מוגדרים, בדיקות ממוקדות לא פולשניות, ועוד. מצד שני, הביולוגיה מספקת את הדוגמאות והכלים היחידים העומדים לרשותנו לבניית מערכות מורכבות מאבני בניין מולקולריות. רתימת הביולוגיה והעתקת עקרונותיה לבניית מערכות ננומטריות מעשה ידי אדם מספקת, ברמת ההבנה והתחכום הנוכחים, את הנתיב הסביר ביותר למערכות מורכבות.

ההכלאה בין מערכות ביולוגיות ומערכות מעשה ידי אדם מרתקת במיוחד. למשל השימוש במנועי חלבון ביולוגים להנעת מערכות ננומטריות מעשה ידי אדם.

גודלם של המנועים הקטנים ביותר מעשה ידי אדם כמאית המילימטר. הביולוגיה, לעומת זאת, מציגה מנועים קטנים פי אלף. באיור 6א* נראה מנוע חלבון שקוטרו שמונה ננומטרים המונע על ידי פירוק של ATP ל-ADP. בטבע המנוע המכונה F1-ATP Synthase משמש בדרך כלל לתפקיד ההפוך, אנזים המייצר את מטבע האנרגיה ATP מ-ADP וקבוצה זרחתית. האנזים מוּנע על ידי מנוע אחר המכונה F0. בכל סיבוב בן 0012 נוצרת מולקולת ATP. ככל אנזים, פעולתו של ה- F1-ATP Synthaseהפיכה, ובנוכחות ATP והעדר כוח מסובב הוא מפרק מולקולות אלו ועקב כך מסתובב, סיבוב אחד לשלוש מולקולות ATP. ריקי סונג (Soong) ושותפיו ניצלו יכולת זו. הם עיגנו את סטטור המנוע לעמוד ננומטרי (איור 6ב)* וחיברו לציר מחט ניקל שאורכה שמונים ננומטרים. משהזינו את המנוע ב-ATP החל המנוע להסתובב וסובב את מחט הניקל בתדירות של שמונה סיבובים לשנייה. הניסוי מדגים את הפוטנציאל הפנטסטי שבהכלאת מערכות ביולוגיות עם ננוטכנולוגיה מעשה ידי אדם! הקוראים יכולים וודאי לחלום על שילובים מסעירים לא פחות.

סרט וידאו מרהיב המציג את סיבוב מחט הניקל נמצא באתר http://www.biomotors.net. ניסוי דומה בו מוּנע סיב אקטין על ידי מנוע מאותו סוג ניתן למצוא באתר הקבוצה של יושידה (Yoshida), שכתובתו http://www.res.titech.ac.jp/~seibutu/main_.html.

ומה בעתיד?

הננוטכנולוגיה תלך ותתפוס מקום מרכזי בחיינו בעשורים הבאים. מליארדי הדולרים המושקעים מדי שנה בפיתוח תחום זה בידי מדינות, מוסדות אקדמים, מכוני מחקר, ותעשייה מבטיחים זאת. חלק ניכר מההתפתחות משקף מיזעור בשטחים קיימים כמיקרואלקטרוניקה, אלקטרואופטיקה, דיאגנוסטיקה רפואית, ועוד. חלק משקף רתימת התכונות הייחודיות למערכות ננומטריות, שחלקן הוזכר לעיל. אך אבן הבוחן היא באיזו מידה תפרוץ הננוטכנולוגיה את הגבולות הקונספטואלים של ההנדסה הנוכחית.

