בין שני עולמות: על התקנים זעירים בעולם גדול

בהינתן העובדה שאין באפשרותנו לכווץ עצמנו לגודל של מולקולה או אטום, כיצד ניכנס בשערי הארץ המובטחת של ההתקנים הזעירים ביותר – הננו-התקנים? התקנים זעירים שכאלה, עם קיבולת נתונים עצומה ושאר אפשרויות מלהיבות, הם אמנם הבטחת העתיד, אך שילובם בעולם הגדול שבו אנו חיים מהווה אתגר לא מבוטל. מדעני מכון ויצמן למדע פיתחו באחרונה שיטה חדשה שעשויה לגשר על התהום הפעורה בין העולם הגדול (המקרו) והעולם הזעיר (הננו) באמצעות הדפסים כימיים.

ראשיתו של הפרויקט בתצפית מפתיעה במעבדתו של פרופ' יעקב סגיב במחלקה לחומרים ופני שטח. במסגרת ניסויים במבנים מולקולריים שכבתיים, מדענית הסגל ד"ר רבקה מעוז חשפה לאלומת אלקטרונים מבנה המורכב ממצע סיליקון מצופה בחד-שכבה (שכבה בהרכבה עצמית בעובי של מולקולה אחת) של חומר דמוי סבון, ומעליה שכבה דקה של פולימר מכיל חמצן. בתנאים רגילים, שכבת הפולימר מתקלפת בקלות מהחד-שכבה שמתחתיה, אך לאחר החשיפה לאלומת האלקטרונים, שתי השכבות נשארו דבוקות זו לזו. המדענים מצאו הסבר לתגלית הבלתי-צפויה: החשיפה לאלומת האלקטרונים הובילה לשינוי כימי בפני השטח של החד-שכבה כתוצאה מתגובת חמצון בתפר שבינה ובין שכבת הפולימר.

כפי שדווח בכתב-העת המדעי ACS Nano, צוות החוקרים, שכלל גם את ד"ר יונתן ברסון, ד"ר דורון בורשטיין, ד"ר פיטר נלסון ואריאל זינגר מהמחלקה לחומרים ופני שטח, וד"ר אורה ביטון מהמחלקה לתשתיות למחקר כימי, פיתח על בסיס התגלית שיטה חדשנית ליצירת ננו-הדפסים. במסגרת שיטה זו, אלומת אלקטרונים מכוונת לאזורי משטח מוגדרים מראש ומשמשת ליצירת הדפסים כימיים זעירים ביותר על-גבי המשטח. שליטה מדויקת בהכוונת אלומת האלקטרונים, באמצעות מכשור שמיועד למטרה זו, אפשרה למדענים לייצר הדפסים מורכבים על-פני השטח של החד-שכבה. את ההדפסים הזעירים שנוצרו בתהליך הזה אפשר היה לזהות ולצפות בהם באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי.

המדענים אף מצאו כי לא מדובר במקרה פרטי של אותו פולימר, וכי שכבות דקות של חומרים נוספים, כולל מתכות, יכולות לשמש זרז לשינויים כימיים באמצעות אלומת אלקטרונים. בהמשך גם התברר ששינויים כימיים נוספים יכולים להתרחש בתהליך דומה על-פני משטחים מסוגים שונים. ממצאים אלה מצביעים על כך שלשיטה שפותחה יש פוטנציאל רחב ליצירת ננו-הדפסים כימיים למטרות שונות. למשל, כך ניתן לייצר סוג חדש של מעגלים אלקטרוניים בעובי מולקולרי, שבהם מסלולי שטח מוליכי זרם חשמלי מבודדים זה מזה באמצעות אזורים בלתי-מוליכים.  

יצירת שינויים כימיים מבוקרים באזורים נבחרים בשכבת האטומים החיצונית של פני חומר מוצק – מבלי לחולל שינויים באזורים סמוכים או בשכבות עמוקות יותר – מהווה גישה חדשה לגמרי ליצירת ננו-הדפסים, והיא בעלת יתרונות ייחודיים. השיטות הקיימות ליצירת ננו-הדפסים באמצעות אלומת אלקטרונים פועלות באחת משתי גישות: תהליכים הרסניים שבהם "חופרים" בתוך החומר, או לחלופין, תהליכים שבהם מוסיפים חומרים אחרים על-פני השטח של חומר נתון. בשני המקרים נוצרים בתהליך, באופן בלתי-נמנע, פגמים מבניים בתפר שבין אזורים שונים של ההדפס. להבדיל, השיטה הכימית שפותחה אינה פולשנית ואינה הרסנית; היא מאפשרת יצירת הדפסי שטח חסרי פגמים, ללא "תפרים" בין אזורים שונים של ההדפס – יתרון חשוב ביישומים רבים, וחיוני במיוחד ביצירה של מעגלים אלקטרוניים.

לא פחות חשוב: שיטות אחרות ליצירת ננו-הדפסים פועלות בתחום ממדי הננו בלבד. משמעות הדבר היא שנדרשות טכנולוגיות נוספות על-מנת לחבר בין ננו-התקנים המיוצרים בשיטות אלה ועולם המקרו. יצירת חיבורים מסוג זה מציבה אתגרים טכנולוגיים לא פשוטים, ועצם הימצאותם עלולה לגרור תקלות מרובות. בשיטה הכימית החדשה, לעומת זאת, אפשר לייצר הדפסים בטווח ממדים עצום, מננו עד מקרו, כך שאותה טכנולוגיה תוכל לגשר בהצלחה בין שני העולמות