ננוטכנולוגיה זה שם כולל למחקר מדעי ויישום טכנולוגי של חומרים במימדים ננומטריים.למרות שלעיתים נדמה שננוטכנולוגיה הוא תחום ששייך למדע בדיוני ולעתיד הרחוק ,למעשה, כבר היום הוא חלק בלתי נפרד מחיינו. כל אחד שאוחז טלפון נייד, כל אחד שמשחק במחשב ולעיתים אפילו שימוש בגרביים הוא ניצול של פירות המחקר הננוטכלוגי. יתרה מזו, ננוטכלוגיה היא חלק בלתי נפרד מההווה והעתיד של הרפואה, הטקסטיל, המכשור הצבאי, תעשיית היופי ועוד. המדע הננומטרי התפתח רבות בשנים האחרונות וכיום הוא נוגע כמעט בכל תחום. כימאים משתפים פעולה עם ביולוגיים, פיזיקאים, מהנדסים וביולוגיים כדי להבין טוב יותר את מאפייני העולם הננומטרי,לגלות את סודותיו ולנצלו לטובת קידמה טכנולוגית ופריצת גבולות חדשים.

בניגוד לתחומי מדע אחרים כמו ביולוגיה (מדע העוסק בחיים) המוגדרים עפ"י הנושא בו המדע עוסק, הקריטריון היחיד לכניסה לעולם הננוטכנולוגיה הוא הגודל, ולא בכדי, דברים מופלאים מתרחשים במימדים ננומטריים. המוסכמה גורסת שכדי להיות חלק מהעולם הננומטרי, על החומר המדובר להיות עם מימד אחד לפחות הנע בין 1 ל- 100 ננומטר. יש לציין, בגלל ההתלהבות הרבה מהתחום, יש תופעה של ניכוס המונח "ננו" למחקרים או מוצרים שלא עונים להגדרה הראשונית. ה-"ננו-אייפוד", כדוגמא, אינו "ננו" יותר מאשר האייפוד רגיל, אמנם הוא מעט קטן יותר, אך עדיין מימדיו גדולים לאין שיעור מקנה המידה הננומטריים. ההבנה שבננוטכנולוגיה מעבר לכל דבר אחר, הכל הוא עניין שלגודל, מדגישה את הצורך להבין עד כמה קטן הוא חלקיק ננומטרי. זהו תנאי הכרחי על מנת להבין את התחום ואת הפוטנציאל העצום שטמון במימדים הקטנים. בהגדרה, ננומטר הוא מיליארדית המטר. למעשה אם ניקח מטר ונחלק אותו למיליארד חלקים זהים בגודלם, כל חלק יהיה באורך ננומטר. מובן שההגדרה היבשה הזו לא באמת מאפשרת להבין כמה קטן הוא חלקיק ננומטרי. לכן, בצורה מוחשית מעט יותר, עובי שערה ממוצעת של אדם הוא כ- 80,000ננומטר, קוטר של גרגר חול נע בין 200,000 ל- 60,000 ננומטר, קוטר של תא דם אדום הוא כ- 5,000ננומטר, 10 אטומי זהב מסודרים בשורה יהוו שרשרת באורך 1.5 ננומטר. כדאי לראות בעיניים את סדרי הגודל ביקום כדי באמת להבין במה מדובר.

לאחר שקנה המידה הננומטרי ברור מעט יותר, נשאלת השאלה מה המוטיבציה לעבוד עם חומרים קטנים כל-כך. המחקר הננומטרי עוסק בתכנון, ביצירה של חומרים חדשים, בשליטה על מאפייני החומר ועל צורתו, בהבנה של תופעות שונות ובאפיון של חומרים. המשותף לכל חומרים האלו הוא שהם קטנים מכדי להחזיק באצבעות ידינו ואף קטנים מידי כדי לראותם בעינינו. אין ספק שעבודה עם חומרים שלא ניתן לראותם או להחזיק בהם מציבה אתגרים לא פשוטים לחוקר ואכן כמעט כל חלק במחקר נעשה בעזרת מכשור מתקדם ויקר להחריד. את מגוון החומרים והצורות שהם פרי המחקר ניתן לראות בעזרת מיקרוסקופים אלקטרוניים ומכשירים מתקדמים אחרים בלבד. למה אם כן כדאי להתאמץ כל-כך? איך קנה המידה הקטן משפיע על תכונות החומרים ומה עושה חומרים ננומטריים מיוחדים כל-כך?

