לפעמים ההיסטוריה חוזרת. אבל האם ההיסטוריה של "הדברים הגדולים" יכולה לחזור ולהתחולל שנית בתהליכי התפתחותם של "הדברים הקטנים"? האם ייתכן, למשל, שההיסטוריה של האדריכלות האנושית תחזור על עצמה במה שנוגע לדרכי ייצור ובנייה של התקנים אלקטרוניים שגודלם כמיליונית המילימטר? פרופ' יעקב סגיב מהמחלקה לחקר חומרים ופני שטח במכון מאמין שזה בדיוק הכיוון שבו תתקדם הטכנולוגיה העתידית.
"אבותינו הקדומים", אומר פרופ' סגיב, "התגוררו במערות שהטבע יצר. מאוחר יותר, הם למדו לחצוב בסלע ולהרחיב את המערות. כך, למשל, נחצבו אמות מים קדומות, וכך נחצבה העיר פטרה ב'סלע האדום' שבדרום ממלכת ירדן. אבותינו הראו שבאמצעות חציבה בסלע אפשר להגיע להישגים מכובדים למדי. אלא שבשלב מסוים מגיעה הטכנולוגיה הזאת לקצה גבול יכולתה, ומי שרוצה להתקדם, חייב לזנוח אותה ולמצוא לעצמו תחליף מתקדם יותר. זה בדיוק מה שעשו הקדמונים: במקום לחצוב לעצמם מרחב מחיה בסלע טבעי קיים, הם החלו לסתת אבנים קטנות יותר, כדי לבנות מהן מבנים שונים: אמות מים, חומות ובתי מגורים. בטכניקת אבני הבנייה אפשר להגיע לתחכום ולמורכבות רבים לאין שיעור בהשוואה ל'מוצרים' שאפשר להפיק בטכניקה של חציבה בסלע טבעי קיים. כך, למשל, שיטת הבנייה הזאת (שאליה צורפו טכניקות חיזוק שונות), איפשרה את בנייתם של גורדי השחקים המורכבים ביותר שנבנו עד כה בידי אדם, ונראה שעוד ידה נטויה.
"התפתחות דומה עשויה להתחולל גם בתחום הבנייה של התקנים אלקטרוניים זעירים. כיום אנו מייצרים מעגלים אלקטרוניים משולבים בשיטה המבוססת על 'חפירה' או צריבה בסריגים של מוליכים-למחצה. השאיפה למזער את המעגלים המשולבים עד כמה שאפשר, מחייבת 'חציבה כימית' עדינה מאוד. אבל מהו גבול העדינות שנוכל להגיע אליו? מהו גבול מורכבות המבנים שנוכל לייצר בדרך זו? מכיוון שברור שאנו מתקרבים אל הגבולות האלה, הרי שכדי להמשיך ולהתקדם יהיה עלינו לחקות את האדריכלים הקדומים: לנטוש את שיטת החציבה בגושי חומר קיימים, ולהתחיל לבנות מבנים והתקנים מאבני הבנייה הזעירות ביותר שבנמצא: מולקולות ואטומים".
פרופ' סגיב, ד"ר רבקה מעוז ותלמיד המחקר אלי פרידמן, מהמחלקה לחקר חומרים ופני שטח במכון, בשיתוף עם ד"ר סידני כהן מיחידת השירותים הכימיים במכון, עשו באחרונה כמה צעדים חשובים בכיוון הזה, והצליחו לבנות מבנים מתוכננים פשוטים ממולקולות. בשלב הראשון יצרו החוקרים שכבה דקיקה, חד-מולקולרית, שנצמדת למשטח עשוי חומר מוצק דוגמת סיליקון או זכוכית. כדי לעשות זאת, השתמשו במולקולות שצדן האחד "אוהב מים" ואילו צדן האחר "שונא מים". כאשר מכניסים לוח זכוכית או שבב סיליקון לתמיסה המכילה מולקולות כאלה, נצמד צדן "אוהב המים" של המולקולות למשטח (הניחן בתכונות דומות לאלו של המים), בעוד צדן "שונא המים" בולט כלפי חוץ.
עכשיו הגיע זמן הבנייה. כדי לסמן את קווי הבסיס של המבנה המולקולרי שאותו ביקשו לבנות, השתמשו החוקרים במיקרוסקופ כוח אטומי. מדובר במתקן שאינו כולל עדשות כלשהן והוא, למעשה, עיוור המגשש על פני השטח של החומר באמצעות מחט זעירהה"חשה" את האטומים והמולקולות שבקצה החומר. מחט זו מעבירה את "תחושותיה" למערכת ממוחשבת שמתרגמת אותן לתמונות הנראות על צג המחשב. מרחקה של "מחט הגישוש" מפני השטח צריך להיות קטן מעשרה אנגסטרום, או מננומטר אחד, שהוא מיליונית המילימטר. כאשר מזרימים ב"מחט הגישוש" הזעירה זרם חשמלי בעוצמה קטנה, יכולה המחט לחולל תגובה כימית מקומית שמשנה את תכונותיהן של מולקולות מסוימות שמצויות בדיוק מתחתיה (על פני השטח של החומר המטופל). בדרך זו יכולים החוקרים לשנות את תכונותיהן של מולקולות הממוקמות באזור מסוים בלבד, כך שרק הן יתאימו להתחברות נוספת למולקולות נבחרות אחרות.
זה בדיוק מה שעשו המדענים. באמצעות המחט של מיקרוסקופ הכוח האטומי הם שינו את התכונות הכימיות של צדן "שונא המים", הבולט כלפי חוץ, של המולקולות שהוצמדו למשטח סיליקון. כך, בכל מקום שבו המחט "שרטטה" קווים של שינויים כימיים, נצמדו מולקולות חדשות אל המולקולות הראשונות. בדרך זו החלו להיבנות "קירותיו" של המבנה המולקולרי. בניסוי אחד, למשל, בנו פרופ' סגיב וחברי קבוצת המחקר שלו מבנה מולקולרי דו-קומתי בדמות מגן דוד זעיר שעובי צלעותיו הוא כאלפית עוביה של שערת אדם.
צעדים ראשונים אלה בארכיטקטורה של מבנים מולקולריים עשויים להביא בעתיד לפיתוח התקנים ומוצרים זעירים שאי אפשר לבנותם בטכנולוגיות המיזעור הקיימות. התקנים אלה יתאפיינו ביעילות, בחסכנות מרבית בנפחם, ואף בתכונות חדשות ובלתי שגרתיות שינבעו הן ממידותיהם הזעירות והן מהארגון המרחבי המתוכנן של מרכיביהם המולקולריים.
מולקלה ועוד מולקלה
אם פרוטה ועוד פרוטה הן דונם אדמה, אפשר לחשוב שמולקולה ועוד מולקולה הן גביש של חומר מוצק. אלא שכידוע, במציאות, מי שמתחיל עם "פרוטה ועוד פרוטה" נדרש לעבור מרחק לא מבוטל לפני שיגיע לדונם אדמה. ובדומה לכך, מי שמתחיל לצרף מולקולה ועוד מולקולה עד שיקבל. באמת, גבשי של חומר מוצק.
גביש מוצק מתאפיין במבנה סריגי. כלומר, המולקולות או האטומים המרכיבים אותו מסודרים במעין תבנית מסודרת החוזרת על עצמה, כשהמרחקים ביניהם קבועים. מהתיאור הזה אפשר להבין שב"מולקולה ועוד מולקולה" אין די ליצירת גביש. אם כך, מה הוא צמד מולקולות? הוא כבר לא חומר במצב מולקולרי "מקורי" והוא עדיין אינו גביש של חומר מוצק. למעשה, החומר במצבו זה מצוי במעין "שלב ביניים" בין שני סוגים של התארגנות, בין שני "עולמות" פיסקליים שונים. כיצד, אם כן, "יתנהג" צמד מולקולות או צבר של מולקולות אחדות? זו בדיוק השאלה שחוקרים פרופ' מאיר להב, פרופ' לסלי ליזרוביץ, שהוגו וד"ר רונית פופוביץ-בירו מהמחלקה לחקר חומרים ופני שטח, המשתפים פעולה עם ד"ר גרי הודס מאותה מחלקה
צבר של מולקולות מעטות, שכבר יצא מגדר חומר מולקולרי, אך עדיין לא עלה למעלת גביש מוצק, קרוי בפי המדענים "חלקיק קוואנטי". באחרונה הצליחו החוקרים בקבוצה זו לארגן מספר "חלקיקים קוואנטיים" של מוליכים למחצה, בתוך מצע של חומר ארגוני, כך שה"נקודות הקוואנטיות" התארגנו במעין תבנית המזכירה מבנה מסודר של סריג גבישי. מטבע הדברים גביש כזה מתאפיין בתכונות פיסיקליות ואופטיות שונות מאלו של גביש המורכב מאטומים או מולקולות. הודות לתכונות האלה עשויים גבישים אלה לשמש, למשל, בסיס להתקנים אלקרו-אופטיים חדשים.
על המפה