טכנודע – פיזיקה: חוקי התנועה, פרק ראשון (חלק ראשון)

Advertisements

טכנודע – פיזיקה: חוקי התנועה, פרק ראשון המשך

חוקי התנועה

פרק ראשון: חוקי התנועה – המשך

 

שיפועים (מידרונים)

נבחן גוף שמונח על רצפה מישורית וגוף שמונח על רצפה משופעת. מדוע שיפוע מסייע להרים דברים? מדוע קל יותר להנמיך עצמים כבדים מאשר להרימם על שיפוע? המדרונים יכולים להפעיל את הכוח כלפי מעלה שדרוש כדי להרים גופים כבדים. הם היו בעקרון ציוד הבינוי מאז ימי הפירמידות במצרים. כיצד המדרונים יכולים לספק כוחות עילוי אלה? יש לחקור איזה כוח הגוף חווה בעודו נוגע במשטח. לעת עתה נתעלם מחיכוך והתנגדות האוויר, שיסבכו את הדיון.

קופסא על הרצפה

החוק השלישי של ניוטון:

כאשר גוף כבד מונח על הקרקע ולא על מדרון מגלים שהוא לא נופל. האם הכבידה נעלמה? לא. המשקל של הגוף עדיין שם. אבל משהו מתרחש על פני שטח הקרקע ששומר על הגוף מליפול. הבה נתבונן במצב.

הגוף בבירור דוחף כלפי מטה בצורה חזקה על הקרקע. למעשה הוא מפעיל כוח כלפי מטה ששווה לכל כובד משקלו על פני שטח הקרקע. ולכן נזהרים לא לדרוך באותו האזור כדי לא להימחץ. לכן יש לנו כאן שני כוחות: הגוף נדחף כלפי מטה על ידי כל כובד משקלו והקרקע נדחפת למטה על ידי כוח שווה למשקל זה.

אבל הנוכחות של כוח חדש כלפי מטה לא מסביר עדיין מדוע הגוף הכבד לא נופל. התשובה מונחת בתגובה של הקרקע לדחיפה של הגוף כלפי מטה: הקרקע דוחפת חזרה על הגוף. ניתן להרגיש סוג כוח זה על ידי זה שנשענים ודוחפים כלפי מטה על הקרקע עם היד – הקרקע דוחפת חזרה.

שני הכוחות האלה, הדחיפה שלנו כלפי מטה על הרצפה והדחיפה של הרצפה כלפי מעלה על היד שלנו, הם בדיוק שווים בגודל, אבל הפוכים בכיוון.

תצפית זו, ששני דברים מפעילים כוחות שווים אבל הפוכים זה על זה היא נכונה אוניברסאלית. אם דוחפים על גוף מסוים בכמות כוח כלשהי, גוף זה דוחף עלינו בדיוק באותה כמות של כוח בכיוון ההפוך. כלל זה מבוטא באופן הבא: עבור כל פעולה ישנה תגובה הפוכה והוא ידוע כ-חוק התנועה השלישי של ניוטון, חוק התנועה האחרון של ניוטון:

חוק התנועה השלישי של ניוטון: עבור כל כוח שגוף אחד מפעיל על השני, ישנו כוח שווה אך מנוגד לו שהגוף השני מפעיל על הגוף הראשון. 

במקרה הנדון, הגוף שעומד על הרצפה. הרצפה והגוף דוחפים זה על זה בכוחות שווים אבל מכוונים בכיוונים הפוכים. הכוח השקול הכולל על הגוף הוא אפס ולכן לפי החוק השני של ניוטון הגוף לא מאיץ. או, מתוך זוג כוחות שווים והפוכים אלה, רק אחד פועל על הגוף: הדחיפה של הרצפה כלפי מעלה. דחיפה כלפי מעלה זו על הגוף היא זו שמאזנת את משקל הגוף והיא זו שמונעת ממנו מליפול. וכך פתרנו את התעלומה.

מה ההבדל בין הפעולה לתגובה בדוגמא זו? מלבד הכיוון ישנו הבדל מהותי אחד בין הכוח שהכבידה מפעילה על הגוף לבין הכוח שהקרקע מפעילה עליו. בעוד שהמשקל של הגוף מפוזר על פני הגוף כולו, הכוח של הקרקע כלפי מעלה פועל רק על תחתית הגוף. למרות ששני הכוחות האלה מאזנים זה את זה בסופו של דבר, המיקומים השונים שלהם מובילים ללחצים ניכרים בתוך הגוף.

סיכום חוקי ניוטון:

1.    גוף שלא נתון לכל כוח חיצוני נע במהירות קבועה, ומכסה מרחקים שווים בזמנים שווים לאורך מסלול בקו ישר.

2.    הכוח שפועל על הגוף שווה למכפלה של מסתו בתאוצתו. התאוצה היא באותו הכיוון כמו הכוח.

3.    עבור כל כוח שגוף אחד מפעיל על הגוף השני, ישנו כוח שווה אך מכוון בכיוון הנגדי שהגוף השני מפעיל על הגוף הראשון.

עתה נתבונן בגוף הכבד הנע. נרים אותו מהקרקע. לגוף המורם יש משהו שלא היה לגוף שעמד במקום על הרצפה: היכולת לנוע ולארגן את עצמו מבחינה מבנית (ליפול או להישבר) ולגרום לעצמים מתחתיו להישבר אם הוא נופל עליהם. היכולת הזו לגרום לדברים להתרחש קרויה אנרגיה. והתהליך שגורם להם להתרחש קרוי עבודה.

האנרגיה והעבודה הם שתי כמויות פיזיקאליות חשובות. כמויות = גדלים מדידים. לדוגמא ניתן למדוד את כמות האנרגיה בגוף כאשר הוא תלוי באוויר, וניתן למדוד את כמות העבודה שהגוף עושה כאשר הוא נשבר והגוף נופל על הרצפה. ההגדרות הפיזיקאליות של אנרגיה ועבודה הן במידת מה שונות מאלה של השפה המדוברת. האנרגיה הפיזיקאלית היא לא השפע של ילד בריא בגינת השעשועים או תכולת כוס חלב או שוקו. במקום זאת היא מוגדרת כיכולת לעשות עבודה. באותו האופן העבודה הפיזיקאלית לא מתייחסת לפעילויות במשרד או במגרש. במקום זאת היא מתייחסת לתהליך מעבר האנרגיה.

האנרגיה היא מה שמועבר. העבודה מבצעת את המעבר. המאפיין החשוב ביותר של אנרגיה הוא שהיא נשמרת. בפיזיקה, כמות נשמרת היא כמות שלא יכולה להיהרס ולא להיווצר, אבל ניתן להעביר אותה בין גופים או להמירה מצורה אחת לאחרת. כמויות שמורות הם מאוד מיוחדות בפיזיקה: יש רק מעט מאוד מהן, והאנרגיה היא אחת. גוף שיש לו אנרגיה אינו יכול פשוט להעלימה. הוא רק יכול להיפטר מהאנרגיה על ידי זה שהוא ימסור אותה לגוף אחר, והוא יבצע מעבר זה על ידי זה שהוא יבצע עבודה על גוף זה.

מצב זה הוא אנלוגי לכסף ולהוצאת כסף: הכסף הוא מה שמוציאים ומשלמים איתו, והתשלום הוא מה שמעבירים. אזרחים שומרי חוק והגיוניים לא יוצרים והורסים כסף. הם רק משלמים בכסף ביניהם על ידי הוצאות. המאפיין את הכסף הוא התשלום (הוצאות), וכך המאפיין את האנרגיה הוא ביצוע עבודה עם האנרגיה. ניתן להגדיר כסף כיכולת להוציאו-לשלם עמו, בדיוק כפי שניתן להגדיר אנרגיה כיכולת לבצע עבודה.

עד כה השתמשנו בהגדרה מעגלית: העבודה היא המעבר של אנרגיה והאנרגיה היא היכולת לבצע עבודה. אבל מה מעורב בביצוע עבודה בגוף? אנו עושים עבודה על גוף על ידי זה שמפעילים עליו כוח בעודו נע עם כיוון הכוח. כאשר זורקים כדור, מפעילים כוח קדימה על הכדור ומניעים את הכדור קדימה, וכך עושים עבודה על הכדור. כאשר מרימים גוף, ודוחפים כלפי מעלה ומזיזים את הגוף כלפי מעלה, עושים עבודה על הגוף. בשני המקרים מעבירים אנרגיה מעצמנו אל הגוף על ידי ביצוע עבודה עליו.

לפעמים העברת אנרגיה לגוף יוצרת שינוי ברור בגוף הזה. במצבים אלה, קל לראות את האנרגיה המתווספת. כאשר זורקים כדור, הוא צובר מהירות והאנרגיה שלו גדלה, ולכן הוא יכול כתוצאה לבצע עבודה על הגוף שבו הוא פוגע. לכדור הנע יש אנרגיה של תנועה או אנרגיה קינטית. כאשר מרימים גוף, המרחק שלו מהקרקע גודל וכך גם גודלת האנרגיה שלו. במצב זה הוא יכול לבצע עבודה על הגופים שמתחתיו. האנרגיה שנצברת בכוחות שבין או בתוך גופים קרויה אנרגיה פוטנציאלית, ומכיוון שהאנרגיה של הגוף נצברת בכוחות הכבידתיים שבן כדור הארץ לגוף, האנרגיה של הגוף קרויה אנרגיה פוטנציאלית כבידתית. בשלב זה נדבר על אנרגיה פוטנציאלית כבידתית ואחר כך בשלב מאוחר יותר על אנרגיה קינטית.

אם למשל מחזיקים למעלה משקולת, זה נראה כאילו משקיעים הרבה עבודה בכך. אולם, האנרגיה של המשקולת לא משתנה. אנחנו לא מעבירים כל אנרגיה למשקולת בגלל שאנחנו לא מבצעים כל עבודה עליה. במקום, השרירים שלנו ממירים אנרגיה פוטנציאלית כימית יעילה מהארוחה האחרונה שאכלנו לאנרגיה תרמית חסרת שימוש. אנרגיה תרמית זו נשארת בגוף שלנו כך שאין פלא שאנחנו מתחילים להתחמם ולהזיע.

כדי לבצע עבודה על הגוף עצמו, עלינו לדחוף אותו בעודו זז מרחק כלשהו כיוון שאליו אנחנו דוחפים. כמות העבודה שאנחנו מבצעים על הגוף תלויה בכמה קשה אנחנו דוחפים וכמה מרחק הגוף נע. ניתן לבטא זאת יחס כמשוואת מלים:

עבודה = כוח ∙ מרחק

ובסימנים:

W = F ∙ d           (5)

כלומר, אם אנחנו לא דוחפים או אם הגוף לא נע, אז סימן שלא עובדים.

ראוי לציין שהכוח והמרחק שהגוף נע צריכים להיות באותו הכיוון.

ואם הכוח והמרחק אינם באותו הכיוון? או מה קורה אם הם בכיוונים מנוגדים? במקרים אלה העבודה שמבצעים על הגוף היא המכפלה של המרחק שהגוף נע כפול רכיב הכוח לאורך כיוון תנועתו. אם דוחפים פחות או יותר עם כיוון תנועתו, מבצעים עבודה על הגוף. אם דוחפים פחות או יותר בכיוון הפוך לתנועתו, כמות העבודה שעושים על הגוף היא שלילית, והגוף מבצע עבודה עלינו. למה? כי האנרגיה נשמרת. כאשר מרימים גוף כבד, דוחפים אותו למעלה בעודו נע ומבצעים עליו עבודה. באותו הזמן, הוא דוחף את היד שלנו כלפי מטה אבל היד שלנו נעה מעל, ולכן הוא מבצע עבודה שלילית על היד שלנו. הסך הכולל של האנרגיה של הגוף גדלה בדיוק באותה כמות שהאנרגיה שלנו יורדת. אנחנו מעבירים אנרגיה לגוף. כאשר מורידים את הגוף, התהליך מתהפך והוא מעביר אנרגיה לנו. אם דוחפים בזוויות ישרות לתנועת הגוף או כאשר הגוף לא נע, לא מבוצעת כלל עבודה.

מה קורה כאשר מרימים גוף במונחים של אנרגיה? אנחנו מבצעים עבודה בעודנו מרימים את הגוף הכבד בגלל שאנחנו מפעילים עליו כוח כלפי מעלה והגוף עולה. אנחנו מעבירים אנרגיה לגוף. זוהי אנרגיה שמקורה באוכל שאכלנו. כתוצאה האנרגיה הפוטנציאלית הכבידתית של הגוף עולה.

עכשיו נוריד את הגוף. הגוף עכשיו מבצע עבודה עלינו. הגוף מעביר אנרגיה אלינו והאנרגיה הפוטנציאלית הכבידתית שלו יורדת. בעוד שאנחנו מקבלים אנרגיה מהגוף, הגוף שלנו אינו יכול להפוך את האנרגיה הזו חזרה לאנרגית אוכל. במקום זאת הגוף הופך זאת לאנרגית חום ואנחנו מתחממים.

סיכום של אנרגיה ועבודה:

אנרגיה: היכולת לבצע עבודה.

אנרגיה קינטית: הצורה של האנרגיה שמוכלת בתנועה של הגוף.

אנרגיה פוטנציאלית: צורת האנרגיה שצבורה בכוחות שבין או בתוך גופים.

עבודה אמצעים המכנים להעברת אנרגיה.

אנרגיה פוטנציאלית כבידתית:

כמה עבודה מבצעים כאשר מרימים גוף למעלה? מפעילים כוח כלפי מעלה השווה בגודלו למשקל הגוף שדוחף את הגוף כלפי מעלה מהרצפה. כדי לגרום לגוף להתחיל לזוז יש לדחוף קצת יותר חזק בהתחלה. הכוח הכולל על הגוף פונה כלפי מעלה ואז הגוף מאיץ כלפי מעלה. ברגע שהגוף עולה, צריך רק לתמוך במשקלו כדי ששקול הכוחות לא יהיה אפס. הגוף אז ממשיך לעלות במהירות קבועה. מכיוון שדוחפים כלפי מעלה והגוף נע כלפי מעלה, העבודה שמבצעים על הגוף היא המכפלה של משקל הגוף במרחק שמרימים אותו.

האנרגיה הפוטנציאלית הכבידתית של הגוף גדלה בעודו עולה. כמות הגידול באנרגיה זו שווה לעבודה שמבצעים על הגוף שאותו מרימים. אם מסכימים על כך שלגוף יש אפס אנרגיה פוטנציאלית כבידתית בעודו עומד במנוחה על גבי הרצפה, אז הגוף התלוי באוויר הוא בעל אנרגיה פוטנציאלית כבידתית שהיא שווה למשקלו כפול הגובה מהרצפה. מכיוון שהמשקל של הגוף שווה למסתו כפול תאוצת הכבידה, האנרגיה הפוטנציאלית הכבידתית היא המסה כפול תאוצת הכבידה כפול גובהו מעל לרצפה.

