על הספה של הננוטכנולוג

על הספה של הננוטכנולוג. אופס, עד שדברנו, כבר הכל נהפך לישן…

סופרמן אצל הפסיכולוג. מכאן

לא ברור מתי אנשים גילו את היתרון של החומרים בגודל המזערי כל כך – הננו-חלקיקים. ידוע שבמאה הרביעית אחרי הספירה יוצרי הזכוכיות הרומאים יצרו זכוכיות שהכילו מתכות בגודל ננו. נותר שריד מתקופה זו שמצוי במוזיאון הבריטי בלונדון – כוס – שמכיל ננו חלקיקים בין השאר מזהב. הצבע של הכוס משתנה מירוק לאדום כאשר מקור אור ממוקם בתוכה. המגוון הרחב של צבעים מרהיבים בחלונות של קתדראלות מימי הביניים הוא עקב הנוכחות של ננו חלקיקים מתכתיים בזכוכית. אולם יתכן ואף השתמשו בחלקיקים כאלה מוקדם יותר…

זכוכית הרובי מימי הביניים מכילה קולואידים מזהב ברמת הננו שאינם ממירים את הזכוכית לזהב וגם לא לחומר שקוף, אלא לזכוכית אדמדמה. זאת תלוי בגודל ובריכוז של טיפות הזהב. הצבע האדמדם נגרם מהעירור של תנודה קולקטיבית של אלקטרוני ערכיות בננו-חלקיקי הזהב. תנודה זו קרויה תהודה של פלסמונים על פני השטח. אורך הגל של תהודת הפלסמונים על פני השטח תלוי בגודל, בצורה, בטופולוגיה ובסביבה הדיאלקטרית של צבירי המתכת. ולכן פוטוניקה שהיא מבוססת על פלסמונים על פני שטח, או מה שקרוי “פלסמוניקה”, נחשבת היום לטכנולוגית העתיד. זה מה שקרוי “מטא-חומרים” והם כשלעצמם לכן לא דבר חדש בכלל. הם היו קיימים בימי הביניים. מה שחדש כאן הוא דרגת השליטה במבנים בתוך החומרים, מבנים ברמת הננו שיוצרים את התכונות הרצויות במטא-חומרים. למשל, בגרסה המודרנית לזכוכית רובי בעלת מקדם שבירה שלילי, זוגות של עמודי זהב (שמיוצרים בננוטכנולוגיה על סובסטרט מסיליקון) יוצרים תהודות של פלסמונים על פני המשטח שהן מכוונות , כאשר כל זוג פועל כמו אטום בעל תכונות נשלטות היטב

אבחן כאן קומץ מאוד קטן מההתפתחויות המעניינות בננוטכנולוגיה שאותן סקרתי כבר כאן במהלך השנה. נוהגים ללכת לפסיכולוג, לשכב על הספה ולספר על הפחדים. כאן נשכב על הספה של הננוטכנולוג ונספר על הפחדים מכך שהתחום של הננוטכנולוגיה מתפתח כל כך מהר, עד כי אנחנו לא מספיקים אפילו לסקור את ההתפתחויות האחרונות. יש לי בבית ספר טכני שהכותרת שלו היא, “מבוא לננוטכנולוגיה”. אבל הספר הוא משנת 2005. הספר נחשב כבר לממש ישן. אבל בכל זאת ברצוני לבצע את הסקירה הבאה שמגרה את הדמיון. אמנם היא לא ריצת מרתון אחרי ההתפתחויות של יוני 2009 אלא כמה חודשים לפני כן…. תחשבו על העולם בו אנחנו חיים: עולם החדשות. אתמול שפעת העופות הייתה בראש החדשות, ומלאה את החדשות מהבוקר ועד לערב, והיום דודו טופז הוא שיחת היום בכל כלי התקשורת. ומה יהיה מחר? לא רק בתחום המדע והננוטכנולוגיה החדשות מתחלפות במהירות הבזק. חרף זה שההמצאות מתחלפות במהירות רבה, הרעיון הבסיסי הוא שהננוטכנולוגיה היא כנראה מדע המחר והעולם הולך לעבר התחתית מטה-מטה – כמו שריצ’רד פיינמן אמר בהרצאתו המפורסמת מ-1959 – ישנו הרבה מקום שם בתחתית העולם ורק צריך לגלותו…

 

ריצ’רד פיינמן בקלטק בעת ההרצאה המפורסמת שלו “There’s Plenty of Room at the Bottom”

מכאן

ב-1959 אחרי ארוחת ערב בפגישה של האגודה הפיזיקאלית בפסדינה, ריצ’רד פינמן נאם והציב חזון בלתי רגיל של עתיד הטכנולוגיה בהרצאתו: “ישנו הרבה מקום שם בתחתית”. ההרצאה נשאה את כותרת המשנה: “הזמנה להיכנס לתחום חדש בפיזיקה”. פיינמן בנאומו ציין את תחילתו של מה שאנחנו היום מכנים בשם “ננוטכנולוגיה. הננוטכנולוגיה עוסקת במניפולציה של החומר ברמות הגודל הננומטריות. כלומר, אלפי מיליוני המטר. אטומים הם בדרך כלל בגודל של כמה עשרות הננומטר. פיינמן הדגיש שמבצע כזה לא דורש פיזיקה חדשה: “אינני ממציא אנטי-כבידה, שתהיה אפשרית יום אחד רק אם החוקים אינם מה שאנחנו חושבים שהם. אני אומר לכם מה ניתן לעשות אם החוקים הם מה שאנחנו חושבים שהם. אנחנו לא עושים זאת רק בגלל שאנחנו עדיין לא הצלחנו להגיע לזה”.

בהרצאתו פיינמן הציע שני פרסים של אלף דולר כל אחד – אחד “לברנש הראשון שיצור מנוע חשמלי פועל שהוא בגודל 1/25 סנטימטר מעוקב”, והשני “לברנש הראשון שיכול ליטול את המידע שעל גבי דף של ספר ולשים אותו על שטח שהוא פי 1/25000 קטן יותר”.

כאשר הוא הציע את הפרסים, פיינמן כנראה לא האמין שישלם אותם. אולם הוא לבסוף נדרש לשלם את שני הפרסים. את הפרס הראשון פיינמן שילם תוך פחות משנה לביל מקלילאן Bill Mclellan בוגר הקלטק. מקלילאן הביא עמו מיקרוסקופ כדי להראות לפינמן את המנוע הזעיר שיכל ליצור מיליוני כוח סוס. למרות שפיינמן שילם את הפרס, המנוע נראה באותו הזמן כאכזבה עבורו מכיוון שהוא לא דרש כל התקדמות טכנית חדשה. בגרסה חדשה של הרצאתו, 20 שנה אחר כך, פיינמן העלה השערה שבעזרת הטכנולוגיה המודרנית ניתן יהיה ליצור מנועים שהם פי 1/40 קטנים יותר מזה המקורי של מקלילאן וביצור המוני.

לגבי הפרס השני, במשך שנים רבות איש לא הצליח לקטוף אותו. אולם, 26 שנים אחרי הרצאתו הראשונה פיינמן נאלץ לשלם את הפרס השני שלו גם כן. האתגר היה שקול לכתיבת כל 24 הכרכים של האנציקלופדיה בריטניקה על ראש סיכה זעירה. ב-1985 טום ניומן Tom Newman  היה סטודנט ללימודים מתקדמים בסטנפורד. ניומן השתמש בטכניקה שנקראת ליטוגרפיה של קרן אלקטרונים כדי לחרוט את התבניות על סיליקון במטרה ליצור מעגלים משולבים. חבר הראה לניומן העתק של ההרצאה של פיינמן משנת 1959 ואת החלקים שמציעים פרס לזה שיצליח לכתוב בקטן. ניומן חישב שהוא יוכל להקטין אותיות בודדות לסקאלת גודל של רוחב של 50 אטומים בלבד. על ידי תכנות מכונת קרן האלקטרונים שלו הוא סבר שניתן לבצע זאת. כדי לבדוק שהפרס עדיין בתוקף באותה תקופה, ניומן שלח טלגרמה לפיינמן. הוא הופתע מאוד לקבל שיחת טלפון חזרה מפיינמן למעבדתו שמאשרת שאכן הפרס עדיין בתוקף גם אחרי יותר מעשרים שנה. ניומן, שהיה ממש בשלבי סיום הדוקטור, תכנת את המכונה שלו לכתוב את העמוד הראשון של הרומן של צ’רלס דיקנס בין שתי ערים. כל אות הייתה ברוחב של 50 אטומים. התברר שהקושי העיקרי של ניומן היה למצוא את העמוד הזעיר על פני המשטח של הסיליקון אחרי שהוא כבר נכתב. ניומן קבל את הצ’ק מפיינמן בזמן בנובמבר 1985.

פיינמן העריך ש”ניתן לכתוב את כל המידע שהאדם בזהירות צבר בכל הספרים שבעולם בקובית חומר שהיא ברוחב של שתי מאיות האינץ’ – וזה בקושי חלק של אבק שהעין האנושית יכולה לייצר”. זו הסיבה מדוע פיינמן קרא להרצאתו “הרבה” מקום שם בתחתית.

