מולקולה על חוט

 

 

מה"כפתורים" הפשוטים ביותר המשמשים להדלקת האור בכל חדר, ועד לחידוש האחרון בטכנולוגיית הטלפון הסלולרי או הציוד הרפואי, מתגים מהווים חלק מרכזי בכל מעגל חשמלי . בין אם הם עשויים ממתכת או חרוטים בסיליקון, המתגים מפעילים ומפסיקים את זרימת האלקטרונים במעגל. אבל עם המאמץ המתגבר למיזעור התקנים אלקטרוניים, ברור שאנו מתקרבים לגבול אפשרויות הייצור והשימוש במתגי מתכת, או מתגים הבנויים ממוליכים למחצה. מדענים רבים, במקומות שונים בעולם, מחפשים בשנים האחרונות דרכים חדשות לייצור מתגים שיוכלו לפעול בעולמה של הננו-טכנולוגיה.

 

פרופ' דוד כאהן ותלמידת המחקר עדי סלומון, מהמחלקה לחקר חומרים ופני שטח במכון ויצמן למדע, סבורים שאפשר יהיה לבנות ננו-מתגים חשמליים שיתבססו על מולקולות אורגניות (מולקולות שמכילות פחמן). מולקולות אלה אינן נחשבות, בדרך כלל, כמרכיבים חשמליים, אבל הן קטנות מספיק כדי להשתלב בהתקנים שגודלם ננו-מטרים ספורים, ואפשר לעצב את תכונותיהן כדי שיתאימו לשימושים רבים. למעשה, פיתוח מולקולות אורגניות שמסוגלות להעביר חשמל הוא רק חלק מהאתגר. כדי שיהיה אפשר להשתמש בננו-מתגים ובהתקנים מולקולריים אחרים, יש לחבר אותם ל"עולם החיצוני" באמצעות "חוטים" העשויים מחומרים מקובלים (כגון נחושת).

 

תובנה ייחודית בתחום החיבור של מולקולות לחוטים נבעה ממחקר שביצעו עדי סלומון והחוקר הבתר-דוקטוריאלי דאז, ד"ר יורם זלצר (כעת באוניברסיטת תל-אביב), במעבדתו של פרופ' כאהן במכון ויצמן למדע. הם מצאו שכמו בין אנשים, כימיה היא גורם חשוב ביכולתם של מולקולות וחוטי מתכת לתקשר ביניהם. כאשר יש ביניהם כימיה (כלומר, כאשר יש ביניהם קשר כימי המתבטא בכך שהם חולקים אלקטרונים ביניהם), המחסומים למעבר אלקטרונים יורדים - והחשמל מתחיל לזרום באמת. מולקולות וחוטים שקשורים ביניהם בקשר כימי מעבירים ביניהם זרם גבוה בהרבה בהשוואה לזרם שעובר ביניהם כאשר יש ביניהם קשר פיסי בלבד, כלומר, כשהם רק נוגעים זה בזה.

 

בעקבות התובנה הזאת ניסו המדענים לייצר ננו-מתגים שיתבססו על יצירה ושבירה של קשרים כימיים, דבר שיאפשר הפעלה והפסקה של הזרם החשמלי. בעבודה זו נתקלו בתופעה חשמלית הקרויה התנגדות דיפרנציאלית שלילית (NDR) - שנראית כאילו היא פועלת בניגוד לחוקי החשמל הרגילים: בדרך כלל, כשמעלים את המתח, עולה גם הזרם. אבל בתופעה זו, כאשר המתח עולה, הזרם מגיע בתחילה לשיא, ואחר-כך הוא יורד - ואז שוב עולה. במילים אחרות, התופעה הזאת מאפשרת את קיומו של מתג ללא חלקים זזים. גילויהתופעה הזאת זיכה את ליאו אסאקי בפרס נובל בפיסיקה בשנת 1973.

 

ניצול תופעת ה-NDR בעולם המולקולרי עשוי להוות התקדמות חשובה בתחום הננו-אלקטרוניקה. אבל המשימה הזאת הייתה במשך זמן רב רחוקה מאוד מהישג יד. עד כה הצליחו לעשות זאת רק במולקולות שקוררו לטמפרטורות נמוכות מאוד. עדי סלומון, וחברים נוספים בקבוצת המחקר של פרופ' דוד כאהן, החליטו לנסות ליצור מתגים מולקולריים שיתבססו על תופעת ה- NDR ועל יצירה ושבירה של קשרים כימיים בין המולקולות, שיוכלו לפעול בטמפרטורות גבוהות בהרבה. המודל שלהםלחיקוי היו מולקולות ביולוגיות שעושות זאת, במערכות חיות, זה מיליארדי שנים. לדוגמה, כמה סוגים של חומצות אמיניות (מולקולות שהן המרכיבים הבסיסיים של החלבונים), יוצרות ושוברות קשרים כימיים עם אטומי גופרית כדבר שבשגרה.

 

יחד עם קבוצת המחקר של פרופ' אברהם שנצר, מהמחלקה לכימיה אורגנית במכון ויצמן למדע, הצליחו המדענים ליצור מולקולות אורגניות הכוללות אטומי גופרית, שהם אלה אשר יוצרים את הקשר הכימי עם החוטים. מולקולות אלה יכולות להעביר אלקטרונים בשני מסלולים: דרך קשר כימי במתח נמוך יחסית, או דרך קשר פיסי - במתח גבוה יותר. כאשר המתח מתקרב לרמה הגבוהה יותר, נשבר הקשר הכימי שבין אטומי הגופרית והחוט, ונוצר מחסום לזרימת האלקטרונים (כיוון שעכשיו האלקטרונים יכולים לזרום רק דרך הקשר הפיסי שבין החומרים). במצב זה הזרם פוחת במידה רבה מאוד - והמתג מופעל.

 

לכאורה, הפתרון למתג מסוג זה נראה פשוט למדי - יצירה ושבירה של קשר כימי - חיקוי מנגנון הקיים בטבע. אולם, כדי שהמתג יפעל מספר רב של פעמים, המולקולות חייבות להישאר במקומן גם לאחר ניתוק הקשר הכימי (כדי לאפשר את יצירת הקשר הכימי מחדש כאשר מורידים את המתח במטרה "לסגור" שוב את המתג). אלא שהניתוק הראשון של הקשר הכימי עם החוט גרם למולקולות להתפזר לכל עבר. כדי למנוע את התופעה הלא רצויה הזאת, מדעני הקבוצה והכימאים האורגניים, שאליהם הצטרף גם תלמיד המחקר אמיר קרטון, מקבוצתו של פרופ' גרשום מרטין מהמחלקה לכימיה אורגנית במכון ויצמן למדע, עיצבו את המולקולות מחדש וחיברו להן "זנב" ארוך, שגרם להן להישאר יחד גם כאשר הקשרים הכימיים ביניהם נשברו. המתגים האורגניים המולקולריים יישמו את תופעת ה- NDR בטמפרטורת החדר, ופעלו שוב ושוב ביציבות ובאמינות.

 

המדענים אומרים, שעקרון הפעולה של המתגים המולקולריים החדשים האלה עשוי לשמש לבניית מאגרי זיכרון ננו-מטריים ומפסקים להפעלת חישנים זעירים.