ננו-רכבים חדשים

המכונית הננומטרית שהוצגה לפני כשלוש שנים באוניברסיטת רייס ממשיכה לתת רייס, והפעם – לא צריך לחמם את המשטח ל-200 מעלות כדי להפעילה

"נהגי" הננו-רכבים של אוניברסיטת Rice בטקסס, ארה"ב, הופתעו לגלות כי גרסאות מעט שונות של יצירתם הן בעלות יכולת תנועה אפילו בטמפרטורת החדר. למרות שהיישומים של מכונות זעירות אלו יתממשו רק בעוד כמה שנים, פריצת-הדרך מרמזת כי ניתן יהיה להתאימם בקלות רבה יותר לתחום נרחב יותר של יישומים ביחס למקוריים, שחייבו חימום לכמאתיים מעלות צלסיוס לפני שיכלו לנוע על משטח.

הננו-רכבים היו סנסציה גדולה כאשר הוצגו לראשונה בשנת 2005 במעבדתו של החוקר James Tour, פרופסור לכימיה, להנדסת מכונות ומדעי-החומרים באוניברסיטת רייס.

"הננו-רכב" המקורי של החוקר היה מולקולה יחידה המורכבת מגלגלי "כדורי-באקי" (buckyball, פולרנים) וצירים גמישים, והוא שימש כהוכחת רעיון להכנתן של מכונות בקנה-מידה ננומטרי. לאחר מכן חובר לו מנוע המופעל ע"י הקרנה לשם הנעתו, והגלגלים הוחלפו מכדורי-באקי לקרבוראנים (carboranes, צביר מולקולארי המורכב מאטומי פחמן ובור). אלו היו קלים יותר להכנה ואפשרו לרכב לנוע, שלא כבמבנה הקודם בו גלגלי כדורי-הבאקי לכדו את אנרגיית ההקרנה, אשר שימשה כ"דלק", לפני שהיא "הניעה" את הרכב. מאז, לאולם התצוגה של החוקר נוספו ננו-משאיות, ננו-טרקטורים וננו-רכבים מסוגים אחרים. דגם מורחב של הננו-רכב הוצג בפומבי לראשונה בתערוכת הרכבים (האמיתיים) המפורסמת של יוסטון, טקסס, בשנה שעברה.

החוקר Stephan Link, פרופסור לכימיה באותה האוניברסיטה המתמחה בפלסמוניקה (plasmonics, גלי אלקטרונים), לקח את הגלגלים הללו לסדרת ניסויים שהתבססו על מחקרו החלוצי של החוקר Tour. הישגו הראשוני היה השימוש בהדמיה פלואורסנטית מבוססת פרודה יחידה בכדי לעקוב אחר הרכבים הזעירים, בניגוד למיקרוסקופית מנהור סורק (STM) ששימשה בניסויים הקודמים לכך. מיקרוסקופיה זו יכולה "להביט" בחומר ברמתו האטומית, אולם השיטה מחייבת כי החומר הנבדק יהיה מונח על מצע מוליך. אין כך הדבר בהדמיה פלואורסנטית. מאמר על המחקר החדש פורסם החודש בכתב-העת המדעי Nano.
"חשבנו לעצמנו, 'אנו רק הולכים לקבל תמונה, ושום דבר אחר לא יקרה'" אמר החוקר מהצוות שהצליח לראשונה לחבר נגרר צבעוני פלואורסנטי לננו-רכבים. "הוטרדנו מהשאלה כיצד ניתן לבנות שדה טמפרטורה מסביבו, כיצד ניתן לחממו וכיצד ניתן להניעו. להפתעתי, הסטודנטים שלי חזרו ואמרו שהם פשוט נעים להם!"

כצפוי, סרטונים במרווחי זמן קבועים, שניטרו תאי-שטח של עשרה מיקרונים ריבועיים, הראו את הננו-רכבים, שהופיעו כעין נקודות פלואורסנטיות, נעים הלוך ושוב ע"ג משטח זכוכית פשוט. החוקר מציין כי הרכבים נעו בממוצע במהירות של 4.1 ננומטרים לשנייה. "לקח לנו שנה נוספת בכדי לכמת את התופעה הזו," אמר החוקר, בציינו את הפיתוח של אלגוריתם מעקב חדש כצעד מפתח, אלגוריתם שיהיה נושאו של מאמר עתידי.

השיטה הפשוטה ביותר למציאת ננו-רכבים נעים הייתה בדיוק כמו השיטה שבה האסטרונומים גילו עצמים מרוחקים בחלל – הבט בסדרת תמונות, והנקודות הזזות הינן הזוכות. אלו שאינן נעות הינן הפרודות הפלואורסנטיות בעצמן או ננו-רכבים הנמצאים בחניון.

חומר הצבע – tetramethylrhodamine isothiocyanate – היה בעל יתרון נוסף של פליטת אות מקוטב. מאחר ותרכובות הצבע נטו להסתדר ביחס קבוע לשלדת הרכבים, החוקרים יכלו תמיד לומר מהו כיוון תנועתם של הננו-רכבים.

החוקר קיווה כי ניתן לבנות רכבים, בהם חומר הצבע מוחדר לתוככי השלדה, וזאת בכדי למנוע את חיכוך הגרר של הזנב הפלואורסנטי. הוא שיער כי הכנסת שישה גלגלים לרכב, במקום הארבעה שהיו, תוכל לסייע בהכוונת תנועתם לכיוון אחד. עתה, משחזינו בתנועה עצמה, האתגר היה לקדם את זה לשלב הבא ולהניע אותם באופן מבוקר מנקודה א' לנקודה ב'. זה לא הולך להיות קל. יצירת ננו-מסלולים עשויה להיות חלק מהפיתרון, מוסיף החוקר. כל המחקרים מוכוונים למטרה הסופית של בניית ננו-מכונות ייחודיות אבני-בניין בסיסיים, במידה דומה מאוד לשיטה בה נבנים חלבונים המותאמים לביצוע משימות שונות בטבע. "הבנה והתחרות בביופיזיקה ובביומכאניקה לשם בניית התקנים המבוססים על חומרים שמספק הטבע, הינה, כמובן, הגשמת אחד החלומות הגדולים ביותר של הננוטכנולוגיה."

הידיעה המקורית של האוניברסיטה
סרטון הסבר של ממציא השיטה
סרטון הסבר של השיטה
סרטון הסבר על ננו-מדע