והנה השנה שוב הגיעה בשורה מאוניברסיטת סטנפורד. בינואר השנה מדענים מסטנפורד יצרו אותיות שהן פי 40 קטנות יותר מאשר אלו של ניומן, וכל זאת בעזרת המיקרוסקופ המנהור הסורק.

50 שנה להרצאה המפורסמת של ריצ’רד פיינמן “ישנו הרבה מקום שם בתחתית”

היום 20 שנה אחרי שהננוטכנולוגיה נהפכה לעובדה, קל לשכוח את המושג שקרוי “ננוטכנולוגיה” שלראשונה ביצע כניסה סוחפת אל המודעות הציבורית כמעט מיידית בנובמבר 1986, כאשר כמעט מיליון קוראים פגשו במאמר המערכת המוביל לקהל הרחב במגזין בעל הגישה המדעית בשם OMNI 

המאמר ב-OMNI היה בעל הכותרת הבאה: 

Nanotechnology: Molecular Machines that Mimic Life וכריכת המגזין נראתה כך:

OMNI magazine cover, November 1986: Nanotechnology: Molecular Machines that Mimic Life.

הננוטכנולוגיה פוגשת את סופרמן וספיידרמן

בשנים האחרונות הננוטכנולוגיה נהפכה לאחד מתחומי הפיזיקה, הכימיה, ההנדסה והביולוגיה החשובים והמרתקים ביותר. היא מראה הבטחה רבה בעתיד הקרוב בכך שתביא לנו פריצות דרך רבות שתשננה את כיוון ההתקדמויות הטכנולוגיות במגוון רחב של אפליקציות.

מה זה בכלל ננוטכנולוגיה?

המילה “ננו” פירושה מיליארדית. ובמספרים: 1×10-9.

הננוטכנולוגיה עוסקת במגוון מבנים של החומר בעלי ממדים מסדר גודל של המיליארדית של המטר. כלומר, הננוטכנולוגיה מבוססת על ההכרה שחלקיקים קטנים יותר מגודל של 100 ננומטר (מיליארדית המטר) מקנים למבנים ננומטריים שבנויים מהם תכונות חדשות והתנהגות חדשה. זה מתרחש בגלל שהחלקיקים שהם קטנים יותר מהאורך האופייני שקשור לתופעות האופייניות לרוב מפגינים כימיה ופיזיקה חדשות. כימיה ופיזיקה חדשות אלה מובילות להתנהגות חדשה שהיא תלויה בגודל של המבנים הננומטריים. כך למשל המבנה האלקטרוני, המוליכות, התגובתיות, טמפרטורת ההמסה והתכונות המכניות – כולן משתנות כאשר החלקיקים נעשים קטנים יותר מאשר הגודל הקריטי. התלות בהתנהגות בגודל של החלקיק יכולה לאפשר למהנדס לתכנן את תכונותיהם וכך לבנות רכיבים חדשים. ברוכים הבאים לעולם הטכנולוגיה החדשה של הננו-רכיבים.

לננו-רכיבים יש פוטנציאל אדיר לתרום להתקדמות על פני טווח נרחב ומגוון של תחומים טכנולוגיים שמתפרשים מיצירת חומרים חזקים יותר וקלים יותר ועד קיצור זמן תמסורת העברת התרופות לתוך הגוף – באמצעות קפסולות? בתוך מערכת הדם וגם הגדלת קיבולת האחסון של המדיה המגנטית ואספקה של מתגים מהירים יותר עבור מחשבים. מידי פעם אנחנו שומעים על תחומים חדשים כמו למשל, ננומדע קוואנטי, שהוא היישום של תורת הקוונטים לתכנון של חומרים ורכיבים חדשים ברמת הננו. ננומדע קוונטי מסביר את התפקוד והמבנה במערכות טבעיות או מהונדסות ברמת הננו באמצעות מכניזמים קוונטיים כמו דיסקרטיזציה, סופרפוזיציה ושזירה קוונטית. והיד עוד נטויה בנושא הננוטכנולוגיה ומחר כבר נשמע על תחומים חדשים…

ננוצינוריות

אולי אחד מהנושאים המרתקים ביותר הוא הננוצינוריות – מבנים בגודל ננומטרי, אך חזקים ונצורים כמו פלדה. למשל, המדענים בנאסא שעובדים על פרויקט מעלית החלל, חושבים על הננוצינוריות כמועמדות בטוחות לבניית הכבל של מעלית החלל. אולם הכבל, כך הם אומרים, יצטרך להיות בערך פי ארבע חזק יותר מאשר סיב הננוצינורית הפחמני, או פי 180 חזק יותר מאשר פלדה. ואין פלא שהרעיון של מעלית החלל צמח לראשונה ממגדל אייפל שעשוי מברזל.

 

מהי אם כן ננוצינורית? ניתן לחשוב על הננו-צינורית פחמן כמעין גיליון מגרפיט שמגולגל לצינור בעל שפות בסוף הגיליון שיוצרות את הקשרים שסוגרים את הצינור. מבנה הצינור נוצר מגלגול גיליון הגרפיט סביב צירו מקביל לקשרי ה-C-C (קשרי פחמן-פחמן). ננו-צינורית בעלת דפנות יחידים יכולה שיהיו לה קוטר של שני ננומטרים ואורך של μm 100. זה מה שהופך את הננו-צינורית אפקטיבית למבנה חד ממדי שקרוי ננוחוט. 

ישנם כמה מבנים לננו-צינוריות מפחמן, ומספר מבנים אלה הם בעלי תכונות שונות. למרות שננו-צינוריות מפחמן לא מורכבים מעשית מגלגול של גיליונות גרפיט, ניתן להסביר את המבנים השונים על ידי בחינה של הדרך שבה גיליונות גרפיט עלולים להתגלגל לצינורות. באופן כללי הננו-צינוריות סגורים בשני הקצוות, מה שמכניס סידור פנטגונאלי מבחינה טופולוגית לכל קצה של הגליל.

לננו-צינוריות מפחמן יש את התכונה המעניינת מאוד שהם מתכתיים או מוליכים למחצה, תלוי בקוטר ובכירליות של הצינור. הכירליות מתייחסת לאופן שבו הצינורות מגולגלים ביחס לכיוון הציר במישור הגרפיט. בדרך כלל הצינורות הם שני שליש מוליכים למחצה ושליש מתכתיים. משתמשים במיקרוסקופ המנהור הסורק (הממ”ס) כדי לחקור את המבנה האלקטרוני של הננו-ציוריות מפחמן. המיקום של מחט הממ”ס ממוקמת מעל לננו-צינורית והמתח שבין המחט של ה-ממ”ס והדוגמית נסרקת בעוד זרם המנהור מבצע את הסריקה. בודקים את המוליכות הנמדדת. הגרפים של הממ”ס שהמוליכות חזקה לאורך ציר הצינור, מה שגורם לננו-צינוריות לתפקד כחוטים קוואנטיים חד ממדיים. באופן כללי דפקטים במערכות חד-ממדיות גורמים ללוקליזציה של אלקטרונים. אבל, דפקט בננו-צינורית לא יגרום ללוקליזציה בגלל שהאפקט ממוצע על פני כל היקף הצינור.

במצב המוליך של הננו-צינורית, המוליכות של הננו-צינוריות היא מאוד גבוהה. מעריכים שהן יכולות לשאת מיליארד אמפר לסנטימטר מרובע. לעומת זאת, חוטי נחושת לא מצליחים לשאת מיליון אמפר לסנטימטר מרובע בגלל התחממות מתנגדת שממיסה את החוט. סיבה אחת למוליכות גבוהה של הצינורות הננו מפחמן היא שיש להם מעט מאוד דפקטים מבחינת פיזור האלקטרונים, ולכן התנגדות מאוד נמוכה. זרם גבוה לא מחמם את הצינורות באותו האופן שבו הוא מחמם את חוטי הנחושת. ננו-צינוריות הם גם בעלי מוליכות תרמית מאוד גבוהה, כמעט פי 2 יותר מאשר יהלום. פירושו של דבר שהם גם מוליכים מאוד טובים של חום.

בנוסף ננו-צינוריות הם מאוד חזקים מבחינה מכנית. אם משקל מחובר לקצות חוט דק שנעוץ לגג של חדר, החוט ימתח ובסוף יקרע. כאשר ננו-ציוריות מעוקמים הם מאוד גמישים. הם מתעקמים אבל לא נשברים, וניתן לישר אותם חזרה מבלי להרסם.

מרבית החומרים נשברים כאשר מעקמים אותם בגלל הנוכחות של פגמים כמו חריגות ושיבושים או פגמים בשפות החומרים. בגלל שננו-צינוריות מפחמן הם בעלי מינימום של דפקטים במבנה הדפנות שלהם, זה לא קורה. סיבה נוספת מדוע הננו-צינוריות לא נשברים היא הבאה. כאשר הם מעוקמים מאוד, הטבעות ההקסגונאליות מפחמן בדפנות משנות את צורתן, אבל לא נשברות. זוהי תוצאה ייחודית של תכונות של קשרי פחמן-פחמן והתעקמותם.

