חוקרים דחסו גבישי נחושת־פתלוציאנין בלחץ של יותר מ־21 גיגה־פסקל והפכו אותם לשרשראות נחושת חד־אטומיות ארוכות, עטופות במעטפת פחמנית. המבנה יציב ומוליך באופן אנאיזוטרופי – אך הדרך ליישום תעשייתי עדיין רחוקה
כמה דק יכול להיות חוט חשמלי? ברמה העקרונית, הגבול הוא שרשרת שבה האטומים מסודרים זה אחר זה ברוחב של אטום יחיד.
חוקרים מסין הצליחו כעת ליצור שרשראות חד־אטומיות של נחושת שאורכן מגיע למיקרומטרים – יותר מ־4,000 אטומים ברצף – תוך שימוש בלחץ קיצוני על חומר מוכר הרבה יותר מן הננו־אלקטרוניקה: נחושת־פתלוציאנין, תרכובת כחולה המשמשת בין היתר כפיגמנט.
המחקר, שפורסם ב־Science, מציג דרך חדשה לייצור שרשראות מתכת חד־אטומיות ארוכות ויציבות. עם זאת, חשוב להדגיש: לא מדובר עדיין ב"חוט נחושת" תעשייתי זעיר שמוכן להחליף את החיווט בשבבים. הלחצים הנדרשים עצומים, וההולכה החשמלית במבנה נובעת במידה רבה מן המסגרת הפחמנית־חנקנית המקיפה את אטומי הנחושת.
הגבול החד־ממדי של חומר מתכתי
שרשראות חד־אטומיות של מתכת, המכונות SMACs – Single-Metal-Atom Chains – נחשבות למבנים חד־ממדיים קיצוניים.
הן מעניינות לא רק משום שהן דקות במיוחד, אלא גם משום שבמערכות כאלה התכונות האלקטרוניות, המגנטיות והקטליטיות יכולות להיות שונות מאוד מאלה של גוש מתכת רגיל.
הבעיה הייתה תמיד הייצור.
בשיטות כימיות בתמיסה ניתן ליצור שרשראות קצרות, אך ככל שהן מתארכות קשה יותר לייצב אותן. הליגנדים – המולקולות שמחזיקות את אטומי המתכת במקומם – נעשים פחות מסיסים והצמיחה נעצרת.
לכן מרבית השרשראות שיוצרו בעבר היו קצרות מאוד. לפי החוקרים, השיא הקודם הגיע לכ־28 אטומים בלבד.
להתחיל דווקא מפיגמנט כחול
הצוות בחר ב־β-copper phthalocyanine, או בקיצור β-CuPc.
בגביש הזה כל מולקולה מכילה אטום נחושת במרכז טבעת אורגנית שטוחה. המולקולות מסודרות זו מעל זו במבנה שמזכיר ערימה של מטבעות.
כאשר הגבישים נדחסו בתא סדן יהלום ללחץ של יותר מ־21 גיגה־פסקל – בערך פי 200 אלף מן הלחץ האטמוספרי – המרחקים בין אטומי הנחושת הצטמצמו מאוד.
במקביל, הטבעות האורגניות סביבם עברו פולימריזציה ויצרו מעטפת פחמנית קשיחה.
התוצאה: ליבה שבה אטומי נחושת מסודרים לאורך קו יחיד, עטופה במבנה אורגני־פחמני מגן.
יותר מ־4,000 אטומים ברצף
השרשראות שנוצרו הגיעו לאורך של מיקרומטרים.
זה אולי נשמע זעיר, אבל בקנה מידה אטומי מדובר בקפיצה עצומה. החוקרים מעריכים שכל שרשרת כוללת יותר מ־4,000 אטומי נחושת ברצף – שניים עד שלושה סדרי גודל יותר משרשראות חד־אטומיות קודמות.
המרחק בין אטומי הנחושת נשמר סביב 2.57 אנגסטרם.
המחקר מדווח גם על יצירה בקנה מידה של מיליגרמים, נתון משמעותי יחסית לתחום שבו לעיתים מייצרים מבנים זעירים במספר מצומצם בלבד.
כבל אטומי עם שלוש שכבות
המבנה אינו פשוט "חוט נחושת חשוף".
החוקרים מתארים אותו כמעין כבל קואקסיאלי זעיר בעל שלוש שכבות:
במרכז – שרשרת חד־אטומית של אטומי נחושת.
סביבה – מסגרת טבעתית של פחמן וחנקן.
ומבחוץ – מעטפת פחמנית קשיחה יותר, המבוססת על רשת sp3.
המעטפת הזאת היא שמייצבת את המבנה ומאפשרת לבודד אותו בלי שהשרשרת תתפרק מיד.
יציב באוויר וגם בחומצה
אחת ההפתעות הייתה היציבות.
השרשראות נשארו יציבות באוויר ואף שרדו שעות בתוך תמיסה חומצית חזקה תוך הפעלת אולטרסאונד.
החוקרים הצליחו גם להפריד את המבנים מן החומר באמצעות תהליך פילינג בסיוע חומצה.
עבור מערכות אטומיות חד־ממדיות, רמת יציבות כזאת חשובה במיוחד, משום שמבנים כאלה נוטים לעיתים להיות רגישים מאוד לסביבה.
ההולכה אינה "נחושת רגילה"
המדידות הראו הולכה אנאיזוטרופית: החשמל נע בקלות רבה יותר לאורך השרשרת מאשר לרוחבה.
בדגימות ממשיות, ההולכה לאורך המבנה הייתה גבוהה ביותר מפי עשרה מן ההולכה בכיוון הרוחבי.
מודלים חישוביים מצביעים על כך שבמבנה אידיאלי וחסר פגמים ההבדל עשוי להגיע אף לפי אלף.
אבל כאן מגיעה נקודה חשובה: אטומי הנחושת עצמם אינם מתנהגים כחוט נחושת מתכתי רגיל.
הקשר הישיר בין אטומי הנחושת חלש מאוד, ולפי החישובים ההולכה האפקטיבית לאורך המבנה מגיעה במידה רבה מחפיפה בין האורביטלים של אטומי הפחמן והחנקן במסגרת המקיפה את הליבה.
כלומר, "שרשרת נחושת חד־אטומית" היא תיאור נכון מבחינה מבנית – אבל הוא אינו אומר שהזרם זורם בה כמו בחוט נחושת מאקרוסקופי.
גם תכונות מגנטיות
החוקרים מצאו גם עדויות לאינטראקציות אנטי־פרומגנטיות בין אטומי הנחושת.
במצב כזה, המומנטים המגנטיים של אטומים שכנים נוטים להסתדר בכיוונים מנוגדים.
השילוב של מבנה חד־ממדי, הולכה כיוונית ותכונות מגנטיות הופך מערכות כאלה למעניינות גם עבור מחקר בספינטרוניקה – תחום שבו נעשה שימוש לא רק במטען החשמלי אלא גם בספין של האלקטרונים.
עדיין רחוק מן השבב
המחקר מציג פריצת דרך סינתטית, אבל אינו פותר את בעיית היישום.
הלחץ הנדרש – מעל 21 גיגה־פסקל – מחייב ציוד ייעודי כמו תא סדן יהלום. זה אינו תהליך שמתאים כיום לקווי ייצור של שבבים או לחיווט בקנה מידה תעשייתי.
גם השאלה כיצד למקם, לחבר ולשלוט בשרשראות כאלה בתוך התקן אמיתי עדיין פתוחה.
לכן נכון יותר לראות במחקר הוכחה לכך שאפשר ליצור שרשראות חד־אטומיות ארוכות ויציבות, ולא מוצר ננו־אלקטרוני מוכן.
למה זה בכל זאת חשוב
במערכות חד־ממדיות קיצוניות, כל אטום כמעט הוא חלק מן "המשטח". פגמים, תנודות וקשרים כימיים משפיעים באופן ישיר על התכונות האלקטרוניות.
שרשראות ארוכות מספיק מאפשרות למדוד התנהגות שאי אפשר לראות בשרשראות של כמה אטומים בלבד.
הן גם מספקות פלטפורמה למחקר של הולכה קוונטית, מגנטיות חד־ממדית, אינטראקציות אלקטרוניות ואפשרויות עתידיות לננו־אלקטרוניקה.
ובמקרה הזה, הדרך אל הגבול האטומי התחילה מחומר כחול מוכר – והסתיימה ביותר מ־4,000 אטומי נחושת מסודרים בשורה אחת.
שאלות ותשובות
האם זהו באמת חוט בעובי אטום אחד? ליבת הנחושת היא שרשרת חד־אטומית, אבל היא עטופה במסגרת אורגנית ובמעטפת פחמנית, כך שהמבנה הכולל רחב יותר מאטום בודד.
כמה אטומי נחושת יש בשרשרת? יותר מ־4,000 אטומים בשרשרת שאורכה מיקרומטרים.
האם החשמל זורם דרך אטומי הנחושת עצמם? לא בעיקר. החישובים מצביעים על כך שההולכה המשמעותית מגיעה מן המסגרת של פחמן וחנקן המקיפה את השרשרת.
האם אפשר להשתמש בזה כבר בשבבים? לא. הייצור דורש לחץ של יותר מ־21 גיגה־פסקל, ולכן מדובר בשלב מחקרי ולא בטכנולוגיית ייצור זמינה.
המאמר המדעי
מקור
Phys.org – Extreme pressure turns blue pigment into record-long single-atom copper chains
עוד בנושא באתר הידען
- אז מה עושים שם באוניברסיטה? פרק 8: מולקולה אחת, זה כל מה שצריך – על ננו־אלקטרוניקה
- מולקולה במעגל
- יישום תציג בתערוכת "ננו־ישראל 2014" דיו ננומטרי
- רק לערבב ולהגיש – ננו־חומרים מוליכים
- השלב הראשון לפיתוח חוט קוונטי
לפרסום המקורי: פתיחת הפרסום המקורי
