‫הרדיו הכי קטן בעולם / אד רג'יס‬

צינורית-ננו פחמנית יחידה יכולה לתפקד כרדיו שקולט ומנגן שירים

כמה וכמה התפתחויות שנעשו לאחרונה במדע היישומי עוררו התלהבות-יתר בתור ה"דבר הגדול הבא", והננוטכנולוגיה היא ככל הנראה אחת הדוגמאות הבולטות ביותר לכך. לדברי חסידיה הקיצוניים ביותר, ננוטכנולוגיה היא מערכת ייצור מולקולרית שתאפשר לייצר חפצים מורכבים ככל שנחפוץ על ידי חיבור מכני של מולקולות זו לזו, עד שהמוצר המדויק ברמה האטומית יופיע לנגד עינינו.

המציאות התגלתה כשונה מעט: כיום, המילה "ננו" רוקנה כל כך ממשמעותה עד שמחילים אותה על כל דבר בעל ממדים קטנים, מדברים על "חלקיקי-ננו" במוצרים כגון שמן מנוע, קרם שיזוף, שפתון ושעווה למגלשי סקי. מי היה מאמין אפוא שאחד המכשירים השימושיים הראשונים האמיתיים בקנה מידה ננומטרי – מכשיר שיש לו השפעה שאפשר למדוד אותה על עולם המַקרו הגדול – יהיה רדיו דווקא? אף על פי כן, רדיו המבוסס על צינורית-ננו, שהומצא ב-2007 בידי הפיזיקאי אלכס זטל ועמיתיו באוניברסיטת קליפורניה שבברקלי, מבצע כמה וכמה מעללים מדהימים: צינורית-ננו פחמנית יחידה מתכווננת לאות שידור, מגבירה אותו, ממירה אותו לאות שמע ושולחת אותו לרמקול חיצוני באופן שהאוזן האנושית יכולה לזהות בקלות. אם אתם מפקפקים בטענה הזאת, פשוט בקרו בכתובת www.SciAm.com/nanoradio והאזינו לשיר "לילה".

לדברי מפתחיו, רדיו צינורית-הננו יכול להעמיד בסיס למבחר יישומים מהפכניים: מכשירי שמיעה, טלפונים סלולריים ונגני iPod קטנים דיים להיכנס במלואם לתוך תעלת השמע שבאוזן. הננו-רדיו "יוכל להיכנס בקלות לתוך תא חי," אומר זטל. "אפשר לדמיין ממשקים לפונקציות מוחיות או שריריות, או התקנים מונחי רדיו שינועו בזרם הדם."

קולה של צינורית-הננו

זטל, העומד בראש קבוצה של 30 חוקרים העוסקים ביצירת מכשירים בקנה מידה מולקולרי, החליט להפוך את צינוריות-הננו למוקד עבודתו מכיוון שהן מבנים מיוחדים במינם. השאלה מי גילה אותן לראשונה שנויה במחלוקת, אך הפיזיקאי היפני סומיו איג'ימה נחשב בעיני הרוב כאיש שהציב אותן על המפה המדעית, כשהכריז ב-1991 שגילה "צינוריות דמויות מחט" עשויות פחמן בקצה של אלקטרודת גרפיט שהפיקה קשת חשמלית – פריקה חשמלית פולטת אור.

לצינוריות-הננו האלה היו כמה תכונות מפתיעות. היו להן צורות וגדלים שונים ומשונים: היו כאלה בעלות דופן יחידה, דופן כפולה או דפנות מרובות. קצתן היו ישרות, קצתן עקומות וקצתן אפילו התחברו לעצמן בלולאה דמוית כעך. המשותף לכולן היה חוזק המתיחה יוצא הדופן שלהן, כלומר יכולתן לעמוד בפני משיכה אורכית בלי להיקרע. הסיבה לתכונה נדירה זו, אומר זטל, היא ש"הכוח שמצמיד את אטומי הפחמן זה לזה בצינורית-הננו הפחמנית הוא הדבק החזק ביותר בטבע." צינוריות-ננו הן גם מוליכות חשמל מצוינות, טובות בהרבה מנחושת, מכסף ואפילו מעל-מוליכים. "זאת משום שהאלקטרונים אינם פוגעים בדבר," הוא מסביר. "הצינורית היא מבנה מושלם."