סופרמן וספיידרמן – שרירים מלאכותיים וסיוע לנכים

האם אנחנו רחוקים מעידן סופרמן? מסתבר שכבר לא. כמעט וניתן לקחת סיבי סרטי ננו-צינוריות ולהרים את בנין האמפייר סטייט בילדינג בניו יורק…. קורי העכביש של ספיידרמן כמעט כבר ממשיים… סרטי ננו-צינוריות מפחמן שמתפקדים כשרירים מלאכותיים פותחו על ידי חוקרים מאוניברסיטת טקסס אשר בדלאס, וכיאה לננו-צינוריות, הם בעלי חוזק חומרים עצום. ניתן למתוח אותם כאילו היו גומי והם קלים יותר מהאוויר. הסרטים מורכבים מננו-צינוריות סבוכות ארוכות בעובי של 11 ננו-מטר, והם מסוגלים להימתח ליותר מפי שלושה מרוחבם הרגיל. ואולם הם קשיחים יותר וחזקים יותר מאשר פלדה נצורה. הם יכולים להימתח ולהתכווץ פי אלפי מונים ולסבול טמפרטורות בטווח של בין מינוס 190 מעלות צלסיוס ועד אפילו 1600 מעלות צליוס. ואף יותר מזה, הם בעלי מסה מינימלית ולכן כמעט קלים כמו האוויר עצמו. ואם לא די בכך, סרטי הננו-צינוריות שקופים, מוליכים וגמישים.

החומר החדש פותח על ידי ריי בוגמאן, המנהל של מכון הננוטק באוניברסיטת דאלאס, אותו מכון שמפתח סוגים שונים של ננו-צינוריות שמבוססות על מה שקרוי “שרירים מלאכותיים”, שמיועדים לאיברים תותבים ולרובוטיקה. 

 

הפנים של פס ברוחב שני מילימטרים של ננוצינורית פחמן, שמתרחבת ליותר מפי שלוש מרוחבה כאשר מתח של חמישה קילוולט מיושם אליה.  האיור מכאן.

חומרים אלה משנים את צורתם ואת גודלם כתגובה לסיגנלים חשמליים וכימיים. תגובתיות שהיא אולי דומה לחומרים “הישנים” שקרויים חומרים פיזואלקטריים, אלא שהחומרים הפיזואלקטריים הם מה שנכנה מאקרוסקופיים, ואילו כאן מדובר בננו-צינוריות.

עד 2006 המעבדה פתחה שרירים מלאכותיים מננו-צינוריות כאיברים תותבים שמתרחבים עד לאחוז אחד בלבד, ומפעילים עד לפי 100 פעם יותר כוח מאשר השריר האנושי על שטח מסוים. החוזק של הננו-צינוריות לכן לא ממוצה עד תום.

אולם עתה מסתבר שבאמתחתה של המעבדה הננוטכנולוגיה סרטי ננו-צינוריות שמתפקדים כשרירים מלאכותיים, או אקטואטורים, המתרחבים עד פי 200 אחוז ויוצרים כוחות קטנים ליחידת שטח, וכך הם מתאימים לרובוטיקה. או אולי בהחלט יכולים להתאים לאגדת סופרמן שירד מכוכב קריפטון ורוצה להרים את האמפייר סטייט בילדינג?…

שרירים מלאכותיים ויישומם לנאסא: מכיוון שסרטי הננו-צינוריות האלה הם אולטרא קלי משקל וניתן לטפל בהם בטמפרטורות קיצוניות, הם אולי יכולים להיות מאוד יעילים ליצירת חלקי רכבי חלל. כך לפחות מציע המדען הישראלי שלנו בנאסא ד”ר יוסף בר כהן, חוקר בכיר במעבדה להנאה סילונית בקליפורניה. הרי בחלל התנאים הם מאוד קיצוניים כידוע, כמו למשל בפלנטות כמו מאדים ונגה. ניתן למשל לטפל באמצעות רובוט חלל במשטח של נגה בעל הטמפרטורה הקיצונית של 460 מעלות או בזה של מינוס 200 מעלות שמצוי בירח של צדק, אירופה. המסה הנמוכה של החומר החדש היא מאוד מושכת למשימות רובוטיות כאלה, אומר בר כהן.

נוסף על שרירים מלאכותיים הננוטכנולוגיה יכולה לעורר פלאים בתחום נוסף קרוב. נשאלת השאלה האם הננו-צינורות יכולות לסייע למוח לתפעל מכונות? שליטה על איבר ישירות על ידי המוח תוך שימוש במשפט: “אני חושב משמע זה זז”. תארו לכם שאחרי קטיעת איבר, הדרך הטבעית ביותר לשלוט באיבר עם פרוטזה כאשר חושבים שרוצים להגיע לשתות נגיד כוס מים, תהיה על ידי זה שהיד המלאכותית אכן פשוט תגיע ותבצע את המשימה הנדונה. הננוטכנולוגיה יתכן ותאפשר זאת ביתר קלות מכפי שניתן לעשות זאת עתה. לאחר פציעה בחוט השדרה, היכולת לעקוף עצבים פגועים יכולה להיות עניין של חיים או מוות. למרות התקדמות ניכרת בחיבור יחידות רפואיות למערכת העצבים –  הכוונה היא לאלקטרודות – הנקודה היכן שהמכונה פוגשת את הגוף –  הרי זו נותרת הבעיה המרכזית.

אם נשווה תחת מיקרוסקופ מנהור סורק אלקטרודה שעשויה ממתכת מטונגסטן מחודדת ללא ערבוב של ננו-צינורות מפחמן (שמאל) עם אלקטרודה מננו-צינורות מפחמן מעורבבת עם פולימר מוליך (ימין). נראה שהננו-צינורות משפרים את המגע החשמלי עם תאי העצב והם עשויים לגרום לאלקטרודה לשרוד זמן רב יותר:

כאן הננוטכנולוגיה יכולה לסייע. ננו-צינורות מאטומי פחמן הם חזקים בצורה מדהימה ובעלי מוליכות חשמלית יוצאת מהכלל. שתי התכונות האלה הופכות אותם למועמדים טובים יותר כאלקטרודות.

מחקר מלפני מספר חודשים של פרופ’ אדוארד קיפר וקבוצתו מהמרכז הרפואי הדרום מערבי של אוניברסיטת טקסס שפורסם ב-ניצ’ר ננוטולוג’י מציע שננו-צינורות חזקים, קשיחים יכולים להרכיב את האלקטרודות הקשוחות והיעילות – ממשק נוירולוגי שיאפשר לחבר איבר מלאכותי לגוף וגם ישרת דבק לעצב וניתן באמצעותו לשלוט בסיגנלים כדי להניע את הזרוע. עדיין הזרוע הרובוטית שמחוברת לננו-צינורות לא נבדקה בבני אדם. המחקר נראה מבטיח בתחום מחלת הפרקינסון.
במקום, בוצעה קבוצת ניסויים ראשונה שבה בדקו עירור חשמלי של נוירונים של עכברים שגידלו אותם במעבדה. התוצאות היו שציפוי ננו-צינור אחד מסוים היה פי 1500 יותר יעיל בקבלת הסיגנלים מאשר אלקטרודה רגילה. מכאן ניתן להסיק שאלקטרודה שמצפים אותה בננו-צינור יכולה ליצור שריר שיתכווץ בעזרת סיגנל חשמלי הרבה יותר קטן. באותו האופן, אם האלקטרודה בניסוי קראה את הפעילות של תא העצב, היא הייתה הרבה יותר רגישה. לאחר קבוצת הניסויים הראשונה הזו, בוצעה קבוצת ניסויים שנייה. קיפר וקבוצתו השוו את הביצועים של האלקטרודות שמושתלות לתוך המוחות של חיות מעבדה והם מצאו יכולת הרבה יותר טוב לגילוי הדחף החשמל הרגיש מנוירון. האלקטרודות מצופות הננו-צינורות יכלו גם “לקרוא” את הפעילות של יותר נוירונים ובנוסף ולפקח על פעילות איטית (10 מחזורים לשנייה) ומהירה (1000 מחזורים לשנייה), תחום שבו אלקטרודות קונבנציונאליות הראו ביצועים מגמגמים.
וירוסים וננו-צינוריות מרכיבים סוללות באנרגיה ירוקה
האם וירוסים מהונדסים גנטית יכולים להרכיב עצמית ברמת הננו סוללות באנרגיה ירוקה? בינואר מגזין דיסקובר הפופולארי יצא בכותרת המשנה “מהנדסים הופכים את הוירוסים למהנדסים קטנים”. ולמה הכוונה? היסטורית תעשיית המוליכים למחצה זינקה ואילו תעשיית הבטריות פיגרה מאחור. והנה החל מ-2006 ארעה פריצת דרך הנדסית בתעשיית הסוללות, שדווחה באוגוסט 2008. קבוצה של מהנדסים מהמכון הטכנולוגי במסצ’וסטס רתמה וירוסים כדי ליצור רכיבים לסוג סוללות חדש, בגודל מיקרון, כלומר של מחצית התא האנושי והרבה יותר יעילות מאשר הבטריות הרגילות הביתיות. לראשונה החוקרים הראו שהם מסוגלים להנדס וירוסים כדי לבנות את הקצוות החיובי והשלילי הטעונים של סוללת הליתיום איון. הוירוסים הונדסו גנטית בצורה כזו שחומרים מוליכים חשמלית כמו קובלט חמצני יתחברו לפני משטחם. תוך תהליך הסלקציה וההנדסה הגנטיים הגענו לוירוסים רזים וארוכים, שפני משטחם גדול יחסית לנפחם. ולכן הם מסוגלים לארוז מטען רב אל תוך חלל זעיר. המיקרוב המצופה במתכת יכול כך לשמש כדי לבנות רכיבים אוגרי אנרגיה בעלי יכולת הספק הרבה יותר גבוהה מאשר הסוללות המסורתיות. ארעה פריצת דרך הנדסית וכמו שכתבו “הביו-הנדסה שברה את צוואר הבקבוק”, כאשר החוקרים הבינו את הפוטנציאל שגלום בוירוסים הלא מזיקים לבני האדם.
בתחילת 2006 חוקרים מהמכון הטכנולוגי במסצ’וסטס בראשות הפרופסורים פאולה ט. המונד, אנג’לה מ. בלשר ו-יט-מינג שיאנג היו הראשונים שהנדסו גנטית וירוסים. הם שילבו בין הננוטכנולוגיה להנדסה הגנטית בתקווה לבנות סוללות שיכולות לתפעל מכוניות היברידיות או טלפונים סלולאריים ומכשור רפואי עתידי. הם בנו את חומר האנודה. בינואר 2009 בלשר השלימה את הסוללות עם בנית חומר הקתודה יחד עם שני חוקרים נוספים בשם גרברנד סדר ומיקל סטרנו. הוירוסים הם ידידותיים לסביבה, לא מזיקים לבני אדם, ואומנם פגיעים לבקטריות. וירוסים אלה מרכיבים את הקצוות החיוביים והשליליים הטעונים של סוללות ליתיום איון – דוגמת אלה שמוצאים במחשבים ניידים. הסוללות הן בעלות אותה קיבולת אנרגיה ויכולת ההספק כמו הסוללות הנטענות החדישות ביותר שחושבים עליהן היום. בבדיקות, הסוללות יכלו להטען ולהתפרק לפחות 100 פעמים ללא שאבדו מכוחן.
 
