גשר קטן גדול

01.09.2005
מימין: פרופ' עמיר יעקבי, פרופ' ישראל בר-יוסף ופרופ' יוסף שפרלינג. שילובים מדעיים
 
ידיים קטנות במיוחד - פרופ' הורסט סטורמר מאוניברסיטת קולומביה, חתן פרס נובל בפיסיקה לשנת 1998, נוהג לספר, בחיוך, שזו התכונה החשובה שהוא מחפש אצל המועמדים לתפקידי חוקרים בתר-דוקטוריאליים במעבדתו. זו דרכו לומר, שבמה שקשור לבניית התקנים אלקטרוניים, הגודל באמת קובע. ככל שההתקן קטן יותר, זעיר יותר, הוא מאפשר לבנות מערכות מהירות, יעילות ומדויקות יותר. השאלה היא, עד כמה אפשר להמשיך  ולמזער את ההתקנים. האם, למשל, אפשר לחבר חוט למולקולה בודדת ולמדוד את תכונות הולכת החשמל שלה? שילוב מפתיע של כוחות מדעיים, שהתגבש במכון ויצמן למדע, הוביל למציאת דרך לביצוע המשימה הזאת, שמגדירה מחדש את גבול אפשרויות המיזעור.
 
פרופ' ישראל בר-יוסף, ראש המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע, ופרופ' עמיר יעקבי מאותה מחלקה, ניסו למצוא דרכים למדוד הולכה של זרם חשמלי דרך מולקולה אורגנית אחת (הולכה נמדדת בדרך כלל בגושים של מתכות, או בגבישים). כדי למדוד את ההולכה דרך המולקולה הבודדת, יש לחבר לשני קצותיה תיילים מוליכי חשמל. אלא שלא כל כך קל לחבר מולקולה מיקרוסקופית לתיילים מאקרוסקופיים. במילים אחרות, המולקולה קטנה מכדי שאפשר יהיה לחבר אותה לתיילים הדקים ביותר שבנמצא.
 
בעוד הפיסיקאים מנסים למצוא פתרון לבעיה, ישב בבניין אחר במכון פרופ' יוסי שפרלינג מהמחלקה לכימיה אורגנית, והתמקד בתהליכי העיבוד של המידע הגנטי בתא. מתברר, שהמידע האגור בגנים עובר תהליכי עריכה מורכבים, הקובעים ומעצבים את המידע שעל-פיו ייוצרו החלבונים. כדי לעקוב אחר התהליך הזה, הצמיד פרופ' שפרלינג ננו-חלקיקים עשויים מזהב למולקולת האר-אן-אי שליח, המעבירה את המידע הנחוץ לבניית החלבון מגרעין התא אל הריבוזום שבחלל התא. כששמע על הבעיה שמעסיקה את הפיסיקאים, עלה פרופ' שפרלינג על אופניו, רכב לקצה האחר של קמפוס המכון, ונקש על דלתו  של פרופ' בר-יוסף.
 
בעזרת המומחיות שפיתח פרופ' שפרלינג בהצמדת ננו-חלקיקי זהב למולקולות בודדות, חיברו המדענים שני חלקיקים כאלה למולקולה בודדת של בנזן,  ולאחר מכן לשתי מולקולות בנזן ("די-פניל") הצמודות זו לזו. כך עלה בידיהם לגשר באמצעות ננו-חלקיקים בין העולם המיקרוסקופי של המולקולה הבודדת, לעולם המאקרוסקופי של התיילים מוליכי החשמל. בשלב הבא בנו פרופ' בר-יוסף ופרופ' יעקבי התקן זעיר שבמסגרתו שילבו את מולקולת הדי-פניל עם שני חלקיקי הזהב משני קצותיה,  כך שמגעי ההתקן יכלו להעביר זרם חשמלי אל חלקיק הזהב, וממנו - דרך המולקולה האורגנית שאורכה כננומטר אחד בלבד - אל חלקיק הזהב השני ואל צדו השני של המעגל החשמלי הזעיר. במחקר זה השתתפו תלמידי המחקר טלי דדוש מהמחלקה לכימיה אורגנית, ויואב גורדין מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה.
 
באמצעות ההתקן הזה, המכיל מעין חוט, או גשר העשוי ממולקולה אורגנית בודדת, החלו המדענים לבצע סידרה של ניסויים במטרה לבחון את תכונות ההולכה של המולקולה. אחת השאלות שנשאלו במחקר זה הייתה: מה הוא הגורם האחראי לתכונת ההולכה של המולקולה? מה גורם לכך שמולקולה אחת תעביר זרם חשמלי, ואילו מולקולה אחרת לא תעשה זאת? כאשר המטען החשמלי של האלקטרונים "פרוס" על פני שטחים גדולים של המולקולה, כל תוספת של אלקטרון בצד אחד של המולקולה תביא ליציאת אלקטרון אחר מהצד האחר. משמעות התופעה הזאת היא, שזרם חשמלי עבר דרך המולקולה (נכנס מצד אחד ויצא מצד אחר). אבל מה יקרה כאשר המטען של האלקטרונים  בכל אחת ממולקולות הבנזן המרכיבות את הדי-פניל אכן פרוס על שטחים נרחבים - אבל בין שתי מולקולותהבנזן ממוקם אטום חמצן? הודות להתקן החדש שפיתחו התברר למדענים, שדי באטום חמצן אחד כזה כדי לבלום את מעבר הזרם החשמלי דרך "גשר" הדי-פניל. מאמר על המחקר הזה  פורסם בכתב העת המדעי "נייצ'ר".  
 
בעתיד מתכננים המדענים לבחון השפעות של שינויי מבנים נוספים על תכונות ההולכה של מולקולות אורגניות בודדות, עד שיעלה בידם לפתח דרך לשלוט בתכונות ההולכה של החוט המולקולרי. שליטה כזאת עשויה לאפשר, בעתיד, יצירה של ננו-טרנזיסטורים  מתקדמים, שיעצבו מחדש את עולם המושגים בתחום האלקטרוניקה.
 
 
תלמידי המחקר טלי דדוש ויואב גורדין. חוט מקשר
 

 
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם