מדענים בונים את דור המכשירים הבא בסדר גודל אטומי
במשך עשרות שנים הסתמך הייצור התעשייתי על פסי ייצור ארוכים. כך בנו המוני עובדים, בני אדם או רובוטים, דברים גדולים כמו מכוניות ומטוסים, ויצרו מכשירים קטנים ומורכבים יותר כמו התקנים רפואיים, מחשבים וסמרטפונים.
כעת שוו בנפשכם עתיד ובו הרכבתם של מעבדים וזיכרונות דיגיטליים, של מחוללי זרם ושל רקמות מלאכותיות ומכשירים רפואיים, מתרחשת בסדר גודל קטן שאי אפשר לראותו בעין בלתי מזוינת ולפי מערכת כללים חדשה. כיום יש כבר מוצרים הכוללים ננוטכנולוגיה, למשל: מסנני קרינה המכילים פיסות זעירות של טיטניום דו-חמצני החוסם קרינה על-סגולה או חלקיקים המשמשים לשיפור הדימות הרפואי. אבל בשנים הבאות יתחיל עידן חשוב שבו נעבור מננוטכנולוגיה הכלולה במוצרים למוצרים שהם בעצמם ננוטכנולוגיה.
ייצור מוצלח של הננוטכנולוגיות החיוניות האלה יצריך הן הבנה טובה יותר של התנהגות החומר ברמה האטומית, והן כלים ותהליכי ייצור חדשים.
גישה אחת היא הרכבה עצמית מונחית “מלמטה למעלה” (bottom-up), שבה יחידות קטנות או תת-יחידות כמו אטומים או רכיבי-ננו (כמו צינוריות-ננו) מצטרפות לרכיבים גדולים, מסיביים יותר. המדענים יכולים גם להיעזר בגדילי דנ”א או במולקולות טבעיות או מלאכותיות כבחומרי בנייה ניתנים לתכנות, ולהרכיב מהם במדויק מכשירים ומנועים בסדר גודל מולקולרי. טכניקה יעילה מאוד אחרת היא הרכבה “גליל אל גליל”, שבה התקנים זעירים מודפסים על גלילים רציפים של יריעות פולימריות.
ייצור-ננו מצריך גם כלי עבודה מדויקים מאוד. מקצת הכלים יהיו זרזים כימיים, אחרים יהיו ביולוגיים, אופטיים, מכניים או אלקטרומגנטיים. יש לשער שבעתיד הרחוק יותר, ארגז הכלים של הייצור הננומטרי יכלול גם מולקולות חדשות ו-“מֶטָה-חומרים” שיהונדסו כך שיהיו להם תכונות המפרות לכאורה את חוקי הטבע, כמו למשל חומר המחזיר אור באופן בלתי צפוי.
הנה סקירה של כמה מן הננוטכנולוגיות המלהיבות ביותר הנראות באופק ושל אופן מימושן.
פיגומי רקמה סייבורגיים
ייתכן שרקמות מלאכותיות שישולבו ברמת התא ויכילו רכיבים אלקטרוניים, ימלאו יום אחד תפקיד “סייבורגי” בגוף האדם. במקום להשתיל התקנים אלקטרוניים באיברים קיימים, אפשר לגדל רקמות סינתטיות על שלד המכיל שלל חיישני-ננו אלקטרוניים. הפיגומים הננו-אלקטרוניים האלה יוכלו להיות בסיס לרקמות מהונדסות שישמשו לאיתור בעיות רפואיות ולדיווח עליהן. הן יוכלו לחבר חלק ממערכת העצבים למחשב, למכונות, או לגוף חי אחר. מדענים באוניברסיטת הארווארד ובמכון הטכנולוגי של מסצ’וסטס (MIT) בונים היום פיגומים מתילי-ננו עדינים ואלסטיים מאוד שיכולים להתממשק לתא יחיד. החוקרים אומרים שמטרתם היא למזג רקמה ואלקטרוניקה עד שיהיה קשה לקבוע איפה זו נגמרת וזו מתחילה.
זיכרון זערורי
הייצור הננומטרי מבטיח לספק רכיבים אלקטרוניים קטנים וחזקים יותר, בעלי זכרון צפוף, יעיל וזול יותר. וטוב שכך, כי יגיע היום שבו המדענים והמהנדסים לא יוכלו עוד לכווץ את שבבי המחשב ולצנן את המעגלים בטכנולוגיית המוליכים למחצה המשמשת זה כמה עשורים לבניית מעגלים משולבים. אחת הדרכים לעקוף את הבעיה, היא להשתמש בספין של האלקטרון לנשיאת המידע הן בהתקני הזיכרון והן בהתקני העיבוד. חברות IBM, אינטל ואחרות מפתחות התקני זיכרון ועיבוד “ספינטרוניים” כאלה, שכנראה יהיו מהימנים, מהירים וחסכוניים באנרגיה. גישות רבות אחרות כרוכות בכתיבה ובאחסון של נתונים בעזרת מגנטים ננומטריים. צוות מחקר מאוניברסיטת קורנל הדגים דרך חסכונית באנרגיה להיפוך הקיטוב המגנטי של מגנט- ננו. זהו צעד בדרך לגרסה זערורית של זיכרון גישה ישירה של התנגדות מגנטית (MRAM), התקנים שיוכלו לאחסן מידע גם בלא אספקת חשמל. החוקרים הפעילו זרם על שכבה של היסוד טַנְטָלום (ta) בעלת דפוס ליתוגרפי. הזרם חולל הטיית ספינים חזקה דיה להיפוך הקוטביות של מגנט סמוך. כדי להפוך את הספין בחזרה למצבו הראשון כל שהיה עליהם לעשות הוא להפעיל זרם בכיוון ההפוך. ללא זרם בכלל, נותר המגנט כשהיה ואצר את המידע גם כשהמכשיר היה כבוי. המחקר הזה עשוי להוליד מכשירים, כמו טלפונים סלולריים ומחשבים ניידים, הנכבים ונדלקים מיד, ואינם מבזבזים זמן סוללה במצבי המתנה.