בסוללת ליתיום איון מסורתית, יוני הליתיום זורמים בין האנודה שהיא טעונה שלילית – בדרך כלל גרפיט – לעבר הקתודה שהיא טעונה חיובית – בדרך כלל תחמוצת הקובלט או ליתיום ברזל פוספט. המפתח לרעיון ולפריצת הדרך ארע כאשר הצוות הבין שטכנולוגית הסוללה הוא בוירוס מהונדס גנטית, בקטריופאג’ אמ-13- וירוס פרזיטי שתוקף בקטריה ומתרבה בתוכה. הגנים של הוירוס הזה שונו גנטית כדי שהוא לא יוכל לתקוף בני אדם וגם כדי שהוא יצור חלבונים שאוספים את מולקולות תחמוצת הקובלט, ויצרו חוטים דקיקים עבור האנודה.
אחר כך, הקבוצה יצרה שכבות של סוללות ברמת הננו – בגודל של חמישה מיקרונים – מחומרים שעברו הרכה עצמית על ידי וירוסים. הוירוסים למעשה בונים את חומר הסוללה. החוקרים עשו זאת על ידי יצירת מיליארדים של וריאציות רנדומאליות בוירוסים, ואחר כך תוך שימוש בעקרון הביולוגי, לפיו הוירוס שהוא הכי מתאים הוא זה ששורד, נבחרו בסלקציה אלה שיבצעו את המטרות הרצויות. 
בהתחלה אם כן, לפני שלוש שנים הקבוצה הדגימה את היכולת של ההרכבה העצמית של הוירוסים כדי ליצור שכבות סוללה גמישות מחומרי אנודה. הוירוס ציפה עצמו עם תחמוצת הקובלט וזהב כדי ליצור ננו-חוט. אולם לבנות קתודה היה זה מסובך יותר מאנודה, כי קתודה צריכה להיות מאוד מוליכה כדי להיות אלקטרודה מהירה. מרבית החומרים המועמדים לקתודות הם מאוד מבודדים ולא מוליכים.  
ולפני כמה חודשים , הקבוצה הדגימו שוירוסים שמהונדסים גנטית יכולים בהרכבה עצמית ברמת הננו ליצור חומר קתודה שתבוא יחד עם האנודה. חוטי ננו של יון ליתיום פוספט פלוס כסף אוספים ננו-צינורית פחמן בודדת בחודם כדי להגדיל את המוליכות. הוירוס החדש משתמש בשיטה דומה כדי לצפות עצמו בברזל פוספט ובכסף, ואז הוא משתמש בזיהוי מולקולארי כדי לאסוף ננו-צינוריות בקצותיהם לטרנספורט אלקטרונים יעיל יותר: האלקטרונים יכולים לנוע לאורך הננו-צינוריות מפחמן, כאשר הם מחלחלים דרך האלקטרודות אל הברזל פוספט ומעבירים אנרגיה בזמן מאוד קצר. בהתחלה הקבוצה ניסתה להנדס את החומר ללא הננו-צינוריות, אבל המוליכות שלו לא הייתה מספיק טובה. ואז הם מצאו וירוס שייצמד לננו-צינוריות באמצעות הזיהוי המולקולארי. משימה זו התבררה כמאוד מורכבת, מכיוון שרק שניים מתוך מיליארד וירוסים – כל אחד בעל קוד גנטי שונה ושעבר סלקציה על ידי העיקרון של זה שהוא המתאים ביותר הוא זה ששורד – הם אלה שלכדו ננו-צינוריות על חודם.
האלקטורנים יכולים לנוע לאורך רשתות של ננו-צינוריות פחמן כאשר הם מעבירים אנרגיה מאוד מהר. אם מוסיפים ננו-צינוריות מפחמן, זה מגדיל את המוליכות מבלי להוסיף הרבה “משקל” לסוללה. 
החומר שהתקבל – שניתן ליצור אותו בצורה מסחרית בתמיסה – אז התייבש לכדי אבקה והוא מורכב מחמש אחוז ננו-צינוריות של פחמן. אחרי שהוירוסים המהונדסים גנטית שמשו בהרכבה עצמית ברמת הננו ליצור חומרי סוללות ליתיום איון, הסוללות שהתקבלו אז הודפסו לשכבות פלסטיק תוך שימוש בתהליכים ירוקים, וניתן להטביע אותן על מגוון משטחים.  המיקרו-סוללות, שהן בערך בגודל של מחצית השערה האנושית (חמישה מיקרונים), יכולות יום אחד לספק כוח למקורות רפואיים כמו גם ליצור מעבדות חדשות על צ’יפ. בהדגמות ניתן היה להטעין את הסוללות מאות פעמים ללא ירידה נראית בביצוע.

ראו כאן.

הננוטכנולוגיה פוגשת את הביולוגיה בננוביוטכנולוגיה 
מה דעתכם להשתמש בדנ”א כחומר מבני במקום כחומר גנטי?  
מדעני ננו ומהנדסים ביוכימאים משתמשים בדנ”א לא כקוד שמשכפל את עצמו, אלא כמכשיר פיזיקאלי לבניה ברמת הננו. לפני כמה חודשים חוקרים מאוניברסיטת המדינה של אריזונה ומאוניברסיטת ניו יורק – כל אחד מהם בנפרד – הציעו דרכים להשתמש בדנ”א כשלד שעל גביו הם יבנו מולקולות מאוד מתוחכמות. לעבודתם יש משמעויות למכשור הנדסי, כמו למשל חיישנים ביוכימיים, לאנליזת תרופות, ואפילו למחשוב דנ”א.
בעוד היישומים הפראקטיים של הטכניקות האלה הם מעניינים כשלעצמם, חשיבותם הגדולה יותר היא ההדגמה של הסיבוכיות ההולכת וגוברת אודות יכולתנו לעבוד עם מבנים מולקולאריים בגודל ננומטרי – דהיינו מליארדית המטר – האלמנטים הארכיטקטוניים הבסיסיים של הננוטכנולוגיה. המחקר מוכיח שניתן להפקיע את המיכון התאי של הטבע למטרת יצור המוני של מבנים ורכיבים מורכבים למטרת הנדסה בסקאלת גודל מולקולארית.
נאדריאן זימן מאוניברסיטת ניו יורק והאו יאן מאוניברסיטת המדינה של אריזונה משערים שהשיטה שלהם עשויה להוביל למיזוג של הננוטכנולוגיה והברירה הטבעית של דרווין, לפיה ניתן ליצור רכיבים מולקולאריים ולשפרם על ידי לחץ אבולוציוני מלאכותי מסוים.
הטכניקה נשענת על העובדה שמבני הננו הנדונים מורכבים מדנ”א, החומר הגנטי של התאים החיים. ואילו בעזרת שיטה שקרויה ננוטכנולוגיה שמבוססת על דנ”א סבורים שניתן ליצור כמויות גדולות של מבנים לתעשיית הננוטכנולוגיה.
יצירת מבני ננו אלה מהדנ”א היא בדרך כלל מאוד איטית, מסורבלת ומגושמת. החוקרים הבינו שבגלל שכל התאים מכילים את המיכון המולקולארי לשכפול דנ”א גנומי בדיוק ברצפים מעתיקים, ניתן אולי יהיה לשדלם ליצור מבני דנ”א מלאכותיים במקום זאת. זה כתוצאה יהיה מעין שיבוט של חומר גנטי – טכניקה שהיא כבר מבוססת בביוטכנולוגיה. אבל ליישמה עבור רצפי דנ”א שרירותיים ומלאכותיים, שאין להם שום קשר עם הגנטיקה הרגילה זה מעט בעייתי.
בשנת 2007 זימן, יאן והשותפים שלהם פיתחו שיטות לשכפול דנ”א שיכולות לעבוד ברמת המבחנה, בעזרת מיכון של אנזים טבעי שחולץ מתאים:C. Lin, X. Wang, Y. Liu, N. C. Seeman, H. Yan, J. Am. Chem. Soc. 129, 14475–14481 (2007). 
אבל הם חשדו שהתהליך יפעל הרבה יותר ביעילות בתאים חיים שיכולים לשכפל את עצמם בצורה מעריכית (אקספוננציאלית). כדי להשיג זאת, הם בנו גדילי דנ”א שיתקפלו לשני מבני ננו מורכבים – בצורת צלב ומבנה שזור מסובך גדילי כפול שקרוי מולקולת PX
זימן ויאן הדביקו אותם לגדילים כפולים מעגליים של דנ”א שקרויים “פגמיד”. הם אז הכניסו אותם אל תוך תאים של הבקטריה: Escherichia coli
כתוצאה הפגמיד פועל כמו גנום ויראלי שמדביק את הבקטריה. הדבקה זו יכולה להתפשט לתאים אחרים שגדלים בטווח התרבית תוך סיוע של וירוס בקטריאלי, או של פאג’ שקרוי:M13KO7 וכך ככל שהבקטריות גדלות, הם משכפלות את הפגמיד, שמכיל את קטע הדנ”א שמייצר את מבני הננו.
החוקרים אז פצלו ופתחו את התאים והשתמשו באנזימים כדי לקצץ את הדנ”א ששימש חומר גלם החוצה מהפגמיד, וכתוצאה מכך הוא התקפל לננו-מבנים המתוכננים. רק כמות מועטה של דנ”א דרושה כדי להתחיל בתהליך, שניתן “להגבירו” כמעט עד אין קץ. וניתן לאחסן את התאים הבקטריאליים כמעבדות מיניאטוריות מוכנות כדי שניתן יהיה להפיק מהם את החומר כאשר הוא נדרש. ראו כאן.
למרות שניתן להשתמש בברירה הטבעית נוסח דרווין כדי לתקן ולכוונן את הננו-מבנים, החוקרים יזדקקו למצוא דרך לספק יתרון של יצור חוזר לתאים האלה שהפיקו ננו-מבנים “טובים יותר”. היו שהציעו שניתן לתכנן ננו-מבנים בעלי תכונות קטליטיות כך שהן מקדמות את הגידול וההעתקה של התאים המארחים.
ננוטכנולוגיה שמבוססת על הדנ”א היא תחום בננוטכנולוגיה ששואף להשתמש בתכונות האינטראקציה שבין מולקולות הדנ”א וחומצות גרעיניות אחרות כדי ליצור מבנים נשלטים חדשים תוך שימוש בדנ”א. משתמשים בדנ”א כחומר מבני במקום כנשא מידע גנטי – וזו דוגמא למה שקרוי “ביוננוטכנולוגיה” – השילוב של ביולוגיה וננוטכנולוגיה – השימוש בביומולקולות ליישומים בננוטכנולוגיה. יש לתחום ישום במה שקרוי “הרכבה עצמית מולקולארית” – מולקולות שמתחברות זו לזו מאיליהן ליצירת מבנים מורכבים מאוד שיכולים לפעול במספר דרכים שונות. בתהליך היצירה הזה ישנה הקטנה של האנרגיה שדרושה לתהליך ההרכבה העצמית וגם אין התערבות בתהליך – הרכיבים הדרושים מתחברים מאיליהם לכדי יצירת המבנים הנכונים בהינתן התנאים והתכנון.  
ננומחשב 
לתחום יש ישום במה שקרוי מחשוב בעזרת הדנ”א. במקום טכנולוגית מחשב שמבוססת על סיליקון, מחשוב הדנ”א – או ביתר כלליות מחשוב מולקולארי – משתמש ביתרון שבמולקולות של הדנ”א למטרת חישובים. מחשבי דנ”א הם מהירים וקטנים יותר מכל מחשב שנבנה אי פעם.קודם כל, מהו אם כן ננו מחשב באופן כללי?
ננו מחשב הוא מחשב שממדיו הם מיקרוסקופיים. התחום של ננו-חישוביות גם הוא חלק מהתחום האינטרדיסיפלינארי המתפתח שנקרא ננוטכנולוגיה. מספר סוגים של ננו-מחשבים הוצעו על ידי החוקרים. ישנו הסוג האלקטרוני. ננו-מחשב אלקטרוני יפעל בצורה דומה לזו שבה פועל מחשב שאותו אנו מכירים היום. ההבדל העיקרי מהמחשב שבו אנו עובדים כרגע הוא סקאלת הגודל. יותר ויותר טרנזיסטורים נדחפים אל תוך צ’יפ של סיליקון עם כל שנה שעוברת לה, כאשר אנו עדים לכך שהמעגלים המשולבים מסוגלים ליכולת אחסון ועיבוד גבוהה יותר. הגבול הסופי למספר של טרנזיסטורים ליחידת נפח נכפה על ידי המבנה האטומי של החומר. מרבית המהנדסים מסכימים שהטכנולוגיה עדיין לא הגיעה קרוב לדרגה שבה היא מגיעה לגבול זה. מבחינת המובן האלקטרוני, המושג ננו-מחשב הוא יחסי. כי בשנות השבעים המיקרו-מעבדים של היום יכולים להיחשב לננו-רכיבים והיום בכלל כבר מדברים על חומרים חדשים ליצור ננו-אלקטרוניקה שיחליפו את הסיליקון…
עתה נעבור לסוג אחר של ננו-מחשבים שבהם עוסק מאמר זה. הננו-מחשבים הביולוגים והכימיים. הם מאחסנים ומעבדים מידע במונחים של מבנים כימיים ואינטראקציות כימיות. ננו-מחשבים ביו-מכניים כבר קיימים בטבע. מה זאת אומרת? הם גלומים בכל היצורים החיים. בכל יצור חי בכל תא חי יש ננו-מחשב. אבל מערכות אלה הם במידה רבה בלתי נשלטות על ידנו האנשים. אנחנו לא יכולים, למשל, לתכנת יצור חי או צמח לחשב מספרים, או לתכנת נוגדן שילחם היום במחלה כלשהי (למרות שהרפואה הגיעה מאוד קרוב לאידיאל זה בכך שהיא יצרה חיסונים, אנטיביוטיקה, תרופות אנטי-ויראליות וכדומה).
ההתפתחות של ננו-מחשב כימי אמיתי כנראה תתמקד לאורך דוגמא שהיא דומה לזו ומבוססת על הנדסה גנטית. המהנדסים צריכים להבין כיצד לגרום לאטומים בודדים ולמולקולות בודדות לבצע חישובים נשלטים וגם בנוסף לאחסן את הנתונים לאחר החישובים והמשימות האלה – והרי אלה הם התכונות של מחשב כפי שאנו מכירים אותו כיום.
ננו-מחשבים מכניים ישתמשו ברכיבים נעים זעירים ביותר הקרויים ננו גירים כדי לקודד מידע. מכונה כזו מזכירה מאוד את המנוע האנליטי של צ’רלס בבאבג’ מהמאה ה-19. מסיבה זו, הננו-מחשב המכני עורר מחלוקת, מכיוון שחוקרים מסוימים מחשיבים אותו כ”מכונה” שלא תעבוד. כל הבעיות שהן אינהרנטיות במכשיר של בבאג’, לפי המתנגדים מועצמות בננו-מחשב המכני. חרף זאת, כמה עתידנים אופטימיים אודות הטכנולוגיה, והם אפילו הציעו את האבולוציה של ננו-רובוטים שיכולים להפעיל או להיות נשלטים על ידי ננו-מחשבים מכניים.
 
