הטכנולוגיות החמות של הקיץ

קיץ, חם. הלחות מערפלת את החושים ואפילו מנהלי השיווק משחררים את העניבה, מורידים את ז'קט ומחפשים פינה קרירה להסתתר בה עד אחרי החגים. מי שלא הספיק לשחרר את המוצרים שלו במהלך האביב, ממהר לסגור את מסכת ההכרזות בקיצור הנמרץ שמתאים לאנשים עם תוכניות חופשה מתקדמות.

"עונת המלפפונים", קוראים לחודשיים האלה בעגה העיתונאית (ביטוי מהימים שמלפפונים הגיעו לשוק רק בקיץ, עם אחיהם המלונים והאבטיחים, ועוד לא שמעו על האופציה לגדל מלפפונים כל השנה בעזרת חממות ותאילנדים) וכל עורך נקרע בין חובתו המקצועית לספק תכנים רציניים ורבי חשיבות (לפחות חשיבות לרגע) ובין תחינת הקוראים לטיפת קלילות חסרת אחריות. גם אנו התלבטנו בכך  וניסינו לצאת מהמלכוד עם פרויקט מיוחד בנושא הוא טכנולוגיות עתידיות, נושא לא משעשע - אבל פטור מחובת ההוכחה במספרים מדויקים.

אחר חלק מהנושאים אנחנו עוקבים כבר זמן רב. ידיעות אחרות מעסיקות אותנו לראשונה, במיוחד ידיעות מתחום התחבורה והטכנולוגיות הצבאיות. גם לוח הזמנים הרלוונטי משתנה בין כאן ועכשיו לעתיד בטווח הבינוני. בחרנו למקד את תשומת הלב על טכנולוגיות יסוד חשובות, כמו סיבי פחמן ועל גאדג'טים שמדגימים איך הטכנולוגיות עומדות להשפיע על האביזרים בהם אנו משתמשים יומיומית. 

הנושא הראשון: צינוריות פחמן (Carbon Nanotubes)

זה לא מקרה שעולם החי מבוסס ברובו על הכימיה של פחמן. אם עליכם לבחור יסוד כימי אחד שישמש מכנה משותף למאות-אלפי סוגים שונים של אבני בניין וחלקי מכונה ליצורים ביולוגיים - מבנים גבישיים ופולימרים חוטיים, חלבונים שהמבנה המרחבי שלהם קובע איך הם יפעלו במגע עם חלבונים אחרים ובסביבות כימיות שונות, סוכרים שיודעים לאחסן אנרגיה ולשריין מבנים מולקולריים עדינים, חומרי גלם לרקמות קשות ורכות - וכל מה שצריך כדי למלא את העולם במיליונים (לפחות) של אורגניזמים שונים, שכל אחד מהם הוא יצירת אומנות מופלאה בהנדסה כימית, אין כמו פחמן למלא את התפקיד.

הפחמן ממשיך להפתיע

ולכן גם לא מפליא שאחרי יותר ממאתיים שונות מחקר מדעי עדיין הפחמן ממשיך להפתיע את החוקרים עם תכונות בלתי צפויות ומבנים שלא חלמו עליהם. סדרת ההפתעות האחרונה התחילה כאשר מדענים גילו בפיח הפחמני, שנוצר בהשריפה של אלקטרודות פחמן בקשת התפרקות חשמלית, מבנים מולקולריים מרחביים הדומים לכיפות הגיאודזיות של הארכיטקט/עתידן Buckminster Fuller.

המחשה קרובה יותר לרובכם היא כדורגל העשוי מטלאים של עור בצורת מחומשים ומשושים. אם תציבו אטום פחמן בכל צומת (פגישה של שלושה טלאים ושלושה תפרים) תקבלו מבנה שנקרא בעגה הפופולרית Buckyball ובניסוח פורמלי יותר מולקולת Fullerene של 60 אטומים. מולקולות Fullerene אחרות בנויות מ-70, 76, או 84 אטומים ומה שמשותף לכולן הוא מבנה מרחבי עדין של פחמן טהור, שעשוי מיריעה דו-ממדית בה כל אטום מקושר לשכניו בצורה סימטרית, כמו רשת.