ניתן לבטא רעיונות אלה במשוואת מלים:

אנרגיה פוטנציאלית כבידתית = מסה ∙ תאוצת הכבידה ∙ גובה

ובסימונים:

U = mgh            (6)

המשקל של הגוף (מסה כפול תאוצת הכבידה) מבוטא בניוטון, והגובה מבוטא במטרים. נגיד שרוצים להרים גוף מאוד כבד ששוקל 2000 ניוטון שר למעלה לגובה של 5 מטר מעל לקרקע. או אז נבצע עבודה של 10,000 ניוטון-מטר בהרמת המשא הזה למקומו. והאנרגיה הפוטנציאלית של הגוף תהיה לכן 10,000 ניוטון-מטרים. הניוטון-מטר היא היחידה לאנרגיה ועבודה והיא נקראת ג’אול (J). בגובה של 5 מטר האנרגיה הפוטנציאלית של הגוף תהיה 10,000J.

כדי להרים גוף שמשקלו 2000 ניוטון ישר למעלה לגובה של 5 מטר נזדקק להפעיל עליו כוח של 2000N כדי לאזן את משקלו של הגוף כלפי מטה. אולם לפי משוואה (6) ניתן להגדיל את המרחק ואז הכוח שנזדקק לו יקטן. כיצד נעשה זאת? על ידי השימוש במדרון או בשיפוע. נבנה מדרון באורך של 10 מטר מהקרקע ועד ליעד למעלה בגובה של 5 מטר. כך ניתן להרים את הגוף הכבד ששוקל 2000N רק בכוח של 200N. למה כוח זה? גוף שמונח על הרצפה חש בשני כוחות: משקלו שמכוון כלפי מטה וכוח תמיכה שמכוון כלפי מעלה מהרצפה והוא בדיוק מאזן את משקלו. הכוח הכולל השקול על הגוף הוא לכן אפס. אבל אם מחליפים את הרצפה עם שיפוע או מדרון, כוח התמיכה הוא כבר לא מכוון יותר ישירות כלפי מעלה כמו מיקודם. ולכן הכוח הכולל על הגוף הוא כבר לא אפס. במקום הכוח הכולל מכוון בכוון מטה לאורך המדרון והוא שווה למשקל הגוף כפול יחס שיפוע המדרון לאורך המדרון. אם מדרון שאורכו 10 מטרים הוא בשיפוע של 1 מטרים מעל לרצפה, אז היחס הוא 1 מטר חלקי 10 מטרים או 0.10 מטרים. הכוח הכולל במורד המדרון הוא לכן עשרה אחוזים ממשקל הגוף, כלומר 200N.

מדרון

אם נבטא זאת גרפית במשוואה, יחס זה יראה כך:

עבודה = כוח גדול ∙ מרחק קטן = כוח קטן ∙ מרחק גדול.

כמות העבודה שעושים כדי להרים את הגוף לגובה של 5 מטרים לא תלויה בדרך שבה מרימים אותו. בעשותנו עבודה על הגוף, אנחנו מעלים את האנרגיה שלו, מעברים אנרגיה אליו מעצמנו. כמות האנרגיה שמעבירים לגוף תלויה רק באופן שבו המצב משתנה ולא באופן שבו משיגים שינוי זה. לא משנה כיצד מזיזים את הגוף כלפי מעלה לגובה 5 מטר, נצטרך לבצע 10,000J עבודה עליו והאנרגיה שלו תעלה ב-10,000J. גם אם נפרק את הגוף לחלקים ונרימם בנפרד אחד-אחד ונרכיב מחדש את הגוף בסוף, נבצע את אותה העבודה 10,000J בהרמת הגוף.

עוברי אדם-חיה ייוצרו בבריטניה

האם ניתן ליצור עוברי אדם מביציות של חיות? האם זה חוקי? התהליך קשור בהזרקת דנ”א אנושי אל תוך ביצית ריקה של פרה או של ארנב. או אז משתמשים בפרץ של חשמל כדי לגרום לביצית להתחלק בצורה סדירה, כך שהיא נעשית עובר מאוד צעיר, שממנו מקווים להוציא תאי גזע. זה קרוי עובר אדם-חיה. המדענים לא מאפשרים לעוברים להתפתח יותר מ-14 יום, והמטרה היא למלא את המאגר הקיים של ביציות לתאי גזע, מכיוון שיש מחסור קיים בביציות אנושיות בכל שנוגע לתאי גזע.

הניסויים הראשונים בעוברים מעורבים בבריטניה – אדם-חיה – כבר יתחילו תוך חודשים מהיום אחרי שהממשלה הבריטית כבר נתנה אור ירוק אמש לשתי קבוצות מחקר לבצע את העבודה השנויה במחלוקת הזו. מדענים בקינגס קולג’ בלונדון ובאוניברסיטת ניוקסל יזריקו דנ”א אנושי אל תוך ביציות ריקות מתוכן של פרות כדי ליצור את העוברים הראשונים עלי אדמות שידועים בשם “היברידים ציטופלזמים”, שהם רק 99.9 אחוז אנושיים במונחים גנטיים. ברוכים הבאים לטירת פרנקנשטיין…

How to make a human cybrid

cybrid

הניסויים מטרתם לסייע לאנשים חולים. החוקרים רוצים להבין טוב יותר מחלות כמו פרקינסון וניוון שרירים על ידי זה שהם יפיקו תאי גזע שמכילים את הדפקטים הגנטיים שתורמים למצבים אלה. אלה ישמשו כמודלים תאיים למחקר של גישות חדשות לטיפול, וכדי לשפר את ההבנה שלנו כיצד תאי גזע עובריים מתפתחים.

לא ישתמשו בהם לטיפול – ולמען האמת אין זה חוקי להשתיל אותם ברחם (להשתיל חלקי אדם-חיה). ההחלטה שנתקבלה על ידי ה-

Human Fertilisation and Embryology Authority (HFEA

להעניק רשיון של שנה אחת לשתי הקבוצות מסיימת מעל שנה של אי ודאות עבור החוקרים בנוגע להאם יאושר המחקר בעוברים היברידים או לא, לאחר שהם לראשונה ביקשו רשות לבצע את המחקר הזה בסתיו 2006. ההחלטה הייתה קשורה בדעת קהל ובהסכמה של תורמי הדנ”א האנושיים שבהם ישתמשו בניסויים.

Britain To Allow Animal-Human Hybrid Embryos For Stem-Cell Research..

by campanaro | October 23, 2008 at 10:11 am | 
Britain To Allow Animal-Human Hybrid Embryos For Stem-Cell Research.. by campanaro

 

LONDON British plans to allow scientists to use hybrid animal-human embryos for stem-cell research won final approval from lawmakers Wednesday in a sweeping overhaul of sensitive science laws.

תכנון בריטי שיאפשר למדענים להשתמש בעוברים כאלה בני-כלאיים אדם-חיה למחקר של תאי גזע זכה אמש לאישור משפטי ביום רביעי בתיקון כללי סוחף של חוקי מדע רגישים. החלו להתווכח שתחת החוקים החדשים, קליניקות להפריה “אין ויטרו” (הפריה חוץ גופית) לא תצטרכנה יותר לחשוב על הצורך שלילד יהיה אבא כאשר הם מציעים טיפול לזוגות לסביים.

The process involves injecting an empty cow or rabbit egg with human DNA. A burst of electricity is then used to trick the egg into dividing regularly, so that it becomes a very early embryo, from which stem cells can hopefully be extracted. Scientists say the embryos would not be allowed to develop for more than 14 days, and are intended to address the shortage of human eggs available for stem-cell research. Under the new laws, in-vitro fertilization clinics will no longer have to consider the need for a child to have a father when deciding whether to offer treatment to lesbian couples

Britain to allow animal-human hybrid embryos for stem-cell research

בית הנבחרים גם הבהיר חוקים שמאפשרים את הסינון של עוברים כדי ליצור תינוקות בעלי מח עצם מתאים או חומר אחר להשתלה בצאצאים חולים.

Animal-Human Hybrids Research Approved in U.K.David Stringer in London
Associated Press

Updated May 20, 2008

British lawmakers voted on Monday to approve controversial plans to allow the use of human-animal hybrid embryos for stem cell research.

From
January 18, 2008

Animal-human embryo research is approved

 

בבריטניה מאמינים שהשימוש בעוברי אדם-חיה מעורבים למחקר של תאי-גזע יציל בנוסף מיליוני בני אדם.   

מה לדעתכם ההשלכות האתיות והדתיות של תיקון בחוק שכזה?

כיצד יראו מכוניות העתיד בשנת 2025

כיצד יראו המכוניות בעוד 17 שנה מהיום בשנת 2025? בלוס אנג’לס הכריזו תחרות בין יצרניות הרכב הגדולות ביותר בעולם. והתוצאה? מכוניות מונעות על מימן, תאים פוטו-וולטאים, חשמל אלחוטי (התחזית של טסלה) ומיני חידושים מהממים אחרים. והמראה של המכוניות? מכוניות דמויות רובוטריקים… משהו דמוי צבי נינג’ה, מעין יאכטות משודרגות ומכוניות דמויות עגלות סופר… אז תאמרו אתם, האם בשביל לנסוע בעגלת סופר אנחנו צריכים לחכות 17 שנה עד 2025?…

באוטו שאו השנה של לוס אנג’לס, שיתקיים בין ה-21 ל-30 בנובמבר 2008, יוכרז המנצח בתחרות לתכנון מכוניות מירוץ למירוץ 2025. כיצד יראו המכוניות בעוד 17 שנה מהיום? ידוע מהעבר שתכנון מכוניות מירוץ תרם רבות לתכנון וגם להנדסה של המכוניות המשפחתיות שאנחנו כולנו נוהגים בהן. עם מחשבה זו תצוגת המכוניות של לוס אנג’לס החליטה על תחרות בין יצרניות המכוניות בדרום קליפורניה: כיצד תראה מכונית המירוץ בעוד 17 שנה מהיום בשנת 2025? והעיקר מה מכונית המירוץ של העתיד יכולה להציע מבחינת הטכנולוגיה, הבטיחות וגם היותה מכונית “ירוקה” – ידידותית לסביבה? ובסופו של דבר כיצד כל הטכנולוגיות האלה יכולות להיות מיושמות במכוניות רגילות משפחתיות או מכוניות קומפקטיות שבהן אנחנו האנשים הרגילים נוהגים ביומיום?

התכנונים הם חלק מה-Los Angeles Auto Show’s Design Challenge השנתי שבו יצרניות כמו: Audi, BMW, GM, Honda, Mazda, Mitsubishi, Mercedes-Benz, Toyota, Volkswagen מתחרות זו נגד זו כדי להדגים את כישוריהן וכישרונותיהן וגם כדי לחקור הלאה את היכולות הטכנולוגיות ואת היכולות בתכנון ובעיצוב מכוניות.

המוטיבציה של התחרות הייתה בין השאר: דמיינו לעצמכם מכונית שלא צריכה לעצור כדי לתדלק… דמיינו טכנולוגיה שתגביר בטיחות בעת התנגשות…

2008 Los Angeles Auto Show: Mind-Blowing Motorsports Concepts Rev Up 2025 Design Challenge

תשעה מיצרני המכוניות המובילים בדרום קליפורניה – ששמותיהם מופיעים למעלה – ישבו וחשבו כיצד לפתור את הבעיות האלה ואחרות בדיוק, כאשר הם מנחשים כיצד מירוצי המכוניות ישתנו בשנת 2025, ובנוסף כיצד תהיה טכנולוגית כבישי המירוצים בשנת 2025?

התכנון המנצח יוכרז ב-20 לנובמבר ב-Auto Show של לוס אנג’לס.

 

עד אז הייתם רוצים להצביע עבור המכונית שהכי מצאה חן בעיניכם?

אתם יכולים לעשות זאת כאן!

להלן הסבר קצר של הדגמים המשוכללים ביותר מבחינה טכנולוגית:

1) אאודי: מכונית חשמלית שחלקיה העליונים נטענים על ידי חשמל אלחוטי. המכונית יכולה לחלוף ב”מהופך” והיא בעיצוב אירודינמי. יש לה יכולת למנוע חשמלי וגם לביודלק. עם טכנולוגית טרנספר אלחוטית. אין בתכנון הזה אלמנטים שהם ללא שימוש. המשטח מנצל זרימת אווויר בזמן הנסיעה. המכונית מוקפת בסנסורים דינמיים ובמצלמות HD. מציאות וירטואלית מושלמת…

Audi Design Center California
Claus Potthoff, Executive Design Director
Hendrik Veltmann, General Manager
Jae Min, Chief Designer
Concept & Art:
Craig Durfey, Senior Design Advisor
Raul Cenan, Designer
Taeho Kim, Designer
Concept contribution & editing:
Tomi Lin, Audi Advanced Product Planning
Nancy Holman, Designer
Alex Marzo, Design Intern

All top sections of the tunnels and banks are also WiTricity wireless electrical charging zones, which encourage the drivers to utilize these free energy zones instead of fuel stops.

Audi_03_l

Audi R25 Audi Design Center California

2) BMW: מכונית שמונעת על מימן. שימוש חוזר ולא מיחזור. שימוש בחומרים רגילים, קיימים.

Design Team:
President: Verena Kloos
Director: Chris Chapman
Creative Director: Erik Goplen
Designer: Richard Kim
Digital Modelers: Jason Rowlands and Blair Taylor

BMW has designed a hydrogen powered salt flat racer based on the premise of Reuse (instead of recycle).

Bmw_07_l

BMW Hydrogen Powered Salt Flat Racer BMW Group DesignworksUSA

 

3) ג’נרל מוטורס: הנעה חדישה.

Designed for the 2025 revival of the LA Times Grand Prix, the Chaparral Volt uses advanced EREV propulsion, energy collection, generation and management system to create an entirely new category of racing – the eco-triathlon.

 

Gm_05_l_2

GM Chaparral Volt General Motors Advanced Design, California

Design Team:
Frank Saucedo, Steve Anderson, Thamer Hannona, Jussi Timonen, Loren Kulesus, Alessandro Zezza, Sean Moghadam, Tony Liu and Phil Tanioka

4) הונדה: מציטה את הדמיון… מומחית בטכנולוגיות ימיות, רובוטיות וסילוניות. והם שילבו את כל הטכנולוגיות האלה כאן ברכב אחד. לרכב יש סנסורים שמסוגלים לזהות שינויים במהירות, במרקם הקרקע ובגובה. וכך הרכב משנה בהתאם לכך את הקונפיגורציה שלו. רובוטריקים בפעולה…

The vehicle’s sonar/echolocation sensors are able to detect changes in speed, terrain, and altitude, allowing it to switch to any configuration. With expertise in automotive, marine, robotics, and jet technologies already in place,

Honda_07_l

Honda The Great Race 2025 Honda Research and Development

Design Team: Franco Corral

5) מזדה: מכונית מירוץ חשמלית. ב-2025 ה”פרי-ווייס” (מה שקרוי נתיבי איילון של לוס אג’לס…) כבר צופו בשכבה תחתונה של פולימר אלקטרו-מוליך שמניע את המכוניות החשמליות של העולם המודרני. מזדה לכן מתאימה עצמה לטכנולוגיה זו ובמיוחד לשם כך היא מוסיפה מערכת צמיגים אלקטרונית שתאפשר לדגם ה”קאן” להגיע ל-250 קמ”ש ללא פליטות מזיקות בעודו דוהר על הנתיבים המהירים של לוס אנג’לס… (ומה עם הפקקים על ה-405 ועל ה-101 שימנעו מלהגיע למהירות זו?…)

The MAZDA KAAN is an electric race car designed to compete in the E1 races. “sub-level electro-conductive polymer that powers the electric cars of the modern world.  

Mazda_02_l_2

Mazda KAAN Mazda Research and Development

Design Team:
Jacques Flynn
Carlos Salaff
Minyong Lee
Greg Lee
Tim Brown
Jordan Meadows

6) מיצובישי: מכונית מירוץ עם גלגלים שיכולים להסתובב לכל הכיוונים – כך שהמכונית יכולה לנסוע קדימה ולפנות לכל מקום כמו עגלה בסופרמרקט. אז כדי לתכנן עגלת סופרמרקט היה צריך להמציא מכונית עתידנית?…

 omnidirectional wheels consist of eight independently-controlled motors, allowing for “8 x 4” wheel drive so that the car can be driven forward while pointing in any direction.

בשלג, במדבר ובחולות…

 

MitsuFutureRally 555.jpg

Mitsubishi Motors MMR25 Mitsubishi Research and Design of North America

Design Team:
Jon Hull (design, surfacing, rendering and animation)

הפטנט לגלגלים שיכולים לנוע לכל הכיוונים של המכונית שלמעלה לראשונה הומצא על ידי ממציא שוודי והוא נמכר לצי הימי של ארה”ב. הוא עתה מניע מעלית חשמלית שיכולה לנוע לכל הכיוונים. הרעיון הוא שלכל גלגל יש את המנוע החשמלי של עצמו, את מערכת הברקסים, ההילוכים והבקרה משל עצמו, וכך הוא יכול לנוע לכל כיוון. שולטים על הגלגלים באמצעות ג’וי סטיקים ששולטים בכיוון ובמהירות של כל גלגל ויש מיקרומעבד מתוכנת מרכזי. הגלגלים דורשים צמיגים מיוחדים שעשויים גם מחומרים מיוחדים. להלן למטה:

Sidewinder - Sideways Moving Vehicle

 7) מרצדס-בנץ: שילוב של מירוצי היאכטות לעשירים עם מירוצי ה-Formula one של שנות השלושים. המכונית גם נראית כמו מכונית לתחרות גלגליות.

 the grace and efficiency of yacht racing.

 

Mercedes Formula Zero Racer Mercedes-Benz Advanced Design of North America

 Design Team:
Alan Barrington
George Yoo
Kevin Verduyn
8) טויוטה: מכונית ירוקה: מונעת על מימן וגם יש לה תאים פוטו-וולטאים כדי לספק את החשמל במשך היום. ומה לגבי הלילה כאשר השמש שוקעת? בנוסף יש לה מערכת הנחייה על בסיס מציאות וירטואלית.

highly efficient hydrogen fuel cell electric motors, each of its body panels is embedded with photovoltaic panels that supply electricity.  To aid the driver in darkness or unreliable weather, the cockpit is a completely digital environment with a display enhanced by virtual reality, computer trajectory plotting, collision avoidance assistance and a robot co-pilot, which manages the on-board systems and repairs so that it can maintain full speed all the way to the finish.

Toyota_03_l 

Toyota LeMans Racer Calty Design Research, Inc.

Design Team:
President: Kevin Hunter
Studio Design Manager: Erwin Lui
Senior Creative Designer: Craig Kember

9) וולספוואגן: מכונית מונעת על ביודלק. הרכב הוא בעל תפישה של אופנוע במובנים רבים.

The vehicle is powered by dual-turbine engines that run at an ultra-efficient 500,000 rpm and operate on a patented bio-synthetic jet fuel.
The vehicle also boasts an Arial Reconnaissance Drone (AR-D) which feeds video to the driver when visibility is limited.

biofuel-burning car

הגענו לצבי הנינג’ה?….

 

 

 

 

Volkswagen_04_l

Volkswagen Bio Runner Volkswagen/Audi Design Center California

 Design Team:
Derek Jenkins
Patrick Faulwetter
Ian Hilton

והזוכה היא…. מכונית סופר סונית מ… לונדון!!!

עם האף לעבר המהירות, המכונית הסופר סונית מתוכננת להגיע למהירות שיא של 1609 קילומטרים לשעה עד 2011!  כך הודיעו מהנדסים ב-23 לאוקטובר. היא מונעת על ידי מנוע רקטה וסילון, והיא מלאה בחידושים – כמו למשל יש לה גלגלים סופר חזקים ומערכות רחיפה “חכמות” כדי שיוכלו לתמוך במסע סופר סוני. המתכננים של המכונית מקווים שהמכונית תהווה השראה לדור חדש של המדענים והמהנדסים לפי ההצהרה לעיתונות.

סרט על המכונית

 

BLOODHOUND SSC
Bloodhound SSC
1. גלגלים מטיטניום או גלגלים מרוכבים – הגלגלים האחוריים יושבים מחוץ לגוף הרכב, הגלגלים הקדמיים ניתנים לניווט.
2. הנהג יושב מאחורי הגלגלים האחוריים ומקדימה לתעלת קליטת האוויר למנוע.  
3.  גוף מסיבי פחמן וטיטניום לביצוע אירודינמי אופטימלי. דרוש מרחק כלשהו כדי לעצור את המכונית.  
4. מונעת על ידי מנוע סילון עם רקטה היברידית שמחוברת, שמאפשרת למכונית להאיץ מאפס קילומטרים ב-40 שניות.  
5. סנפירים ששומרים על היציבות וכוח כלפי מטה שמיועדים לשמור על המכונית על הקרקע.  
6.   אירומבנים פרושים שמאטים את המכונית במהירויות הגבוהות ביותר. מצנחים שמאטים את המכונית במהירויות בינוניות. לבסוף הנהג עוצר את המכונית בעזרת ברקסים מסיבי פחמן.

October 23, 2008–With a nose for speed, the Bloodhound supersonic car (illustrated above) is being designed to set a new land speed record of a 1,000 miles (1,609 kilometers) an hour by 2011, engineers announced in London today.

Powered by a rocket and a jet engine, the Bloodhound necessitates innovations–such as light but superstrong wheels and “smart” suspension systems–to endure sustained supersonic travel. The car’s designers hope “to inspire the next generation of scientists and engineers,” according to a press statement.

WEEK IN PHOTOS: Fastest Car, Wax Presidents, More

 

מכאן

ברקודי DNA – ספירת מלאי של הצומח והחי על כדור הארץ

ברקודים של DNA לעולם הצומח והחי

שוו בנפשכם שאתם הולכים ולפתע רואים פרח יפה. יופיו וריחו מענגים אתכם אבל השם של הפרח חמק בזיכרונכם. אין כל בעיה. בחטף יש בידכם סורק ידני, בערך הגודל של טלפון נייד ואתם נוטלים קטע קטנטן של העלה אל תוך הרכיב. כמה שניות אחר כך, והקורא של המכשיר אומר לכם שאתם מביטים על סחלב. מרוצים מהמידע אתם ממשיכים בדרככם. 

נשמע הזוי במידת מה? זהו שזה בכלל לא מרוחק מאיתנו. מדענים זה עתה אוספים ברקודי DNA עבור כל מין של צמח וחי על הפלנטה שלנו. המינים יזוהו על ידי שינויים בגנים המסוימים.

לא יעבור זמן רב בטרם כולם – החל במומחים וכלה בחובבנים – יהיו מסוגלים לסרוק את עולם הצומח והחי כאילו הם היו בודקים מצרכים בסופרמרקט, לבדוק ולוודא את זהותם.

ישנו מגוון רחב של שימושים לברקוד DNA. רכיב כזה של סריקה יאפשר לנו לסרוק דגה אצל מוכר הדגים וזאת כדי לבדוק האם שמו על הדגים את התוויות הנכונות. המכשיר יאפשר לנו לבדוק בדיוק מה מצוי בתוך מרק הירקות שלנו. כמוכן נוכל לאמת האם רהיט מעץ מסוים באמת בא מיער מחודש פי שהסוחר טוען.מכשיר הסריקה החדש גם יסייע במדע פורנזי (משפטי).

Science intends to tag all life

Zebra against a barcode (Tim Flach/Getty)
Science is engaged in a huge stocktaking exercise
ניתן יהיה בזהירות לזהות את אבקת הפרחים על החשוד, לקשרו למיקום מסוים. המכשיר יכול לסייע לפקידי מכס, במאמציהם למנוע ממזיקים נשאי מחלות מלעבור את הגבולות בין מדינות. גם לפקחי סביבה במאמציהם לוודא את איכות המים המכשיר יועיל– הם זקוקים לוודא אילו מיקרובים מסתתרים בדוגמית מסוימת.
היה זה פרופ’ פול הברט, ביולוג מאוניברסיטת גאולף אשר בקנדה שהגה את הרעיון לברקוד של עולם הטבע:
 DNA barcoding.
בעודו מסתובב לו במעברי הסופרמרקט הוא תהה לתומו האם ניתן להשתמש בשיטת הברקוד של הקווים השחורים, הדקים והעבים שמרכיבים את מערכת הברקוד של המצרכים, כדי לתעד את מיליוני הזנים שקיימים על כדור הארץ באמצעות הדנ”א שלהם?
ראשית עלינו לשאול: כמה מינים חיים על כדור הארץ? לפני 250 שנה השוודי קרל לינאוס ב-1758 יסד את מדע הטקסונומיה (בביולוגיה-תורת המיון, מיון אורגניזמים), שמבוסס על מאפיינים פיזיקאליים והתנהגותיים. עד היום מדענים מיינו בערך 1.7 מיליון אורגניזמים, חלק קטן מסך כל המינים, שהוערכו כבערך בין 5 ל-30 מיליון. 
הבעיה במדע הטקסונומיה היא שמינים רבים של אותו יצור נראים בדיוק זהים. רק מומחה שבילה במשך שנים רבות בבחינת קבוצה מסוימת של אותו יצור יכול להבחין בין האחד לשני. ואפילו המומחים יכולים למעוד. הבעיה הבאה היא ההכחדה של זני יצורים חיים וצמחים. ולכן הרעיון של הברט הוא למצוא חתיכת דנ”א שתחשוף את הזהות של המינים מבלי לפענח את הקוד הגנטי כולו.

הברט כותב שהרכיב יכול לגלות את רצף חומצות הבסיס בקטע הברקוד. ידע זה מיד ישויך לבסיס נתונים שיהיה מעין מערכת יחוס, ספריה ציבורית של ברקודים. כל אחד, בכל מקום יכול כך לזהות זנים בטבע:

Bar Code of Life: DNA Tags Help Classify Animals

Inspired by commercial bar codes, DNA tags could provide a quick, inexpensive way to identify species

By Mark Y. Stoeckle and Paul D. N. Hebert 

הברט מדמה “קורא ברקוד DNA” זהה לסורקים אשר במרכולים. כאשר הוא מפרט את הרעיון שלו בגיליון הנוכחי של: Scientific American במאמר שלמעלה. 

כדי ליצור את הברקוד, הברט הציע את השימוש ב-DNA מיטוכונדריאלי, מהיחידות שיוצרות אנרגיה ומצויות בכל התאים. הוא בחר בגן שמוביל לאנזים שידוע בשם CO1 (צי טוכרום c אוקסידז תת יחידה 1). גן זה הוא קטן יחסית כדי שהוא קטן מספיק כך שניתן יהיה במהירות ובקלות לפענחו, על ידי קריאת 648 הזוגות הראשונים של חומצות הגרעין שיוצרות את “האותיות” של קוד ה-DNA שלו, אבל יש לו מספיק וריאציה כדי שיהיה מסוגל להבחין בין מרבית מיני החיות. לנו למשל יש גרסאות שונות של CO1, אבל עדיין לכולנו בני האנוש יש CO1 זהה מספיק כדי להראות שאנחנו בני אנוש ולא שימפנזות.

בשנת 2003 הברט וקבוצתו פרסמו את תוצאותיהם הראשונות. הם הראו שמערכת הברקוד יכלה לזהות את הקבוצה שממנה החיה באה (למשל, האם היא בעלת חוליות, תולעת או חרק) ואפילו את המינים כאשר הם היו מיוצגים בספרית הברקוד.חלפו חמש שנות עבודה נוספות, והתוצאות מראות שחיות ניתנות עתה לזיהוי על ידי הברקוד שלהן ב-98 אחוז מהמקרים.

השיטה אפילו סייעה למדע הטקסונומיה. זחלים של פרפר טרופי שלראשונה אובחנו כזן אחד בשנת 1755 וכולם נראים זהים לחלוטין ולכן חוקרים הניחו שהם שייכים לאותו זן, תוך שימוש בשיטת הברקוד, הם התגלו כשייכים לעשרה סוגי זנים.

כמובן שערכה של השיטה תלוי בספרית הייחוס של ברקודי ה- DNA (CO1) של הזנים המבוססים. ישנה מערכת נתונים של הברקוד, שהיא שיתוף פעולה בין 150 מכונים מ-45 ארצות. כיום יש יותר מ-500,000 רשומות מ-50,000 זנים. האיחוד מקווה להעלות על הברקוד את ציפורי העולם עד 2011. מעריכים שמתוך 10,000 זני הציפורים של העולם, ברקוד ה-DNA יכיל לפחות 1000 ציפורים.

לנוכח ההצלחה בעולם החי, יצירת ברקוד DNA לעולם הצמחים היא בעייתית יותר מאשר יצירת ברקודי DNA לעולם החי. למרות שלצמחים יש מיטוכונדריה, הגנום הצמחי התפתח בשונה למדי מזה של העולם החי, ולא ניתן להשתמש בגני CO1 כדי להבחין בין זנים. בנוסף הרבה מיני צמחים מתערבבים וכך מטשטשים הגבולות הגנטיים. לכן נדרשת שיטת ברקוד DNA אלטרנטיבית לצמחים. ואכן כבר הוצעו כאלה שיטות.

ההמצאה של המיקרוסקופ המנהור הסורק

ההמצאה של המיקרוסקופ המנהור הסורק

 היכן נמצאת הארץ הלא נודעת הזו? על כוכב אחר?…

Cr impurities in the Fe(001) surface

לא ולא. היא בסך הכל בגודל של 35 על 35 ננומטר בגודל.

והנוף הזה מהיכן הוא?