המנוע הדיפרנציאלי של צ’רלס בבאג’ מהמאה ה-19
ננו-רובוטים: ננורובוטים?… בינתיים רק במדע בדיוני.
נשאלת השאלה למשל האם מיקרוסקופ הכוח האטומי הוא ננו-רובוט?
ננו-מחשב קוונטי יפעל על ידי אחסון מידע בצורת מצבים אטומיים או ספינים קוונטיים. טכנולוגיה מסוג זה היא כבר בפיתוח בצורת זיכרון חד-אלקטרוני ונקודות קוונטיות. מצב האנרגיה של האלקטרון בתוך האטום, שמיוצג על ידי רמת האנרגיה או הקליפה של האלקטרון, יכול תיאורטית לייצג 1, 2, 4, 8, או אפילו 16 ביטים של נתונים. הבעיה העיקרית עם הטכנולוגיה הזו היא חוסר יציבות. קשה לנבא מצבי אנרגיה רגעיים של האלקטרון ואפילו יותר קשה לשלוט בהם. האלקטרון יכול בקלות לרדת למצב אנרגיה נמוך יותר, כאשר הוא פולט תוך כדי כך פוטון, ולהפך, פוטון שפוגע באטום יכול לגרום לאחד מהאלקטרונים שלו לקפוץ למצב אנרגיה גבוה יותר.
נשוב לננו-מחשבים הביולוגיים. 
ב-2002 חוקרים ממכון ויצמן ברחובות גילו מכונת חישוב מולקולארית שניתנת לתכנות והיא מבוססת על אנזימים ומולקולות דנ”א במקום על צ’יפים. הרעיון הוא שהדנ”א הוא התוכנה והאנזימים הם החומרה. שמים אותם יחד והם עוברים ריאקציות כימיות… שאלת תם: איפה מסך המחשב של מחשב הדנ”א?… הוא הרי מחשב הלא כן? ובכן… הנה התשובה: לעין העירומה מחשב הדנ”א נראה כמו תמיסת מים נקייה במבחנה. אין שום רכיב מכני, ולמעשה אם נתבונן בטיפת מים, אז המוני רכיבים ביו-מולקולאריים יכולים להתאים לתוכה. במקום שנראה אותם על מסך מחשב, התוצאות מתקבלות ונבחנות בעזרת טכניקה שמאפשרת למדענים לראות את האורך של מולקולת הדנ”א שמתקבלת כפלט. מולקולות הקלט, התוכנה והחומרה מעורבבות בתמיסה ו”המחשב” פועל על בסיס ריאקציות.
אין רכיבים מכניים כאן. מחשב הדנ”א נראה בסך הכל כמו תמיסה מימית רגילה, “מרק הדנ”א” של שפירו נראה רגיל למדי למי שבמקרה יעבור לידו; אבל מבחינת אחסון הוא יכול להשיג 15,000 טריליון מחשבים בני זמנו… ויעילות האנרגיה שלו היא יותר מפי מיליון מזו של מחשב אישי רגיל בן זמנו… 
וכך נראה שאפילו בספר השיאים של גיניס התעניינו במחשב הדנ”א… המחשב של המדענים מרחובות בראשות הפרופ’ אהוד שפירו יכל לבצע 300 טריליון פעולות לשנייה – יותר מפי 10,000 ממהירות מחשב אישי – כי הוא מחשב דנ”א מולקולארי ולא מורכב מצ’יפים של סיליקון ולכן הוא כה מהיר. שנה אחר כך, ב-2003 הקבוצה של שפירו ניסתה לשפר את ה”מחשב”.
אבל אתם אל תרוצו לחנויות עדיין לקנות מחשבי דנ”א… כי המחשב לא יכול לבצע פונקציות יסודיות ואין לו יכולת לביצוע יישומים פראקטיים. ניתן לתכנתו אבל הוא לא אוניברסאלי. ישנן משימות חישוביות שבאופן אינהרנטי ובסיסי מחשב דנ”א אינו מסוגל לבצען. מבחינת מהירות מחשב, מחשב הדנ”א עובר באלפי מונים את מחשב הסיליקון הרגיל: בעוד שמחשב רגיל מסוגל לבצע חישוב אחד במהירות הבזק, גדילי דנ”א יוצרים מיליארדי תשובות פוטנציאליות בו-זמנית. כך הם מתאימים לפתרון בעיות בלוגיקה עמומה – בעיות שלהם פתרונות רבים.
כך גדילי הדנ”א אינם מתאימים לפתרון הבעיות שהמחשב שלנו נוהג לפותרן בדרך כלל: בעיות שמבוססות על לוגיקת הכן או לא. אולם בעתיד סבורים שניתן יהיה לשלב מכונות שמשתמשות בסיליקון באופן מסורתי וגם שיהיה להן רכיב מעבדי מחשבי דנ”א שיקבלו משימות שיתאימו להם.
נראה שמחשב הדנ”א יכול לשמש כמעין דוקטור פנימי בגוף. ובכך הוא יגרום למהפכה בתחום התרופות והביו-רפואה. בעתיד סבורים שמחשבי דנ”א יעמדו על המשמר בתוך הגוף שלנו ויבדקו ויבצעו דיאגנוזות כל הזמן. כאשר הם ימצאו שמשהו לא בסדר הם ישחררו את התרופה המתאימה כדי לתקן את הפגם או הרקמה החולה. זהו רופא פנימי אוטונומי שעובד כרופא של התא ופועל בתוך התא החי וחש מתי יש אנומליות וחולי: המחשב יכול להגיב לחולי על ידי שחרור תרופות. לא יאומן…

באפריל 2004 אהוד שפירו פרסם מאמר נוסף עם קבוצתו, לאחר שהם שיפרו את הדגם שלהם מ-2003. שפירו יחד עם החוקרים: יעקב בננסון, בנימין גיל, אורי בן דור ורבקה הדר ממכון ויצמן הכריזו בכתב העת ניצ’ר על כי הם בנו את מחשב הדנ”א הבא. למחשב יש יחידה סטנדרטית של קלט-פלט והוא הצליח לבצע דיאגנוזה של פעילות סרטנית בתוך התא, ואחר כך לשחרר תרופה אנטי-סרטנית בשעת הדיאגנוזה! מיד נראה למטה כיצד הננו-מחשבים מתקדמים במהירות שיא ויש מחשבות עתידניות לגבי הננו-מחשבים: בשנים האחרונות, הדנ”א הופיע כחומר מבנה אידיאלי לננוטכנולוגיה בגלל שניתן לתכנן אותו ול”תכנת” אותו. כדי שהוא ירכיב עצמו למבנים מורכבים, כמו כלובים גיאומטריים ורשתות מסודרות.  ראו כאן.

ראו המאמר של זימן: Seeman, N. C. Nature 421, 427–431 (2003).
כך הדנ”א שימש כדי ליצור “מכונות” בעלות חלקים שנעים תחת פיקוח חיצוני. רכיבים ומבנים אלה נשענים על היכולת של הדנ”א להתקפל ולהתחבר לצורות מדויקות תוך שהוא עוקב אחר כללי ההתחברות הבסיסים, מה ששולט במיזוג גדילי הדנ”א בסליל הכפול של החומר הגנטי הזה. עקרונות הצימוד פירושם שניתן להגדיר מראש את ארכיטקטורת הננו-מבנה של הדנ”א על ידי רצף ארבעת אבני הבניין המולקולאריים שלו, שקרויים נוקליאוטידים, לאורך גדיל בודד. רכיבים אלה נצמדים על הגדיל בדרך שניתנת לניבוי. השתמשו בגישה זו כדי ליצור “רצפי” דנ”א שירכיבו עצמם באופן כזה שהוא מתוכנן לבצע מהלכים חישוביים – מעין ננו-מחשב מכני. ראו המאמר:
 Rothemund, P. W. K. Nature 440, 297–302
 (2006).  
לסיכום ישנם המוני גילויים וכאן הובאה טעימה בלבד, ונפתח צוער אחד קטן ובודד. ואין מנוס מלבד “There’s Plenty of Room at the Bottom”לומר: בינואר השנה מדענים מסטנפורד יצרו אותיות זעירות בגודל ננומטרי.
Advertisements

0 thoughts on “על הספה של הננוטכנולוג

  1. המושג ננו לקוח מתחום השווק אין לו כמעט כל משמעות מדעית או טכנולוגית. אין אף גורם מקשר בין מחקרי “ננו” בפיזיקה, כימיה ביולוגיה והנדסת חומרים! העולם שלנו מורכב מאטומים (עשירית הננומר) גודל טיפוסי ומולקולות שהאחרונות הן לעתים בתחום הננומטר אבל עד לאחרונה אף אחד לא העלה על דעתו לכנות מחקרים בסיסיים במצב מוצק או כימיה בשם “ננו”. השוני התפיסתי היחידי לכאורה במחקר”ננו” הינו התפיסה של bootom-top הרכבת מבנים וחקירתם מהסקאלה הקטנה ומשם לסקאלות גדולות יותר
    כשאר בעבר היה מקובל לחקור ולבנות מבנים בתפיסה של top-bottom. במובן זה אמרתו של שמעון פרס ” ננוטכנולוגיה היתה קיימת גם בתקופת משה רבנו, אבל טרם התגלתה” היא חסרת שחר לא מדובר בתחום מדעי שטרם התגלה אלא במילת שווק שלא היה בה צורך בתקופת משה רבנו.

