גילויים זעירים-ענקיים
חוקרים הצליחו ליצור מכונית זעירה העשויה מאטומים ספורים בלבד ואת המבחנה הקטנה ביותר בעולם. איך עושים את זה ובשביל מה זה טוב? לננוטכנולוגיה פתרונות
המכונית הקטנה ביותר בעולם
מדענים מאוניברסיטת רייס בארצות הברית בנו צי של כלי רכב מולקולריים שיוכלו לשאת מטעני-ננו. הפיתוח דווח בסוף אוקטובר 2005 בכתב העת המדעי המקוון Nano Letters. מכוניות-הננו קטנות כך כך, עד שאפשר להעמיד עשרים אלף מכוניות כאלה לרוחבה של שערת אדם אחת. גלגלי המכוניות מורכבים ממולקולות "כדורגל".
מולקולת הכדורגל, שנוסחתה C60 היא צורה של פחמן טהור שבה 60 אטומי פחמן מסודרים במערך של מחומשים ומשושים היוצר צורה של כדורגל. המולקולה מכונה בחיבה מולקולת הכדורגל, עם כי שמה הרשמי הוא באקסמינסטר פולרן (על שמו של הארכיטקט באקסמינסטר פולר שבנה בנייני כיפה המורכבים ממשושים ומחומשים.) או בקיצור פולרן או כדורי באקי.
במכוניות-הננו מחוברים גלגלי הפולרן במערכת מתלים מהפכנית בעלת שלושה צירים. הצירים יכולים לנוע באופן בלתי תלוי כך שהמכוניות יכולות לנסוע ישר, להסתובב ולעלות וכך לעקוף והתגבר על אטומים העומדים מולן כמכשול.
"זהו זה! אי אפשר לבנות משהו קטן יותר כדי להעביר אטומים ממקום למקום," אומר המדען ג'יימס טור שבנה את המכוניות. והוא מוסיף שלעצמים בגודל של כמה ננומטרים (כמה מיליארדיות המטר) יש תכונות מיוחדות הנובעות מגודלן הזעיר. למשל אי אפשר לשבור את הגלגלים מפני שהם מורכבים ממולקולה יחידה שקשה מאוד לנתק את הקשרים הכימיים המחברים בין 60 אטומי הפחמן המרכיבים אותה. רוחבה של כל מכונית 3 ננומטרים ואורכה 4 ננומטרים בלבד.
בניסויים שנערכו הציבו את המכוניות הננומטריות הזעירות על משטח זהב. שחיממו את המשטח לטמפרטורה של 200 מעלות צלזיוס הן התחילו לנסוע. אלו הן החפצים הננומטריים הראשונים שמסוגלים לנסוע על ידי גלגול ולא להחליק. המכוניות ממשיכות לנסוע עד שמנמיכים את הטמפרטורה.
שליטה במכונית
אבל טור ועמיתיו הצליחו גם לשלוט במכוניות באמצעות שדה חשמלי. המדענים הצליחו "לראות" את המכוניות באמצעות מיקרוסקופ מנהור סורק (STM) שמאפשר גם לשלוט במכוניות. המיקרוסקופ פועל באמצעות מחט דקה במיוחד המסוגלת לחוש בשדות החשמליים שעל המשטח וכך לגלות את מיקומם של אטומים ומולקולות. כשמזיזים את המחט לאורך המשטח באופן דומה לתנועתה של מחרשה בשדה אפשר לקבל תמונה של כל המולקולות שעל המשטח.
אבל אפשר גם להזיז אטומים על המשטח באמצעות שדה חשמלי שהמחט עצמה יוצרת. כשהמדענים הציבו את מחט המיקרוסרופ לפני המכונית, הפעילו שדה חשמלי והזיזו את המחט, המכונית נסעה בעקבות המחט. כשהציבו את המחט בצד המכונית והזיזו אותה ב-90 מעלות לכיוון סיבוב הגלגלים נותרה המכונית על עומדה.
דייוויד טור סבור שייקח עוד דור שלם לפני שהשיטות האלה יהיו מסחריות ולכן הוא אפילו לא רשם פטנט על המצאתו. לדבריו הפטנט יפוג הרבה לפני שיימצא שימוש מעשי להמצאה.
המבחנה הקטנה ביותר בעולם
ואם אנו עוסקים בשיאים קטנים במיוחד, אנו מנצלים את ההזדמנות וחוזרים לתגלית שהתפרסמה לפני שנה וכבר עומדת להיכנס לספר השיאים של גינס במהדורת 2006. השיא הפעם קשור דווקא בשיעור קצר בכימיה: המבחנה הכימית הקטנה ביותר בעולם.
את השיא שברו בסוף 2004, דייוויד בריץ, אנדריי קלוביסטוב ועמיתיהם מאוניברסיטת אוקספורד שבאנגליה. הם השתמשו בצינוריות-ננו זעירות עשויות פחמן שקוטרן 1.5 ננומטר (1.5 מיליארדיות המטר) ואורכן 2 מיקרומטר (2 מיליוניות המטר) כלומר אורכם ארוך פי למעלה מ-1000 מקוטרן. נפח מבחנה כזאת הוא בערך זפטוליטר אחד (10 בחזקת מינוס 21 של הליטר, או מיליונית של המיליונית של המיליארדית של הליטר...).
אז בשביל מה זה טוב? מה הם עשו עם מבחנה כה זעירה? המטרה הייתה להכין חומר פולימרי חדש שיורכב משרשרת ישרה של מולקולות C60 הקשורות זו לזו באמצעות אטום חמצן.
כימאים יכולים לקשור אטום חמצן לשניים מאטומי הפחמן של הכדורגל וליצור טבעת משולשת המוצמדת לכדורגל מבחוץ כמו ידית קטנה. המולקולה הזאת קרויה פולרן אפוקסיד שנוסחתה C60O.
אם מחממים את האפוקסיד הטבעת המשולשת נפתחת, אטום החמצן נקשר למולקולה שכנה ומגשר בין שתי מולקולות כדורגל. באופן כזה עשויה להיווצר שרשרת של מולקולות כדורגל. אבל, אם עושים זאת בלי מבחנת-הננו לא נוצרת שרשרת פולימרית אחת אלא פולימר מסועף, תלת-ממדי או בקיצור "פלונטר". הדבר נובע מכך שבמהלך התגובה מגיב כל אפוקסיד באופן אקראי עם מולקולת הכדורגל הקרובה אליו ביותר.
כדי להימנע מכך, ולשמור את מולקולות אפוקסיד-הכדורגל בקו ישר הכניסו אותן החוקרים לתוך צינורית-הננו כמו כדורים במחסנית. בתוך הצינורית מסוגלות מולקולות הכדורגל להסתובב סביב צירן ולא יותר. חימום ה"מבחנה" גורם למולקולות הלכודות להתחבר זו לזו בשרשרת. החוקרים השתמשו במיקרוסקופ אלקטרוני בהפרדה גבוהה כדי לאשר את ממצאיהם.
מעובד מכתבה בכתב העת Chemistry Review, כרך 15, גיליון 1, ספטמבר 2005. מתוך אתר חמד"ע.