Cs atoms on the GaAs(110) surface

הוא מראה נוף מארצות נידחות ואף קטנות יותר בגדול של 7 על 7 ננומטר.

טופוגראפיות אלה הן דימות ננומטרית של פני שטח אטומי (תוך שימוש בצבעים מדומים) והן מופקות על ידי המיקרוסקופ המנהור הסורק (הממ”ס).

בדצמבר 1978 שני חוקרים מיב”ם רושליקון אשר ליד ציריך בשוויץ הגישו בקשת פטנט על Raster-Tunnelmikroskop או מיקרוסקופ מנהור סורק (ממ”ס) בשוויץ וגם בארה”ב ב-12 לספטמבר, 1980. הפטנט אושר רק ב-1982 רק לאחר שמשרד הפטנטים וידא שהמכשיר המוזר הזה פועל…

IBM by you.
שלט הכניסה ליב”ם ברושליקון.
 

אריק קורטנס, אז סגן מנהל מחלקת הפיזיקה שבה עבדו השניים במעבדת יב”ם רושליקון, דחף את בקשת הפטנט וקדמה לאפליקציית פטנט כאשר הוא חוזה עתיד של אלפי מיקרוסקופי מנהור סורקים פועלים. הוא היה המאמין הראשון במכשיר המוזר. והוא צדק. עידן הננוטכנולוגיה נשען רבות על מכשיר מדידה זה ועל אלה שצמחו ממנו.

ב-1978 שני חוקרים בשם הינריך רוהר והפוסט דוקטורט שלו ג’רד ביניג ממעבדת המחקר של יב”ם ברושליקון חקרו את הבעיה של צמתי ג’וזפסון בהקשר לאחד מהפרויקטים המסחריים של יב”ם באותם הזמנים. צומת ג’זפסון מורכבת מהסידור של שני על-מוליכים שמופרדים ביניהם בקרום תחמוצת מאוד דק. ביניג ורוהר שאפו לתרום במשהו מהידע שלהם להבנה טובה יותר של חוסר ההומוגניות ברמת הננו על פני משטחים של קרומי תחמוצת דקים של צמתי ג’וזפסון, ובייחוד הממשק שלהם תוך ניסיון להגיע למנהור קוונטי. ההמצאה של מיקרוסקופ חדש לא עלתה בכלל על הפרק. המצאה זו קרתה לגמר במקרה תוך כדי העבודה הזו.

צומת ג’וזפסון: צומת ג’וזפסון היא סוג של מעגל חשמלי שמסוגל לבצע מיתוג במהירות מאוד גבוהה כאשר הוא פועל בטמפרטורות שהן קרובות לאפס המוחלט. הוא קרוי על שם הפיזיקאי הבריטי שתכנן אותו. צומת ג’וזפסון מנצלת את תופעת העל-מוליכות, היכולת של חומרים מסוימים להוליך זרם חשמלי למעשה באפס התנגדות. צומת ג’וזפסון מורכבת משני על-מוליכים, שמופרדים ביניהם על ידי שכבה שהיא לא על-מוליכה והיא כל כך דקה שהאלקטרונים יכולים לעבור דרך המחסום המבודד. זרימת הזרם בין העל-מוליכים בהעדר המתח המיושם קרוי זרם ג’וזפסון, והתנועה של האלקטרונים על פני המחסום ידועה בשם מנהור ג’וזפסון. שתי צמתים ויותר שמחוברות על ידי נתיבים על-מוליכים יוצרות את מה שקרוי אינטרפרומטר ג’וזפסון.

כיצד הומצא צומת ג’וזפסון? בעוד הוא חקר על-מוליכות, בריאן דיויד ג’וזפסון חקר את התכונות של הצומת בין שני על-מוליכים. בעקבות עבודה קודמת של לאו אסקי ואיבר גאיבר, ג’וזפסון הדגים שבמצב שבו יש זרימת אלקטרונים בין שני על-מוליכים דרך שכבה מודדת (בהעדר מתח מיושם), וכאשר מתח מיושם, הזרם פוסק לזרום ומתנודד בתדירות גבוהה. תוצא ג’וזפסון מושפע משדות מגנטיים בסביבה, יכולת שמאפשרת להשתמש בצומת ג’וזפסון במכשירים שמודדים שדות מגנטיים מאוד חלשים, כמו מכשירי התאבכות קוונטיים על-מוליכים. עבור מאמציהם, ג’וזפסון, אסקי וגאיבר חלקו את פרס נובל בפיזיקה לשנת 1973.

השימוש במנהור ואקום לצורך חקירת קרומי תחמוצת עלתה בסתיו 1978 בשיחות שהיו לחוקרים זמן קצר לפני שג’רד ביניג הצטרף למעבדה בנובמבר של אותה שנה כחבר צוות חדש. השיחות נסבו סביב הבעיה, כיצד יש לחקור את הקרומים לוקאלית, וביניג ורוהר הרגישו שחסר להם מכשיר מתאים כאן. לקח לשני החוקרים הנמרצים שבועיים להבין (ברמה התיאורטית בשלב זה) שבעזרת יחידת מנהור ואקום, לא רק שיהיה להם מכשיר בדיקה ספקטרוסקופי לוקאלי, אלא בנוסף סריקה תניב “דמויות טופוגראפיות” של חוסר ההומוגניות. זה כנראה מאוד ריגש את שני החוקרים שהבחינו שאוסף צפוף של סריקות קוויות שנוצרות במישור הדו-ממדי (x, y) – כפונקציה של z – יציג דמויות מסוימות, שניתן יהיה לפרשן כדמויות של חוסר ההומגניות.

בראיון שנערך שנים אחר כך, רוהר הסביר “מרבית הדברים הם חדשים רק בגלל שמרבית האנשים חושבים שזה טעות או בלתי אפשרי. זו הסיבה מדוע דברים יכולים להופיע כחידוש. המקרה שלנו הוא לא יוצא דופן – זה קורה להרבה אנשים”.

וכך ביניג ורוהר הבינו שיכולת הדימות החדשה שאותה הם גילו יכולה להוביל למיקרוסקופ חדש. בפטנט שאותו הגישו ביניג ורוהר, הם כתבו:

“מה שאנו טוענים כחדש, ושואפים להבטיח בכתבי הפטנט הוא:

1.     מכשיר לחקירת מבני פני המשטח שעושה שימוש באפקט מנהור ואקום והוא כולל: תא ואקום אולטרא-גבוה שניתן לקררו לטמפרטורה קרובה לאפס המוחלט; מחט מוליכה דקה ומשטח דוגמית; אמצעי לסריקת המחט הנדונה על פני המשטח… אמצעי לתצוגה גראפית של הקואורדינאטות המרחביות של המחט הנדונה כדי ליצור מפה טופוגראפית של המשטח הנדון”.

הם ציינו שההמצאה שלהם:

“קשורה למכשיר לחקירת מבני משטח תוך שימוש באפקט מנהור הואקום. תא ואקום אולטרא גבוה מקורר לטמפרטורות מקפיאות בסביבת האפס המוחלט. דוגמית מוליכה ממוקמת בתא זה ומשרתת כאלקטרודה בסיסית ביחס למחט מוליכה דקה שמשרתת כאלקטרודה סורקת. האלקטרודה הסורקת ממוקמת מעל לאלקטרודת הבסיס במרחק של רק כמה אנגסטרומים”.

המיקרוסקופ מורכב מיחידת מנהור בעלת שתי אלקטרודות, האחת היא מחט המיקרוסקופ בעלת קצה מאוד דק בעובי רצוי של אטום בודד והשנייה היא שטח הדוגמית. הדוגמית פועלת כאלקטרודה שמעליה המחט ממוקמת במרחק זעום, כאשר היא באינטראקציה עם הדוגמית על ידי אפקט המנהור. הדוגמית והמחט יכולות לנוע בשלושה ממדים זו ביחס לזו. לכל אלקטרודה – המחט כמו גם הדוגמית – יש מסועים מחומר פיזואלקטרי, שפועלים בכיוונים צדדיים (ליטראליים) x ו-y. מסוע הפיזו יכול לפעול על הדוגמית ולהניע אותה יחסית למחט. לחילופין, הדוגמית יכולה להיות קבועה, והמסוע יכול לפעול על המחט. כדי שיפעל בצורה נאותה, על המסוע להיות מבודד ויש לדכא את כל הויברציות (הזעזועים). מסיבה זו ביניג ורוהר הציעו בניית מערכת רחיפה על-מוליכה בתוך תא ואקום אולטרא גבוה. את מסוע הפיזו שמחזיק את המחט המציא ג’רד ביניג יחד עם הטכנאי שלו כריסטופר גרבר ב-1979 בעודם עובדים במסגרת פרויקט ג’וזפסון. הם פרסמו את המצאתם בכתב עת פנימי של חברת יב”ם.

מסועי הפיזו שיוצרים את התנועה בין המחט לדוגמית מחוברים למכשיר מדידה, שהוא מחובר לאמצעי בדיקה, והוא מחובר למסך מחשב (כאשר המיקרוסקופ הומצא ומחשבים אישיים עדיין לא נכסו לשימוש, המיקרוסקופ חובר למדפסת שהפיקה שרטוטים מדויקים שקרויה פלוטר). הממדים המכנים של האלקטרודות, דוגמית ומחט, כמו גם הטווחים האפשריים שלהם והכיוון שלהם הם זעירים לאין שעור בגלל הטבע הרגיש של אפקט המנהור הקוונטי. ולכן המפתח להצלחה של ביניג ורוהר היה האסטרטגיה שאותה הם אמצו: בדיקת משטחים לוקאלית ברמה האטומית הזעומה ביותר. הם ויתרו על המנהג הרגיל של מדידת התפלגויות ממוצעות של מצבורי אטומים, והם  בחרו במדידות לוקאליות. זה הייה צעד הכרחי לעבר דימות של מבנים אטומיים והזניק את עולם הננוטכנולוגיה.

המכשיר נועד לבצע תנועות סריקות בקווים מלבניים כמו בטלוויזיה דאז, מה שקרוי סריקת raster. כלומר משטח הדוגמית נחקר בקווי סריקה אחד אחרי השני, והדמות כולה מורכבת מקווי הסריקה של המכשיר הבודק. המכשיר יכול ליצור דמויות במידה רבה כמו מיקרוסקופ אלקטרוני הסורק שהיה קיים כבר בשוק. ולכן ביניג ורוהר קראו למכשיר שלהם “מיקרוסקופ מנהור סורק”. רוהר סיפר לי לפני שנתיים שהשניים קראו למכשיר בשם “מיקרוסקופ מנהור סורק כבר בסוף 1978.

אנליזת הנתונים מבוצעת ביחס לייצוג תלת-ממדי. שני הממדים הליטראליים x ו-y יכולים להיות מיוצגים כאמור על ידי תצוגת מחשב ובזמנם של ביניג ורוהר השתמשו בפלוטר. הם לכן בהתחלה יצגו את ערכי המדידה של המיקרוסקופ שלהם כקבוצת עקומות: קווי סריקה על גבי גרף של x-y. כאשר השתמשו בפלוטר, לגבי הממד השלישי z, הם חיפשו ייצוג מתאים. אפשרות אחת הייתה להראות את ערכי ה-z כשלבי בהירות בנקודה (x, y). מעבר מאוחר יותר ממיקרוגרפים לדמויות בגווני אפור, ואחר כך המעבר לדימות בגווני אפור ולדימות בצבעים מדומים שיקף את הבחירה הזו. לבסוף, יב”ם הוציאה את המחשב האישי הראשון ואלה חוברו למערכות המיקרוסקופ המנהור הסורק. זה אפשר לביניג ורוהר לייצג את ערכי ה-z – הם אז הפיקו תמונות ממ”ס תלת-ממדיות בזמן-אמת.

אחרי שביניג ורוהר פרשו את הרעיון המרכזי באפליקציות הפטנטים, הבניה הייתה מסובכת. את אב הטיפוס העובד הראשון של המיקרוסקופ המנהור הסורק ביניג ורוהר בנו החל מ-1980 והבניה לקחה שנה עד 1981. ואז החלו הבעיות הטכניות. ראשית המכשור הסורק לא היה עדיין מפותח דיו. הייתה בעיה עם המערכת לבידוד ויברציות. ובכך לא הסתיימו הבעיות. ראוי לזכור שלתכנון הייתה פונקציונאליות כפולה: המכשיר תפקד גם כמיקרוסקופ מנהור מקומי וגם כספקטרוסקופ מנהור מקומי. לכן המכשיר הראשון שאותו ביניג ורוהר בנו בכלל היה יחידת מנהור ואקום והם עדיין לא קראו לו מיקרוסקופ מנהור סורק. המכשיר עדיין לא עבד לגמרי כמיקרוסקופ בשלב זה. רק שנה אחר כך, כאשר ביניג ורוהר הצליחו לתקן כמה אלמנטים במכונה, זה אפשר למכונה לעבוד כמיקרוסקופ, ואז הם קראו לה בכתבי העת “מיקרוסקופ מנהור סורק”.  

אם כן, ב-1980 ביניג ורוהר ביקשו מכריסטופר גרבר,  הטכנאי שעבד 15 שנה קודם לכן עם רוהר וגילה את מסוע הפיזו עם ביניג, להצטרף לפרויקט כאסיסטנט טכני. היום גרבר הוא פרופסור ביב”ם. כשנה אחר כך הצטרף עוזר טכני נוסף בשם אדי ווייבל לפרויקט. יחד עם שני הטכנאים, ביניג ורוהר יצרו קבוצה קטנה, שמאוחר יותר כינו אותה בשם “קבוצת ציריך” וכינו את המכשיר שעליו הם עבדו בשם “צומת מנהור ואקום ציריך”.

המכשיר הורכב מיחידת מנהור שהייתה מבודדת על ידי מערכת רחיפה על-מוליכה. זו הייתה ממוקמת על בסיס במכשור בטמפרטורה מאוד נמוכה. ביניג ורוהר השתמשו בגרסה פרימיטיבית של רחיפה על-מגנטית שהוחזקה בעזרת סקוץ’ טייפ והיא בזבזה בערך 20 ליטרים של הליום נוזלי לשעה. היו בעיות נוספות בנוסף למערכת הרחיפה העל-מגנטית. תא הואקום הגבוה שהכיל אמצעים ליצירת ואקום גבוה היה צריך לפעול בואקום גבוה של יותר מ-10-10 טור.

אבל במעשה המבנה אפשר רק ואקום הרבה יותר נמוך מזה של 10-6 טור.

התוצאה הייתה שבסוף המבנה של ביניג ורוהר לא יכל להניב דמויות נאותות של פני משטח הדוגמית.