  2. פיזיקה מזוסקופית.
    ננוטכנולוגיה זה תחום שהוא מטריה אינטרדיסיפלינארית לכמה תחומים. מעניין שכאן פתוחים לקבל מחקר אינטרדסיפלינארי ובדרך כלל באקדמיה נורא לא אוהבים מחקרים אינטרדיסיפלינאריים. מעדיפים מחקרים כמה שיותר צרים וממוקדים.
    לגבי מה שפרס אמר. אל תשכחו שזה תקשורת ועיתונאות. והדברים נאמרו בתקשורת. הדברים הם מאוד מסובכים וכאשר בוחנים את ההיסטוריה של הטכנולוגיה ובפרט של הננוטכנולוגיה, לא ניתן לומר שמדובר רק במילת שווק או במושג מודרני זה או אחר. ביחוד לנוכח ממצאים מימי הביניים. ההיסטוריה וההיסטוריוגרפיה (המחקר ההיסטורי) הם על פני כמה רבדים ולכן התשובה היא מורכבת. אני יכולה לתת לך תשובה סוציולוגית, ותשובה שבוחנת מוסדות והתנהלות של מוסדות, ותשובה שמבוססת יותר מנקודת המבט של ההיסטוריה של הטכנולוגיה מרבדים שונים שלה. בכל מקרה התקשורת מפשטת דברים ואם נלך לרובד של ממצאים ארכיאולוגים, אז במוזיאון האנגלי יש ממצאים שהיום אנחנו מכנים אותם בשפתנו ננו-חלקיקים. עכשיו תבוא ותנתח את זה: מלת שיווק, מודעות וכולי. ויפתח ויכוח. הויכוח הזה דרך אגב כבר קיים בספרים מסויימים שקרויים “מבוא לננוטכנולוגיה”…
    נהוג לפתוח ספרים על ננוטכנולוגיה בממצאים האלה מימי הביניים ובכוס הזו הרומאית ובעוד דברים כאלה ואז לדון, האם הננוטכנולוגיה הייתה קימת אז וכולי… אני לא המצאתי את זה. פשוט שלפתי את זה מספר על ננו שיש לי בבית.

  3. לא הייתי רוצה לעורר ויכוח אבל הטענה היא שמגוכח לקרוא לתחום מדעי על פי סקאלת האורך שהוא מתעניין בו. לדוגמא אגדיר מחקר מדעי מרתק מחקר ה”מטר”. המטר (ללא ננו לפני) חוקר עצמים
    שונים מתחום הפיזיקה כימיה וביולוגיה שהאורך הטיפוסי שלהם מטר. בביולוגיה בין השאר חוקרים יונקים גדולים ומסתבר למרבה ההפתעה כי דולפינים, כלבים וקופים נוטים כחיות ממחקר ה”מטר” להיות רגישות לטמפרטורות בסביבות 300 קלווין. כמו כן מסתבר כי ניתן לבנות מנועים יעילים מאד בתחום המטר ומחקר חשוב נעשה בכוון זה. יש גם נקודות השקה חשובות אינטרדיספלאנריות מסתברר כי חיות מתחום המטר יכולות לגרור עגלות בסקאלת ה”מטר” ולעשות עבודה דומה למנועים. מחקר מסוג זה כבר התבצע בעולם הקדום. חוקרים בתחום ה”מטר” סבורים שאין גבול לאפשרויות ולפיתוחים שניתן להוציא ממחקר זה… כפי שניתן לראות הסווג של מחקר לסקאלת האורך אותו הוא חוקר הוא אבסורדילחלוטין .

    אגב רק לסבר את האוזן מחקר ה”ננו” אינו באמת אינטרדיספלאנרי אלא יותר מגדל בבל שבו כל תחום מדבר בשפה משלו ואין בינהם הרבה נקודות השקה. אגב בארץ זוכה מחקר הננו לפריחה גדולה בשל מענק של מספר מיליונים שקיבל הטכניון מתורם עשיר בתנאי שהמדינה תשווה את התרומה בהשקעה דומה מצידה, שאר האוניברסטאות גם קפצו על העגלה והארץ נהפכה למעצמת “ננו” (או ננו מעצמה) שבה לכל אוניברסיטה מרכז ננו משלה.

  4. מגוחך לקרוא לתחום שלם רק בגלל סקאלת המטר.
    אבל בגלל סקאלת המטר בגודל הננו החומרים מפגינים כימיה ופיזיקה חדשות שלא קיימות גודל אחר. הכימיה והפיזיקה החדשות האלה מובילות להתנהגות חדשה שהיא תלויה בגודל של המבנים הננומטריים. המבנה האלקטרוני, המוליכות, טמפרטורת ההמסה והתכונות המכניות – כולן משתנות כאשר החלקיקים הם ננו-חלקיקים.
    כלומר, יש תלות של הפיזיקה והכימיה בגודל או בסקאלת המטר.

  5. מה מיוחד בתחום הננו-מטר למה לא פיסיקה כימיה וביולוגיה חדשים בתחום המיקרומטר (מיקרון). שוב מדובר במילה שמקורה בשיווק במקום לקרוא לתחום מדע של דברים קטנים (או מדע קטן) כל מה שהוא קטן מגודל מסוים נקרא ננו, בין אם סקאלת האורך שלו היא אלף ננו (מיקרון) או אלפית הננו (אנגסטרם).

    האם יש סיבה מדעית שהפיסקיה הכימיה או הביולוגיה ישתנו בסקאלת הננו? אגב בסקאלת האנגסטרם (עשירית הננומטר) יש סיבה אמיתית אז מדובר בסקאלת האורך האופיינית של אטומים ואכן יש תחום שחוקר זאת, הפיסיקה האטומית, אבל לא בחרו סקאלת אורך זאת כשם קוד למחקר אינטרדיספלנארי ובצדק.

  6. לו את היחוד שלו.
    הננוטכנולוגיה מבוססת על ההכרה שחלקיקים שהם זעירים יותר ממאה ננומטר מקנים למבנים ננומטריים שמהונדסים מהם תכונות והתנהגות חדשות. ישנו אורך קריטי שחלקיקים הקטנים ממנו מציגים כימיה ופיזיקה חדשות והתנהגות שהיא תלויה בגודל.
    ב-1960 ריצ’רד פיינמן חזה שיהיו חומרים בגודל ננו. הוא חזה חריטה של קווים ברוחב של כמה אטומים בעזרת קרני אלקטרונים, והוא ניבא למעשה את הקיום של ליתוגרפית קרן אלקטרונים שבה משתמשים כדי לייצר צ’יפים מסילקון. הוא הציע לבצע מניפולציה באטומים בודדים כדי ליצור מבנים חדשים, שלהם תכונות חדשות לגמרי. ואז אכן אחר כך הממ”ס עשה זאת. הוא חזה בנית מעגלים ברמת הננו שניתן להשתמש בהם כאלמנטים במחשבים חזקים יותר. הוא חזה מבני ננו במערכות ביולוגיות. הרבה מהספקולציות של פיינמן התממשו.
    אולם בזמן שפיינמן הציג את הרעיונות שלו ב-1960 התחום לא נקרא עדיין ננוטכנולוגיה ולמעשה הוא לא כל כך היה קיים עדיין כתחום. רק בשנות ה-90 החל פתאום העניין בתחום. פתאום התחילו ליצור ננו-חלקיקים מתכתיים אלקאליים על ידי איוד של נתרן או מתכת אשלגן ואז עיבויים על חומרים קרים יותר שקרויים סובסטרטים. פותחו נוזלים מגנטיים הפרו-נוזלים בשנות ה-60 שמורכבים מננו-חלקיקים מגנטים שמפוזרים בנוזלים. עוד תחום משנות ה-60 היה הקולואידים. עוד דרך לעשות חלקיקי ננו. בתחילת שנות השבעים ביב”ם נבנו שכבות מוליכם למחצה – בור פוטנציאל קוונטי (הקוונטום וול)דו-ממדי וזה נתן התחלה לפיתוח הנקודה הקוונטית.
    רק ב-1980 החלו להופיע שיטות פבריקציה ואז פרץ המחקר בתחום הננו-מבנים וכך גם הפעילות המחקרית יחד עמו. והחלו התפתחויות בתחום.
    תחשוב לרגע רק על פיתוח הממ”ס ב-1982 – המיקרוסקופ המנהור הסורק. ואחריו המיקרוסקופ הכוח האטומי. ואז יצרו טרנזיסטור חד-אלקטרוני במעבדות בל. ואז פותחה ליתוגרפית קרן אלקטרונים שמסוגלת ליצור מבנים בגודל 10 ננומטר. יצרו גם חומרים ננו-מגנטים שהציגו את התכונה של מגנטו-התנגדות עצומה. גם גבישים פוטוניים והננו-צינוריות פותחו בשנות ה-80. טרנזיסטור אפקט שדה שמבוסס על ננו-צינוריות הודגם באותה תקופה. המחקר של הרכבה עצמית של מולקולות על שטח פנים מתכתי נחקר ביתר שאת. ואז ב-1996 מספר ממשלות שבראשן ארה”ב החליטו שהגיע הזמן לפתח את התחום של הננוטכנולוגיה לכדי תחום מחקר. התצפית הראשונה שהם צפו הייתה:
    1) ההתנגדות של החומרים שנובעת מאלקטרוני ההולכה שמתפזרים כתוצאה מההתנגשויות עם אטומים רוטטים ואי טוהרים שיכולה להתאפיין על ידי הגודל שקרוי “אורך הפיזור”.
    2) הפיזקה והכימיה הבסיסיות משתנות כאשר הממדים של המוצק משתווים לאורך זה – קרי בטווח הננומטרי.
    בגודל זה המבנה האלקטרוני של המערכת לגמרי משתנה וזה הבסיס למשל לנקודה הקוונטית. הבסיס לליזר שהיום קורא דיסקים. ומסתבר שיש טווח רחב של תחומים במדע שהתנהגות זו היא רלוונטית עבורם – וזו הייתה המסקנה האחרונה של הממשל בארה”ב. וכך הגיע התקציב לננוטכנולוגיה שגובש לידי תחום מחקר.