את הרעיון לננו-רדיו קיבל זטל כשהחליט שברצונו ליצור מכשירי חישה זעירים שיוכלו לתקשר זה עם זה ולשדר את תצפיותיהם באופן אלחוטי. "הם היו אמורים לנטר את תנאי הסביבה," הוא אומר. החיישנים הזעירים אמורים להיות מפוזרים בשטח על יד מפעל או בית זיקוק כלשהו ולשדר בתדר רדיו את התוצאות אל נקודת איסוף. כך יוכל כל אדם לפנות לגוגל, "ללחוץ על קישור לאיכות האוויר של עיר מסוימת ולראות אותה בזמן אמת."

במהלך כמה ניסויים שמטרתם הייתה ליצור חיישן מסה מצינורית-ננו, גילה סטודנט של זטל, קנת ינסן שמו, שאם יוצרים "תמוכה" על ידי הצמדת קצה אחד של צינורית-ננו פחמנית למשטח, התמוכה תרטוט אם תפגע מולקולה בקצה החופשי של הצינורית. מולקולות בעלות מסה שונה גורמות לתמוכה לרטוט בתדרים שונים. כשהבחין זטל שכמה מן התדרים האלה חופפים לתדרים שברצועת השידור של ערוצי הרדיו, לא היה אפשר לעמוד עוד בפיתוי להשתמש במתקן-הננו הזה לבניית רדיו.

לרדיו הפשוט ביותר, ידע זטל, יש ארבעה חלקים חיוניים: אנטנה הקולטת את האות האלקטרומגנטי; בורר תדרים (טיונר) הבוחר את התדר הרצוי מתוך כל התדרים המשודרים; מגבר המגביר את עוצמת האות; ומפענח (דמודולטור) המפריד את האות עם המידע מן הגל הנושא שעליו הוא משודר. לאחר מכן, נשלח רכיב המידע לרמקול חיצוני, שהופך את המידע לצלילים נשמעים.

צינורית-הננו הפחמנית, שהייתה אמורה לשמש כליבה של ההתקן, התגלתה כשילוב של תכונות כימיות, גאומטריות וחשמליות כה רצויות, עד שכשמיקמו אותה בין אלקטרודות, הצליח המתקן הזעיר לבצע לבדו את כל ארבע המשימות בו-זמנית. לא היה צורך בשום רכיב אחר.

זטל וינסן החלו לפתח תכנון כללי שבו צינורית-ננו פחמנית מרובת דפנות תיבנה על קצה אלקטרודה, כך שצינורית-הננו תיראה כמו תורן על פסגת הר. הם החליטו להשתמש בצינורית מרובת דפנות משום שהייתה גדולה מעט מן הסוגים האחרים ופשוטה יותר להצבה על פני שטח האלקטרודה, אם כי אחר כך הם יצרו גם גרסה שפעלה באמצעות צינורית בעלת דופן יחידה. את הצינורית, שאורכה כ-500 ננומטרים וקוטרה 10 (בדומה לגודל ולצורה של נגיפים מסוימים), מציבים על גבי האלקטרודה באמצעות שיטות ננומטריות או מגדלים אותה היישר על גבי האלקטרודה בתהליך כימי שבו מגבשים שכבות של פחמן מתוך גז פחמן מיונן.

במרחק כלשהו מן הקצה, מעוגלת בצורת חצי כדור-באקי, תוצב האלקטרודה הנגדית. מתח ישר (DC) חלש יופעל על האלקטרודות ויצור זרימה של אלקטרונים מקצה צינורית-הננו אל האלקטרודה הנגדית. הרעיון היה שהגלים האלקטרומגנטיים משידורי הרדיו יפעלו על צינורית-הננו ויגרמו לה לרטוט בהתאם לתנודות באות האלקטרומגנטי. הרטיטה המתואמת עם גלי הרדיו תהפוך את צינורית-הננו לכעין אנטנה, אך כזו שפועלת באופן שונה מן האנטנות של מכשירי רדיו רגילים.

ברדיו רגיל, האנטנה קולטת אותות נכנסים באופן אלקטרוני, כלומר, הגלים הנכנסים משרים זרם חשמלי בתוך אנטנה נייחת. בננו-רדיו, לעומת זאת, צינורית-הננו היא גוף טעון כה דקיק ועדין, עד שדי בגלים האלקטרומגנטיים הנכנסים כדי לנדנד אותה באופן מכני הלוך ושוב.

"עולם הננו הוא עולם משונה – שולטים בו דברים אחרים," מתאר זטל. "כוח המשיכה אינו ממלא שום תפקיד, וההתמדה (אינרציה) אינה קיימת למעשה, משום שהדברים כה קטנים עד ששדות חשמליים שיוריים יכולים למלא תפקידי מפתח."

