פיתול גורלי

 

 

מה שלא הולך בכוח, הולך ביותר כוח. האמירה הלא פופולרית הזאת מקבלת משמעות חדשה ומפתיעה כשמפעילים אותה על מבנים מולקולריים זעירים. ד"ר ארנסטו יוסלביץ וחברי קבוצת המחקר שלו מהמחלקה לחקר חומרים ופני שטח במכון ויצמן למדע ניסו לפתל ננו-צינורות פחמניים. התוצאות שקיבלו תוארו במאמר הפותח של הגיליון הראשון של כתב העת Nature Nanotechnology, שיצא לאור באחרונה.

 

ננו-צינורות פחמן מתאפיינים במיגוון תכונות העושות אותם למועמדים אידיאליים לשמש מרכיבים בהתקנים אלקטרוניים ומכניים זעירים. אלו הם חוטים מולקולריים גמישים וחזקים, בעלי מוליכות טובה משל נחושת, וקשיחות חזקה משל יהלום. מאז שהתגלו, לפני מעט יותר מעשור, מושקעים מאמצים רבים במטרה להבין את תכונותיהם ואת אופן היווצרותם, ובעיקר ליצור מהם מבנים מסודרים ומתוכננים לפי הצורך.

 

אחת מתכונותיהם של ננו-צינורות פחמן היא ה"דו-פרצופיות" שלהם בתחום ההולכה של זרם חשמלי. מתברר שננו-צינורות פחמן יכולים להתנהג כמתכת, המתאפיינת במוליכות חשמלית גבוהה מאוד, או כמוליך-למחצה, דוגמת שבבי סיליקון שבתנאים מסוימים פועלים כמוליכים ובתנאים אחרים פועלים כמבודדים. במקרה של הננו-צינורות הפחמניים, הבחירה אם לתפקד כמוליך או כמוליך למחצה תלויה בקוטר הצינור, וכן ב"סליליות" (כיראליות) שלהם, כלומר הכיוון שבו משטח הפחמן "נסגר על עצמו" ליצירת הצינור. תופעת הכיראליות מתבטאת בקיומן של מולקולות בעלות הרכב כימי זהה הנבדלות זו מזו במבנה המרחבי שלהן, כך שמולקולה אחת מהווה מעין "תמונת מראה" של המולקולה האחרת. הדבר מזכיר את הדמיון וההבדל שקיימים בין כף יד ימין לכף יד שמאל (ומכאן שמה של התופעה: כיראל - כף יד ביוונית). לפיכך, על-אף הזהות הכימית ביניהן, אי-אפשר להציב את המולקולות האלה כך שיחפפו זו את זו, כפי שאי-אפשר להציב בחפיפה את כף יד ימין עם כף יד שמאל.

 

הכיראליות נחשבה תמיד תכונה בסיסית שאינה ניתנת לשינוי, אבל ד"ר יוסלביץ שאל את עצמו, האם יש דרך לשנות את הכיראליות באמצעות פיתול של הננו-צינור, ובכך להפוך מוליך למוליך-למחצה, ולהיפך.

 

כדי לפתל את הננו-צינור, יצרו המדענים התקן ייחודי המורכב מננו-צינור המחובר לשני מגעים חשמליים ודוושה הממוקמת במרכז הננו-צינור. צוות המחקר, שכלל בנוסף לד"ר יוסלביץ את תלמידי המחקר צחי כהן-קרני, ליאור שגב ואונית סרור-לביא, ואת ד"ר סידני כהן, השתמשו למטרה זו בתהליך "הדפסה" הנעשה באמצעות קרן אלקטרונים. לחיצה על הדוושה באמצעות מחט דקה, של מיקרוסקופ כוח-אטומי, גורמת לפיתול של הצינור, בדומה לריקוד ה"טוויסט" הפופולרי משנות ה-60 של המאה הקודמת. שינויי ההולכה שנגרמים כתוצאה מ"ריקוד הטוויסט" נמדדים באמצעות המגעים החשמליים.

 

פיתול הדרגתי של הננו-צינור גרם עליות וירידות מחזוריות בשיעור ההולכה. בדיקה של פיזור האלקטרונים בננו-צינור בזמן הפיתול הראתה, כי אכן מתקיים בו מעבר מחזורי בין מצב של מוליך למצב של מוליך-למחצה. צוות החוקרים הציע מודל מתמטי המאפשר לחשב ולחזות את התנודות בהולכה, על-פי השינויים במידת פיתול הצינור. ממצאים אלה עשויים לסייע, בעתיד, בתכנון ובייצור של קפיצים-מתפתלים חכמים וזעירים, המסוגלים למדוד את מידת הפיתול של עצמם - באמצעות השינוי בעוצמת הזרם החשמלי העובר בהם. קפיצים כאלה יכולים לשמש בסיס למיגוון התקנים ננו-אלקטרו-מכניים, כגון חישנים כימיים או ביולוגיים, וגם ג'ירוסקופ העשוי לסייע בניווט כלי טיס זעירים ובשמירה על יציבותם.