חשמל על-פני השטח

מערכות ביולוגיות, כמו המוח, מעבירות אותות חשמליים באמצעים יונים. מדעני המכון פיתחו שיטה המאפשרת את בנייתן של תעלות מוליכות יונים על פני שטח של חומר מוצק. שיטה זו עשויה לקדם את פיתוחם של יישומים טכנולוגיים מתקדמים.

מערכות חיות, כמו המוח, אינן מעבירות אותות חשמליים באמצעות אלקטרונים, אלא באמצעות יונים (אטומים ומולקולות הנושאים מטען חשמלי). חקר הזרמים החשמליים אשר מבוססים על תנועת יונים בהֶתְקֵנים ננומטריים קרוי ננויוניקה, והוא עשוי, בעתיד, להוביל לפיתוח טכנולוגיות מתקדמות ומפתיעות. בדומה למערכות חיות, התקנים שמבוססים על תנועת יונים יכולים, בהיבטים מסוימים, להיות יעילים יותר מהתקנים אלקטרוניים. מדעני מכון ויצמן למדע הצליחו להתקדם צעד אחד נוסף בדרך לבניית מעגלים יוניים מלאכותיים.

מעגלים יוניים מלאכותיים צריכים לכלול תעלות מוליכות יונים שנבנו על-פי הגדרות מסוימות, אך בניית תעלות אלה מציבה אתגר טכני כפול: יש להתגבר על איטיות תנועתם של יונים הנעים בחומר מוצק בטמפרטורת החדר, ויש למצוא שיטות שיגבילו את תנועתם למסלולים שנקבעו מראש. כפי שהתפרסם בכתב-העת המדעי Nature Materials, הגישה שפיתחו מדעני המכון מאפשרת את בנייתן של תעלות מוליכות יונים, בעלות מבנה וגודל מתוכנן, על-פני שטח של חומר מוצק.

המדענים עבדו עם שכבות אורגניות מסודרות דקות ביותר, בעובי מולקולה אחת בלבד, שנבנו על משטח צורן (סיליקון) באמצעות תהליך הקרוי "ארגון עצמי על-פני השטח". בהמשך השתמשו המדענים במיקרוסקופ כוח אטומי כדי "לשרטט" את תעלות היונים הרצויות על המשטח. מיקרוסקופ זה "חש" את פני השטח של החומר באמצעות מחט דקה, שגם מסוגלת לשנותו מבחינה כימית בעזרת זרם חשמלי חלש הזורם דרך הקצה שלה. בשיטה זו שינו המדענים אתרים נבחרים על פני השטח של השכבה המולקולרית, וכך שירטטו את הדפוס הרצוי של תעלות מוליכות יונים ברוחב של עשרות ננומטרים ובאורך של עד כמאה מיקרונים (עשירית המילימטר). שימוש בחותמות חשמליות מיוחדות, במקום המחט, איפשר "להדפיס" באופן דומה תעלות מוליכות יונים בעלות ממדים גדולים יותר, על-פני שטח של מספר סנטימטרים מרובעים.

בשלב זה בחנו המדענים את דפוסי התעלות היוניות שנוצרו באמצעות שילוב של מספר כלים מתקדמים המשמשים לאיפיון פני שטח: מיקרוסקופ כוח אטומי, ספקטרוסקופ אינפרה-אדום המותאם לפני השטח, ספקטרוסקופ פליטת אלקטרונים באמצעות קרני רנטגן ומיקרוסקופ אלקטרונים סורק, יחד עם מדידות חשמליות רגישות. יונים של כסף, של טיטניום, ושל מתכות אחרות נעו ביעילות בתעלות אלה, כשהם מוּנעים במתח חשמלי נמוך.

את המחקר, בו משולבים יֶדע בסיסי וניסיון מעשי מתחומים שונים, ביצעו חברי קבוצתו של פרופ' יעקב סגיב במחלקה לחומרים ופני שטח במכון ויצמן למדע: ד"ר יונתן ברסון (אז סטודנט לתואר שלישי), ד"ר דורון בורשטיין, ד"ר אסף זעירא, אלכסנדר יופה, ומדענית הסגל ד"ר רבקה מעוז. ד"ר מעוז מובילה יחד עם פרופ' סגיב את כל הפעילות המחקרית בקבוצה – החל מתכנון המחקר, דרך ביצוע הניסויים במעבדה וניתוחם, וכלה בסיכום ממצאי הניסויים לפרסום. "הסינרגיה בשילוב הכישורים של ד"ר מעוז ושלי היא המפתח להצלחת המחקר שלנו", אומר פרופ' סגיב.

הגישה החדשה עשויה אולי לסייע, בעתיד, בפיתוח התקנים ננויוניים אשר יחקו מערכות ביולוגיות – אפילו אם לא יתבססו על אותם מנגנוני פעולה. התקנים כאלה עשויים להיות מתקדמים יותר מטכנולוגיות אלקטרוניות עכשוויות, ולהציע תכונות שיתאימו ליישומים מתקדמים חדשים, ובהם סוללות מתקדמות, וזכרונות מחשב שיצרכו מעט אנרגיה וישמרו מידע לזמן רב ביותר.

בטווח המיידי, מחקר זה פותח הזדמנויות חדשות לחקר תכונות החומר, השונות בקנה-המידה הננומטרי לעומת קנה-המידה המאקרוסקופי (בעולמם של "הדברים הגדולים"). בין היתר, בניסויים נצפתה תנועת יונים מהירה באופן מפתיע, והמדענים משערים שממצאים אלה עשויים להוביל לכיווני מחקר מפתיעים ומבטיחים – הרבה יותר ממה שתיארו לעצמם בתחילת עבודתם הנוכחית.