תנודותיה של צינורית-הננו יגרמו, בתורן, לשינוי בזרם שעובר מקצה צינורית-הננו לאלקטרודה הנגדית: במינוח טכני, זהו זרם פליטת שדה (field emission). פליטת שדה היא תופעה קוונטית, שבה מתח חלש יוצר זרימה גדולה של אלקטרונים מפני השטח של עצם כלשהו – למשל, קצה מחט. בשל האופן שבו מתרחשת פליטת השדה, צינורית-הננו הייתה צפויה לפעול לא רק כאנטנה אלא גם כמגבר. הגל האלקטרומגנטי החלש שפוגע בצינורית-הננו יגרום לנתז גדול של אלקטרונים מן הקצה החופשי והרוטט שלה. נתז אלקטרונים זה יגביר את האות הנכנס.

כעת מגיע תור הפענוח, התהליך שמפריד את המסר האינפורמטיבי – קול או מוזיקה – מתדר הגל הנושא של תחנת הרדיו שעליו הוא מקודד. בשידור רדיו בשיטת אפנון משרעת (AM), לדוגמה, הפרדה זו מושגת על ידי מעגל מיישר זרם ומסנן שמגיב רק למשרעת ומתעלם מן התדר של אות הגל הנושא, כלומר מסנן אותו. הצוות של זטל הבין שגם מטלות אלה ניתנות למימוש במתקן שלהם: כשצינורית-הננו רוטטת באופן מכני בתיאום עם תדר הגל הנושא, היא מגיבה גם לגל המידע המקודד. למרבה המזל, יישור הזרם הוא מאפיין הטבוע באופן טבעי בפליטת שדה קוונטית, כלומר הזרם שנפלט מצינורית-הננו משתנה רק בהתאם לגל המידע המקודד, או המאופנן, ואילו הגל הנושא יוצא מן התמונה. זהו פענוח בחינם – אין צורך במעגל נפרד.

כללו של דבר, אות אלקטרומגנטי נכנס יגרום לצינורית-הננו, שפועלת כעת כאנטנה, לרטוט. הקצה הרוטט שלה יגביר את האות, ותכונת יישור הזרם המובנית בפליטת השדה שלו תפריד בין הגל הנושא לגל המידע, ובעצם תפענח את האות. האלקטרודה הנגדית תבחין בשינויים בזרם פליטת השדה ותשדר שיר או מהדורת חדשות לרמקול, שימיר את האות לגלי קול.

לבצע את הניסוי

על כל פנים, זו הייתה התיאוריה. בינואר 2007 ביצעו זטל, ינסן ועוד שני חוקרים מברקלי, ג'ף וולדון והנרי גרסיה, את הניסוי בפועל. הם הציבו צינורית-ננו פחמנית מרובת דפנות על אלקטרודת סיליקון, הניחו אלקטרודה נגדית במרחק של כמיקרון אחד וחיברו את השתיים בתיל. הם הצמידו גם סוללת מתח ישר למתקן כדי ליצור זרם פליטת שדה קטן בין קצה צינורית-הננו לאלקטרודה הנגדית. כדי לראות מה יקרה במהלך שידור רדיו מאנטנה סמוכה, הם הניחו את ההתקן בתוך מיקרוסקופ אלקטרונים חודר (TEM) ברזולוציה גבוהה, ואז התחילו לשדר.

על פי הסיפור הידוע, ההודעה הראשונה שהועברה בטלפון הייתה הבקשה "מר ווטסון, בוא לכאן, אני רוצה לראות אותך," שאמר אלכסנדר גרהם בל לעוזרו בחדר הסמוך ב-1876. השידור האלחוטי הראשון, ששלח ג'וליילמו מרקוני ב-1894, היה גל רדיו שגרם לפעמון לצלצל במרחק עשרה מטרים. ובינואר 2007, פעולתו המוצלחת הראשונה של הרדיו המבוסס על צינורית-ננו של זטל הייתה קליטת המנגינה של השיר "לילה" בביצועו של אריק קלפטון (עם דֶרֶק והדומינו'ס).

"זה היה נפלא," נזכר זטל בחוויה. "מדהים ממש. יכולנו לראות את צינורית-הננו [במיקרוסקופ], והעובדה שיכולנו לראות את המבנה המולקולרי הזה רוטט ולשמוע אותו בו זמנית הייתה מלהיבה. מעולם לא חשבתי שאוכל לראות בעיניים איך רדיו פועל!"

