חוקרים מאוניברסיטת ניו-יורק פיתחו שיטה להדבקה מדויקת של ננו- ומיקרו-חלקיקים יחדיו ליצירת מבנים גדולים יותר בעלי תכונות שימושיות תוך התגברות על בעית ההידבקות הבלתי מבוקרת של חלקיקים
חוקרים מאוניברסיטת ניו-יורק פיתחו שיטה להדבקה מדויקת של ננו- ומיקרו-חלקיקים יחדיו ליצירת מבנים גדולים יותר בעלי תכונות שימושיות. המחקר שלהם, המופיע בגיליון האחרון של כתב-העת Nature Materials, מתגבר על הבעיה של הידבקות בלתי-מבוקרת של חלקיקים, שהיוותה מכשול רציני להכנה מוצלחת של מערכים מיקרוסקופיים ומקרוסקופיים יציבים בעלי מבנים מתוחכמים.
מטרתם ארוכת-הטווח של החוקרים מאוניברסיטת NYU הינה יצירת חומרים לא-ביולוגיים המסוגלים לשכפל את עצמם. בתהליך כזה של שכפול-עצמי מספר הפריטים מוכפל פי שניים בכל מחזור. ריבוי מעריכי זה ניצב בניגוד חד לייצור חומרים רגיל, שבו הכפלת כמות התוצר מחייבת הכפלת זמן התגובה. כיום, תהליך ליניארי זה מהווה חסם משמעותי להפקת כמויות מעשיות של עצמים מיקרוסקופיים בעלי מבנה מתוחכם, הנדרשים עבור השלבים הבאים בתחום הננו- והמיקרו-טכנולוגיה העתידיים.
בכדי להשיג שכפול עצמי, החוקרים ציפו מיקרו-חלקיקים במקטעים קצרים של ד.נ.א., המכונים “קצוות דביקים” (“sticky ends”). כל קצה כזה מכיל רצף ייחודי של יחידות מבנה של ד.נ.א. ושני קצוות משלימים שכאלו יוצרים יחדיו קשרים הפיכים בררניים ביותר. מתחת לטמפרטורה מסוימת החלקיקים המצופים הללו “מכירים” אחד את השני ונקשרים יחדיו, בעוד שמעל לטמפרטורה זו הם מתרחקים האחד מהשני. עובדה זו מאפשרת תהליך שבו החלקיקים יוצרים בעצמם העתק מדויק שלהם על-גביי תבנית, שלאחר-מכן ניתן לשחררו באמצעות העלאת הטמפרטורה.
מדענים השתמשו כבר בעבר ביחסי-גומלין מבוססי-ד.נ.א., אולם תמיד היה מסובך לקשור תת-משפחה של חלקיקים בלבד – לרוב, נקשרו כל החלקיקים או אף לא אחד מהם. בשל כך, יעד זה להכנת מבנים מוגדרים ביותר מהווה אתגר רציני. כתוצאה מכך, צוות מחקר מהאוניברסיטה, המורכב ממדענים מהמחלקות לכימיה ופיסיקה ביקש למצוא שיטה טובה יותר לשליטה על יחסי-הגומלין והארגון של החלקיקים.
לשם כך, החוקרים ניצלו את היתרון ביכולת של רצפי ד.נ.א. מסוימים להתקפל למבנים דמויי- סיכת ראש, או לחבור יחדיו לקצוות דביקים בקרבתם על גביי אותו החלקיק. הם מצאו כי אם הטמפרטורה מורדת בקצב מהיר, קצוות דביקים אלו מתקפלים על גביי משטח החלקיק עצמו – לפני שיוכלו להיקשר לקצוות הדביקים שבחלקיקים אחרים. החלקיקים התגודדו יחדיו רק כאשר הם הוחזקו לפרק זמן של מספר דקות – זמן מספיק כדי שהקצוות הדביקים ימצאו שותף לקישור בחלקיק שכן קרוב.
“אנו מסוגלים לכוונן ואפילו “לכבות” את המשיכה בין החלקיקים, בהפיכתם לאינרטיים אלא אם כן נחמם או נחזיק אותם יחדיו לפרק זמן מזערי – כעין ננו-דבק בין מגעים,” אמר אחד מהחוקרים.
בכדי לארגן את החלקיקים כראוי הצוות השתמש במלכודות אופטיות כעין מלקטת. כלי זה, שפותח ע”י David Grier, ראש המחלקה לפיסיקה באוניברסיטה ואחד מכותבי המאמר, משתמש באלומות לייזר בכדי “להזיז” עצמים זעירים שגודלם מספר ננומטרים.
לתוצאות המחקר יש מגוון רחב של יישומים אפשריים. במיוחד לאור גודלם המיקרומטרי של החלקיקים, הקרובים לתחום הנראה של ספקטרום האור, מערכים מאורגנים של חלקיקים כאלו יוכלו לשמש בהתקנים אופטיים. אלו כוללים חיישנים וגבישים פוטוניים המסוגלים למתג אור בדרך הדומה לזו המתבצעת ע”י מוליכים-למחצה עבור זרם חשמלי. יתרה מכך, אותם עקרונות הארגון מתאימים גם לננו-חלקיקים זעירים יותר הטמונים בהם מגוון רחב של תכונות חשמליות, אופטיות ומגנטיות השימושיות ליישומים חשובים רבים.
