ננוטכנולוגיה

ננומטר

הננומטר הוא אלפית של מיליונית (מיליארדית) של מטר (10⁻⁹ מטר). לצורך השוואה, עובי אופייני של שערת אדם הוא 100 אלף ננומטרים, טווח אורכי הגל של האור הנראה הוא בין 400 ל-800 ננומטרים, והמרחקים האופייניים בין כל אטום במולקולה הם כעשירית הננומטר. מחקרים בננוטכנולוגיה עוסקים במערכות שגודלן האופייני הוא מננומטרים בודדים ועד עשרות ננומטרים.

תופעות חדשות (Emerging Phenomena)

"תופעות חדשות" הוא הכינוי לתכונות של חומרים ננומטריים אשר שונות מאוד מתכונות החומר המקרוסקופי. למשל, חלקיק זהב ננומטרי יכול לשמש כזרז כימי אף על פי שגוש מאקרוסקופי של זהב הוא אינרטי. דוגמה נוספת: ננו צינוריות פחמן אשר מורכבות משכבה יחידה של גרפיט, יכולות לשמש בתנאים מסוימים, כל אחת כמוליך על, אף על פי שגוש מקרוסקופי של גרפיט הוא מוליך חשמלי גרוע או מוליך למחצה במקרים מסוימים.

הרכבה עצמית

הרכבה עצמית היא גישה להנדסה של מבנים ננו-מטרים הנקראת גם Bottom-up אשר לוקחת השראה מהביולוגיה שם חומרי היסוד הם הרכיבים הקטנים ביותר מהם מורכבת המערכת, האטומים והמולקולות האלו מתרכבים תחת תנאים מסוימים כדי ליצור את המבנה הסופי הרצוי. זאת בניגוד להנדסה אנושית מסורתית הנקראת גם Top-Down ובה חומרי גלם הם גושי חומר גדולים ובונים את המבנה הסופי על ידי עיבוד החומר (יציקה, עיבוד שבבי וכדומה).

היסטוריה

שיטות מסוימות לקבלת מבנים ננומטרים ידועות כבר מהתקופה הרומית ] אז ידעו לייצר זכוכית אשר בתהליך הכנתה הוספו לה ננו חלקיקים זהב, כסף ומתכות נוספות כדי לקבל זכוכיות צבעוניות. (גוש זהב מקרוסקופי צבעו זהוב, אך חלקיק זהב בגודל של כ-50 ננומטר הוא ירוק וחלקיק בגודל של כ-25 ננומטר נראה אדום). בשל העובדה שננו חלקיקים אלו הם חלק אינטגרלי מהזכוכית, הויטראז'ים שיוצרו מזכוכיות כאלו לא דהו גם אחרי מאות שנים. מדענים הבינו שהצבעים נוצרים בשל ננו-חלקיקי מתכת בשל העובדה שפלזמונים על פני השטח שלהם יודעים לבלוע ולפלוט אור באופן סלקטיבי ואפילו בסוף המאה התשע-עשרה הם לא דהו.
פרופסור ריצ'רד פיינמן, פיזיקאי וזוכה פרס נובל לפיזיקה, נחשב למבשר הננו-טכנולוגיה. בהרצאה שנשא ב-1959 בקלטק, במסגרת כנס של האגודה האמריקאית לפיזיקה, תחת הכותרת "יש עוד שפע של מקום בתחתית", תיאר פיינמן את התהליך הציורי הבא: מדען בונה זוג ידיים קטנות שהוא יכול לשלוט בהן בעזרת ידיו. בעזרת זוג הידיים הקטנות הוא בונה זוג ידיים קטנות אפילו יותר. אם יחזור על הפעולה הזו שוב ושוב לבסוף יגיע המדען לזוג ידיים קטנות כל כך עד שאפשר להזיז בעזרתן אטום בודד ממקום למקום. בכך תיאר פיינמן למעשה את גישת Top Down (המאפיינת כיום תהליכי ייצור במיקרואלקטרוניקה). פיינמן אף ציין כי במהלך התהליך, עם שינוי סדר הגודל של המבנים איתם אנו עובדים, תשתנה הפיזיקה הרלוונטית לבעיה. ככל שנרד בגודל הכבידה, למשל, תיהפך לפחות חשובה וכוחות ואן דר ואלס וכוחות של מתח פנים יהפכו ליותר משמעותיים. הרצאה זו גררה אחריה התעניינות גוברת בתחום בקהילה הפיזיקאית העולמית.
המונח "ננוטכנולוגיה" נטבע בשנת 1974 על ידי פרופ' נוריו טאניגצ'י מהאוניברסיטה המדעית של טוקיו במאמר שעסק בעיבוד עדין מאוד של מתכות. טאניגצ'י הגדיר את המושג ננוטכנולוגיה כעיבוד, הפרדה, איחוד ושינוי המבנה של חומרים באטום יחיד או מולקולה בודדת.
למרות כל זאת פריצת הדרך המשמעותית בתחום חלה רק בשנות השמונים של המאה העשרים בשל המצאת שיטות עבודה ומיכשור המאפשר להדמות ולתפעל חומרים ומבנים בסקאלה הננו-מטרית. הראשון מבין הכלים הללו היה מכשיר ה-STM – מיקרוסקופ מִנהור סורק אשר הומצא במעבדות IBM בציריך על ידי היינריך רורר וגרד ביניג (שזכו בפרס נובל לפיזיקה בגין המצאתם זו ב-1986). מכשיר זה היה הראשון שאפשר למדענים להדמות ולתפעל בקלות חומרים ברמה האטומית. על בסיס דרך פעולתו הומצאו עשרות מכשירים תחת השם הכולל SPM - מיקרוסקופיית חיישן סורק, אשר מהווים עד היום כלים חשובים מאוד לעוסקים בפיתוח ומחקר. 
בנוסף, בשנים אלו התפתחו מאוד תהליכי ייצור של טכנולוגיות של שבבי סיליקון אשר משמשים ככלי עזר חשוב לקבוצות המחקר והפיתוח בתחום הננוטכנולוגיה.
ב-1981 תיאר ד"ר אריק דרקסלר גישה אחרת לבנייה בעזרת הרכבה עצמית. דרקסלר פרסם ב-1986 ספר בשם "מנוע היצירה: העידן הקרב של הננוטכנולוגיה" וכן ספר בשם "ננומערכות: מכונות מולקולריות, ייצור וחישובים" ובכך הפך את המושג ננוטכנולוגיה למוכר גם מחוץ לקהילת המדענים. היום הרכבה עצמית היא אחת השיטות הנחקרות על מנת ליצור מבנים ננומטרים.
ב-1985 התגלו הפולרנים על ידי רוברט קארל, הרולד קרוטו וריצ'רד סמולי מאוניברסיטת סאסקס ואוניברסיטת רייס. תגלית זאת פרצה את הדרך לגילויים של הננו-צינורות ולהתפתחות משמעותית בייצור וחקר הגרפן. הפולרנים השונים משמשים קבוצות מחקר ופיתוח רבות בתחום גם כיוון שהם אובייקטים נחקרים וגם בשל המבנה והתכונות של ננו-צינוריות הפחמן אשר הופכות אותן לכלי עזר חשוב במחקרים אחרים בתחום.