הבנייה והבדיקות בטמפרטורה מאוד נמוכה כמו גם הניסיונות בתא ואקום גבוה נמשכו כאמור במשך שנה שלמה מ-1980 ועד 1981. בהתחלה הקבוצה ניסתה לבנות את המכשיר כפי שהוא תואר בהגשת הפטנט המקורי. אולם הם נתקלו בקשיים והמכשיר שהם למעשה בנו לבסוף ב-1981 היה צומת מנהור ואקום, שהכיל לוח פלטינה ומחט טונגסטן בקוטר של בערך מילימטר אחד. ניתן היה להניע את המחט החדה בעזרת מסועי פיזו לעבר המישור עד מגע תוך יישום המכשיר שביניג וגרבר המציאו כבר ב-1979: מסוע הפיזו שמחזיק את המחט. בקרה עדינה של המרחק בין האלקטרודות בכיוון ה-z ויחסית למיקום ה-x-y הושגה על ידי מסוע הפיזו, שאליו היה מחובר לוח הפלטינה. המחט הייתה רכובה על תומך, שמכניזם ההנעה שלו היה מורכב מלוח פיזואלקטרי, והוא היה מונח עם שלוש רגליים על לוח ממתכת, כאשר הכל בודד זה מזה על יד חומר דיאלקטרי. הרגליים יכלו לגלוש בחופשיות על המבודד הדיאלקטרי, או להיות מהודקות במקום על ידי יישום מתח בין הרגליים ולוח המתכת. התארכות והתכווצות באמצעות רצף של הידוקים מתאים של הרגליים אפשר תנועות של התומך בכל כיוון בצעדים של עד למאה אנגסטרום. מכניזם זה עמד על פלטפורמה מזכוכית והוא נקרא “כינה”. למעשה המכשיר כולו נראה כמו קדירה מזכוכית. קדירה שהיא אולי לא הייתה ממש מיקרוסקופ מנהור סורק עדיין, אבל היא תפקדה היטב כצומת מנהור ואקום כפי שנראה עתה.

DSC03068 by you.
המכשיר הראשון
 

ב-16 למרץ, 1981 הקבוצה בציריך הצליחה לקבל בעזרת הקדירה מזכוכית הזו שהם בנו תלות אקספוננציאלית (מעריכית) ברורה של התנגדות המנהור כפונקציה של המרווח שבין המחט לדוגמית; וזאת לגמרי בהתאם לתיאוריה של מנהור הואקום כפי שפותחה במכניקת הקוואנטים. הקבוצה כולה פרסמה את הגרפים כדי להדגים שאכן המכשיר שלהם היה “צומת מנהור ואקום“. הם הציגו את המכשיר שלהם כיחידת מנהור מוגנת מויברציות על ידי יחידת רחיפה על-מוליכה בתוך תא ואקום אולטרא גבוה. חברי קבוצת ציריך פרסמו שני מאמרים שמסבירים כיצד המכשיר החדש שלהם יכול לשמש כדי לחקור את תכונות המשטח של אלקטרודות המנהור של צמתי מנהור על מוליכות.

ביניג ורוהר עדיין לא חשבו במונחים של פיזיקה של חקר פני שטח ברמה האטומית ומבחינת דימות האטומים. הם הדגימו מנהור ואקום בקונפיגורציה של ממ”ס: מחט ודוגמית שיכלו לנוע סביב. נכון, הקונפיגורציה הייתה דומה לזו של המיקרוסקופ שהם בנו אחר כך, ואז הוא יכל כבר להפיק דמויות וטופוגראפיות, ובשלב זה הם גם החלו להתעניין בפיזיקה של פני משטחים ברמה האטומית.

בעקבות ההדגמה המוצלחת של מנהור ואקום בעזרת המכונה החדשה, חלפו כמה חודשים והצוות קיבל את הדמויות הראשונות שלו של גביש הסידן-אירידיום-פח (CaIrSn4). אבל הם עדין לא פרסמו את התוצאות בכתבי עת. הם התרגשו מאוד מהתוצאות ומיד רצו להגיש הצעה להרצאה לכנס שבדיוק התעתד להתקיים באותה תקופה בלוס אנג’לס. הם היו בטוחים שכבר יהיו להם דמויות טופוגראפיות מהממ”ס עד לכנס ואכן היו להם הדמות הזו. הם כבר ארגנו סיור מורחב עבור ג’רד ביניג בארה”ב, כך שיסביר את הממצאים. אבל בערך שלושה שבועות לפני שהוא היה אמור לטוס, חבר הזהיר את ביניג, שברגע שהחדשות המרעישות יגיעו לציבור, מאות מדענים מקהילת הפיזיקאים של חקר פני שטח מיד יעוטו על עגלת הממ”ס. הם אכן עטו עליה כמה שנים אחר כך ולכן ביניג ביטל את הצגת הדמויות של הממ”ס בכנס בארה”ב. בכנס בארה”ב הוא רק הציג את “צומת מנהור הואקום” ואת גרפים הפונקציות שהקבוצה קבלה במרץ 1981 והוא לא אמר אף מילה על דמויות הממ”ס החדשות שאותם הם קבלו. הקבוצה קודם רצתה לקבל ממצאים יותר בטוחים ובעיקר מדויקים ולבנות מכשיר נוסף שפועל היטב… כנראה שהקבוצה בציריך בנתה בשלב זה מכשירים נוספים לא כל כך מוצלחים שפעלו בצורה סבירה, והיא לא רצתה לדווח עליהם. סביר שבעזרת מכשירים אלה הקבוצה קבלה את הדמויות של גביש הסידן-אירידיום-פח (CaIrSn4).

ראוי לציין שבהתחלה איכות הסריקה של המכשיר הייתה כה עלובה שביניג ורוהר היו צריכים לשרבב ולצייר קווים בין קווי הסריקה כדי להדגיש את הראות של התמונה שנתקבלה. ולכן הדמויות שהתקבלו לא היו משכנעות מספיק. אילו ביניג היה מציג תמונות כאלה בכנס בלוס אנג’לס, קהילת המדענים הייתה מגיבה בכך שמכשור קודם לממ”ס של ביניג ורוהר יכול היה להפיק ממצאים טובים יותר. לכן ביניג ורוהר החליטו ללכת על בטוח וקודם כל לשפר את הדגם הראשוני של המכונה שלהם בטרם הם יציגו תוצאות בפני קהילת המדענים של קהילת חקר פני שטח. וכך אכן היה. לקראת 1982 הם שפרו את המכשיר והציגו את הדוגמא הזוהרת שלהם, דמות פני השטח של הסיליקון, שבה ניתן היה לראות את הטופוגרפיה של המשטח באטומים ברזולוציה מאוד גבוהה.  ואז ההתלהבות הייתה גבוהה מאוד.

הקבוצה בציריך הגיעה למסקנה שמערכת הרחיפה העל מוליכה היא בסופו של דבר מיותרת. הממציאים שינו את התוכנית המקורית של הרחיפה העל מוליכה למגן פשוט יותר, מערכת של שני קפיצים מלופפים בעלת מתקן לבלימת תנועה בעזרת זרמי מערבולת – שאז הוכנסה אל תוך תא ואקום אולטרא גבוה. המערכת לבלימת זעזועים פעלה כך: המיקרוסקופ נתלה על מערכת מורכבת של שני קפיצים ומוטות מזכוכית, והותקנה מערכת של לוחות נחושת בין הקטבים של מגנטים. התנועה של לוחות הנחושת בשדה המגנטי גרמה להופעת זרמי מערבולת חשמליים בתוכם ואלה בלמו את התנועה.

DSC03076 by you.

המכשיר השני

 

יחידת המנהור של המכשיר הייתה מורכבת מחצובה בעלת שלושה זרועות x-y-z שהניעה את המחט וביצעה את תנועת הסריקה בצורה מכנית. בנוסף, הוכנס רכיב נוסף, ה”כינה”, שהיה אחראי לגישה הרגישה של המחט אל עבר הדוגמית. ה”כינה” הייתה ממוקמת על גבי מכניזם מניע שהיה מונח על גבי שלוש רגליים ממתכת והן הניעו את המחט במכשיר הראשון. המיקרוסקופ החדש היה קומפקטי לעומת המכונה של 1981 והעיקר הוא היה מסוגל לבצע תנועות סריקות קוויות נאותות. סוף-סוף הקבוצה של הממ”ס בנתה מיקרוסקופ עובד ובפרסום שלהם מה-30 לאפריל, 1982 הם אכן כינו את המכונה בשם “מיקרוסקופ מנהור סורק”. להלן:

תרשים של יחידת הסריקה מהמכשיר השני – כפי שהופיע בפרסומים של ביניג ורוהר.

ביניג ורוהר עתה פרסמו את המיקרוגרפים שאותם הם קבלו של גביש הסידן-אירידיום-פח (CaIrSn4) :

בנוסף הם הוסיפו בפרסום מיקרוגרפים של זהב וסיליקון, שאותם הם הפיקו כבר בעזרת המכשיר החדש:

חקירות פני שטח חדשות אלה כבר לא היו כלל קשורות לפרויקט ג’וזפסון. ביניג ורוהר פתרו בעזרת המיקרוסקופ מנהור הסורק החדש שלהם בעיות ישנות נושנות בתחום מדע חקר פני שטח, כמו למשל את בעיית המבנה האטומי המדויק של משטח ה-Si7x7(111). הרקונסטרוקציה של הסיליקון נחשבה לחידה הגדולה ביותר במדע המשטחים. היא נצפתה לראשונה בשנת 1959 באמצעות דיפרקציית אלקטרונים באנרגיה נמוכה (LEED) – טכניקה שמשמשת כדי לאפיין את המבנים של המשטחים. הניסויים ב-LEED חשפו את הסידור הכללי של האטומים, אבל עדיין הם לא היו מסוגלים להבחין בפרטי הפרטים של הסידור של האטומים האלה עקב האופי הממצע של ה-LEED. המידע החסר התמלא במהלך שנות הששים והשבעים על ידי תיאורטיקנים שהציעו מודלים והסברים רבים, שאף אחד מהם לא יכל להיבדק מבחינה ניסויית בצורה החלטית. בעיה זו נותרה בעינה בלתי פתורה למרות רמזים אין ספור במספר הולך וגובר של טכניקות משטח. הממ”ס פתר את הבעיה.

[לסיליקון יש מבנה גבישי והסימון (111) Si מתייחס לקבוצת מישורים אטומיים במבנה. כאשר מחממים את משטח ה-(111) של הסילקון לטמפרטורה מספיק גבוהה תחת תא ואקום אולטרא גבוה, אטומי פני השטח מסתדרים מחדש לקונפיגורציה יציבה מבחינה אנרגטית שקרויה רקונסטרוקציה 7×7].

התמונה מודל של קוי סריקה מנייר שאותו קבלו ביניג ורוהר:

תצלום של המודל המקורי:

13 by you.

התמונות של הסילקון והזהב עוררו עניין רב בקרב קהילת המדענים. החל מבערך 1984 ואילך, טכניקות המיקרוסקופיה המנהור הסורק התקדמו ומעבדות אחרות החלו לפתח דגמים מתחרים. ביניג ורוהר החלו לחשוב עתה על שילוב של מכשירים לחקירת משטחים נוספים יחד עם המיקרוסקופ המנהור הסורק. וכך הם בנו שני דגמים נוספים של הממ”ס. בדגם השלישי, שהוא היה מסורבל למדי וגדול יחסית הם שילבו במיקרוסקופ המנהור הסורק מיקרוסקופים מסורתיים אחרים. מסיבה זו המכשיר נראה כמו מעין מגדל שבנוי כולו מקוורץ. לא הוכנסו כל שינויים ליחידת המנהור הסורקת ולמדכא הויברציות. אבל למיקרוסקופ המנהור הסורק הזה הייתה מערכת בידוד ויברציות מאוד גדולה, מסובכת ומסיבית. אכן, כדי להשתמש במיקרוסקופ המנהור הסורק יחד עם מכשירי משטח אנליטיים אחרים זה דרש מערכות ואקום אולטרא גבוהות מאוד גדולות. מסיבה זו, מדענים מסוימים חשבו שהסיבוכיות של המכשיר הראשון של קבוצת ציריך מ-1981 לפתע שבה בדמות המכשיר החדש הזה. ולכן הם כינו אותו “מגדל הקוורץ”:

12 by you.

הינריך רוהר ספר לי לפני שנתיים שדגם זה של המיקרוסקופ המנהור הסורק היה “מפלצת של מכשיר, פיגום זכוכית בכדי שהדוגמית תעבור חקירת LEED נוספת שמורדת היטב ממגנטים לבלימת זרמי מערבולות”.

7 by you.
 
מבט על:
10 by you.

ב-1985 קבוצת ציריך הבינה שאם הם רוצים להכיל את המיקרוסקופ יחד עם מיקרוסקופ אלקטרוני סורק או לשלבו יחד עם מכשירים אנליטיים אחרים בואקום אולטרא גבוה, על הממ”ס עצמו להיות יותר קטן. שילוב כזה גם יבצע שימוש ברזולוציה המאוד גבוהה וברב צדדיות של המיקרוסקופ המנהור סורק וגם ביתרונות המבוססים כבר של המיקרוסקופ האלקטרוני הסורק. זה יאפשר לאותה דוגמית משטח להדמות על ידי שני המיקרוסקופים. וזו הייתה המוטיבציה העיקרית לפיתוח המיקרוסקופ המנהור הסורק מדגם כיס. הקבוצה מציריך גילתה שהחלפת הקפיצים המלופפים במוטות לא ערערה בצורה דרמטית את תכונות הבידוד מויברציות. יחד עם עוד חוקרים מציריך בשם מרטי ופוקס, חברי הקבוצה מציריך בנו את הדגם הרביעי של הממ”ס. מערכת הבידוד נגד ויברציות הייתה מורכבת מערימה של לוחות מתכת אל-חלד שהיו מופרדות ביניהן בחתיכות גומי תואמות ואקום אולטרא גבוה: שלוש או יותר מדכאי “ויטון” שהיו מונחים בין כל זוג של לוח אל-חלד. מעל הקצה של לוח המתכת העליון הייתה יחידת המנהור הסורק. מיקרוסקופ מנהור סורק כיס זה היה מוכל בתוך ואקום אולטרא גבוה של מיקרוסקופ אלקטרוני סורק. המיקרוסקופ מנהור הסורק הפך ככה לאט-לאט למכשיר מדף חסכוני וקומפקטי. זה היה הצעד הראשון בפישוט המכשיר ופתח את הדרך למסחורו.

11 by you.
המכשיר הרביעי: ממ”ס הכיס.

רוהר סיפר לי לפני שנתיים שהמכשיר הזה התקדם לעבר “מכשירים קומפקטיים לשימוש גמיש יותר עם פחות חלל זמין”:

2 by you.
ממ”ס הכיס.

