ננו-צינורות לשקילת אטומים

חוקרים אירופאים בנו מתקן חדיש ורגיש המסוגל לשקול אטומים. מתקן זה יוכל, בסופו של דבר, לאפשר למדענים לבחון את התקדמותן של תגובות כימיות – פרודה אחר פרודה

כיצד ניתן לשקול אטום יחיד? חוקרים אירופאים בנו מתקן חדיש ורגיש המסוגל לבצע את המשימה הזו בדיוק. מתקן זה יוכל, בסופו של דבר, לאפשר למדענים לבחון את התקדמותן של תגובות כימיות – פרודה אחר פרודה.

ננו-צינורות פחמן הינם סיבים דקיקים ביותר של פחמן ומייצגים את חלומו של כל ננוטכנולוג. הם מורכבים מיריעות דקיקות של פחמן שעוביין אטום יחיד – המוכרות בשם המדעי גרפן (graphene) – המגולגלות לצינורית זעירה שקוטרה מספר ננומטרים בלבד.

ההתעניינות המדעית בננו-צינורות פחמן פרחה ושגשגה בשנות התשעים של המאה הקודמת כאשר הם התגלו כבעלי מאפיינים מרשימים ההופכים אותם לחומר-גלם מרתק עבור סוגים מגוונים של ננוטכנולוגיות.

“הם בעלי תכונות ייחודיות,” מסביר פרופסור Pertti Hakonenמהאוניברסיטה הטכנולוגית של הלסינקי. “הם קשיחים פי אלף מפלדה ומוליכי-חום וחשמל טובים מאוד.” החוקר הוא המתאם של מיזם מדעי שמטרתו ניצול חומר מרתק זה לשם פיתוח התקנים רגישים דיים לשקילתם של אטומים ופרודות.

ננו-צינורית פחמן הינה בעצם מיתר דקיק ביותר, אך עדיין קשיח מאוד, ובדומה למיתרים אחרים גם הוא מסוגל לרטוט ולהתנדנד, בדומה למיתר גיטרה. כפי שיודע כל גיטריסט, מיתרים כבדים יותר רוטטים לאט יותר ממיתרים קלים מהם, כך שאם נאפשר לננו-צינורית תלויה לרטוט בתדירות האופיינית לה, תדירות זו תקטן באם אטומים או פרודות ייקשרו אליה.

הדבר נשמע פשוט והרעיון אינו חדש. אולם, הדבר החדיש הינו מערכת החישה הרגישה הנדרשת לגילוי הרטט ומדידת התדירות המדויקת. במשך הזמן נתגלה כי ננו-צינורות מסוימים מסוגלים להיות מוליכים-למחצה, בהתאם לצורת הגלילה של יריעות הגרפן – ותכונה זו בדיוק היא שאפשרה לחוקרים למצוא את הפיתרון שהם חיפשו.

החוקרים נקטו בגישה שבה בונים ננו-צינורית מוליכה למחצה בתוככי טרנזיסטור (רכיב אלקטרוני זעיר המשמש להגברת מתח, הספק או זרם) כך שהרטט מאפנן (מווסת אלקטרונית) את הזרם העובר דרכו. “ננו-הצינורית המתנודדת היא, באותו הרגע, הרכיב הרוטט ומהווה בעצם את הקלט של הטרנזיסטור,” מסביר החוקר.

“הרעיון שלנו היה להפעיל שלושה מישורי-חישה בו-בזמן ואז לבחור את הטוב מביניהם,” הוא מוסיף. “כרגע ירדנו לשניים בלבד. כך שיש לנו את הרעיון של תנועת אלקטרון, שהינו רגיש יותר, ואת רעיון הטרנזיסטור המושפע מהרטט שהינו מהיר יותר.”

בחודש נובמבר של השנה הקודמת חוקרים מברצלונה, השותפים למיזם זה, דיווחו כי הם הצליחו לשקול את המסה של אטומי כרום פרטניים שנספחו על-גבי ננו-צינורית. אולם, החוקר הראשי טוען כי ניתן לשקול כיום אפילו אטומים קטנים יותר, כדוגמת ארגון, חרף העובדה שההתקן אינו יציב דיו לקבלת רגישות כה רבה באופן שיגרתי.

“כאשר ההתקן פועל כשורה, אנו מסוגלים להבחין באטום ארגון בודד בסקאלת זמנים קצרה. אולם, אם אתה ממשיך ומודד לפרק זמן ארוך יותר, רעש הרקע הופך למשמעותי יותר ויותר וממסך את התוצאה.”

מיזם זה אינו היחיד המשתמש בננו-צינורות פחמן כחיישני מסה. מחקר דומה מבוצע גם בשני מרכזי מחקר בקליפורניה – אוניברסיטת ברקלי וקלטק (Caltech) – למרות שכל אחד מהם אימץ גישה שונה לחישת המסה.

כל שלושת הצוותים הודיעו כי הם מסוגלים למדוד מסה ברמה האטומית באמצעות ננו-צינורות פחמן, אך חוקרי המיזם הנ”ל סיפקו את המידע המשכנע ביותר שהציג היסט ברור בתדירות התהודה.

אולם, אטום בודד אינו קרוב אפילו לגבול האפשרי – החוקר הראשי משוכנע כי הם מסוגלים לקדם את הטכנולוגיה כך שיהיה ניתן לשקול בעזרתה את המסה של נוקליאון יחיד – פרוטון או נויטרון.

“זהו אומנם הבדל ניכר,” הוא מודה, “אך לרוב, השיפורים בהתקנים כאלו מתקבלים בקפיצות-ענק. הדבר לא דומה להתפתחות של התקן ידוע מאוד שבו יש רק שיפורים קטנים משלב לשלב. זוהי באמת עבודה בחזית התחום ופריצות-דרך אכן מתרחשות – מדי פעם.”

אם אכן ניתן יהיה לשפר את הרגישות עד כדי נוקליאון בודד, אזי חוקרים יוכלו לשאוף קדימה לשקילה מדויקת של סוגי אטומים ופרודות שונים בזמן אמת. או אז, אולי יהיה אפשר לצפות בדעיכה הרדיואקטיבית של גרעין יחיד ולבחון סוגים אחרים של תופעות במכאניקה קוונטית.

אולם, ההתרגשות האמיתית תופיע כאשר ניתן יהיה לעקוב אחר תגובות כימיות וביולוגיות המערבות אטומים ופרודות פרטניים המגיבים בדיוק שם, על-גבי ננו-הצינורית הרוטטת. אפשרות כזו תוכל להביא ליישומים רבים וחשובים בביולוגיה מולקולארית ותאפשר למדענים לבחון תהליכים בסיסיים של החיים בפרוט חסר-תקדים. החוקר מעריך כי יישומים מעשיים אלו יוכלו להתקבל תוך עשור שנים.

“הדבר יהיה תלוי מאוד במידת ההתפתחות של הכנת ננו-צינוריות הפחמן עצמה. איני יכול לחזות מה בדיוק יקרה, אולם אני סבור כי תגובות כימיות במערכות שונות, כגון חלבונים וכדומה, תהיינה היישומים העיקריים בעתיד.”

הידיעה על המחקר