אתם יכולים לראות את התוצאות בעצמכם, מכיוון שהנסיינים תיעדו את התהליך כולו – שמע ותמונה – והמירו את ההקלטה לסרטון QuickTime והעלו אותו לדף האינטרנט של הקבוצה של זטל, וכל אחד יכול להוריד אותו משם ולצפות בו בחינם. לאחר מכן ביצעו את אותו הדבר עם השיר "Good Vibrations" של הביץ' בויז, נעימת הנושא של "מלחמת הכוכבים" מאת ג'ון וויליאמס, והלארגו מתוך "אחשוורוש", האופרה של גיאורג פרידריך הנדל. "זה השיר הראשון ששודר מעודו באמצעות רדיו," אומר זטל.

שמיעה (וכן, גם התבוננות) בשירים האלה מנוגנים היא חוויה סורֵאליסטית. כשהתהליך מתחיל, מופיעה צינורית-ננו דקה, ארוכה ונייחת על רקע מגורען וחסר תוואים. הצינורית משתרעת בצורה אופקית ממשטח מחוספס דמוי סלע, ולצִדה צינורית-ננו קצרה יותר שלכל אורך התהליך תישאר אדישה להמולה האלקטרומגנטית שמתחוללת סביבה. (צינורית-הננו הקצרה יותר אינה רגישה לשידור משום שהתדר שבו היא רוטטת, אשר תלוי באורכה, אינו תואם לתדר של השידור הנכנס.)

בתוך זמן קצר תשמעו הרבה רעש לבן, ואז המחט נעלמת לכדי טשטוש רוטט בעוד השיר נשמע במעומעם, אבל אפשר לזהותו על רקע הרעש. זה נשמע אולי כמו שידור מכוכב הלכת נפטון, אך למעשה זהו תיעוד קולי של מספר מוגדר של אטומי פחמן, הנעים בסנכרון עם המנגינה.

זמן קצר לאחר הצלחתם הראשונית סילקו הנסיינים את ההתקן מה-TEM, ביצעו שינויים קלים בתצורת הרדיו, ואז הצליחו גם לשדר וגם לקלוט אותות משני קצות המעבדה, מרחק של כמה מטרים. הם היו מסוגלים גם להתכוונן לתדרים שונים בזמן אמת – כלומר "להעביר תחנה", כביכול, בזמן שהרדיו פועל.

יש שתי דרכים שונות לכוונן רדיו צינורית-ננו. אחת היא על ידי שינוי האורך שלו. כשם שאפשר לשנות את גובה הצליל שמפיק מיתר גיטרה על ידי לחיצה במקומות שונים בצוואר הגיטרה, כך אפשר לשנות את תדר התהודה של צינורית-ננו באמצעות קיצורה – לדוגמה, על ידי חימום שיפזר אטומים מן הקצה, אם כי זהו שינוי בלתי הפיך.

אבל יש דרך נוספת לשנות את גובה הצליל של מיתר גיטרה: לשנות את המתיחות שלו. הדבר אפשרי גם עם צינורית-ננו. שינוי העוצמה של השדה החשמלי המופעל עליה יגרום לצינורית-הננו להגיב לתדרים שונים בפס התדרים של הרדיו.

למעשה, ההתקן ביצע את כל ארבעת המשימות של הרדיו בו זמנית: הוא לבדו שימש כאנטנה, כמגבר, כמפענח וכבורר תדרים. העובדה שמבנה כה קטן ופשוט משלב את כל התפקידים האלה ממשיכה להדהים את זטל. כיצד הוא מסביר את ההתכנסות הקסומה כמעט שלהן למולקולה מוארכת אחת של פחמן?

"באלקטרוניקה, אתה ניצב לעתים קרובות לפני פשרה: אם תהפוך דבר אחד למיטבי, תאבד משהו במקום אחר. כאן הכול פשוט פועל בשבילך, והדבר קצת לא רגיל. לא רואים דברים כאלה לעתים קרובות במדע. זו אחת מן ההזדמנויות הנדירות שבהן חוק מרפי אינו מרים את ראשו המכוער. כאן, כל דבר שיכול לפעול אכן פועל," הוא אומר.

זטל ועמיתיו עיכבו את פרסום הידיעה על הננו-רדיו למשך כמה חודשים, עד שהיה אפשר לפרסמה בכתב העת Nano Letters של האגודה האמריקנית לכימיה. החשיפה הרשמית הראשונה של המתקן נעשתה באופן מקוון באוקטובר 2007, ולאחר מכן בנובמבר בגרסה המודפסת. באותו גיליון, בישרו שני חוקרים עצמאיים, כריס רת'רגלן ופיטר בֵּרק, שניהם מאוניברסיטת קליפורניה שבאירווין, על שימוש בצינורית-ננו פחמנית לפענוח של אות AM. הם כינו את המתקן שלהם "רדיו צינורית-ננו פחמנית", אך מכשיר הרדיו שלהם לא היה התקן "הכול-כלול" כמו זה של זטל. בעבודתם של רת'רגלן וברק, סופקו פונקציות האנטנה וההגברה על ידי יחידות שולחניות רגילות בגודל מלא. ברק הודה שהרדיו של זטל "אלגנטי מאוד".