 

המיקרוסקופ המנהור הסורק הוצג לקהל הרחב ב-1985 במאמר מערכת שאותו כתבו ביניג ורוהר ופורסם בכתב העת הידוע Scientific American. במאמר זה ביניג ורוהר הציגו את התמונה וההצלחה שלהם – הדימות של המשטח Si(111) 7×7. הם בנוסף תארו את יכולות הדימות הפנטסטיות של המכשיר. ביניג ורוהר העירו בגאווה ש”המכשיר שלנו מאפשר למישהו ‘לראות’ משטחים אטום אחר אטום”. אולם במאמריהם הטכניים הם הדגישו שוב ושוב שהמיקרוסקופ המנהור הסורק מרגיש קונפיגורציות של משטחים אלקטרוניים במקום מיקומים אטומיים. וזו ההגדרה המדעית יותר.

הסדנה הראשונה אודות המיקרוסקופ המנהור הסורק התקיימה באוברלך אשר באוסטריה בין ה-1 ל-5 ביולי, 1985 והיא התנהלה בחסות של מכון יב”ם אירופה. מדענים ממעבדות שונות הציגו את השיפורים שלהם, התכנונים והחידושים האחרונים והמילה האחרונה בתחום, טכניקות של דימות אחרונות ויישומים רחבים יותר למיקרוסקופית המנהור הסורק לתחומי דעת שונים. הסדנה שקפה את העניין הגובר והולך במכשיר. ביניג ורוהר העבירו הרצאה ודברו על המכישרים שהם בנו במהלך השנים ותארו את המכשירים שתוארו כאן.

ב-1986 נערך בספרד הכנס הבינלאומי הראשון על המיקרוסקופ המנהור הסורק (STM’86). זה היה הכנס הבינלאומי הפתוח הראשון על המיקרוסקופ לאחר הסדנה הראשונה שאותה ערך יב”ם באוברלך ב-1985. לא היה ברור עדיין האם טכניקת הממ”ס בשלה מספיק והתפשטה דיו כדי לארגן ממש כנס בינלאומי פתוח לכל קהילת המדענים שעסקו בתחום. אולם מעל 200 משתתפים ויותר מ-60 הרצאות הראו בבירור שהמיקרוסקופ המנהור הסורק תקע יתדות עמוק בקהילת הפיזיקאים.

באוירת הצלחה זו, ועדת פרס נובל החליטה להעניק את פרס נובל של 1986 בפיזיקה לממציאי המיקרוסקופ המנהור הסורק, ג’רד ביניג והינריך רוהר, כאשר הם חלקו את הפרס יחד עם ארנסט רסקה על המצאתו, המיקרוסקופ האלקטרוני. בהרצאת הנובל שלהם ביניג ורוהר תארו את ההיסטוריה של המצאתם. בראיון לעיתון גרמני בשנת 2004 ביניג ציין, “המיקרוסקופ המנהור הסורק התפתח… מבלי שהתכוונו להמציאו”. ואז ביניג נשאל: אם כך אתם חייבים את פרס הנובל למקריות?” וביניג השיב: “במובן מסוים, כן”.  והרי בהמצאות זה הרבה פעמים קורה כך…

מיקרוסקופ מנהור סורק מודרני במעבדת יב”ם ברושליקון, ציריך:

בולם הזעזועים והבידוד:

3 by you.
 
גוף המיקרוסקופ הוא בתוך תא ואקום אולטרא גבוה:
4 by you.
 
מערכת הקפיצים ומתקן לבלימת תנועה בעזרת זרמי מערבולת בתוך התא:
5 by you.
 
אמצעי פלט וממירים סיגנלים מאנלוגי לדיגיטלי:

6 by you.

 

ב-1989 התחילו להשתמש בממ”ס כדי להזיז אטומים – מניפולציה של אטומים וכך יצרו את התמונה הבאה מאטומים:

ניתן להשתמש בממ”ס לא רק כדי לדמות אטומים אלא גם כדי להזיזם. את העובדה הזו הדגים לראשונה דון אייגלר ב-1989 ונחשו היכן הוא עבד?

אתם רואים למעלה מתוך התמונה של סידור 35 האטומים של הקסנון שמסודרים על פני השטח של הניקל.

Xenon atoms spelling out "IBM" on a Nickel surface

Increasing the current creates a bond between the tip and the atom.

הממ”ס:

STM animation

חדשות מדע: בין מדע למדע בדיוני

חדשות מדע: בין מדע למדע בדיוני

זו רשימה על גבול המדע הבדיוני שמכילה בתוכה מידע מדעי.

האם שעון יד שווה יותר מאשר חצי מליון דולר? ובכן התשובה היא יחסית ביותר. היום כאשר בורסות עולות ונופלות… וכאשר ערך הדולר עולה ויורד כמו נדנדה בגינת השעשועים… קשה לענות על השאלה.

For Immediate Release

Record Breaking Auction at Antiquorum: Einstein watch Sells for Over 2000% of its Auction Estimate & Patek Philippe Watch Sells for Over $1.5 Million Dollars!

 

This Longines wristwatch, once owned by Albert Einstein, will be up for sale at Antiquorum’s fall auction.

New York-A timepiece owned by Albert Einstein will be on the block at Antiquorum’s upcoming fall auction in New York City.

The timepiece is a Longines wristwatch made in 1930 and presented to the iconic scientist the following year in Los Angeles. It is a fine, tonneau-shaped watch in 14-karat yellow gold and will be accompanied by various photos showing Professor Einstein wearing it. The watch is estimated between $25,000 to $35,000.

מכאן

 אההה… אבל אם מדובר בשעון היד של אלברט אינשטיין, התשובה אינה יחסית כלל וכלל!

לפני כמה ימים אדם רכש במכירה פומבית בסכום נאה של 596,000 דולר שעון יד העשוי מזהב שאותו ענד הפיזיקאי המפורסם שגילה את תורת היחסות הפרטית, והציע שהזמן – כן הזמן – משנה את קצבו, וזה תלוי במהירות התנועה של הצופים המודדים אותו. מהירות הצופים היא מסחררת דרך אגב…

ואולי הקונה המאושר מקווה לתומו שתוך שפשוף השעון המופלא מזהב, כאילו היה בקבוק של ג’יני, הדבר יובילו בטיסה ישירה בכמעט מהירות האור במסע מופלא לעולמות חדשים ולמקומות חדשים… מיד נראה האם זה אפשרי (לפחות כאן ברשימה זו…).

מי יצא מפה?

יש הטוענים שאינשטיין קיבל השראה לתורותיו על ידי מבט אל עבר מגדל השעון המפורסם אשר ניצב ליד משרד הפטנטים אשר בברן, שבו עבד אינשטיין בסביבות 1905 – באותה העת בה גילה את תורת היחסות הפרטית.

השעון בברן 

אולם את שעון היד המדובר שנמכר במכירה הפומבית עתה, הר פרופסור אלברט קיבל במתנה מרב הרבה יותר מאוחר. הוא קיבלו במתנה בשנת 1931 במהלך ארוחת צהרים קלה של הועידה הציונית במלון השגריר בלוס אנג’לס. כך מספר הדובר של בית המכירות “אנטיקואריום” בניו יורק, מישל הלפרן שמכר את השעון הישיש בן ה-81 שנה אמש. ואילו אינשטיין עצמו היגר לארה”ב שנתיים אחרי שקיבל את המתנה הזו מהרב.

שעון היד הנדון של אינשטיין מ-1931 שנמכר עתה במכירה הפומבית – אם כבר מדברים על יחסות פרטית ועל טיסה יחסותית – יכול אולי להטיס את רוכשו מהמכירה הפומבית בטיסה יחסותית הישר במסע מקוצר וציוני אל ארץ ציון. וזאת בהנחה שהרוכש של שעון היד חפץ במסע יחסותי במרחבי החלל והזמן היחסותיים…

נגיד שאם עונדים את שעון היד של אינשטיין ותוך שפשוף שעון היד ניתן לנסוע בכמעט מהירות האור. שהרי לשם מה לשלם מחיר כה גבוה עבורו במכירה פומבית?… אולם לפני מסע יחסותי מופלא זה ישנה בכל אופן אזהרת מסע שמצורפת לרכישה: נא לא לענוד את שעון היד בסמוך לחור שחור, שכן השעון עוצר מלכת בשפות החור. ראו אזהרת המסע המצורפת למשתה התה המטורף בספר של לואיס קרול “אליס בארץ הפלאות”.

What is a black hole, and what would happen if you fell into one?

ואולם היום בימינו מכירות פומביות צריכות לנקוט משנה זהירות! צריך לצרף אזהרות מסע גם בנוגע לחור תולעת… ומה לגבי מאיצי הדרונים גדולים בג’נבה שעשויים לפעור לנו חורים שכאלו במרכזם?

כאשר כותבים מדריך טרמפיסט לגלקסיה…

צריך לציין עבור יצורים כמו זה במפת החלל-זמן אילו נקודות לא פעילות כרגע ולאילו נקודות מותר להתקרב במסע עם שעון היד המוזהב של אינשטיין מ-1931. 

שעון

למשל, מאיץ ההדרונים “סגור לרגל שיפוצים”. מזל… אחרת היו לנו חורים שחורים?… בכלל לא. ומדוע המאיץ בתיקונים?

במאיץ ההדרונים הגדול התגלו נזילת הליום ובעיות חיבורי חשמל בקטע המסלול של ה-27 קילומטר. לכן הודיעו בסרן שהמאיץ יכנס לתיקון ארוך עד לקיץ. מסתבר שתיקון הקטע יקח יותר זמן משחשבו בהתחלה. כל זאת מדוע? כי יצטרכו לחממו לטמפרטורת החדר מטמפרטורה של שלוש מעלות מעל לטמפרטורת האפס המוחלט וזה לוקח זמן. אבל הבעיות לא מסתכמות בכך. 

 God Particle Lead

LHC

למען האמת לוקח שבועות לחמם את האזור הפגוע לטמפרטורת החדר. ואז כאשר המהנדסים יוכלו לאתר את הבעיה ולתקנה יקח עוד שבועות עד אשר הם יקררו חזרה את האזור לטמפרטורה של שלוש מעלות מעל לטמפרטורת האפס המוחלט, הטמפרטורה שבה כל המולקולות פוסקות מלנוע.

למעשה המאיץ זקוק לטמפרטורות נמוכות אלה כי האלקטרומגנטים שלו זקוקים לכמויות אדירות של זרם כדי לרתום את התנגשויות הפרוטונים. הכבלים המיוחדים שמסודרים בסלילים יכולים לפעול ללא התנגדות רק אם הם שמורים בטמפרטורה כה נמוכה של שלוש מעלות מעל לאפס המוחלט. וכך משתמשים בעל-מוליכים שנהפכים למוליכי חשמל מעולים בטמפרטורות כה נמוכות. ללא התנגדות, המכונה פועלת הרבה יותר ביעילות כי לא זקוקים למתח נוסף כדי שיזרום חשמל וכדי שהמכונה תפעל. ועדיין גם תחת תנאים עדינים אלה הטמפרטורות המאוד נמוכות של המאיץ לא יכולות ליצור את סוג האנרגיה שמדעני סרן שואפים להגיע אליה. ולכן כדי לרתום 12,000 אמפרים של חשמל וכדי להאיץ פרוטונים ל-99.9999991 אחוזים ממהירות האור, החוקרים הנמיכו את הטמפרטורה בעוד 14 מעלות נוספות מהטמפרטורה הראשונית שבה פעל המאיץ. זה דרש מרץ נוסף ממערכת הקירור. ולכן המאיץ הוא יותר מתוחכם ממאיצים שנבנו עד אז ומערכת הקירור שלו חזקה יותר מכל מכונה שנבנתה אי פעם. המכונה מכילה טונות של הליום וחנקן נוזלי, מספיק כדי לשמור על הטמפרטורות הנמוכות. אבל בעוד שהמערכת הזו יכולה לגרום למאיץ ההדרונים להיות אחד מהמקומות הקרים ביותר על כדור הארץ, לרוע המזל היא גם גורמת למהנדסים עכשיו קשיים בחימום המערכת כאשר צריך לתקן אותה. מסיבה זו לוקח עכשיו שבועות לתקן את המאיץ, כי לוקח שבועות לחממו לטמפרטורות החדר. כלומר, לוקח עתה שבועות לפקח על רמות ההליום והחנקן הנוזלים כדי לכוון את הטמפרטורה – וזה לא סתם ללחוץ על כפתורים בתרמוסטט בבית שלנו. 

בנוסף ישנו השיקול הכלכלי שמחיר הדלק מאוד יקר והפעלתו של המאיץ בחורף לאור זאת היא מאוד יקרה. ולכן הפעלת המאיץ נדחתה לקיץ. אבל העניין הוא לא רק הדלק! מסתבר בכלל שהתיקון הוא הרבה יותר מסובך…  

בתעלה של המאיץ ישנם כמה מגנטים על מוליכים. ב-19 לספטמבר קרתה תקלה בשניים מהמגנטים האלה – תקלה בחיבורים החשמליים בין שנים מהמגנטים האלה בקטע אחד מהמסלול שכתוצאה גרמה לדליפת הליום.

מהי מהות התקלה? המגנטים העל מוליכים יוצרים שדות עצומים על ידי סיבוב של זרמים חשמליים עצומים למעשה ללא התנגדות. כדי לפעול נכונה עליהם להיות שרויים בהליום נוזלי ולהשמר בטמפרטורה של 1.9 קלווין. במהלך בדיקה שגרתית בתאריך 19 לספטמבר השנה, קרתה התקלה: רותך חוט על מוליך שמחבר שני מגנטים והוא כתוצאה חומם יתר על המידה לטמפרטורה מעל לטמפרטורת הפעולה שלו. זה הפך את החוט לנגד וגרם להספק מסיבי של 8.7 קילואמפרים לעבור דרך ההליום הנוזלי ולנקב את מיכל הואקום שמקיף את המערכת.

תוך מילי-שניות החיבור בין שני המגנטים במידה רבה התאדה וההליום הנוזלי זרם דרך נקבים אל תוך האזור המבודד של הואקום שנועד לפעול כתרמוס ולשמור על המגנטים קרים. היה לחץ על השסתומים (שלא תוכננו כראוי לעמוד בלחץ כזה במקרה של דליפת הליום), ותוך שניות הם נפרצו והלחץ במכונה נעשה כה גדול שהמגנטים נתעקמו ויצאו החוצה מתומכי הבטון שלהם. כמוכן הזיהום חדר גם לצינורות המאיץ של הקרן. לכן צריך לחזק את השסתומים ולתפוש תאונה כזו בטרם היא קורית. 

מהנדסי המאיץ יצטרכו לחמם את הקטע כדי לתקן את המגנטים, לחפש פתרונות לשסתומים ולחשוב כיצד למנוע תאונה כזו בעתיד. הם יצטרכו להחליף 29 מתוך בערך 10,000 המגנטים שמשמשים להנחיית קרן הפרוטונים לאורך המסלול (כל אחד שוקל 35 טונות). בנוסף יצטרכו לבצע תצפיות כדי למנוע תאונות בעתיד. התיקון יעלה 90,000 דולר ולכן הוא ימשך עד קיץ 2009!