התצורה השלישית

מציאת התצורה השלישית של פחמן (בנוסף למבנים הגבישיים של גרפיט ויהלום) הביאה למגלים את פרס נובל לכימיה ב-1996 והתחילה תעשייה עולמית של חומרים הנקראים Fullerene-ים. עד מהרה החוקרים גילו שניתן לגלגל את יריעות הפחמן הדו-ממדיות בצורה של צינורות הנקראים Carbon Nanotubes.

האורך של צינור כזה אינו מוגבל באופן עקרוני (תהליך היצור קובע את האורך, לא שיקולים תיאורטיים) והקוטר שלו יכול להשתנות בטווח רחב של גדלים - שכולם נמדדים בננו-מטרים ספורים. "החור" במרכז הצינור יכול להיות צר כל-כך ש רק אטום פשוט יכול לזרום בו, ואם תרצו אפשר לבנות "ננו-צינורות" שמוליכים רק אלקטרונים.

מקרו מולקולה

למעשה הצינור הוא "מקרו-מולקולה" של פחמן, שלמרות ממד אורך מקרוסקופי (נמדד במיקרונים אומנם, אבל הרבה יותר גדול מהקוטר, שנמדד בננו-מטרים), הפיזיקה הרלוונטית לו היא "קוואנטית". אמרתם פיזיקה קוואנטית, פתחתם עולם מלא של אפשרויות, שבחלקן נשמעות דמיוניות ואחרות אפילו אבסורדיות. התכונות שאנו מיחסים בדרך כלל לחומרים נובעות מהערכים הממוצעים של אינטראקציות בין אטומים, אלקטרונים, שדות אלקטרומגנטיים וכדומה, כאשר מספר גדול מאוד של אטומים מסודרים במבנה ספציפי.

אי-אפשר ללמוד מכך על מה שקורה כאשר אלקטרון יחיד מושפע משדה חשמלי של מספר לא גדול של אטומים והאפשרויות "העומדות לפניו" משוקללות על ידי הסטטיסטיקה הקוואנטית. במילים אחרות, אם אתם מסוגלים לעצב את השדה החשמלי בקנה מידה של אטומים ומולקולות אזי תוכלו לגרם לאלקטרון לעשות כמעט כל דבר - כולל דברים שנראים לכאורה אבסורדיים.

התנהגות של טרנזיסטור

צינוריות Carbon Nanotubes מספקות יכולת כזאת בקלות יחסית. המדענים מסוגלים לבנות אותן כך שהן מפגינות תכונות של מוליכים חשמליים (כמו נחושת ומתכות אחרות), מבודדים או חצאי-מוליכים. העיוות המרחבי, שנוצר כאשר סיב אחד עובר על השני, מספיק כדי ליצור בנקודה הזאת "צומת חשמלי" עם תכונות מפתיעות, שהמהנדסים מנסם להשתלט עליהן ולגייס אותן לצרכים מעשיים.

למשל, ניתן להקנות לצומת כזה תכונות של דיודה ובמבנים מורכבים יותר ניתן להפיק התנהגות של טרנזיסטור. אותה צינורית פחמן עצמה משמשת כמוליך בין הצמתים, לטרנזיסטורים בצמתים ולהתקן אחסון של אלקטרונים - התפקיד המסורתי של קבל בתא זיכרון DRAM. בקיצור, כל מה שאפשר לעשות עם סיליקון ואלומיניום (ועוד כמה חומרים מסורתיים) אפשר לעשות עם פחמן - רק הרבה יותר קטן ויעיל.

תהליכים דו ממדיים

תהליכי היצור של חצאי מוליכים מסורתיים הם דו-ממדיים, קשורים לפני השטח של הגביש ודורשים "מסכות" ואיכול כימי כדי לייצר אלמנטים חד-ממדיים, כמו מוליכים. בצינוריות פחמן אנו מתחילים עם אלמנט חד-ממדי ועם קנה מידה של אטומים. קטן ויעיל יותר אי אפשר לתאר במגבלות הטכנולוגיה המוכרת לנו.

