מקורי העכביש המלאכותיים אולי עוד יבנו את הדור הבא של המחשבים

חוקרים כבר הצליחו בעבר לטוות סיבים דקים כמו קורי עכביש. באחרונה עשו שני חוקרים מהטכניון פריצת דרך: הם הצליחו לטוות סיבים כאלה, שהם גם חזקים ביותר, ולשזור אותם. היישומים האפשריים רבים ומגוונים: גלאים רגישים לחומרים כימיים מסוכנים, מפרשי חלל עצומים, ועוד

מאת: יובל דרור

העכביש הוא חיה מוזרה. הוא לוכד את טרפו באמצעות קורים שטווה. הסיבים שהעכביש טווה דקיקים וחזקים והמדענים מנסים זה שנים ארוכות לחקות את היכולת הזאת של העכביש. פרופ' איל זוסמן ועמיתו פרופ' אלכסנדר ירין החלו לפני חמש שנים לעסוק בטכנולוגיה, המאפשרת לייצר קורי עכביש מלאכותיים זעירים. “זה פשוט סיקרן אותנו לעסוק באלמנטים ננומטריים”, מסביר זוסמן. מאז, הצליחו השניים לפתח קורי עכביש מלאכותיים שעשויים לשמש כגלאים ביולוגיים רגישים, כמפרשי חלל עצומים וכמוליכים זעירים לשבבי מחשב. עד כה, הפוטנציאל המסחרי לא ממומש.

“אין לנו זמן פנוי לפנות לחברות מסחריות”, אומר זוסמן, אך מוסיף כי הם מקיימים מגעים עם כמה חברות בתקווה שהפיתוח ישתלב במוצר מסחרי.

זוסמן וירין, פרופסורים להנדסת מכונות מהטכניון, עוסקים בתחום הננוטכנולוגיה. סדרי הגודל בתחום זה מבלבלים משום שהם כל כך קטנים. ננומטר אחד הוא מיליארדית המטר. לשם השוואה, קוטרה של שערת אדם הוא כ-40 מיקרון, כלומר כ-40 מיליוניות המטר. באמצע שנות ה-90 הורה הנשיא ביל קלינטון להעביר מאות מיליוני דולרים למחקרים בתחום הננוטכנולוגיה והביא לפריחה עצומה בתחום. גם בישראל הוקמו כמה מרכזים החוקרים חומרים ותהליכים ברמה הננומטרית. אלא שבניגוד למרכזים בארה”ב, אף אחד מהם לא הוקם באמצעות סיוע ממשלתי.

בשנים האחרונות החלו כמה קבוצות ברחבי העולם לפתח קורי עכביש בתנאי מעבדה. הסיבה לכך נעוצה בתכונות המיוחדות של קורי העכביש: הם דקיקים אך חזקים. בעוד שהעכבישים משתמשים בנוזל שקוף, סמיך ודביק המורכב מחלבונים שונים כדי לייצר את קורי המשי הדקיקים, זוסמן וירין משתמשים בתמיסה פולימרית – חומר כימי המורכב ממולקולות גדולות.

לתמיסה הפולימרית שתי תכונות חשובות: היא צמיגה וגמישה. לכן, כאשר מותחים אותה, נוצרים סיבים. השניים חיפשו שיטה מתוחכמת ליצירת הסיבים ובחרו בטכניקת הטווייה האלקטרונית. שיטה זו הומצאה בשנות ה-,30 אך לא נמצאו לה יישומים רבים. כעת, מסביר פרופ' ירין, נמצא היישום המתאים עבורה.

וכך זה עובד: התמיסה הפולימרית מוכנסת למזרק שבתוכו אלקטרודה. המזרק דוחף באטיות רבה את התמיסה עד שבקצהו נוצרת טיפה שצורתה חצי כדור. מהרגע שמגבירים את המתח בתוך המזרק עד לעשרות קילו-וולטים, התמיסה הפולימרית נטענת במטען חשמלי. הכוחות החשמליים שפועלים על הטיפה מושכים אותה כלפי מטה עד שהיא נמתחת לקונוס. מתוך הקונוס הזה יוצא סיב דקיק, שנערם על משטח מתחת למזרק. קוטר הסיבים נע בין כמה עשרות ננומטרים למיקרון אחד, תלוי בסוג הפולימר שבו משתמשים. הסיב נאסף בצורה אקראית ואינו ארוג.

כך ישופר המזל”ט

עד כאן אין בפיתוח של השניים חידוש. גם במקומות אחרים יודעים לייצר סיבים כאלה. אלא שבאחרונה התקדמו השניים צעד חשוב קדימה. הסיבים שנערמים בתחתית המזרק נמצאים בתוך שדה אלקטרוסטטי חזק. השניים בנו מעין עדשה המשמשת ככולא ברקים, נכון יותר – כולא סיבים. הסיבים נמשכים אל העדשה, שמסוגלת לארוג אותם בכל דרך שבוחרים: כחבל, שתי וערב ועוד.