ואם נשוב לקונה מהאוקשן של שעון היד מזהב שאותו ענד אינשטיין ב-1931. ובכן קונה יקר – פשוט במסעך עם שעון היד של אלברט אינשטיין תנוע בשיירה בדרך המשי. זה הכי בטוח.

התחנות העיקריות בתהלוכת דרך המשי העתיקה

לאן הגענו בדרך המשי ולידה עם שעון היד של אלברט אינשטיין?

הגענו לעיר הראשונה שהפנתה את גבה לבנזין והיא מתפתחת באמירויות… בערב… בענקיות יצרניות הנפט במזרח התיכון מפתחים עיר ירוקה! שמעתם מה זה? כמה אירוני…

זה בדיוק כאילו שפרה שמייצרת חלב תפרסם מודעה בזו הלשון:  

אם כן שם העיר הוא: “מדסר“, מטרופוליס – נייטראלית מבחינת הפחמן, אפס פסולת, מגודרת, היא עתה בבניה בסמוך לשדה התעופה של אבו דאבי. המטרופוליס הענקית הזו בשם “מדסר” תהיה בעלת טכנולוגיות ירוקות חדשניות רבות – אבל היא תהיה ידועה בעיקר בגלל דבר אחד: לא יהיו בה מכוניות זוללות בנזין! מדסר פשוט תגמור עם הבעיה הסביבתית שמעורר הבנזין של המכוניות. האזרחים ילכו לאורך מדרכות מוצלות, ואם חום המדבר המזיע והלוהט יגיע אליהם, הם יהיו סמוכים מאי פעם לרשת תחבורה ציבורית שלא מכילה כלל וכלל אוטובוסים מסורתיים ורכבות תחתיות מסורתיות של היום! לעומת זאת יהיו רכבים חשמליים קטנים שמונחים בחלקם על ידי מגנטים שמשולבים ברחובות. אלה יפעלו כמוניות חסרות נהג ב-83 תחנות שממוקמות בכל העיר שהיא בערך 5 קילומטר מרובע. בינתיים שתי רכבות חשמליות יחברו את מדסר לעולם ההיצוני המזוהם בפחמן דו-חמצני.

פרויקט מדסר הוכרז ב-2006 והפיתוח הוא בשיאו. המימון ברובו בא מהאמירויות של אבו דאבי שנתנה 15מיליארד דולר לפרויקט. המפתחים מעריכים שיהיו 55,000 תושבים ואורחים עד 2013, כאשר הקטע הראשון של העיר יפתח בשנה הבאה.

סוף המסע.
 

 

ניירות-באקי – החומר הננוטכנולוגי החדש

“ניירות-באקי” – החומר הננוטכנולוגי החדש שממנו יורכבו מכוניות ומטוסים עתידיים

רוצים לטוס במטוס מנייר ננוטכנולוגי? רוצים לנסוע במכונית מנייר שהוא בעצם גיליון של צינוריות ננו? רוצים מחשב מניירות באקי? זה יכול להיות בעתיד הקרוב החומר שממנו יורכבו הדברים… רגע, רגע… לפני שמתחילים חוג אוריגמי, נשמע בדיוק במה מדובר.

זוכרים את הגרפין? יש לו בן דוד חדש. ישנו חומר חדש שקרוי “ניירות-באקי” והוא נראה במידה רבה כמו נייר פחם רגיל למדי. אבל אל תתנו לאנשים שירמו אתכם על ידי השם המטעה הזה או על ידי המראה של הנייר הדקיק. נייר באקי יכול לגרום למהפכה כאן באופן שבו הכל יהיה מיוצר, החל ממכוניות ועד למטוסים… ועד למערכות טלוויזיה מגיליונות נייר באקי של צינוריות פחמן דקיקות אבל חזקות להפליא. רגע… מטוסים מנייר? לא יתכן.

nanotube animation

Nanotubes and Buckyballs

ננו-צינוריות מפחמן

נייר באקי הוא פי עשר דק יותר, אבל פי 500 חזק יותר מאשר הפלדה. וזאת כאשר גיליונות של החומר נערמים ונלחצים חזק כדי ליצור תרכובת של החומר. זה מזכיר את הננו-צינורות נכון? אכן יש קרבה רבה כפי שנראה מיד. בניגוד להרכב הקונבנציונאלי של החומרים, החומר מוליך חשמל כמו נחושת או סיליקון והוא מפיץ חום כמו פלדה או פליז. החומר נראה ממש כמו בשורת הגביע הקדוש של הננוטכנולוגיה. החומר ונגזרותיו, צינוריות הננו מפחמן נמצאים בפיתוח כבר כמה שנים. אולם החוקרים רק לאחרונה הזניקו את החומר לכדי מימוש במציאות.

נייר באקי

נייר הבאקי מורכב ממולקולות פחמן בצורת צינוריות, שהן פי 50,000 דקות יותר מאשר השערה האנושית. בגלל התכונות הייחודיות של הננו-צינוריות ושל נייר הבאקי, הוא ממש מופיע כחומר פלאים חדש למטוסים ולרכבים, למחשבים רבי עוצמה ולמסכי טלוויזיה משופרים ולהרבה מוצרי צריכה אחרים.

עד עתה, נייר הבאקי יכול היה להיות מיוצר רק באחוז מסוים מחוזקו, בכמויות קטנות ובמחיר גבוה. אולם החוקרים מפתחים עתה טכניקות יצור שמהר מאוד יגרמו לו להיות תחרותי עם החומרים המורכבים ביותר שהיום ישנם בשוק. אם נייר הבאקי יכנס לפס היצור, הוא עלול לגרום למהפכה בטכנולוגיה בעסקי תעופת החלל והתעופה בכלל.

למעשה התגלית שהובילה לגילוי נייר הבאקי החלה ברצון להבין איך נוצרו החיים בחלל החיצון.

ב-1985 המדען האנגלי הארי קרוטו (Harry Kroto) הצטרף לחוקרים באוניברסיטת רייס שבארה”ב לניסוי כדי ליצור את אותם התנאים שקיימים בתוך כוכב. הם רצו לגלות כיצד כוכבים – שהם המקור לכל הפחמן ביקום – יוצרים את היסוד שהוא אבן בנין עיקרית של החיים על כדור הארץ. הניסוי התקדם כמתוכנן. אבל אז הופיע עוד שלב בניסוי שהוא היה בלתי מתוכנן, כך נזכר קרוטו.

קרוטו נמצא עתה באוניברסיטת פלורידה בראש תוכנית שמעודדת את חקירת המתמטיקה, המדע והטכנולוגיה בבתי ספר ציבוריים. שם בוצע בין השאר הגילוי. קרוטו מספר שהגילוי של נייר הבאקי היה גילוי של מולקולה בת 60 אטומי פחמן בעלת צורה כמו של כדורגל. לקרוטו המולקולה נראתה גם בנוסף כמו הכיפות הארכיטקטוניות שעוצבו על ידי באקמינסטר פולר (Buckminster Fuller) – ארכיטקט, ממציאן ועתידן. זה נתן לקרוטו השראה לקרוא למולקולה החדשה בשם באקמינסטרפולרן, או “כדורי באקי”, “פולרנים” בקיצור.

הכיפה שעוצבה על ידי פולר

ומי עיצב את ה”כיפות” באקי האלה? אלה הם כדורי באקי שיצרו אותם חוקרים ב-2005 לתמסורת תרופות.

Cornell researchers create DNA buckyballs for drug delivery, demonstrating use of synthetic DNA as building blocks

על גילוי כדורי הבאקי (הפולרנים) – הצורה השלישית של פחמן טהור שנתגלה אחרי הגרפיט והיהלום – קרוטו והקולגות שלו מאוניברסיטת רייס, רוברט קרל ((Robert Curl וריצ’רד אי. סמאלי – (Richard E. Smalley) קיבלו את פרס נובל לכימיה בשנת 1996.

פולרנים: fullerenes

Robert F. Curl Jr. Sir Harold W. Kroto Richard E. Smalley
Robert F. Curl Jr. Sir Harold W. Kroto Richard E. Smalley
third 1/3 of the prize third 1/3 of the prize third 1/3 of the prize
USA United Kingdom USA
Rice University
Houston, TX, USA
University of Sussex
Brighton, United Kingdom
Rice University
Houston, TX, USA
b. 1933 b. 1939 b. 1943
d. 2005

באופן נפרד פיזיקאי יפני בשם סומיו איג’ימה (Sumio Iijima) פיתח גרסה של החומר בצורת צינורות בעודו מבצע מחקר באוניברסיטת המדינה של אריזונה. חוקרים במעבדה של סמאלי באוניברסיטת רייס אחר כך לא בכוונה מצאו שהצינוריות נדבקו יחד כאשר מפזרים אותם בתמיסה נוזלית ומסננים אותם דרך רשת דקיקה, כך שנוצר קרום דק מאוד – נייר הבאקי.

מהו הסוד מאחורי החוזק של נייר הבאקי? החוזק שלו מונח בשטח הפנים הענק של כל ננו-צינורית שלו. אם לוקחים גרם של ננו-צינוריות, רק גרם אחד, ואם פותחים כל צינורית לגיליון גרפיט, ניתן למעשה לכסות כמעט שני שלישים של מגרש כדורגל.

כבר מתחילים להשתמש בננו-צינוריות לחיזוק בתעשייה ובטכנולוגיה של מוצרים. אבל עדיין בכמויות קטנות. נייר הבאקי, הוא קרום דק הוא בעל תכולת ננו-צינוריות גדולה מאוד, בערך 50 אחוז. עד כה מייצרים את נייר הבאקי רק במעבדה, אבל אוניברסיטת המדינה של פלורידה היא בשלבים המוקדמים של הקמת חברה שתייצר את נייר הבאקי באופן מסחרי. מעריכים שתוך חמש שנים יהיה בידנו חומר חדש לשימושים מסחריים להגנת מטוסים מפני נזקים ופגעים כמו ברקים (חשמליים) – מה שיחסוך דלק ומשקל. שימושים נוספים לנייר הבאקי יכולים להיות: אלקטרודות לתאי דלקים, סופר-קבלים ובטריות. נייר הבאקי יכול להיות יעיל יותר ותחליף קל יותר לגיליונות הגרפיט שבהם משתמשים במחשבים ניידים כדי לפזר חום, שזה מזיק לאלקטרוניקה.

המטרה לטווח ארוך היא לבנות מטוסים, מכוניות ודברים אחרים באמצעות תרכובות של נייר הבאקי. הצבא גם כן מחפש אחר חומרים ננוטכנולוגים דמויי נייר הבאקי לשימוש ביצירת מפעלי שריון ושימושים צבאיים אחרים.

 

 

מכונות מולקולואריות: מחשב ביולוגי מיוצר בתוך התא

מחשב ביולוגי מיוצר בתוך התא

פותח מחשב ביולוגי (ביו-מחשב) חדש שמאפשר למדענים “לתכנת” מולקולות כדי לשאת “פקודות” בתוך תאים.

חוקרים יצרו ביו-מחשב מתוך רצפים של RNA בתוך תא חי, והם הדגימו שניתן לתכנת אותו כך שהוא יגיב לתנאים בתוך התא תוך שהוא יקבל על עצמו משימות מסוימות. כמו מרבית המחשבים רכיב ה-RNA או הביו-מחשב פועל על בסיס המערכת הפשוטה של הלוגיקה הבוליאנית – ניתן לתכנתו כך שיגיב לפקודות AND, OR, NAND ו- NOR. המחשב לא מריץ את תוכנת “ווינדוס” עליו וגם אין לו מעבד של אינטל בעל ליבה כפולה. אין לו גרפיקה פיצוץ מתחלפת של נבידיה והוא לא עשוי מחתיכת אלומניום אחת. אין לו גם טראקפאד מזכוכית ואין לו מסך סינימה עם פטנטים… אבל הוא מהיר. תכירו זהו הביו-מחשב שמיוצר בתוך התא. כן, זה לא סרט מדע בדיוני. זו הצעה שהוגשה למגזין היוקרתי Science והיא פורסמה אתמול

 

Higher-Order Cellular Information Processing with Synthetic RNA Devices

Maung Nyan Win and Christina D. Smolke*

The engineering of biological systems is anticipated to provide effective solutions to challenges that include energy and food production, environmental quality, and health and medicine. Our ability to transmit information to and from living systems, and to process and act on information inside cells, is critical to advancing the scale and complexity at which we can engineer, manipulate, and probe biological systems. We developed a general approach for assembling RNA devices that can execute higher-order cellular information processing operations from standard components. The engineered devices can function as logic gates (AND, NOR, NAND, or OR gates) and signal filters, and exhibit cooperativity. RNA devices process and transmit molecular inputs to targeted protein outputs, linking computation to gene expression and thus the potential to control cellular function.

Division of Chemistry and Chemical Engineering, California Institute of Technology, 1200 East California Boulevard, MC 210-41, Pasadena, CA 91125, USA.

 

Photo: Bio-Computer Created Inside Living Cell

מדענים מקליפורניה יצרו מחשבים מולקולאריים שהם מסוגלים למה שקרוי self-assemble  (הרכבה עצמית מולקולרית) מתוך רצפים של RNA בתוך תאים חיים.

(הרכבה עצמית מולקולארית – תהליך שבאמצעותו המולקולות מסתדרות מעצמן ללא הנחיה מוגדרת ממקור חיצוני. המולקולות מסתדרות לכדי יצירת מבנים מורכבים שמסוגלים לפעול בצורות שונות. המאפיינים של הרכבה עצמית הם, שהתהליך של ההרכבה של המבנים המולקולאריים מעורב בהקטנת האנרגיה, ובנוסף אין התערבות בתהליך. הרכיבים הנכונים מסתדרים מאיליהם לכדי יצירת המבנים בהתאם לתכנון).

לבסוף מחשבים מולקולאריים כאלה יכולים להיות מתוכנתים כדי לבצע מניפולציה לפונקציות ביולוגיות בתוך התא, כאשר הם מבצעים מטלות שונות תחת תנאים שונים. יישום אחד יכול להיות תמסורת תרופות חכמה, אומרת קריסטינה סמולק שביצעה את המחקר יחד עם מאונג נאיאן ווין.

השימוש בביו-מולקולות כדי לבצע חישובים הודגם לראשונה על ידי לאונרד אדלמן מאוניברסיטת דרום קליפורניה ב-1994, והגישה פותחה מאוחר יותר על ידי אהוד שפירו ממכון ויצמן ברחובות. אבל לפי שפירו, “מה שעבודה חדשה זו [של סמולק ו-ווין] מראה לראשונה זה את היכולת לגלות את הנוכחות או ההעדר של מולקולות בתוך התא”.

