קישור ישיר לדף זה:
https://www.hayadan.org.il/nanogvishim1.html
ארגון עצמי (self-assembly) הנה תופעה המאפיינת מערכות רבות בכימיה, ביולוגיה ופיזיקה. באופן מפתיע, מערכות רבות בטבע מתארגנות באופן ספונטני לצורות מקרוסקופיות מגוונות ושונות כגון: מבנה פסים (stripes), בועות (droplets or bubbles) וכדומה. לאחרונה התעורר עניין מחודש בתופעת הארגון העצמי של חומרים ננומטריים כתוצאה מהפוטנציאל הגלום בארגון עצמי של חלקיקים היכולים לשמש כאבני בסיס לבנייה ומזעור של רכיבים אלקטרונים שונים. אחת הדוגמאות הבולטות הנה פתוח רכיבים מגנטיים הבנויים מאוסף של ננו-גבישים מגנטיים המסודרים במבנה אשר נוצר בתהליך הארגון העצמי. התקנים אלו מאפשרים אגירת מידע בצפיפות הגדולה פי 1000 מהטכנולוגיה הקיימת במחשבים בני זמננו. דוגמה נוספת הנה בניית מחשב המבוסס על ארגון עצמי של חלקיקים המשמשים כמתגים מולקולריים.
להבנת תהליך הארגון העצמי של חלקיקים ננומטריים חשיבות רבה הן בהיבט הטכנולוגי והן בהיבט המדעי. מדוע מקבלים מבנה מקרוסקופי מסוים ולא אחר? האם וכיצד ניתן לשלוט על קבלת סידור מרחבי מסוים? כצעד ראשון עלינו להבין את המנגנון האוניברסלי האחראי על הארגון העצמי המאפיין מגוון רחב של חומרים. הבנה מעמיקה של מנגנון הארגון העצמי יכולה להוביל לשליטה בהכנת מערכים מסודרים לצורך מזעורם של התקנים אלקטרונים שונים.
נתמקד בתהליך הארגון העצמי של חלקיקים בגודל ננומטרי, תהליך הרלוונטי לבניית ההתקנים הנזכרים לעיל. כאשר שופכים אוסף של ננו-גבישים בריכוזים שונים המומסים בנוזלים שונים על מצע, מתקבלים מבנים מגוונים הנוצרים באופן ספונטני (ראה עמודה שמאלית באיור 1). בעבר, התיאור הפנומנולוגי של המבנים המתקבלים בתהליך זה הוגבל לשיווי משקל בלבד. אולם תהליך הארגון העצמי הנה תופעה הרחוקה בדרך כלל משיווי משקל, ורק היבטים מסוימים של התהליך ניתנים להסבר מנקודת מבט תרמודינמית.
מודל מתמטי לתיאור דינמי של תהליך הארגון העצמי פותח לאחרונה על ידי ערן רבני (אוניברסיטת תל אביב) בשיתוף עם מדענים מארצות הברית (דיויד רייכמן מהרוורד, פיליפ גייזלר מברקלי, ולואיס ברוס מקולומביה) ופורסם בעיתון היוקרתי Nature. המודל מבוסס על צימוד בין הדינמיקה של הארגון העצמי של החלקיקים הננומטרים והדינמיקה של אידוי הנוזל מעל שכבת הגבישונים. דגש רב בבניית המודל ניתן לסקלות הזמנים (קרי, היחס בין זמני האידוי של הנוזל וזמני הדיפוזיה של הגבישונים) והמרחקים (קרי, סקלת המרחק האופיינית לשינוי בצפיפות הנוזל) בתהליך הארגון העצמי. סימולציות ממוחשבות של המודל לא רק שמסבירות את קבלת המגוון הרחב של מבנים (ראה עמודה ימנית באיור 1), אלא מנבאות מבנים חדשים, כגון מבנה רשתי, אשר תרם התקבלו ניסיונית (ראה איור 2).
המסקנה המרכזית במחקרם של ערן רבני ושותפיו הנה שהדינמיקה ואופן אידוי הנוזל משפיעים באופן מרכזי על המבנים המתקבלים בתהליך הארגון העצמי. כמו כן, המודל מאפשר קישור בין הגדלים הפיסיקליים הרלוונטיים לתהליך הארגון העצמי, כגון קצב אידוי הנוזל התלוי בסוג הנוזל, מהירות הדיפוזיה של החלקיקים, חוזק המשיכה בין החלקיקים וכדומה, ובין המורפולוגיות המתקבלות בתהליך הארגון העצמי.
המודל המזוסקופי שפותח על ידי החוקרים הנ”ל מאפשר תיאור אוניברסלי של כל התופעות הנצפות (ואף יותר) בתהליך הארגון העצמי של גבישים ננומטריים. בעזרת המודל ניתן להבין כיצד אפשר לשלוט על צורת המבנה המתקבל, ואף לתכנן מבנים חדשים היכולים להיות ישימים לבניית התקנים ננומטריים. אולם המודל אינו מוגבל לתיאור הארגון העצמי של ננו-חלקיקים בלבד, ויישומו להבנת הארגון העצמי במערכות ביולוגיות עשוי להוביל להבנה מעמיקה של מבנים ביולוגיים, כמו זו הקיימת בחלקיקים ננומטריים.
ניסוי שמסביר התארגנות גבישים יסייע בפיתוחים ננו-טכנולוגיים
יובל דרור, הארץ, וואלה!
חוקר מבית הספר לכימיה באוניברסיטת תל אביב, ד”ר ערן רבני, ניסח לראשונה מודל מתמטי שמסביר את הדרך שבה ננו-גבישים מתארגנים באופן ספונטני במרחב. המודל עשוי לקדם פיתוחים דוגמת ייצור דיסקים קשיחים שיאחסנו פי אלף יותר מידע משניתן לאחסן בדיסקים הקיימים.
ארגון עצמי הוא תופעה שמאפיינת מערכות בכימיה, ביולוגיה ופיסיקה. מערכות רבות בטבע מתארגנות ספונטנית לצורות מיקרוסקופיות מגוונות, כגון פסים ובועות. פוטנציאל התופעה לשמש בסיס למזעור של רכיבים אלקטרונים שונים חידש את העניין בנושא. האפשרות הבולטת, כאמור, היא פיתוח דיסק קשיח שבנוי מאוסף של ננו-גבישים מגנטיים שמסודרים במבנה של הארגון העצמי, ומאפשרים אגירת מידע בצפיפות גדולה.
“השיטה שבה אנחנו מסדרים ננו-גבישים במרחב היא לשפוך את הגבישים לתוך נוזל ואת הנוזל למרוח על שכבה דקה. כאשר הנוזל מתאדה, נותרים הגבישים שמסודרים בכל מיני מערכים”, מסביר ד”ר רבני. “עד עתה לא היתה לנו הבנה באשר לסיבה שגורמת לגבישים מסוימים להסתדר במערכים מסוימים”.
רבני פיתח, עם עמיתים מארה”ב, מודל שמאפשר לחוקרים לנבא איזה סוג של מערך יתקבל בתנאים שונים. עם זאת, הוא טוען כי בשלב זה הוא אינו מסוגל להנחות את המדען כיצד לקבל בדיוק את המערך המתאים. “אנחנו עדיין תלויים בשיטת ארגון עצמי, שאינה מדויקת לחלוטין”, אמר.
https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~694038319~~~191&SiteName=hayadan
