אף מלאכותי – קרוב מתמיד

כיום, מצפים מכימאים אנליטיים לזהות אפילו פרודה (מולקולה) יחידה באמצעות אף מלאכותי. חוקרים מגרמניה סבורים כי ביצעו פריצת דרך בננוטכנולוגיה שתאפשר זאת

כיום, מצפים מכימאים אנליטיים לזהות אפילו פרודה יחידה. בכדי להצליח בעבודת “בילוש” רגישה שכזו, מדעני-ננו פיתחו מיתרים זעירים היוצרים תהודה בעלת אופי מובחן. אם פרודה מסוימת מתמקמת על אחד ממיתרים אלו, אזי הוא הופך לכבד יותר והתנודות שלו מואטות ושינוי זה ניתן למדידה. אולם, עד לאחרונה, ל”מערכות ננו-אלקטרומכאניות” (“nano-electromechanical systems”, NEMS) שכאלו היו יישומים מעשיים מוגבלים בלבד.

פיסיקאים מאוניברסיטת מינכן בגרמניה (LMU) הביאו לפריצת-דרך בתחום זה: הם בנו מערכת של ננו-מיתרים המורכבים מחומר שאינו מוליך חשמל, כאשר כל מיתר מסוגל להיות מעורר חשמלית בנפרד. ניתן למקם אלפי מיתרים שכאלו על-גבי שבב זעיר. אחד מההתקנים שיהיה ניתן להכין ממערכת זו הינו “אף מלאכותי” בעל רגישות גבוהה שיוכל לזהות מגוון פרודות – מזהמים לדוגמא – באופן פרטני.

מערכת חדשה זו תוכל לשמש גם במגוון רחב של יישומים אחרים – לדוגמא, היא תוכל להפיק פעימות זעירות בשעונים הכלולים בטלפונים ניידים.

זיהוי מהיר, ודאי וזול של פרודה בודדת הופך עתה למשימה ברת-ביצוע בידיהם של כימאים אנליטיים. למרבה המזל, קיימת שיטה שהם יכולים להשתמש בה בכדי לעמוד במשימה זו, ואשר מתבססת על ננו-טכנולוגיה: מערכת ננו-אלקטרומכאנית. מערכות אלו מתבססות על מיתרים בעלי קוטר של מאה ננומטרים – כאחד חלקי חמש מאות מרוחבה של שיערת אדם – הניתנים לערור חשמלי כך שירטטו בתדר מסוים. אם מיתרים אלו יהיו מצופים בסוג הכימיקלים המתאים אזי פרודות שונות יוכלו להתמקם עליהם. באופן מסוים יותר – רק סוג אחד של פרודות יוכל להתמקם על כל מיתר בנפרד.

כאשר הפרודה מתמקמת על המיתר הרוטט המתאים לה, המיתר הופך למעט כבד יותר ובשל כך התנודה שלו הופכת איטית יותר במעט. “באמצעות מדידת מחזור התנודה אנו מסוגלים לזהות את החומר הכימי המסוים ברמת דיוק מולקולארית,” מסביר החוקר Quirin Unterreithmeier, הכותב הראשון של המאמר המתאר את המחקר הנ”ל. “באופן מיטבי ניתן לייצר שבב זעיר בגודל של ציפורן שאליו מחוברים אלפים אחדים של מיתרים שכאלו, כאשר כל אחד ואחד מהם מזהה באופן בררני ביותר סוג פרודה אחד בלבד – כך שניתן לבנות “אף מלאכותי” בעל רגישות גבוהה ביותר.”

עד היום, ההכנה של מערכות שכאלו הייתה מוגבלת טכנית – הבעיה העיקרית הייתה ההפקה והמדידה של תנודות המיתר. אומנם, ניתן לרטט את ננו-המיתרים באמצעות ערור מסוג מגנטו-מכאני, פייזואלקטרי או אלקטרו-תרמי, אולם שיטות אלו עובדות רק כאשר ננו-המיתרים מורכבים ממתכת, או לפחות מצופים במתכת, אשר מעמעמת באופן ניכר את שיעור התנודות, עובדה המונעת מדידה רגישה. מערכות פחות רגישות שכאלו אינן מאפשרות את הזיהוי של פרודה בודדת. כמו-כן, קשה יותר להבחין בין האותות השונים שנובעים ממיתרים רוטטים שונים.

השיטה החדשה שפותחה זה מכבר מתגברת על מהמורות אלו. צוות חוקרים מאוניברסיטת מינכן הצליח לבנות מערכת שבה ננו-המיתרים מעוררים באופן פרטני ע”י פעילות דיאלקטרית (לא מוליכה) – אותה התופעה הגורמת לשיער להזדקר ביום חורפי. בהתבסס על עיקרון פיסיקלי זה, הננו-מיתרים, המורכבים מצורן ניטרידי (silicon nitride) לא-מוליך, מעוררים לרטוט בחשיפה לשדה חשמלי בלתי-אחיד מתנדנד ואזי ניתן למדוד את התנודות שלהם.

השדה החשמלי החילופי הנדרש לערור זה נוצר בין שתי אלקטרודות זהב הממוקמות בקרבה רבה למיתר עצמו. התנודות עצמן נמדדות ע”י שתי אלקטרודות אחרות. “בנינו את המערך הנ”ל באמצעות שיטות אִכּוּל (etching),” מסביר אחד מהחוקרים. “אך את זה היה קל לבצע – אפילו לשכפל אותו אלפי פעמים על אותו השבב. השלב הבא היה הצורך להבטיח כי ניתן לעורר חשמלית כל מיתר בנפרד, באופן פרטני.” בסך הכל, זו אמורה להיות משימה טכנית פשוטה – אך כזו אשר תאפשר פריצת-דרך בזיהוי כימי. יתר על-כן, ישנם יישומים רבים נוספים שניתן לפתח מעבר ל”אף מלאכותי” זה. בין שאר הדברים, ניתן להשתמש בננו-מיתרים אלו כמחוללי פעימות בשעונים של טלפונים ניידים, לדוגמא. מָהוֹדים (resonators, מכשירים להגברת הקול על-ידי תהודה) חדשניים אלו יוכלו לשמש אפילו כמסנני אותות חשמליים בררניים במיוחד במערכות מטרולוגיות (של תורת המידות והמשקלים), כגון מאזניים מולקולאריים.

הידיעה המקורית של האוניברסיטה

עוד בנושא באתר הידען

• אף על-טבעי מפותח באוניברסיטת תל אביב
• האף האלקטרוני של חוסאם חיאק מהטכניון