כשהטבע פוגש את האלקטרוניקה

01.09.2004
פרופ' רון נעמן. יש פיסיקה כזאת
 
גורדון מור, אחד ממייסדי "אינטל", מצא שבכל שנה מצליחים המדענים להכפיל את קיבולת המידע בשבבי הסיליקון שבמחשב. זה היה בשנת 1965. התופעה הזאת, שקיבלה את השם "חוק מור", עדיין קיימת, אלא שבשנים האחרונות הקיבולת מוכפלת בערך\ כל 18 חודשים. המהנדסים יכולים כעת לדחוס כ30- מיליון טרנזיסטורים לשבב אחד. אך המדענים יודעים, שמסע המיזעור הזה יגיע בקרוב לגבולות שיציבו לפניו הטבע מצד אחד, ותחשיבי הכדאיות הכלכליים מצד שני.
 
מה שיכול לשנות את פני הדברים הוא שיתוף פעולה בין האלקטרוניקה לטבע. מולקולות אורגניות יוצרות באופן טבעי מבנים בעלי תפקוד מדויק להפליא, כגון הריבוזום, שמתרגם את המסר הגנטי הצפון בדי-אן-אי כדי לבנות על-פיו חלבונים. יתר על כן, המדענים מקווים למצוא דרך לגרום לכך שננו-התקנים המבוססים על מולקולות ביולוגיות יוכלו להתארגן בעצמם, ללא מגע יד אדם. מדעני המכון עשו באחרונה צעד בכיוון זה. הם מיזגו מקטע די-אן-אי עם ננו-צינור עשוי פחמן, ולאחר חמש שנים של מחקר בנו על בסיס השילוב הזה טרנזיסטור שמתארגן בכוחות עצמו ויכול לקיים יחסי גומלין עם מולקולות ביולוגיות.
 
מדובר בתהליך פשוט של הרכבה עצמית בשני שלבים, שמאפשר ליצור בו בזמן מאות טרנזיסטורים, אבני הבניין של תעשיית האלקטרוניקה. אפשר לעצב את הטרנזי- סטורים כך שיכירו מיגוון רחב של הרכבים ביולוגיים - תכונה שיכולה לשמש לבניית מחשבים ומכשירים אלקטרוניים אחרים, אבל גם עשויה לקדם ייצור של חישנים זעירים שיבצעו איבחונים רפואיים שונים בגוף. בשיטה זו אפשר גם - לראשונה - לשנות את תכונות הטרנזיסטור לאחר שהוא מיוצר, דבר שמוזיל במידה ניכרת את השימוש בו.
 
המחקר, אשר פורסם בכתב העת המדעיCHEMICALS PHYSICS LETTERS, בוצע על-ידי קבוצה רב-תחומית, שבראשה עמד הכימאי פרופ' רון נעמן, והשתתפו בה הפיסיקאי ד"רדמיטרי שוורץ, הביוכימאי ד"ר מירון חזני, ותלמידי המחקר דנה פלד, שהיא בעלת הכשרה ביולוגית, וויקטור סידורוב, שהוא בעל רקע בליטוגרפיה וצריבת מעגלים אלקטרוניים במחשבים. המעגל שהכינו מדעני המכון כולל ננו-צינור עשוי פחמן, קטע קצר של די-אן-אי, ומשטח מצופה זהב המחובר לאלקטרודות זהב. התכונה הייחודית של בנייה עצמית מושגת הודות למבנה הסלילי הכפול של הדי-אן-אי, הכולל שני גדילים המחוברים בזוגות של "אותיות גנטיות" (נוקליאוטידים). גדיל אחד מותאם ונקשר לננו-צינור הפחמני, ואילו הקטע התואם שלו מחובר למשטח הזהב. כשמכניסים למערכת את הננו-צינור, הדי- אן-אי הקשור אליו נקשר לגדיל המחובר למשטח הזהב, ובכך נוצר מעגל סגור. התוצאה היא טרנזיסטור שניתן להדליק או לכבות באמצעות זרם חשמלי.
 
מבנה זה עוקף את הקושי הנובע מהעובדה שמולקולות ביולוגיות אינן מעבירות חשמל ביעילות, ומטיל את המלאכה הזאת על הננו-צינורות הפחמניים שהם מוליכים יעילים. ממדיהם של הננו-צינורות האלה קטנים ומתאימים לעבודה עם מולקולות: רוחבם הוא כננומטר אחד (ננומטר הוא מיליונית של מילימטר או בערך אחד חלקי מאה אלף מרוחבה של שערת אדם).
 
בעבר הייתה למעגלים הביולוגיים תפוקה קטנה והם לא החזיקו מעמד הרבה זמן, בין הייתר מכיוון שעיצובם גרם לפירוק מהיר של המולקולות הביולוגיות. אבל המעגל החדש שפיתחו מדעני המכון יכול לפעול במשך חודשים תמימים, ואפשר לייצר אותו בכמויות גדולות. הוא גם מעביר זרם חשמלי פי 100 חזק יותר מההתקנים הקודמים. 
 