  7. את כותבת:
    “הננוטכנולוגיה מבוססת על ההכרה שחלקיקים שהם זעירים יותר ממאה ננומטר ”
    כלומר מדובר במאות ננומטר למה לא לקרוא לתחום: תחום עשירית המיקרון
    מניפולציה באטומים בודדים כמו שהציע פיינמן היא בסקאלת עשירית הננומטר שוב לא ננומטר יחיד
    ואז את כותבת
    “פותחה ליתוגרפית קרן אלקטרונים שמסוגלת ליצור מבנים בגודל 10 ננומטר”
    שוב הסקאלה היא 10 ננומטר כלומר בסקאלת הננומטר אין שום דבר מיוחד זה הוא שם מסחרי
    שנוגע לתיאור של מדע בסקאלות קטנות
    ואיך מתקשרת הביולוגיה לכל זאת ברגע שיש שיווק ואפשר להרוויח כסף כדי לקפוץ על העגלה
    ולקרוא למה שאתה עושה ננומדע. באתר שלך את קובלת על התדרדרות ההשכלה הגבוהה והמדע חלק
    מהתדרדרות זאת מקורה בשיווק. יותר חשוב איך אתה מציג את מה שאתה חוקר “מדע ננו” מאשר מה
    אתה חוקר כי המימון הדרוש להקמת מעבדה הוא גדול וצריך איכשהו ל”מקור” אותו לציבור הרחב.
    מילות שיווק כמו ננו גורמות לעיתים יותר נזק מאשר תועלת למדע.

  8. כמובן שתגובה האחרונה הכוונה הייתה
    “למכור” אותו לקהל הרחב
    ולא כפי שנכתב בטעות ל”מקור”

  9. ההשכלה הגבוהה והמדע וגם החינוך, אני מתכוונת בעיקר להתדרדרות בערך ההוראה והמדע.
    דוקטור היום לא מוערך.
    מדברים היום כל היום בתקשורת על דודו טופז נכון?
    אם נניח היית רוצה להגדיר מישהו שהוא מומחה גדול לעניני דודו טופז, איך היית מגדיר זאת בשפה עממית? היית אומר שיש לו ממש דוקטורט בעניני דודו טופז, או שהוא ממש דוקטור לדודו טופז.
    ואומרים בעגה עממית: ואללא זה יש לו ממש דוקטורט בזה כבר… כלומר ההוא ממש כבר פרופסור בבלבולי מוח….
    כאשר ספר שני בחנות נמכר בשקל, ואילו מכנסיים בחנות בקניון נמכרות במאתיים שקל…
    זו האווירה במדינה… יש חוסר ההערכה למקצוע ההוראה והחינוך ובכלל למדע.
    המדע היום למיטב ידיעתי מקבל תקציבים רק מתורמים. אם יש מכון ננוטכנולוגי, התקציב הוא מתורמים. אם נפתח איזה מכון מדעי והוא מתחיל לשגשג, סימן שיש איזה תורם נדיב שפשוט בנה אותו והוא גם תורם כדי שהוא יתקיים.
    למיטב ידיעתי, הממשלה מתקצבת את האידאולוגיה שלה, כל מיני דרישות של שרים בממשלתה וכולי. וכאשר קם מכון למדעי המוח בירושלים למשל… (ראה הכתבה בידיעות השבת) זה כבר מתורמים, אחרת המכון פשוט לא קם.

  10. בכל מקרה הכסף למדע בה מאנשים שלא מבינים במדע
    ולכן לאופנות ולשווק יש כח גדול לדוגמא: הננוטכנולוגיה

  11. דרך אגב גם לי אין הערכה גדולה מדי לתואר
    ד”ר. התואר פשוט מתאר אדם שהייתה לו סבלנות מספיק גדולה וגב כלכלי לשבת ולחקור נושא ספיציפי. התואר ד”ר לא עושה את מי שמחזיק בו לחכם יותר מהאדם הממוצע ברחוב ואין טעם להתהדר בתואר זה. עדיין רבות מדי תוכניות הטלויזיה המביאות בעלי תואר ד”ר ופרופסור לחוות דעה על תחומים שונים לגמרי מתחום המחקר שלהם שם אין לה שום ערך מוסף על פני האיש הפשוט
    הפיזיקאי הידוע פרימן דייסון התהדר בכך שאף אחד משבעת ילדיו המוכשרים אינו מחזיק בתואר ד”ר.

  12. שהמחזיק בו יודע לחקור בצורה אקדמית והוא בעל ידע בתחום מסויים בו הוא חקר בדוקטורט.
    הדוקטורט אינו מספיק. יש לעשות אחריו פוסט דוקטורטים. אני למשל מכירה את עקרונות המחקר במדעים, אבל אין לי מושג בעקרונות המחקר הספרותיים. פה ושם לפעמים אני נכנסת לכנסים של החוג לספרות כי מעניין אותי מה הולך בעבר השני.
    אבל עדין אני חושבת שיש בארץ זילות ההשכלה והחינוך. אין ערך לאדם משכיל באשר הוא.
    זה שכתבו אתמול בעיתון שביבי נתניהו הלך והתייעץ בחשאי לפני נאומו עם סופרים כמו דויד גרוסמן… זה שמח אותי. זה מראה על זה שמעריכים את האינטיליגנציה בכל זאת.
    אני לא יודעת האם ננוטכנולוגיה זו אופנה. באותה מידה אתה יכול לקרוא למדע קוגניטיבי אופנה, למדעי המוח (שזה גם מחקרים אינטרדיספלינאריים היום) אופנה, לניוראל-נטוורק אופנה ולעוד הרבה תחומים אופנה.
    זה נכון שהנשיא פרס מתלהב מהננוטכנולוגיה. אני זוכרת יום אחד שהוא בא לבקר במכון לננוטכנולוגיה באוניברסיטת תל אביב. הייתי צריכה להרצות שם על המיקרוסקופ המנהור הסורק. חברה שלי עבדה שם והוא בא לביקור שם כי זה היה הבייבי שלו. והוא היה בא לבקר שם כל פעם. זה היה לפני כמה שנים כאשר הוא היה שר נדמה לי. ונכון הם היו שמחים במכון שם מהביקורים האלה. תראה כאשר יש מישהו משם למעלה שאוהד תחום טכנולוגי וחושב שזה העתיד ושזה גם העתיד בבטחון ובתעשיית הנשק, וציפויי ננו יזניקו את התעשייה וציפויי ננו יפתרו את בעית החיטוי בבתי חולים וכולי. אז כן זה עוזר לתחום. ולא מזמן שמעתי נדמה לי הרצאה של רשף על זה ממכון ויצמן. נדמה לי שזה היה רשף, אבל אני לא בטוחה.
    ברור שפרס לא יורד עד לסוף הענין של הננו. בטח הכניסו אותו פעם או פעמיים למעבדה והראו לו איך העסק עובד כדי שהוא יהיה יותר אוהד.
    פרס בטח קרא על התחום. אבל זה לא מספיק.
    צילמתי סרט שנמצא בספריה של האוניברסיטה, אבל אני לא במאית דגולה. הסרט מראה אותי מסתובבת במעבדת הננו של יב”ם בציריך – המעבדה שבה הכל למעשה התחיל ושם אפשר לראות דברים מדהימים, בין השאר הסרטתי גם חוקרים מיב”ם בישיבה עם בגדי מנתחים של בית חולים בתוך אוהל ואקום כזה. אבל שוב אני לא מקצועית בענייני סרטים. בכל זאת נראה לי שהסרט יצא טוב בסוף. שמו אותו בסרטייה של האוניברסיטה.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s