שרירים מפלסטיק
שרירים מלאכותיים יוכלו לעזור לאנשים למצמץ בעיניהם, לדגים רובוטיים לשחות ולמצופים להפיק אנרגיה מן הים. בקרוב ישתמשו הכימאים בפולימרים ננומטריים דמויי חוטים מסועפים המתארכים כשמחממים אותם ומתכווצים כשמקררים אותם ויכולים לשמש כסיבי שריר-לב, כקרומי תא או כנשאי תרופות מלאכותיים. חוקרים מאוניברסיטת פנסילבניה, ובראשם וירג’יל פרצ’ק, כבר הוכיחו שאפשר לחזק את הפולימרים הדקים האלה עד שיוכלו לשאת מטבע של עשרה סנט, הכבד מן הסיב פי 250. הקושי העיקרי שניצב לפני הבאת הטכנולוגיה לשלבי ייצור הוא מציאת אבני בניין פולימריות שיכולות להרכיב את עצמן באופן ניתן לחיזוי, כדי ליצור מבנים גדולים, כמו רקמת לב למשל, שיתנהגו כמו שרירים מלאכותיים קטנים.
תקשורת במהירות הלייזר
מעגלים משולבים פוטוניים המעבירים מידע באמצעות אור אמורים להאיץ את פעולת המכשירים האלקטרוניים שלנו ההולכים ונעשים קטנים. אבל לפני שהמכשירים הפוטוניים יהיו למציאות, עדיין ניצבת מכשלה יסודית אחת: יש גבול לקוטן שלהם. חסם העקיפה של האור אינו מאפשר להגביל אור למרחבים הקטנים ממחצית אורך הגל שלו, אבל אורכי הגל של אור נראה גדולים פי 10 עד פי 100 מכל הֶתקן ננו-אלקטרוני.
החוקרים מנסים להתגבר על המגבלות האלה על ידי העברת המידע באמצעות לייזר “פְּלַזְמוֹן” של מצב מוצק. לייזר הפלזמון מורכב מרשת של תילי- ננו מוליכים למחצה ותילי מתכת בגודל דומה. נקודות ההצטלבות של הרשת יוצרות חללים קובייתיים שבהם ייכלא האור. החללים האלה יכולים להיות קטנים עד כדי אחוז אחד מחסם העקיפה, גודל שהוא כגודלו של טרנזיסטור בשבב מחשב. אם יצליחו המדענים לשדל את החללים שנוצרים בין התילים להפיק פרצי לייזר זעירים, אפשר שתיסלל הדרך למערכות אופטיות קטנות דיין שיונחו בין הטרנזיסטורים המיקרוסקופיים האלה. את המלאכה הזו מובילים צי’אנג ז’אנג ועמיתיו מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי.
תחנות כוח מנגיפים
אפשר להשתמש בנגיפים לבניית התקנים ננומטריים לייצור חשמל. הבקטריופאג’ M13, נגיף התוקף חיידקים, מתאים לזה במיוחד. הנגיף דמוי המוט, שקוטרו כ-7 ננומטרים ואורכו כ-900 ננומטר, ממיר אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית (ולהפך). בניסויים שערכו מהנדס הביולוגיה סונג-ווק לי מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי וצוותו, השתמשו בנגיף להרכבת חומר ביולוגי פְּיֶזוֹ-אלקטרי שמסוגל לגייס די חשמל להפעלת מסך LCD בגודל 10 סנטימטרים רבועים. גישת ייצור-הננו הזאת מבוססת על יכולתו הייחודית של הטבע לסנתז חומרים ביולוגיים בתוך נגיפים, שיכולים להשתכפל, להתפתח ולהרכיב את עצמם בדיוק אטומי. החומרים הפייזו-אלקטריים מבוססי הנגיפים יוכלו להניע חיישני-ננו והתקנים רפואיים עתידיים אחרים (אם בתוך גוף האדם ואם מחוצה לו) באמצעות ניצול אנרגיה תנועתית כמו פעימות הלב למשל.
על המחבר
מיכאיל ק’ רוקו הוא יועץ בכיר לננוטכנולוגיה במכון הלאומי למדע של ארצות הברית.
