tomron87/hebrew-wikipedia-sentences-corpus huggingface dataset:
שלא כמו במחשבים אלקטרוניים מסורתיים, המשתמשים בכניסות ויציאות של זרם חשמלי, מחשבים מולקולאריים משתמשים בריכוזים של חומרים כימיים ספציפיים כאותות.
במקרה של מעגלי עקירת חומצות גרעין, האות הוא נוכחותם של גדילי חומצות גרעין שנצרכו או שוחררו על ידי אירועי קישור או חוסר קישור לגדילים אחרים.
בגישה זו נעשה שימוש כדי ליצור שערים לוגיים כגון שערי AND, OR ו־NOT.
לאחרונה, הוכח שע"י מעגל ארבע סיביות ניתן לחשב את השורש הריבועי של מספרים שלמים בטווח 0–15, באמצעות מערכת שערים המכילה 130 גדילי DNA.
שימוש נוסף של קסקדות עקירת גדילים הוא בהרכבת מבנים באופן דינמי.
אלה משתמשים במבנה Stem-loop של המגיבים, כך שכאשר נקשר גדיל קלט, הרצף החדש שנחשף מאפשר להוסיף stem-loops חדשים לקומפלקס שהולך וגדל.
בגישה זו נעשה שימוש כדי ליצור מבנים פשוטים כגון צמתים בעלי 3–4 זרועות ודנדימרים.
ננוטכנולוגיית DNA היא אחת הדרכים היחידות ליצירת מבנים מורכבים ובעלי מטרה, בעלי שליטה מדויקת בקנה מידה ננומטרי.
בשנים האחרונות מתחילים לראות בתחום זה יישומים לפתרון בעיות במדע בסיסי בביולוגיה מבנית וביופיזיקה.
יישום אחד כזה, המוקדם ביותר בתחום, הוא בקריסטלוגרפיה, שבה מולקולות שקשה לגבש בנפרד יכולות להיות מסודרות בסריג תלת־ממדי של חומצות גרעין, ובכך מאפשר את הצגת המבנה שלהם.
יישום אחר הוא שימוש במקלות של DNA אוריגמי כדי להחליף גבישים נוזליים בניסויים מסוג |residual dipolar coupling ב-NMR חלבוני .
הליכוני DNA שימשו כקווי ייצור בקנה מידה ננומטרי כדי להזיז ננו חלקיקים ולשם סינתזה כימית ישירה.
יתר על כן, מבני ה-DNA אוריגמי סייעו למחקרים ביופיזיקליים של פונקציית אנזים וקיפול חלבונים.
ננוטכנולוגיית DNA מתקדמת לכיוון יישומים פוטנציאליים בעולם האמיתי.
היכולת של מערכי חומצות גרעין לסדר מולקולות אחרות מצביע על יישומים אפשריים שלה בתחום האלקטרוניקה בקנה מידה מולקולרי.
הרכבת מבנה חומצות גרעין יכול לשמש כתבנית הרכבה של כמה אלמנטים אלקטרוניים מולקולריים כמו ננוחוטים, המספקים שיטה לבקרה בקנה מידה ננומטרי של המיקום והאדריכלות הכוללת של מכשיר אנלוגי ל־Breadboard מולקולרי.
ננוטכנולוגיית DNA הושוותה לרעיון של חומר הניתן לתכנות בגלל הוספת יכולת החישוב לתכונות החומר שלו.
ישנם יישומים פוטנציאליים עבור ננוטכנולוגיית DNA בננורפואה, על ידי שימוש ביכולתה לבצע חישוב במצב של תאימות ביולוגית וכך ליצור "תרופות חכמות" עבור תהליכי שיגור תרופות ממוקד.
מערכת אחת כזו משתמשת בקופסת DNA חלולה המכילה חלבונים שגורמים לאפופטוזה, או מוות של תאים.
קופסית זו תפתח כאשר תהיה בקרבת תא סרטני ותרוקן את החלבון הקטלני.
יש עניין נוסף ליישם את המבנים המלאכותיים האלו בתאים חיים מהונדסים של חיידקים.
ננוטכנולוגיה ירוקה היא שימוש באמצעים ננוטכנולוגיים כדי לשפר ולהשביח טכנולוגיות קיימות כך שישמרו את איכות הסביבה ואת משאבי הטבע.
