מי צריך מכונית מולקולרית?

הניסויים הנערכים בתחום הננוטכנולוגיה נראים לעתים כתרגילים אינטלקטואליים גרידא של אנשי מדע, יותר מאשר כפעילויות שהמניע להן הוא הצורך להגיע לחקרו ולפיתוחו של התחום החדשני הזה. במהלך השנים האחרונות פותחו חפצים זעירים שונים, ובהם גיטרה וקטר. לאחרונה פיתחו מדענים באוניברסיטת רייס (Rice University) מכונית זעירה, העשויה כולה ממולקולה אחת ויחידה. המכונית מכילה שלדה (שאנו נוהגים לכנות במקומותינו "שסי"), צירים וארבעה גלגלים.

לשם מה לפתח מכוניות זעירות, או מכונות זעירות אחרות? אחד ממפתחי המכונית המולקולרית, ג'יימס מ' טור (Tour), טוען שבנייתם של מתקנים זעירים שכאלה מעניקה לנו מבט ביקורתי על המחקרים שלנו על ייצור מן התחתית למעלה (bottom-up), ביטוי שמשמעותו בניית חפצים באמצעות חיבור אטומים זה לזה, אטום אחר אטום, עד ליצירת החפץ המבוקש. בנייה כזו היא אחת ממשאות נפשה של הננוטכנולוגיה.

בינתיים עוסקת הננוטכנולוגיה בבנייתם של חפצים זעירים, כמו המכונית הזעירה הנזכרת למעלה. מטרה נוספת, לדברי טור, היא לייצר חפצים זעירים בסדר גודל ננוטמטרי (ננומטר – מיליארדית המטר) שיהיה אפשר לשלוט בתנועתם. פיתוחם של כלי רכב זעירים כדוגמת המכונית הזעירה הוא אמצעי מתאים לבחינת האפשרויות להבין את החוקים הנוגעים לתנועה של חפצים בסדרי גודל כאלה.

גלגלי המכונית הזעירה הם למעשה כדורים. אלה הם כדורי באקי (buckyballs), שכל אחד מהם עשוי משישים אטומי פחמן. אורכה של המכונית כולה מגיע לכארבעה ננוטמטרים. לשם השוואה, עוביה של שערת אדם מגיע ל-80 אלף ננוטמטרים בקירוב. במילים אחרות, אפשר לסדר 20 אלף מכוניות זעירות כאלה לרוחבה של שערת אדם אחת.

החוקרים שפיתחו את הננו-מכונית הצליחו להניעה באמצעות מיקרוסקופ מִנהוּר סורק (scanning tunneling microscopy, או בקיצור STM). מיקרוסקופ המנהור הסורק מצויד במחט שעובי הקצה שלה הוא אטום בודד. כאשר קצה המחט מתקרב מאוד לאטום אחר, נוצרת ביניהם דחייה חשמלית גדולה, והאטום האחר - החופשי לנוע - זז. הננו-מכונית מסוגלת לנוע באמצעות סיבוב גלגליה, ולא רק באמצעות החלקה על המשטח שעל פניו היא נמצאת. כדי להניע את המכונית באמצעות סיבוב הגלגלים, הניחו אותה החוקרים על משטח זהב וחיממו אותו לטמפרטורה של 200 מעלות צלזיוס.

בטמפרטורת החדר, הכוחות החשמליים הפועלים בין אטומי משטח הזהב לבין גלגלי המכונית גורמים להצמדת המכונית באופן הדוק אל המשטח. כאשר מחממים את המשטח לטמפרטורה של 200 מעלות צלזיוס, מתרופפים הכוחות החשמליים שבין המשטח לבין גלגלי המכונית (שהם, כאמור, כדורים העשויים מאטומי פחמן), וגלגול הגלגלים על פני המשטח הופך לאפשרי.

מה יהיה השלב הבא בפיתוחם של כלי רכב מסדר גודל ננומטרי – מירוץ ננו-מכוניות?