זה פותח את האפשרות לרכיבי חישוב שיכולים להגיב לתנאים מסוימים בתוך התא, כך אומר שפירו. למשל ניתן אולי לפתח מערכת למסירת תרופות שפוגעת בתאי הסרטן מבפנים על ידי גנים חיישנים שמשמשים כדי לווסת גידול תאי ומוות תאי. ניתן לתכנת את הביו-מחשב כך שישחרר את התרופה כאשר התנאים הם בדיוק נכונים, בזמן הנכון ובמקום הנכון.

 

Computing with RNA

Devices that self-assemble from biological molecules could represent the future of drug delivery.

 

רכיבים כמו ביו-מחשבים אלה יוכלו לאפשר לבני אדם יום אחד לבצע מניפולציה למערכות ביולוגיות בצורה ישירה, כך אומרת קריסטינה סמולק מהמכון לטכנולוגיה בקליפורניה הקלטק שביצעה את המחקר במשותף עם מאונג נאיאן ווין והוא התפרסם ב-17.10.08 בכתב העת היוקרתי Science.

מחשבים ביולוגיים – הביו-מחשבים – עשויים לבסוף לשרת כמעין מוחות כדי לייצר למשל ביו-דלקים מהתאים , או כדי לפקח על תמסורת של “תרופות חכמות” שניתן להעבירן רק תחת תנאים מסוימים. למשל תרופה חכמה יכולה להדגים סביבה תאית ולעורר רצף של הרס-עצמי אם המחלה מתגלה, כך מסבירה סמולק.

כיצד בנוי המחשב?

המחשב של סמולק ו-ווין בנוי משלושה רכיבים עיקריים:

1)    חיישנים.

2)    מניעים.

3)    טרנסמיטור.

כולם מורכבים מ-RNA.

חיישני ה”קלט” מורכבים מ-aptamers – מולקולות RNA שמתנהגות קצת כמו נוגדנים, ומתקשרות חזק למטרות מסוימות.

באותו האופן רכיבי ה”פלט”, או ה-actuators מורכבים מריבוזומים – מולקולות RNA מורכבות שיש להן תכונות קטליטיות זהות לאלה של האנזימים.  

שני הרכיבים האלה משולבים על ידי מולקולת RNA נוספת שמשרתת כטרנסמיטור, והיא מופעלת כאשר מולקולת חיישן מאבחנת כימיקל קלט וכתוצאה מעוררת מולקולת actuator.

 

הביו-מחשב החדש מורכב מחתיכת RNA מהונדס שמורכב בתוך תא של שמרים. ה-RNA היא מולקולה ביולוגית זהה ל-DNA, שמצפינה מידע גנטי, למשל כדי ליצר חלבונים שונים.

במונחים של הנדסה, ה”קלט” של הביו-מחשב הן מולקולות שצפות סביב אל תוך התא. ואילו “הפלט” מהו? “הפלט” מתבטא בשינויים ביצירת החלבון. למשל, מחשב ה-RNA יכול להיות מסוגל להתחבר עם שתי מולקולות שונות. אם שתי מולקולות המטרה מתקשרות אליו, הן מעוררות את הרכיב לשנות צורה. הביו-מחשב ששינה צורה הוא עתה בצורה הנכונה כדי להתחבר אל ה-DNA, ששם הוא יכול להשפיע ישירות על הביטוי הגנטי והוא יכול להאיץ או להאט את יצירת החלבונים הרצויים. חלבונים אלה יכולים להשפיע על התא במספר דרכים, כמו למשל להרוג את התא אם במקרה הוא תא סרטני.

הקבוצה תכננה את החלקים השונים של מחשב ה-RNA שלה להיות מודולארי, כך שחלקיו יתערבבו ויותאמו. תלוי בשילוב של החלקים שאותם שמים יחד, כך מקבלים השפעות שונות: סמולק ו-ווין תכננו את מחשבי ה-RNA שלהם כדי לגלות את התרופות טטרציקלין ותיאופילין בתוך תאי שמרים, כאשר הם יוצרים חלבון פלורסנטי כפלט. תוך צירוף רכיבי ה-RNA בדרכים שונות, החוקרים הראו שהם מסוגלים לגרום להם להתנהג כמו סוגים שונים של שערים לוגיים – אלמנטים של מעגלים שמוכרים מכל מחשב. למשל שער AND יוצר רק פלט כאשר הקלט שלו מגלה את הנוכחות של שתי התרופות, בעוד ששער NOR יוצר פלט בלבד כאשר לא מתגלית שום תרופה.

Biocomputer Made of RNA Understands Boolean Logic

cell structures

מכאן

המקרר של אינשטיין וזילארד

המקרר שאותו אלברט אינשטיין וליאו זילארד המציאו לפני שבעים שנה יכול לסייע לקירור עולמי

מדענים מוציאים מהבוידם המצאה שנרשמה כפטנט בארה”ב ב-1930 שלא משתמשת בחשמל ותפחית גזי חממה

Einstein's Refrigerator: Amazing Use of Old Technology for Saving Power

Einstein’s Refrigerator: Amazing Use of Old Technology for Saving Power

עלילות הגאון הממציא של המצאות ביתיות. לאינשטיין היה מקרר דולף ומרעיש בבית. איך הוא יעבוד בתנאים כאלה? עלה לו רעיון להמציא מקרר יעיל ושקט. הוא וחברו הפיזיקאי היהודי הפליט ההונגרי המוכשר ליאו זילארד חברו יחד וקיוו להיות מיליונרים מההמצאה. אופס… בדיוק הומצאו המקררים המודרניים וחברת AEG בקושי נתנה כמה גרושים על ההמצאה. היום יש מי שמתעניין בהמצאה וטוען שהיא ידידותית לסביבה לעומת המקררים המודרניים, כי ההמצאה של אינשטיין-זילארד לא פולטת גזי חממה. כך תתכן עדנה להמצאה של אינשטיין-זילארד.

 

It looks like Albert Einstein’s Refrigerator is making a comeback. An early invention of Einstein has been rebuilt by scientists at Oxford University. The scientists are attempting to develop an environmentally refrigerator that can runs without need for electricity.

According to reports, the Einstein refrigerator is an absorption refrigerator with no moving parts; the only thing it requires is a heat source to operate it.

הכוונה היא לא לספר הזה:

שעוסק בענייני המפץ הגדול.

אלא הכוונה היא ממש להמצאה ביתית שאותה הגה אלברט אינשטיין: המקרר.

ליאו זילארד הכיר את אלברט אינשטיין עוד מ-1926 מברלין – לשם הוא בא ללמוד לאחר שברח מהמשטר המדכא והאנטישמי בהונגריה. השניים שיתפו פעולה על הבעיה המעשית הבאה: המקרר ה”מושלם” ובמיוחד השקט. בבית של אינשטיין בגרמניה עדין היה “ארון קרח” מיושן, כנראה שהוא החזיק מתקן זה בגלל שבמקררים החשמליים דאז המנוע והמדחס שניהם עשו הרבה רעש ובגלל שנוזל הצינון, שפעמים רבות גם נזל, לא היה לגמרי בטוח. כאשר אינשטיין עבד עם ליאו זילארד – פיזיקאי מבריק ובקי בתחומים רבים, הם שניהם תכננו משאבה מקורית שהיא מונעת לא בצורה מכנית אלא בצורה אלקטרומגנטית. למה הכוונה? מתכת נוזלית (נתרן, אשלגן או תערובת של השתיים) נעה הלוך ושוב בצינור על ידי שדה אלקטרומגנטי משתנה, שלכן מתפקד כבוכנה. המצנן הופך לנוזלי על ידי מחזורים של הפחתות לחץ. וההתאדויות שבאות בעקבות זאת יוצרות את הקירור הרצוי. משאבה אלגנטית זו תהיה הדוקה וחשוב מזה שקטה.

ליאו זילארד ואלברט אינשטיין

בנובמבר 1927 זילארד ואינשטיין במשותף הגישו את הפטנט הראשון שלהם על ההמקרר החדש: פטנט גרמני מספר 403 563 ב-13 לנובמבר, 1927. ל. זלארד וא. אינשטיין:  Kältemaschine.

אחרי הפטנט הזה באו עוד שבעה פטנטים נוספים שעסקו בפרטי הפרטים של מנוע ההשראה או גרסאות חדשות שנועדו להגן על הפטנט המקורי. הפטנטים האלה ואחרים הוענקו בגרמניה ב-1934 כאשר אינשטיין וזילארד כבר מזמן עזבו אותה.

הרעיון המקורי נרשם גם ב-1930 בארה”ב, בבריטניה ובהולנד – שהייתה מקום המפלט הידוע של אינשטיין לביקורים רבים אצל חבריו המדענים. וגם הפטנט נרשם במקום העבודה הקודם של אינשטיין, משרד הפטנטים בברן, שם חברו מיקלה בסו עדיין עבד והוא ערך את הפטנט של אינשטיין וזילארד (מכתב של מקלה בסו לאינשטיין, 1 למאי, 1930).

הפטנט

בינתיים זילארד שעבד במעבדות חברת AEG חיפש אחר יישום פראקטי לרעיון משאבת המקרר. זה לא היה פשוט. לא רק שהמתכות האלקליות היו צריכות להישמר במצב נוזלי תמידי באמצעות טמפרטורות גבוהות. הן היו גם מאוד ריאקטיביות וגורמות לקורוזיה. ולכן היה קשה לטפל בהן. למרות שנבנו אב טיפוסים מהמקררים כפי שליאו זילארד דיווח לאינשטיין בברלין ב-27 לספטמבר, 1930, הדגם לא הוביל למוצר מסחרי. הבניה ההנדסית הייתה יותר מידי דרשנית והשוק באותו הזמן כאשר היה המיתון הגדול לא היה אוהד. ומעל לכל, מקררים חשמליים קונבנציונאליים הומצאו והם היו שקטים יותר ובטוחים יותר מהדגם של אינשטיין וזילארד. לכן לא היה צורך יותר באלטרנטיבה של אינשטיין-זילארד. אם שני הממציאים קיוו לעשות הון עתק מהמקרר… הם התאכזבו מהר מאוד. נראה שהם קבלו מעט מאוד כסף מחברת AEG (כפי שדווח זילארד לאינשטיין, ב-12 לאוקטובר, 1929).

רק מאוחר הרבה יותר לפתע הופיע ישום למשאבת המקרר של אינשטין וזילארד – לא במקררים אלא בכורים גרעיניים. עלפי ההצעה של זילארד, המשאבה האלקטרומגנטית פותחה בתקציב גבוה למדי אחרי מלחמת העולם השנייה לשימוש בכורים שמקוררים בצורה מתכתית ובכורים ממיסי נתרן, ושוב ללא הצלחה יתרה.

והנה עתה המשאבה של אינשטיין-זילארד שוב זוכה לעדנה. האם הפעם תהיה לה הצלחה?

Oxford scientist to create a green, no-electricity refrigerator based on an aged Einstein patent

האיור מצוי בפטנט שאושר ב-1930 בארה”ב

ועתה מכריזים העיתונים המדעיים של היום שהמצאה זו מלפני שבעים שנה של אלברט אינשטיין וליאו זילארד נבנתה מחדש בסוף ספטמבר על ידי מדענים מאוקספורד, שמנסים לפתח מקרר שהוא ידידותי לסביבה ומונע ללא חשמל.

מקררים מודרניים מאוד מזיקים לסביבה. הם פועלים על ידי זה שהם דוחסים וגורמים להתפשטות של גזי חממה תוצרת אנושית שקרויים פריאונים. הפריאונים הם הרבה יותר מזיקים מאשר פחמן דו-חמצני והם מיוצרים במספרים הולכים וגוברים. המכירות של מקררים מסביב לעולם עולות מכיוון שהביקוש גובר במדינות מתפתחות.

A Refridgerator That Uses No Electricity And No Greenhouse Gases – How cool would it be to own something patented by Einstein?

מלקולם מקקולוק, מהנדס אלקטרוניקה מאוקספורד שעובד על טכנולוגיות ירוקות, מוביל פרויקט של שלוש שנים שנועד לפתח יישומים יותר יעילים שניתן יהיה להשתמש בהם במקומות ללא חשמל.

הקבוצה של מקקולוק השלימה אב-טיפוס מהסוג של המקרר שאותו המציאו ורשמו עליו פטנט בארה”ב ב-1930 אלברט אינשטיין וליאו זילאד. מקקולוק מסביר שהמקרר של אינשטיין וזילארד (מהפטנט האמריקאי של 1930) חסר כל חלקים נעים והוא משתמש רק בגזים מווסתים כדי לשמר את הקירור. היה שימוש חלקי בתכנון הזה במקררים הביתיים הראשונים, אבל הטכנולוגיה ננטשה כאשר מדחסים יעילים יותר נהפכו לפופולאריים בשנות החמישים. ופירושו של דבר היה מעבר לפריאונים.

הרעיון של אינשטיין וזילארד מהפטנט מ-1930 נמנע מהצורך בשימוש בפריאונים. הוא משתמש באמוניה, בוטאן ומים והוא משתמש ברעיון שנוזלים רותחים בטמפרטורות נמוכות יותר כאשר לחץ האוויר סביבם הוא נמוך יותר. אם למשל עולים אל קצה הר האברסט, המים רותחים שם בטמפרטורה הרבה יותר נמוכה מאשר הם רותחים כאשר אנחנו על פני הים וזה בגלל שלחץ האוויר הוא הרבה יותר נמוך בהר האברסט.

כיצד הרעיון פועל? מצד אחד נמצא המאייד, בקבוקון שמכיל בוטאן. אם מכניסים אדים חדשים מעל לבוטאן, טמפרטורת הרתיחה של הנוזל יורדת ובעוד הוא רותח ומתכלה, הנוזל נוטל אנרגיה מהסביבה כדי לעשות זאת. זה מה שגורם לו להתקרר.

מקררים שמופעלים על גז מווסת שמבוססים על התכנון של אינשטיין וזילארד הוחלפו על ידי התכנון של מקררים דוחסי פריאון. חלק מהסיבה לכך היא בגלל שהתכנון של אינשטיין וזילארד לא היה יעיל במיוחד. אבל מקקולוק חושב שעל ידי התאמת התכנון והחלפת סוגי הגזים שבהם משתמשים בתכנון, יהיה זה אפשרי לרבע את היעילות של המקרר של אינשטיין-זילארד. הוא גם רוצה לשפר את הרעיון בכיוונים נוספים. כניסת האנרגיה היחידה שדרושה למקרר היא לחמם משאבה, ומקקולוק עבד על תפעול המקרר בעזרת אנרגיה סולארית. כלומר, יהיה זה מקרר לאזורים חקלאים ולא רק לאזורים מפותחים ומודרנים.

המקרר של מקקולוק הוא עדין בשלביו המוקדמים. “הוא עדיין מאוד אב-טיפוס. זה בשום אופן לא ממוסחר”, הוא אמר. “תנו לנו עוד חודש ונהפוך אותו לפועל”. חלף כבר חודש. מישהו שמע על המקרר של אינשטיין-זילארד מאוקספורד שהוא מסחרי ופועל?