המטרה של הטכנולוגיה הירוקה היא להקטין, ככל הניתן, את זיהום הסביבה הנובע מתהליכים טכנולוגיים הגורמים לסיכון בריאות האדם, זאת באמצעות שימוש בטכנולוגיה ידידותית לסביבה.
השילוב של הננוטכנולוגיה בטכנולוגיות הירוקות הן הבסיס להתפתחות הרעיון של ננוטכנולוגיה ירוקה.
שינויי אקלים, מחסור בדלקים פוסיליים ודלול משאבי טבע מהווים חלק מהאתגרים הסביבתיים הגדולים ביותר במאה ה-21. הבסיס להתפתחות הננוטכנולוגיה הירוקה נבע מחשיבות שילוב תחום זה בתעשייה ובחיי היום יום, כך שיהווה פתרון לאתגרים סביבתיים.
דוגמאות לשימוש בננוטכנולוגיה ירוקה כפתרון לאתגרים סביבתיים:
התפלת מים – ננוטכנולוגיה ירוקה תסייע באספקת מים נקיים בעזרת טכניקות לסינון מים וטכניקות ל טיפול במי תהום ושפכים המזוהמים במתכות רעילות, ממסים אורגניים ומיקרואורגניזמים העלולים לגרום לתחלואה.
ישנם מספר דרכים להתפיל מים תוך שימוש בננוטכנולוגיה:
צינורות ננו-פחמנים יכולים להוות מסננים (פילטרים) מכיוון שיש להם שטח פנים גדול, חדירות גבוהה, חוזק מכני ויציבות תרמית.
בעזרתם, ניתן לסנן מזהמים מהמים כגון חיידקים, וירוסים ומזהמים אורגניים.
הם פועלים בדומה לממברנות בלחץ אוסמוטי, אך בניגוד לממברנות הם אינם דורשים תחזוקה בעלות גבוהה.
nZVI- מתכות אצילות שמוחדרות למי התהום ומהוות PRB (מחסומים התופסים מזהמים ומסלקים אותם או מפרקים אותם ומשחררים מים נקיים מזיהומים).
תהליך זה גורם לעליה ב-pH ולירידה ביכולת החיזור של התמיסה כתוצאה מצריכה מוגברת של חמצן ומחמצנים נוספים ומיצירה של מימן.
השימוש הראשון שנעשה בחלקיקים אלו בשטח היה בשנת 2000, מאז מתכות אלו נמצאו יעילות בסילוק מספר רב של מזהמים בניהם ממסים אורגניים כלוריים חומרי הדברה ו-PCB (ביפנילים עתירי כלור).
אנרגיה מתחדשת – הבעיה העיקרית בשימוש בטכנולוגיות הקיימות בתחום האנרגיה המתחדשת היא יעילותן הנמוכה.
ננוטכנולוגיה תסייע בפתרון לבעיה זו.
ציפוי תאים סולארים בננו-חלקיקים- תאים סולאריים יעילים יותר ככל שהם קטנים יותר.
היתרון באנרגיה סולארית שהיא מהווה אנרגיה חלופית לאנרגיה המופקת ממקורות מזהמים כגון נפט ופחם.
ציפוי תאים פוטוולטאיים בננו-חומרים מאפשר הגדלת פני השטח לקליטת יותר פוטונים וכך יעילות הפקת האנרגיה תהיה רבה יותר.
בנוסף- ציפוי זה יכול להשאיר את התא נקי לאורך זמן וכך יבטיח שמירה על היעילות האנרגתית.
צבע סולארי – ננו חלקיקי טיטניום המצופים בתרכובת קדמיום גופריתי או בקדמיום סליניד ולאחר מכן מושקעים בתערובת של אלכוהול ומים על מנת ליצור משחה.
בעצם מדובר על תערובת המכילה חלקיקים המוליכים למחצה שניתן למרוח על כל משטח שקוף ומוליך וליצור חשמל באמצעות תהליכי הארה.
"רצינו לפתח משהו שכולל שינוי צורה, להצליח לעבור אל מעבר לטכנולוגיה הנוכחית של ייצור אנרגיה סולארית על בסיס סולארי" כך אומר פראשאנט קאמאט מנהל המחקר מרצה למדעי הכימיה וביוכימיה וחוקר במרכז מדעי הננו וטכנולוגיה מאוניברסיטת נוטרדם.