“זו היתה פריצת הדרך שלנו”, אומר פרופ' זוסמן. “ברוב הפיתוחים שקדמו לנו ידעו לייצר גוש של סיבים, שבו הם השתמשו כמסנן. אנחנו הצלחנו לארוג את הסיבים באופן שיטתי ובכך ליצור מבנה של סיבים ולא גוש חסר צורה”. הסיבה לכך שהיישום המתבקש של הסיבים הננומטריים הלא מסודרים הוא מסנן נעוצה בתכונות ה”גוש” שמתקבל. מצד אחד הוא זעיר ממדים ומצד שני שטח הפנים שלו גדול פי כמה אלפים משטח הפנים הנראה לעין. התוצאה היא מסנן רגיש, המסוגל לסנן אבק או חומרים ביולוגיים.

העובדה שהשניים פיתחו דרך המאפשרת להורות לסיבים כיצד להסתדר במרחב פתחה בפניהם עולם שלם של יישומים. בעבודה משותפת עם פרופ' דניאל וייס מהטכניון, יצרו השניים מאט אווירודינמי זעיר, מעין מצנח המבוסס על יריעה של קורי העכביש הננומטריים. קוטרו של כל מצנח קטן כסנטימטר אחד. הסיבים הוכנו כך שבתוכם רכיב הרגיש לחומר ביולוגי כלשהו. כאשר הם נתקלים בחומר הזה, הם משנים את צבעם.

“אין המדובר בקוריוז”, מדגיש זוסמן. “הפיתוח הזה יכול לאפשר לכוחות צבא לפזר מהאוויר עשרות או מאות מצנחים כאלו, שינטרו נוכחות חומרים ביולוגיים או כימיים באזור מסוים. אם הסיב נתקל בחומר, הוא מחליף את צבעו או משדר שדר כלשהו לכוחות שנמצאים מאחור”. יישום צבאי אחר הוא מיגון חיילים באמצעות ציפוי המדים שלהם בחומר הסיבי הדקיק. הסיבים יאפשרו לחיילים להבחין במהירות אם הם נתקלים בחומר כימי או ביולוגי מסוכן ואף לעצור ולנטרל את הזיהום הביולוגי או הכימי.

פיתוח נוסף בעל משמעויות ביטחוניות קשור לחוזק הסיבים שמתקבלים. “הכוח שצריך להשקיע בקריעת קורי עכביש אמיתיים נע בין 1 ל-10 גרם לסיב (תלוי בסוג העכביש שטווה את הקורים). בסיבים שייצרנו עד כה, צריך להשקיע רק 0.1 גרם כדי לקרוע אותם. המשמעות היא שעוד לא התקרבנו לחוזק של קורי עכביש אמיתיים”, אומר זוסמן. כדי לחזק את הסיבים, יצרו השניים שיתוף פעולה עם פרופ' יכין כהן מהפקולטה להנדסה כימית בטכניון. ביחד הם הצליחו לפתח מנגנון המשחיל בתוך הסיבים הפולימריים צינוריות פחמן, שמחזקות את הסיב באופן משמעותי. השחלת צינוריות הפחמן אינה מסובכת. כל שצריך הוא להכניס אותן לתוך התמיסה הפולימרית. במהלך דחיפת הנוזל דרך המזרק, מוזרקות הצינוריות לתוך הסיבים הדקיקים.

“סיבים חזקים יותר יאפשרו לבנות מזל”טים (מטוסים זעירים ללא טייס) קלים יותר אך חזקים באותה המידה”, מסביר זוסמן. “שילוב זה יאפשר למזל”ט לחסוך דלק ובכך יוכל לשהות באוויר לזמן ארוך יותר”. ואכן, פרויקטים בעלי פוטנציאל צבאי מובהק ממומנים בחלקם על ידי מערכת הביטחון. בשבוע הבא יגיעו לטכניון גם נציגים של הצבא האמריקאי כדי לבחון את הפיתוח של זוסמן וירין.

כך תונע החללית

“יש לנו טכנולוגיה, יש לנו שיטה לארוג את הסיבים, כעת רק נותר למצוא את היישומים המתאימים”, אומר זוסמן. ואכן, בימים אלו עסוקים השניים יחד עם חבורת דוקטורנטים בניסיונות עם פולימרים שונים, חלקם בעלי מוליכות חשמלית, בניסיון לראות מה יוכלו להפיק מהם.

באחרונה החלו השניים לעבוד במשותף עם פרופ' עודד ירדן מהפקולטה לחקלאות של האוניברסיטה העברית בירושלים, במטרה להתנסות בסיבים פולימריים שיוצרו בנוכחות חומרים קוטלי פטריות. באמצעות סיבים אלו ניתן לצפות כמעט כל מצע. למשל, ניתן להשתמש בסיבים אלו כאמצעי הגנה מפני פטריות עובש, הפוגעות בתוצרת חקלאית באיחסון. הרעיון עשוי להשתלב גם בשימושים רפואיים, בעיקר בשימוש בתחבושות משולבות סיבים כאמצעי נוסף להקטין את הסיכוי לזיהום מגורמים כגון חיידקים או פטריות.