במעבדות הפיתוח, המדענים כבר הצליחו לבנות התקנים שונים, שמנצלים את התכונות המיוחדות של Carbon Nanotubes. למשל, מדעני IBM הצליחו לפתח דיודה פולטת אור על ידי מתיחה של צינור פחמן בין שני אזורים של חצי-מוליך מסורתי (האחד "מזוהם" באטומים שמביאים באמתחתם אלקטרונים "מיותרים" והשני "מזוהם" באטומים בעלי "חורים" מתאימים לקליטת האלקטרונים. כשאלקטרון מיותר רץ בצינור כדי לפגוש "חור", נפלט חלקיק אור לשמחת לב המדענים, שרוצים לחבר בין אלקטרוניקה לפוטוניקה באותו רכיב).

תקוות או אכזבות

המרחק מהתקנים מעבדתיים למוצרים תעשייתיים הוא גדול וברור שהרבה מהתקוות שתולים בסיבי פחמן תיהפכנה לאכזבות. אבל יש גם סימנים רבים לכך, שהטכנולוגיה תמצא את מקומה בקשת רחבה מאוד של מוצרים, ולא רק רכיבים אופטו-אלקטרוניים. למשל, יצרני צגים שטוחים רוצים להשתמש ב-Carbon Nanotubes כ"תותחי אלקטרונים" מיניאטוריים.

ליד הקצה החד של הסיב נוצר שדה חשמלי חזק מאוד, ש"יונק" את האלקטרונים וגורם ל"פליטה קרה" שלהם (סליחה על הקונוטציות הארוטיות, אבל זה בדיוק מה שקורה כאשר מציבים מוליך חד בשדה חשמלי. בלועזית האפקט קרוי Cold Cathode Emission, בניגוד לפליטת האלקטרונים "החמה" מסליל מתכתי לוהט בתותח אלקטרונים קונבנציונלי).

מעליות חלל

עם סיבי פחמן אפשר לבנות צג שטוח, בו כל פיקסל הוא CRT מיניאטורי! הרעיון לא ישמע לכם כל-כך אבסורדי אם תזכרו שצג פלסמה הוא מימוש של רעיון דומה, רק שבו הפליטה היא "חמה" - ולכן יש צורך בהספק גבוה, במעגלים חשמליים המסוגלים לטפל בזרמים חזקים ובמתחים גבוהים, ובקירור אקטיבי רעשני - וגם אז קיימים סימני שאלה לגבי אורך החיים של הצג.

Carbon Nanotubes הם גם חזקים מאוד. יחסית למשקל, הם הרבה יותר חזקים מהפלדה החזקה ביותר או מסיבים קונבנציונליים (כולל סיבי זכוכית, משי, קאוולאר, פחם ובורון, כולם חומרים שמוצאים את שימושם בהוספת חוזק למוצרים שונים, החל ב"שכפצים" וכלה בלהבי מדחס למנועי סילון). בעלי חלומות כבר צופים איך כבל עשוי מחומר הפלא הזה ישמש ל"מעליות חלל", במקום המשגרים הרקטיים, שאוהבים להתפוצץ ללא התראה (או עם התראה שנוח להתעלם ממנה) ולגרום מבוכה למנהלי NASA.

למעשה, צינוריות הפחמן הננו-מטריים הן חומר הגלם הראשון של תעשיית הננו-טכנולוגיה - והיחיד עד כה שמאפשר לבנות מכלולים משוכללים מרכיבים פשוטים יותר (בניה על ידי הוספה) - עקרון חשוב בננו-טכנולוגיה (בניגוד לליתוגרפיה קלאסית, בה הבניה נעשית על ידי חיסור וסילוק חלקים מיותרים מהגלם). אנו לא יכולים לנבא מה בדיוק יעשו רכיבי Carbon Nanotubes במוצרים העתידים, אבל לפי כמות הכשרון וההתלהבות המושקעים בתחום הזה ברור כי זו עתידה להיות טכנולוגית מפתח בעשורים הקרובים.

בכתבות הבאות: על חיישנים ביולוגיים, פצצות אלקטרוניות, הגנה על מטוסי נוסעים, תחבורה אוטומטית, זכרונות מגנטיים ועוד