כדי לשנות את תכונות הטרנזיסטור לאחר שכבר נוצר, משתמשים המדענים באנזימים המתפקדים כ"עורכים ביולוגיים" אשר חותכים את סלילי הדי-אן-אי בנקודות מסוימות לאורך השרשרת ומוסיפים קטעים חדשים. "צריך להתגבר על מכשולים גדולים לפני שלרשות התעשייה יעמדו טרנזיסטורים הבונים את עצמם, אך החלום הוא ליצור מערכת מתוחכמת שיכולה לחוש, להרגיש ולהגיב", אומר פרופ' נעמן.

 

איך נוצר מגנט

כאשר תלמיד המחקר איתי כרמלי הראה את התוצאות שקיבל למנחה שלו, פרופ' רון נעמן מהמחלקה לפיסיקה כימית במכון ויצמן למדע, אמר לו המנחה לחזור לעבודה. "אמרתי לו שאין פיסיקה כזאת", נזכר בחיוך פרופ' נעמן. "אבל לאחר שנה הוא חזר - עם תוצאות דומות".
 
כרמלי ניסה ליצור שכבות דקות מאוד, חד-מולקולריות, של מולקולות אורגניות על משטח זהב. כשהצליח בכך, הופתע לגלות שהשכבות שלו מתנהגות כמגנט חזק. פרופ' נעמן מסביר, שקיימים סוגים שונים של מגנטים: אלה שעל דלת המקרר, אשר תמיד מתנהגים כמגנטים; אלה שהופכים למגנטים באופן זמני כאשר הם חשופים לשדה מגנטי חזק, כגון מהדקים ומסמרים; וגם מגנטים הניזונים מזרם חשמלי. כמעט לכל אלה יש לפחות מרכיב אחד בעל תכונות מגנטיות. מה שמעניין בסיפור שלנו, זה שבשכבות דקות לא היו שום חומרים מגנטיים.
 
במחקר שהתפרסם באחרונה בכתבי- העת המדעיים, PHYSICAL REVIEWS LETTERS, ו- JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS, דיווחו מדעני המכון על ניסויים שביצעו בשכבות חד-מולקולריות העשויות משלושה סוגים של מולקולות אורגניות. למולקולות היה קוטב חיובי וקוטב שלילי, והן היו דחוסות וצמודות זו לזו, כך שהקטבים השליליים פנו למשטח הזהב והקטבים החיוביים פנו החוצה. "וכאן כנראה טמון הסוד", אומר נעמן: "ידוע שמטענים הפוכים נמשכים אחד לשני, ומטענים זהים דוחים אחד את השני, במיוחד כשהם נמצאים קרוב אחד לשני על פני השטח של השכבה. הקבוצה שלנו, שכללה את הפיסיקאי פרופ' זאב וגר ואת מדעני החומרים פרופ' שמעון רייך וד"ר גרגורי לייטוס, סבורה שכוח הדחייה הוא זה שגרם לאלקטרונים לזרום בין משטח הזהב ולנטרל את אחד מהאתרים הטעונים במולקולות, במעין 'ניסיון' לייצב את המערכת. שכבה מאוד דקה זו של אלקטרונים היא זו שמייצרת את זרם החשמלי ויוצרת בכך מגנט". פרופ' וגר: "אנחנו מאמינים שהאלקטרונים מתנהגים כמו בצוות. אלקטרונים בדרך כלל מסתובבים במעגלים קטנים סביב מולקולות בודדות, אך במקרה שלנו ייתכן שהם מסתובבים סביב שטח הכולל מאות אלפי מולקולות שבשכבה, ובכך יוצרים זרם חשמלי אשר הופך את המערכת למגנט חזק. יכול להיות שניתן יהיה להשתמש בשכבות מסוג זה כבמגנטים בדיסקים עתידיים שיהיו בעלי צפיפות גבוהה, ובהתקנים אלקטרוניים מתקדמים אחרים.

 

רגעים מגנטיים

ציפורים עושות זאת, גם דבורים, גם לווייתנים, דגי הסלמון, ולפי מחקר חדש, אפילו לובסטרים באיים הקריביים - כל אלה משתמשים בשדה המגנטישל כדור-הארץ כבמצפן ניווט.
 
היו אלה היוונים והסינים הקדומים שגילו את תופעת המגנטיות. הם עשו ניסיונות עם חומרים בסביבתם הטבעית, ומצאו שאבנים נדירות מסוימות, שהם קראו להן "אבנים שואבות", מושכות חתיכות ברזל קטנות. ועוד תכונה "מאגית" נמצאה: שכשתולים אותן על חוט, האבנים האלה מצביעות תמיד לכיוונים צפון-דרום. תוך זמן קצר הן מצאו שימוש חיוני אצל נווטים, מגידי עתידות ובנאים.
 
במאה ה-13 גילה הצרפתי פייר דה מריקור שלמגנטים יש שני קטבים, הצפוני והדרומי. ובמאה ה17- הסיק האנגלי סר ויליאם גילברט שכדור-הארץ עצמו הוא מגנט עצום בעל קוטב צפוני ודרומי, מה שמסביר את פלאי המסלולים של חיות נודדות. במאה ה19- גילה הפיסיקאי הדני הנס קריסטיאן, שזרם חשמלי אשר זורם בחוט יוצר תופעה שקיבלה את השם אלקטרו-מגנטיות. כיום אנו משתמשים באלקטרו-מגנטים במכשירים חשמליים רבים.

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם