ננוטכנולוגיה

ננוטכנולוגיה, או בקיצור ננוטק, הוא שם כולל לתחום המחקר והטכנולוגיות העוסקים במערכות שגודלן האופייני הוא בין ננומטרים בודדים לעשרות ננומטרים. מחקרים וטכנולוגיות אלו משתייכים למגוון שטחי המדעים וההנדסה. החל ממחקרים בפיזיקה והנדסת חשמל, כגון התקנים מוליכים למחצה, דרך מחקרים ופיתוחים הקשורים לביולוגיה מולקולרית ולרפואה, כגון ריצוף מהיר של DNA או שיטות מחקר וניטור חדשות של תהליכים ביולוגים, ועד מחקרים הקשורים לכימיה, כגון הנדסה של חומרים חדשים בעלי תכונות רצויות כגון חוזק.

תחומי מחקר
המחקר והיישומים בננוטכנולוגיה עוסקים במגוון של תופעות, בחלקן זניחות, או כלל לא קיימות בגדלים מקרוסקופיים. כך לדוגמה:
 כוחות כמו מתח פנים וכוחות ואן דר ואלס הופכים בגדלים אלו לחשובים יותר. תחת תנאים כאלו, למשל, המהירות תהיה פרופורציונלית לכוח המופעל על עצם ולא התאוצה, כמו שקובע החוק השני של ניוטון.
 אפקטים של מכניקת הקוונטים הופכים למכריעים. תחת תנאים כאלו, למשל, ההתנגדות של מוליך חשמלי לא תהיה פרופורציונית לאורכו כמו שקובע חוק אוהם.
 מאחר שזיהומים ופגמים, כגון מיקומי אטומים וסדקים זעירים, הם סטטיסטיים, הרבה יותר קל לשלוט בהם בגדלים ננומטריים, וכך חלקיקים ננומטריים של חומר יכולים להיות בעלי תכונות שונות מאלו של החומר כשהוא מקרוסקופי.
התופעות הללו ואחרות כגון אלו גורמות לשינויים דרסטיים בתכונות החומר בגודל נאנומטרי.

תחום זה מעניין חוקרים ומהנדסים כיוון שהגדלים המאפיינים של מערכות רבות בתחומים שונים, הם ננומטריים. בביולוגיה מולקולרית, למשל, הגודל האופייני של החלבונים, של וירוסים ושל ה-DNA. בפיזיקה, האורך על פניו נקבעות תכונות של חומרים כגון הולכת חשמל או הולכת חום. ובכימיה, למשל, האורך האופייני בו יש אינטראקציות בתמיסה.

בנוסף מחקרים ופיתוחים רבים שואבים השראה מהדמיון הזה, בגדלים האופייניים של המערכות הביולוגיות, הפיזיקליות והכימיות, ואשר טומן בחובו אפשרויות להכלאה ביניהן, כדי לפתח טכנולוגיות חדשות ושימוש בידע ובפרוצדורות מוכרות, מתחום מסוים, כדי להפיק תועלת ולחקור תחומים אחרים.

מושגי יסוד

ננומטר
הננומטר הוא אלפית של מיליונית (מיליארדית) של מטר (10-9 מטר). לצורך השוואה, עובי אופייני של שערת אדם הוא בטווח בין 17 אלף ל־180 אלף ננומטרים, טווח אורכי הגל של האור הנראה הוא בין 380 ל-750 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 (Self Assembly)
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.

רעיונות ויישומים 

ישנם רעיונות רבים אשר נמצאים כיום בשלבי מחקר שונים ואף יישומים רבים שהפכו כבר למסחריים. הנה כמה מהבולטים שבהם:
 אוסף מחקרים ויישומים בתחום "מעבדה על שבב" ("lab on a chip") אשר מתמקדים בניסיון לנצל שיטות וחומרים ננו-מטרים על מנת לבצע אנליזה מורכבת לדגימה, בין השאר כדי לנתח מצב רפואי כזה או אחר. דוגמה למוצר שקיים כבר הוא ביו-שבב תת-עורי לחולי סוכרת המנטר את רמת הסוכר בדם ומשחרר תרופה בצורה מבוקרת.
 מחקרים אודות מבנים ננו-מטרים כגון: ננו-צינוריות פחמן ורתימתם ליישומים שונים כגון ריפוי מחלות או שימוש לחיזוק חומרים לצורכי שריון.
 בנייה של חומרים חדשים אשר מעצם קביעת המבנה הננו-מטרי שלהם יקבעו תכונות מקרוסקופיות רצויות, כגון חוזק.
 מחקרים אודות הרכבה עצמית, שיטה להרכבה של מבנים בעזרת התרכבות ספונטנית של חומרי גלם, מולקולות או אטומים. שיטה זו מכונה Bottom Up. שיטה זו עומדת בניגוד לשיטת Top Down אשר בה בונים את המבנים הננומטריים מתוך חומרי הגלם גדולים ללא שליטה על הרמה האטומית. כדי להבין איך הרכבה עצמית מתבצעת בטבע ואיך אפשר יהיה לנצל אותה לצרכנו מתבצעים גם מחקרים רבים על זיהוי מולקולרי, העיצוב של מולקולות כגון חלבונים אשר מבטיח כי הם יתיישבו במקום ספציפי על מולקולה ספציפית אחרת, תחת המטרייה של הננוטכנולוגיה.
 ייצור יעיל של אנרגיה, למשל מפוטודיודות אורגניות או ממקורות "חדשים" כגון, ממתנדים זעירים המתאימים לתדרי דיבור אנושי אשר מנצלים את אנרגיית גלי הקול.
 יצירת ננורובוטיקה, למשל, עבור נשיאה ושחרור תרופות במקום ספציפי בגוף, תחום הנקרא ננו רפואה ופיתוח של ננו-חיישן ביולוגי לאבחון וניטור מערכות ביולוגיות.
 ננוטכנולוגיית DNA הוא קבוצה של מחקרים המנצלים את תכונות ה-DNA וחומצות גרעין, בעיקר את הספציפיות של הקישור בין זוג גדילי DNA (הבסיס החנקני 'A' נקשר ל'T' ואילו 'C' נקשר ל-'G') כדי ליצור ריצוף מבוקר של מבני DNA גם בעבור מחקרים של הרכבה עצמית וגם בעבור מחקרים של יצירת מכונות מצבים מולקולריות.

שיטות עבודה ומיכשור 

בין השאר נכללים גם שיטות העבודה והמכשירים הבאים (חלקם חדשים וחלקם שיטות עבודה מוכרות המשמשות כיום למחקרים בתחום):
 STM – מיקרוסקופ מִנהור סורק – מאפשר הדמיית פני השטח של חומרים בסקאלה אטומית, בדגש על מוליכים. מכשיר זה פרץ את הדרך בתחומו ויוצריו זכו בפרס נובל לפיזיקה. בעזרתו לראשונה אפשר היה לעשות הדמיה לפני שטח, בעיקר מוליכים, ברזולוציה של אטומים ואף לעשות מניפולציות על אטומים בודדים.
 AFM – מיקרוסקופ כוח אטומי – מאפשר הדמיה של פני השטח של חומרים בסקאלה אטומית, בין השאר גם בסביבה לחה ובתוך תמיסה.
 SEM – מיקרוסקופ אלקטרונים סורק – מאפשר הדמיה של פני השטח של חומרים בסקאלה ננו-מטרית, לרוב לאחר ציפוי החומר במתכת.
 TEM – מיקרוסקופ אלקטרונים חודר – מאפשר ראיה של חומרים ננומטרים ממגוון סוגים ואף ראיה של שכבות אטומים בודדות.
 FIB – אלומת יונים ממוקדת – מאפשרת הדמיה וחפירה בתוך פני שטח של חומרים בסקאלה ננו-מטרית.
 מערכות חדרים נקיים של מיקרו-אלקטרוניקה – מאפשרות בנייה, בין היתר שיטתית, של מערכות בסקאלה המיקרונית והננו-מטרית.
 שיטות סינתזה כימיות התפתחו לרמה בה ניתן היו להכין מולקולות קטנות בכמעט כל מבנה רצוי. שיטות אלו משמשות לייצור של פולימרים וחומרים שונים לטובת המחקר בתחום.
 שיטות לייצור של קולואידים, חלקיקי חומר קטנים ושיטות לאפיון גודלם ופיזור או רמת האגרגציה (הצטברות) של חלקיקים אלו לגוש גדול יותר.
 שיטות לאפין מטען משטחי ופוטנציאל זטה של חלקיק בתמיסה.

ננוטכנולוגיה בישראל 

בישראל הוקמו קבוצות מחקר רבות ומרכזי ננוטכנולוגיה בכל האוניברסטאות המרכזיות. כן פועלים בישראל מרכזי פיתוח ומחקר העוסקים בננוטכנולוגיה בחברות מובילות כגון אינטל ו-HP וחברות הזנק רבות החוקרים ועוסקים בתחום הננו-טכנולוגיה. נשיא המדינה לשעבר שמעון פרס קידם מחקרים הקשורים לתחום במרץ רב והצהיר מעל במות רבות כי זהו הפתרון לבעיות רבות איתן מתמודדים בארץ היום, מנושא המים ואנרגיה ירוקה ועד מודיעין צבאי. בכנס 'ננו-ישראל' במרץ 2009 הוא טען כי ישראל מתעתדת להיות מובילה בתחומי פיתוח ומחקר טכנולוגיות הקשורות בתחום זה. בין השאר הדבר מתבטא בתמיכה ומימון של קבוצות מחקר בארץ.

ראו גם
ביוננוטכנולוגיה
ביומימטיקה
דנ"א אוריגמי
ננוטכנולוגיה צבאית
ננוטכנולוגיה בענף הבנייה
 שכפול עצמי
 ננו-אנטנה
 מזעור

לקריאה נוספת
 אד רג'יס, ננו - בריאת העולם מולקולה אחר מולקולה, הוצאת זמורה ביתן, 1998.

קישורים חיצוניים

ננוטכנולוגיה, מאת פרופ' אורי סיוון באתר מט"ח
חלומות ענק על ממדי ננס: כל התפתחות הננוטכנולוגיה המבשרת (אולי) את המהפכה התעשייתית הבאה - מאת אהרן האופטמן, באתר מט"ח (פורסם לראשונה ב-2002 במגזין אאוריקה).

מהי ננוטכנולוגיה - מתוך ריאיון עם פרופסור יוסי שחם מאוניברסיטת תל אביב.

הערות שוליים