קוביות קטנות

ננו-חלקיקים מגנטיים מתארגנים בעצמם במבנים סליליים

ננו-קוביות אינן משחק ילדים. מדעני מכון ויצמן למדע השתמשו בקוביות אלה כדי ליצור מבנים דמויי-חוט: הם הראו כי בהינתן התנאים הנכונים, ננו-חלקיקים בצורת קובייה מסוגלים להתארגן בעצמם וליצור בדרך זו מבנים סליליים. ממצאים אלה, שחושפים כיצד ננו-חומר מסוגל להתארגן וליצור מבנים מורכבים ויפהפיים באופן מפתיע, פורסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Science.

ד”ר רפאל קליין ותלמיד המחקר הבתר-דוקטוריאלי ד”ר גורבינדר סינג, מהמחלקה לכימיה אורגנית במכון ויצמן למדע, בדקו את התופעה באמצעות ננו-קוביות המבוססות על מינרל תחמוצת ברזל הקרוי “מגנטיט”. כפי ששמו מרמז, מדובר במינרל בעל תכונות מגנטיות טבעיות, שמצוי במקומות שונים – לרבות בחיידקים, החשים באמצעותו את השדה המגנטי של כדור-הארץ.

מגנטיות היא רק אחד הכוחות הפועלים על אותם ננו-חלקיקים. בשיתוף עם קבוצת המחקר של פרופ’ פיטר קראל (Král) מאוניברסיטת אילינוי, שיקגו, פיתחו ד”ר קליין וד”ר סינג מודל תיאורטי להבנת האופן שבו כוחות שונים מסוגלים לסדר מחדש את חלקיקי המגנטיט. “כוחות מסוגים שונים גורמים לננו-חלקיקים להתארגן ב דרכים שונות”, אומר ד”ר קליין. “כוחות אלה יכולים להתנגד זה לזה, כך שהרעיון הוא למצוא את האיזון הנכון ביניהם, שיכול לגרום להרכבה עצמית של החלקיקים למבנים של חומרים חדשים”. על-פי המודלים שפיתחו, ישנה חשיבות לצורת הננו-חלקיקים. מתברר כי רק קוביות מספקות את האיזון הדרוש לכוחות המנוגדים בשביל ליצור מבנים סליליים.

החוקרים מצאו כי שני הכוחות המנוגדים העיקריים שפועלים על החלקיקים הם הכוח המגנטי וכוח ואן דר ואלס. הכוח המגנטי גורם לחלקיקים המגנטיים למשוך ולדחות אחד את השני, ובכך הוא דוחף את החלקיקים דמויי הקובייה להתארגן פינה-מול-פינה. לעומת זאת, כוחות ואן דר ואלס מקרבים את פאות הקוביות, ו”משדלים” אותן להתארגן בשורה. כאשר כוחות אלה פועלים יחדיו על אותן קוביות קטנות, התוצאה היא סידורן העצמאי כמבנים בצורת סליל.

בניסוייהם, נחשפו המדענים לשדה מגנטי בריכוז גבוה-יחסית של ננו-קוביות מבוססות-מגנטיט בתמיסה. השרשראות הסליליות הארוכות שנותרו לאחר שהתמיסה התאדתה היו מוצקות באופן מפתיע. הם חזרו על הניסוי עם ננו-חלקיקים בצורות שונות, אך כפי שציפו, הם גילו שרק קוביות מתאפיינות במבנה הנכון, שמאפשר להן להתארגן בסליל. בנוסף, מצאו ד”ר קליין וד”ר סינג שכאשר קיים ריכוז חלקיקים גבוה במיוחד, הם מקבלים גדילים כיראליים, המעוקלים כולם באותו כיוון. ככל הנראה, כוחות מנוגדים מסוגלים “לקחת בחשבון” את הדרך היעילה ביותר לדחוס את הגדילים בחלל נתון.

למרות המראה המרשים של גדילי הננו-קוביות, ד”ר קליין אומר שמוקדם מדי לחשוב על יישומים מסחריים. הערך המיידי של עבודתו, על-פיו, הוא ההדגמה הבסיסית של בנייה עצמית ברמת הננו. “על-אף שחוקרים את המגנטיט לעומק – אפילו בצורתו הננו-חלקיקית – במשך עשורים רבים, אף אחד לא זכה לראות את המבנים האלה בעבר” אומר ד”ר קליין. “רק כאשר נבין את האופן שבו אותם כוחות משפיעים על הננו-חלקיקים, נוכל להתחיל ליישם את הממצאים, ואולי לייצר חומרים חדשים המסוגלים להתארגן ולבנות את עצמם”.

מידע נוסף אפשר לקבל במשרד דובר מכון ויצמן למדע: 08-934-3856