מערכות גמדיות למתן תרופות

רדיו צינורית-הננו, בהופכו את הננוטכנולוגיה מאוסף של תיאוריות, של תקוות ושל ספקולציות למכשיר מעשי שפועל, הוא פריט ציוד שעשוי לשנות את פני העולם. זטל עצמו אינו מתבייש לנבא מגוון יישומי-מחץ שהננו-רדיו הופך לאפשריים: דור שלם חדש של התקני תקשורת, שתלים מוחיים ושריריים וכן הלאה. כמה מן היישומים העתידניים יותר ידרשו כמות נוספת ולא מבוטלת של תובנות ומאמץ הנדסי כדי להפוך אותם למציאות מעשית, אך אחרים קרובים אלינו בהרבה – למשל האפשרות לבנות מערכות נשלטות ברדיו לצורך מתן תרופות.

אחד מן החסרונות של הכימותרפיה בצמצום גידולים סרטניים בלתי נראים שהתפשטו בגוף, או בטיפול בגידולים שאי אפשר להסיר בניתוח, הוא שהכימיקלים שמשמשים לקטילת התאים הסרטניים עוברים בזרם הדם לכל חלקי הגוף ולעתים קרובות משמידים גם תאים בריאים. פתרון שהוצע על ידי רופאים שהיו בקשר עם זטל הוא להזריק, קודם כול, "חבילות" שמותאמות מבחינה מולקולרית לתאים סרטניים ושמכילות חומר כימותרפי וכן ננו-רדיו; לאחר שיינתן לחבילות זמן לאתר את הגידולים, אותות רדיו יגרמו לשחרור של התרופה לתוך תאי הגידול לצורך חיסולם.

שימוש נוסף יהיה לתקן תאים יחידים באמצעות הזרקת תרופות לתוכם. הקבוצה של זטל פעלה בכיוון זה בעבודתה לפיתוח גישה בקנה מידה זעיר להזרקת-ננו: החוקרים ניקבו את הדפנות והקרומיות (ממברנות) של התא והכניסו פנימה מבני צינוריות-ננו, ששחררו שם כימיקלים ספציפיים.
"התאים עומדים בזה יפה מאוד," אומר זטל. "טכניקה זו של הזרקת-ננו פועלת טוב יותר מן הטכניקה הישנה, שבה אנשים ניסו להשתמש בפיפטות מיקרוסקופיות שמנקבות תאים ומזריקות נוזל. הן גסות ומזיקות מדי לרוב התאים החיים." זטל רואה בעיני רוחו גם יישום של חיישן המסה הננומטרי המקורי שלו. סוגים מסוימים של חומרי נפץ מכילים מולקולות שאופייניות להם בלבד, בעלות מסה ידועה, כך שמכשיר זעיר שמזהה את המולקולות האלה במהירות ובאמינות יוכל להחליף את מכשירי ספקטרומטר המסות הגדולים כמקרר שמשמשים לגילוי חומרי נפץ במקומות בידוק ביטחוני בנמלי תעופה.

נכון לעכשיו, איש אינו פועל למסחור ההתקנים האלה. עם זאת, זטל רשם פטנט על הננו-רדיו שלו, על חיישן המסה ועל המצאות אחרות שמקורן ב"מרכז למערכות ננו-מכניות משולבות" שהוא מנהל, והחל להעניק לאחרים רישיונות לפיתוח הטכנולוגיה.

אין זה מפליא, אולי, שכמה מן ההישגים העדכניים של זטל בעולם הננו מגרדים את הגבול התחתון של הגודל. ביולי 2008 הכריז זטל בכתב העת Nature שהוא וקבוצתו הצליחו לגרום למיקרוסקופ אלקטרונים ליצור תמונות של אטומים יחידים של מימן – האטום הקטן בטבע. מכאן ומטה, אין עוד לאן להתקדם.

למידע נוסף

Nanotube Radio. Alex Zettl et al. in Nano Letters, Vol. 7, No. 11, pages 3508-3511; 2007.

An Atomic-Resolution Nanome­chanical Mass Sensor. Alex Zettl et al. in Nature Nanotechnology. Published online on July 20, 2008.

תמונות וסרטים של רדיו צינורית-הננו של הקבוצה מאוניברסיטת קליפורניה שבברקלי אפשר למצוא בכתובת: