אדריכלות ננסית

הטבע מלמד אותנו עד כמה חשובה ארכיטקטורה. חומרים העשויים מאותו יסוד כימי, אך שונים במבנה שלהם, יכולים להיות כה שונים זה מזה, עד כי קשה להאמין שרכיביהם זהים. כך למשל, יהלומים וגרפיט עשויים שניהם מפחמן בלבד, אך נבדלים במבנה האטומי שלהם. צורות מבניות כאלה של אותו יסוד קרויות אלוטרופים. כפי שדוּוח באחרונה בכתב-העת המדעי Science, קבוצת מחקר בראשות פרופ’ רפאל קליין מהמחלקה לכימיה אורגנית של מכון ויצמן יצרה אלוטרופים שאינם קיימים בטבע. חומרים אלה נבדלים זה מזה לא בסקאלה של אטומים אלא בסקאלת הננו: כלומר, במבנה הרכיבים – הגדולים פי 10 עד פי 100 מאטומים בודדים. אלוטרופים אלה של ננו-חומרים, המכונים ננו-אלוטרופים, עשויים להוביל לפיתוח התקנים אלקטרוניים קטנים במיוחד וליישומים רבים נוספים.

יחד עם החוקר הבתר-דוקטוריאלי ד”ר תומו אודיאבהסקארארו, חברי קבוצה נוספים ממכון ויצמן ובשיתוף מדענים מארצות הברית, מספרד ומבלגיה, פיתח פרופ’ קליין שיטה בת שני שלבים ליצירת ננו-אלוטרופים. בשלב הראשון עירבבו החוקרים בתמיסה חלקיקי ננו של זהב ושל תחמוצת ברזל, דבר שגרם לכך שהחלקיקים התארגנו בעצמם לשכבה גבישית מעל הנוזל. בשלב השני חשפו המדענים את השכבה לקרן של מיקרוסקופ אלקטרונים, וטבלו אותה בחומצה. הטבילה סילקה את תחמוצת הברזל, והשאירה מאחור סריג של חלקיקי זהב בלבד.

החוקרים גילו, כי כאשר עירבבו את שני הסוגים של חלקיקי הננו ביחס שונה, נתקבלו סריגים שונים. בכל פעם שסילקו את תחמוצת הברזל, נתקבל סריג טהור של ננו-חלקיקי זהב בעל מבנה פנימי שונה – או, במילים אחרות, ננו-אלוטרופ שונה של זהב. ניתן היה לשלוט בצורה מדויקת בארכיטקטורה של הננו-אלוטרופ באמצעות שינויים ביחס בין שני סוגי החלקיקים.

“חומרים אלה נבדלים זה מזה לא בסקאלה של אטומים אלא בסקאלת הננו: כלומר, במבנה הרכיבים – הגדולים פי 10 עד פי 100 מאטומים בודדים”

בהמשך התברר, כי בדיוק כמו האלוטרופים הקלאסיים, גם הננו-אלוטרופים נבדלים משמעותית זה מזה. כך, למשל, הם נבדלו בתכונות האופטיות שלהם, וייתכן כי גם במוליכוּת זרם אלקטרונים. אמנם, המחקר נעשה בננו-חלקיקים של זהב, אך ניתן ליישם אותו גם בחומרים אחרים.

השיטה החדשה עשויה לעזור בפיתוח התקנים אלקטרוניים קטנים יותר מאלה הקיימים בשוק. כיום מייצרים את המעגלים המובילים את האלקטרונים לכיוון הרצוי באמצעות ליתוגרפיה המשתמשת בקרן אלקטרונים, טכניקה יקרה ביותר ומוגבלת מבחינת הרזולוציה. ייצור מעגלים אלקטרוניים באמצעות התארגנות עצמית של חלקיקי ננו עשוי להפחית את העלויות, ולאפשר לבנות התקנים קטנים יותר מאלה המיוצרים בשיטות הקיימות. עוד יישומים אפשריים: ניתן אולי לבנות באמצעות ננו-אלוטרופים שכבה בעלת חורים בגודל מוגדר לצורך סינון, או, לחלופין, מצע המזרז תגובות כימיות, למשל, על מנת להשמיד מזהמים ולטהר מים. “השיטה שלנו מאפשרת לעצב ננו-אלוטרופים יציבים, עמידים מבחינה כימית ובעלי מבנה אשר נקבע מראש, וניתן ליישם אותה במתכות ובמוליכים-למחצה רבים”, אומר פרופ’ קליין.

במחקר השתתפו גם ד”ר רונית פופוביץ וד”ר לותר הובן מהמחלקה לתשתיות למחקר כימי של מכון ויצמן, וכן חוקרים מאוניברסיטת אנטוורפן שבבלגיה, מהמרכז לחקר שיתופי של ביו-חומרים בספרד, מאוניברסיטת טקסס שבאל פאסו, ומאוניברסיטת אילינוי שבשיקגו, ארצות הברית.

#מספרי_מדע

1,500,000 – מספר הננו-גבישים במערך חסר הפגמים הגדול ביותר אשר מתקבל באמצעות התארגנות עצמית של ננו-חלקיקים בגדלים שונים