בתחום שבו לפיתוח הסיבים המלאכותיים יש פוטנציאל מסחרי עצום, ישנן חברות המסוגלות לתמוך במסחור הפיתוח. המדובר בסיבים ננומטריים המסוגלים לשמש כמוליכים. בכל לוח אלקטרוני ישנם חוטי נחושת זעירים המוליכים את הזרם החשמלי מרכיב אחד לרכיב אחר. המדובר בחוטים שגודלם כמה מאות ננומטר. אלא שתעשיית האלקטרוניקה מתקרבת לגבול שבו אי אפשר יהיה עוד להקטין את עובי החוט בשיטות הקיימות. “יצרנית המעבדים 'אינטל' מייצרת כיום מעבדים עם חוטים בעובי של 130 ננומטר (או 0.13 מיקרון). במעבדה שלנו, בשיטות פשוטות ובעזרת טכנולוגיה בסיסית, הצלחנו לייצר סיבים פולימריים בעלי תכונות הולכה חשמלית, שעוביים 10 ננומטר בלבד ואורכם מאות מיקרונים”, אומר זוסמן.

לדבריו, באמצעות שימוש בשדות אלקטרוסטטיים, הם מצליחים לכוון את הסיבים כך שיונחו באופן שייווצר מעגל חשמלי. “אם אנחנו 'בשיטות סבתא' יכולים לייצר סיבים זעירים כל כך המוליכים חשמל, תאר לעצמך מה 'אינטל' יכולה לעשות עם הטכנולוגיה. למעשה, היכולת הזאת פותחת תחום חדש המכונה ננו-אלקטרוניקה”, אומר זוסמן. אם חברה כמו “אינטל” או “אפלייד מטיריאלס” (Applied Materials), הנחשבת ליצרנית הגדולה בעולם של מכונות שבאמצעותן מדפיסים מעגלים אלקטרוניים, תחליט כי ניתן להשתמש בטכנולוגיה של זוסמן וירין באופן מסחרי, הרי שהיא עשויה להיות הבסיס של כל המעגלים האלקטרוניים בעשור הבא.

גם כאן לא נגמרים הרעיונות של השניים. לדבריהם, יישום אפשרי נוסף של קורי העכביש שלהם יהיה בחלל. זה תקופה ארוכה נבדקת האפשרות לבנות חללית שתצויד במפרש סולארי. ה”רוח” שתניע את החללית תהיה בעצם האנרגיה שתופק מפגיעת הפוטונים במפרש. על פי התכנון, החללית תדע להזיז את המפרש ביחס לשמש כך שמקור האנרגיה שמניע אותה לא יגווע.

אלא שמעבר לבעיות התיאורטיות, שטרם הובררו לעומקן, קיימת בעיה מעשית: איך מעבירים מפרש חללי, ששטחו חייב להיות כמה מאות מטרים רבועים כדי שאנרגיית הפוטונים תוכל להניעו, אל החלל. “הרעיון שלנו הוא לא להעביר את המפרש אל החלל אלא לטוות אותו בחלל”, אומר זוסמן. “כל שצריך לעשות זה להעביר את חומרי הגלם ואת מכונות הייצור ואז להתחיל ולייצר את המפרש בחלל בגודל ובצורה הנדרשים”. בכוונתם, אומר זוסמן, לנסות ולהציע רעיון זה לאנשי נאס”א בעתיד הקרוב.

סודות העכביש: מדענים גילו איך טווים קורים

רשת העכביש חזקה מפלדה וגמישה כמו גומי * התגלית תאפשר לפתח אפודי מגן צמודים לגוף

31.8.2003

מאת: אלכס דורון

בני אדם משתמשים בתולעי משי יותר מ-2,000 שנה, מבלי להבין כיצד מיוצרים סיבי המשי עצמם. רשת קורי העכביש ידועה כחזקה מפלדה וגמישה כמו גומי, נוסף על יתרונה הגדול במשקלה הקל.

צוות מאוניברסיטת טאפט בבוסטון שבראשו המומחה לביו-הנדסה פרופ' דיוויד קפלן, הודיע אתמול כי גילה כיצד התולעים והעכבישים שולטים בבלוטות המייצרות את החלבונים, לטוויית הקורים. דיווח על המחקר מתפרסם הבוקר בשבועון המדע נייצ'ר.

ייצור קורי העכביש נחשב עד עתה לחידה עוד יותר עלומה, ופיצוחה נחשב להישג משמעותי במיוחד. הבנת התהליך תשמש בסיס לדור חדש של חומרים ומוצרים קלי-משקל, חזקים וקשיחים מאוד, כמו אפודי מגן אישיים או ביגוד לצוותי רפואה בבתי החולים. בעקבות התגלית החלו לגדל בארצות-הברית עדר עזים שעבר הנדוס-גנטי, כך שגופן מפיק חלב המכיל את החלבונים הדרושים ליצירת קורי העכביש או הסיבים של תולעי המשי.

עכביש מסוגל לשזור בבוקר אחד רשת קורים שאורך סיביה 30 מטר. מדענים צפו בעכביש שב”משיכה אחת” וללא הפסקה, טווה רשת שאורך קוריה 300 מטר.

לידיעה בנייצ'ר