ישנן תופעות רבות ומגוונות שיחודיות לחומרים ננומטרים והן פועל יוצא של קנה המידה המאפיין את חומרים אלו. רבים מהחומרים במצב המוצק שאנו מכירים מחיי היום-יום הם למעשה גבישים, החל מקוביית סוכר ומינרלים שונים וכלה במתכות ומוליכים למחצה. המאפיין העיקרי של גביש הוא סדר פנימי ארוך טווח. קיים מבנה בסיסי מסוים החוזר על עצמו בשלושה מימדים ומרכיב את המוצק בקנה מידה שאנחנו מכירים. למעשה, רוב החומרים בטבע אינם גביש יחיד אלא רב-גביש המורכב מגבישונים רבים הצמודים יחד. חומרים בודדים יחסית, כמו היהלום, מצויים בטבע במבנה של גביש יחיד. היותו של היהלום גביש יחיד היא אחת הסיבות לדרגת הקושי הגבוהה שלו. מעבר לכך, גם בגביש יחיד יש פגמים מיקרוסקופיים שונים. הפגמים האלו מחלישים את החומר כשם שחורים קטנים רבים יחלישו מוט מתכת. הם פוגעים בהולכה החשמלית (למעשה תנועת אלקטרונים) והופכים אותה ליעילה פחות כשם שבורות בכביש יקשו על תנועת המכוניות. לשלמות הגביש, אם כן, יש השלכות משמעותיות על מאפייני החומר. ניתן ליצור בתהליכים ננוטכנלוגיים שונים חומרים בצורות שונות הבנויים כגביש יחיד. יתרה מזו, הגודל הננומטרי מאפשר בתנאים מסוימים לגביש להיווצר ללא פגמים או עם כמות פגמים נמוכה משמעותית מחומרים שאינם ננומטריים. ללא פגמים, יש לחומרים ננומטריים את הפוטנציאל להתאפיין במוליכות חשמלית גבוהה וחוזק חסר תקדים.

אחד החומרים הננומטרים המעניינים והמרשימים ביותר, שמקיים הלכה למעשה את הפוטנציאל הקיים בתחום זה, הוא ננו-צינורית פחמן (Carbon Nanotube). ניתן לדמות את החומר הזה כדף פחמן דו מימדי (שנקרא גרפן) המגולגל בכדי ליצור צינור כפי שניתן לראות בסרטון.
 

סרטון זה הופק בידי Robert Johnson

הצינור הזעיר הזה מחזיק במספר תכונות מרשימות וחסרות תקדים. כאשר מדובר על חוזק החומר יחסית לנפחו, ננו-צינורית הפחמן הוא שיאן העולם, למעשה הוא החומר החזק ביותר המוכר כיום מבחינה זו, פי 300 יותר חזק מהפלדה החזקה ביותר המוכרת לאדם. כאשר מדובר על מוליכות חשמלית, מייחסים לננו-צינורית הפחמן מוליכות הגבוהה פי 1000 מנחושת שנחשבת מתכת עם מוליכות חשמלית גבוהה מאוד ולכן ולמעשה מדובר במתכת השימושית ביותר בתעשיית החשמל. מעבר לתכונות אלו, לננו-צינורית הפחמן תכונות משונות ומדהימות נוספות. אם נדמה את החומר לדף פחמן שמגולגל לצינור, הרי שצורות גלגול של הדף היא משמעותית. כתלות בצורת גלגול דף הפחמן, ננו-צינורית הפחמן יכול להיות מתכתי, מבודד או מוליך למחצה. כבר היום בתעשייה משלבים ננו-צינוריות פחמן יחד עם חומרים אחרים כדי ליצור חומרים חדשים קלים וחזקים שמשמשים לבניית טורבינות רוח, סירות קלות וחזקות, חלקי אופניים, גלשנים ועוד. המחקר סביב החומר המדהים הזה נמשך במרץ ואחת השאיפות הגדולות היא ליצור שבב מחשב שאבניי הבניין שלו הם ננו-צינוריות פחמן. שבב כזה, תיאורטית, יוכל להכיל מידע רב יותר בגלל זעירות אבני הבניין. נוסף לכך, תכונות ההולכה המרשימות של החומר יביאו לשבבים יעילים יותר אנרגטית שלא מתחממים וכפועל יוצא אינם דורשים קירור. 

בהמשך, במספר כתבות, נציג חלק מישומים טכנולוגיים בתחום הרפואה, הטקסטיל, המכשור הצבאי, תעשיית היופי ואחרים שבבסיסם ננוטכנולוגיה. התחום הזה, כאמור רחב מאוד, לכן בכתבה זו די רק בכדי לפתוח אשנב ולהציץ לאפשרויות הגלומות בעולם הננומטרי.

איתן אוקסנברג, מאסטרנט, המחלקה לחומרים ופני שטח, מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.

3 תגובות

  • מוחמד עז

    תודה לך על הכתבה המדהימה הזאת

    תודה לך על הכתבה המדהימה הזאת , רוצה לשאול מה תנאים הקבלה לננוטכנולוגיה ? ( מדובר על פסיכומטרי ובגרות) , כמה שנות לימוד וגם כמה מסכורת מקבלים כשמסיימים את התואר ?

  • גבי ברודר

  • אורה פרנקנשטיין

    ננוטכנולוגיה

    נהנתי לקרא כתוב בצורה ברורה ועינינית