הנה דוגמה: אנזימים הם חלבונים המכוונים תהליכים כימיים בתאים חיים ולחלקם נמצא שימוש תעשייתי החורג מתפקידם הביולוגי. יש לכן תמריץ רב לפיתוח אנזימים בעלי פעילות מסוימת. מאחר ומספר דרגות החופש באנזים (למשל מספר דרכי קיפולו) עצומה, ומאחר שהבנתנו את דרכי פעולתו מוגבלת, תכנון אנזים חדש מציב בעיה בעלת רמת סיבוכיות גבוהה בהרבה מזו עמה אנו מסוגלים להתמודד במסגרת ההנדסה המקובלת. הציעו המדענים לחקות את הביולוגיה ולרתום את האבולוציה לפתרון הבעיה. נקודת המוצא היא מספר גנים טבעיים המקודדים אנזימים שפעולתם דומה לפונקציה המבוקשת. קוצצים את הגנים ומחברים אותם מחדש ליצירת גנים חדשים (gene shuffling). כך יוצרים ספריית אנזימים חדשה, שחלקם מבצעים את הפונקציה המבוקשת טוב יותר מהאנזימים המקוריים. בוחרים אנזימים אלו, קוצצים את הגנים שלהם, מחברים, ויוצרים ספריית אנזימים נוספת. שוב עורכים סלקציה וחוזר חלילה. מסתבר שתהליך זה, הנקרא אבולוציה מכוונת, מִתכנס במקרים רבים לפתרון מספק. הדוגמה לקוחה מביוטכנולוגיה אך היא מלמדת לקח חשוב: כשמחיר אבני הבניין זניח וניתן ליצור ספריות גדולות של אבות-טיפוס שונים ולבחור מהן את האב-טיפוס המוצלח, ניתן לפתור בעיות הנדסיות שמידת סיבוכיותן גדולה עשרות מונים מיכולת התכנון שלנו. כלומר ניתן לפתור בעיות מבלי להבינן!

נשאלת כמובן השאלה מדוע לא אימצה ההנדסה המקובלת אסטרטגיות מעין אלו. התשובה לכך מחזירה אותנו לשני הממדים הנוספים של הננוטכנולוגיה אותם הזכרתי בראשית המאמר: מחיר אבן בנין והזמן והמאמץ הדרושים להרכבתה. היבטים אלו פוסלים מיידית ייצור מיליארד מכוניות שונות ובחירת המוצלחת שביניהם. אך זו בדיוק הנקודה בה מתפצלת הננוטכנולוגיה מהטכנולוגיה. אבני בניין מולקולריות זולות וניתן לייצרן בכמויות עצומות. הננוטכנולוגיה מאפשרת לכן אסטרטגיות חדשות שאינן מעשיות בטכנולוגיה המקובלת, למשל (אולי!) אבולוציה של מכונות ננומטריות, כלומר, יצור מיליארד אבות-טיפוס ובחירת המוצלח ביניהם. כמובן שאסטרטגיה מעין זו מציבה מייד אתגרים נוספים. למשל, פיתוח שיטה לסלקציה של דגם אחד מתוך מספר עצום של דגמים לפי מידת הצלחה בביצוע פונקציה מסוימת. יתרה מכך, אבולוציה מכוונת גם תלויה במציאת נקודה התחלתית קרובה מספיק לנקודת הסיום. אחרת גודל הספרייה הדרוש הופך לא מעשי. אין בידנו מענה לאתגרים אלו, ויתכן שאבולוציה מכוונת אינה מעשית ככלי כללי, אך הדמיון בממדים, במורכבות, במחיר אבן בניין, וביכולת לייצר ספריות מציב את הננוטכנולוגיה קרוב יותר לביולוגיה מאשר להנדסה המקובלת. יתכן לכן שהאסטרטגיות הסופיות ידמו יותר לביולוגיה מאשר להנדסה. הננוטכנולוגיה לכן אינה רק טכנולוגיה ממוזערת אלא מדע חדש שאת גבולותיו אנחנו רק מתחילים לחקור.

* את האיורים ניתן לראות בכתב העת גליליאו, גיליון מס' 57.

לקריאה נוספת
אתר עם הפניות רבות לאתרי ננוטכנולוגיה:
http://sunsite.nus.edu.sg/MEMEX/nanolink.html
אתר הטכנולוגיה של Scientific American:
http://www.sciam.com/nanotech
גליון ספטמבר 2001 של Scientific American
אתר Foresight: http://www.foresight.org

ביבליוגרפיה:
כותר: ננוטכנולוגיה
מחבר: סיוון, אורי (פרופ')
תאריך: מאי 2003 , גליון 57
שם כתב העת: גליליאו : כתב עת למדע ומחשבה
הוצאה לאור: SBC לבית מוטו תקשורת ולאתר IFEEL
הערות לפריט זה: 1. אורי סיון הוא פרופסור בפקולטה לפיסיקה והמכון למצב מוצק, הטכניון, חיפה. הוא עומד בראש המרכז הטכניוני לננומדעים וננוטכנולוגיה. המאמר נכתב בחלקו בעת שהיית שבתון במחלקה לחומר מעובה, מכון ויצמן למדע, רחובות.
הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית