אין יותר קטן מזה

לאחר האלקטרוניקה והתקשורת, שהיו במרכז העשייה בשני העשורים הקודמים, הביוטכנולוגיה הולכת והופכת לתחום החם. ועדת השרים למדע וטכנולוגיה הכריזה עליה באחרונה כתחום מועדף, שיזכה בחמש השנים הקרובות למשאבים ולתמיכה ממשלתית. אבל בעוד חמש שנים, כאשר יצטרכו לשקול מחדש את המשך התמיכות ואת כיווני המחקר המועדפים, יהיה מתמודד לא פחות חשוב על התקציבים הזעומים - ננוטכנולוגיה.

הגבול האחרון של המזעור

ננוטכנולוגיה היא הגבול האחרון של המיזעור, בסדר גודל של אטומים בודדים. ננומטר פירושו מיליונית המילימטר, וננומדע הוא התחום שמנסה להבין את התהליכים המתרחשים במידות הקטנות הללו.

ננוטכנולוגיה היא הטכנולוגיה שבאמצעותה מנסים לשנות מיקום של אטומים, כדי ליצור חומרים חדשים, למשל לחבר בין רקמות חיות לבין חומרים לא אורגניים. חלק מן הפיתוחים הם על גבול המדע הבידיוני.

מהפיכה ברפואה

פרופ' אלי קפון הוא פרופסור לפיזיקה במכון הטכנולוגי של שוויץ ונחשב לאחד המדענים המובילים בעולם בתחום הננוטכנולוגיה. הוא היה שותף לתכנון פרויקט הננומדע וננוטכנולוגיה באוניברסיטת תל אביב ועמד בראשו בתהליך ההקמה הראשוני. היום הוא יועץ לאוניברסיטה וגם משמש מדען ראשי בחברת BeamExpress, סטארט אפ שייסד, לפיתוח רכיבים ומערכות לתקשורת אופטית.

פרופ' קפון, למה צריך בכלל להגיע לסקאלה של ננומטר?

"אבן הבניין הבסיסית שניתן להגיע אליה תהיה האטום, שגודלו עשירית ננומטר. לא יהיו רכיבים קטנים יותר, כי כדי לפרק את האטום צריך אנרגיות גבוהות מאוד, וזה לא בא בחשבון לצרכים היומיומיים. לכן, המידה הננומטרית היא החזית האחרונה של המיזעור.

"ב-20 השנים האחרונות יש מגמה של מיזעור בכל שטחי הטכנולוגיה. מיזעור יוצר מערכות עם ביצועים יעילים יותר. כך למשל במחשב, ככל שהטרנזיסטורים יותר קטנים, כך גדלה עוצמתו. כיום גודל כל טרנזיסטור על המעבד הוא כמה מאות ננומטרים. תוכנית הפעולה של התעשייה היא, שתוך חמש שנים יגיע המיזעור לרמה שמתחת ל-100 ננומטר".

זה יוצר בעיות חדשות?

"כן, כי כשהדברים קטנים יותר, גם תהליך הייצור נעשה קשה יותר. לכן, כדי לקדם את תעשיית המיקרואלקטרוניקה לסדרי גודל שבהם מדובר, צריך לדעת איך להכין טרנזיסטורים ומעגלים ננואלקטרוניים וצריך כלים לשרטט וליצור אלמנטים כאלה קטנים".

מה בעצם נשיג בהקטנה עד לרמת האטום?

"כאשר אנו מגיעים לשליטה איזה אטום יהיה איפה - עקרונית אפשר לבנות כל דבר ביקום - כי כל דבר בנוי ממולקולות. צריך לאפיין את המרכיבים ברמה האטומית, לקחת אטומים בודדים, שיהיו 'חומר גלם', ולבנות את העצם המבוקש.

"יותר מזה: כאשר יחידת ההתייחסות היא אטומים - גם חומרים ומבנים ביולוגיים וגם מבנים מלאכותיים, שאינם מעשה ידי אדם, נראים אותו דבר. אין הבדל בין מערכת חיה לבין מערכת לא חיה. בננוטכנולוגיה אפשר יהיה לחבר מערכות חיות, כמו תאים בגוף, עם מערכות מלאכותיות, כמו מעגלים חשמליים. זה יביא שימושים מהפכניים ברפואה, למשל. העובדה שניתן לשלוט במערכות ברמה אטומית תאפשר לבנות חיישנים, שיהיו מסוגלים לזהות מולקולות בודדות. זה ישמש למטרות, כמו גילוי מוקדם יותר של סרטן, כי ניתן יהיה להבחין בריקמה החולה כשהיא ממש זעירה - ולא כמו היום, כשהיא כבר בגודל של כמה מילימטרים ולפעמים זה מאוחר מדי".

שילוב בין ענפי המדע

"ניתן יהיה גם לגלות ריכוז כימיקלים בדם ברמות נמוכות ממה שאפשר היום. אפשר יהיה לפתח תבניות שיחברו עצבים פגועים. כשיש חתך בריקמה, קשה לאחות עצבים. בננוטכנולוגיה יכוונו את גידול קצות העצבים המחלימים, כך שיתחברו זה לזה.

"אפשר יהיה גם לפתח מערכות להעברת תרופות בתוך הדם, או ליצור קשר בין מערכות עצביות ומעגלים חשמליים. הביוטכנולוגיה תקבל כלים מהננוטכנולוגיה, כדי לממש חלק מהתוכניות.

היכן עומד היום המחקר הננומטרי בעולם?

"התחום הזה נמצא בשלב שבו היתה הביוטכנולוגיה לפני 20 שנה. בעולם לא קיים מרכז אחד שמוביל את המחקר. יש פעילות אינטנסיבית ביפאן, באירופה ובארה"ב. המגמה היום היא לעבור מעיסוק נפרד בתחום הננו בכל אחת משטחי המדע המסורתיים - כימיה, פיזיקה ביולוגיה הנדסה - לעיסוק משולב.

"בשנת 2000 החליט הנשיא לשעבר קלינטון להקצות 500 מיליון דולר למחקר ופיתוח בתחום הננוטכנולוגיה בארה"ב. לאחר חילופי המימשל התחלנו לראות התייחסות לתחום גם ברבדים נמוכים יותר מהמימשל הפדרלי, כמו יוזמות במדינות השונות".

מה המצב בישראל?

"רוב האוניברסיטאות בארץ מעורבות בפרוייקטים כאלה ברמה זו או אחרת. יש מחקרים בטכניון, באוניברסיטה העברית בירושלים, באוניברסיטת בן גוריון וגם באוניברסיטת תל אביב. כולן הכריזו על פרוייקטים ותקציבי הקמה של עשרות מיליוני דולרים לחמש השנים הקרובות.

"צריך להדגיש, שבישראל מדברים על השקעה של 100 מיליון דולר בחמש שנים. יחסית, זה סכום עצום למדינה כה קטנה. זה כאילו היו משקיעים בארה"ב 4 מיליארד דולר. הסכום הנכבד הזה יכול לשים את ישראל על המפה הבינלאומית כמרכז ננומדע".

מפלסטיק מתפרק עד מדים נגד אב"כ

"יישומים צבאיים ורפואיים יהיו החלוצים בתחום הננוטכנולוגיה. צבא ארה"ב נערך לשלב, כבר בעוד כשנתיים, בגדי לוחם מבד צפוף ביותר, שיוכל לאתר חומרים רעילים באוויר ולמנוע את חדירתם אל גוף החייל. במקביל ימשיך הבגד לספק לגוף אוויר נקי לנשימה. הטכניקה תהיה סינון - כלומר הבד יהיה חדיר רק לסוג מסויים של מולקולות. "מספר חברות מסחריות, ביניהן Nano-Tex, השתתפו כבר במכרזים של צבא ארה"ב לייצור הביגוד הממוגן.

"במעבדה הלאומית אוק-רידג' הצליחו לפתח אבטיפוס של התקן, המסוגל לאתר חומר נפץ, גם בכמויות זעירות ביותר. המכשיר יאפשר, למשל, לאתר מוקשים ישנים, באמצעות הפרודות המיזעריות של חומר נפץ שהמוקש פולט לאוויר.

"בתחום הרפואה מדברים על מכשירים מיקרוסקופיים, שישאו תרופות במערכת הדם וישחררו את התרופות רק לאחר שחיישן ננומטרי יאתר, למשל, מחסור באינסולין".

גם נאמני השמירה על הסביבה עומדים להנות מן הפיתוחים הננוטכנולוגיים. חומרים בלתי מתכלים, שזיהמו את הסביבה ומילאו את מצבורי האשפה, בעיקר חומרים פלסטיים, יוכלו בכל זאת להגיע למיחזור, עם פיתוח טכנולוגיות שיתירו את הקישורים הפולימריים שנוצרו בזמן ייצור הפלסטיק. כך ניתן יהיה להקטין את כמויות האשפה בצורה משמעותית.

גם במטבח

המדענים הגיעו גם למטבח: הם הצליחו לפתח שכבות דקות ביותר של חומרים פולימריים אלסטיים, שיצפו את כל המחבתות והסירים, במקום טפלון. הצפיפות של שכבת הציפוי הננומטרית לא תאפשר לחומרים אחרים להידבק אל הדפנות.

לאחר הבישול או הטיגון, השאריות יישטפו במים ולא יהיה צורך אפילו בחומרי ניקוי המזיקים לסביבה. מוצרים אלה צפויים להגיע למטבחים בעוד פחות משלוש שנים.