כרגע יעילות החומר נמוכה בהרבה מזו של המתחרים (1% לעומת 10-15% בפנאלים סיליקוניים) אך היתרון הגדול של הצבע הוא שניתן להפיק אותו בכמויות גדולות, הוא זול ואינו תופס הרבה מקום.
תיקון סביבתי – האדם, מייצר כמות גדולה של פסולת ומזהמים סביבתיים שחלקם אף מסוכנים לבריאות.
שימוש בננוטכנולוגיה יכול להוות אינדיקטור למזהמים המצויים בסביבה ולהועיל בטיפול בפסולת זו.
דנדרימרים- פולימרים בעלי צורה כדורית עם הסתעפויות מרובות שיש להם היכולת לקשור חומרים מזהמים כגון פרכלורט שהוא בעל השפעות קרצינוגניות.
טיטניום דיאוקסיד- זרז המשמש לפירוק תרכובות כימיות ואורגניות.
טיטניום דיאוקסיד מעכב את הגידול של אצות ומיקרואורגניזמים אחרים.
התכונות הפוטוכימיות של טיטניום דיאוקסיד מאפשרים לו בנוסף גם לפרק חומר חלקיקי ולכן ציפוי חלונות בננו חלקיקי טיטניום דיאוקסיד יכול להוביל לניקוי אוויר עירוני.
ייצור ותעשייה – שימוש בננו-חומרים תורם לייצור מרכיבים קטנים וקלים הצורכים פחות משאבים ואנרגיה בתהליך הייצור שלהם.
ייצור ננו חלקיקי זהב וכסף- תהליכי הייצור המקובלים של ננו חלקיקי זהב וכסף יקרים ומאוד מסוכנים.
באמצעות שימוש בביוננוטכנולוגיה ירוקה ניתן לשפר תהליך זה תוך שימוש באורגניזמים כזרזים באמצעות ניצול של מנגנוני הספיגה של מתכות על ידי צמחים, שמרים וחיידקים.
הגנה ממיקרואורגניזמים בתהליכים שאינם מזהמים באמצעות NP LiquidGlass – ציפוי משטחים בשכבת זכוכית ננומטרית ויצירת Ultra Thin Layer of LiquidGlass במטרה להגן על משטחים אלו מפני מיקרואורגניזמים.
הציפוי מיוצר בתהליך שאינו מזהם וכך כבר בשלב זה מגן על הסביבה (זאת בניגוד למוצרי ההגנה למשטחים, המיוצרים מנפט ופולימרים והם חומרים מסוכנים, רעילים לאדם ולסביבה המיוצרים בהליכים מזהמים).
כמו כן החומר אינו רעיל לבני אדם, בטיחותי למגע עם העור, מתאים למגע עם מזון, אינו מזיק לסביבה ואינו מכיל חלקיקים שיוצרו במעבדה.
הציפוי הייחודי גורם לשינוי המבנה המולקולארי של המשטחים והופך את המשטחים להיות קלים יותר לניקוי (ניתן להשתמש במים בלבד דבר המפחית את השימוש בחומרי ניקוי אחרים) בשיטה זו ניתן לצפות משטחי זכוכית, אבן, אריחים, מתכות, פלסטיק, עץ ואף מוצרי טקסטיל.
תא דלק ביולוגי- שימוש במרכיבים ביולוגיים על מנת ליצור סוללה שאין לה תוצרי לוואי מזיקים.
סוללה מאצה – סוללה הבנויה ממעטפת של אצת Cladophora ומצופה בשכבה דקה של פולימר מוליך.
התאית במעטה האצה היא בעלת שטח פנים גדול השונה ממבנה התאית של צמחים יבשתיים ולכן יכולה לשמש כמאחסן אנרגיה.
את הננו-תאית מצפים בשכבת פולימר מוליכה בעובי 50 ננומטר ומקבלים סוללה בעלת יכולת אחסון של 0.6 אמפר לכל סמ"ק, ועם אובדן של 6% בלבד מהיכולת לאחר 100 הטענות.
הסוללות הללו ידידותיות לסביבה, זולות וקלות לנשיאה.
תא דלק ביולוגי מאנזימים – שימוש באנזימי חמצון-חיזור הנמצאים בתמיסה על מנת לבצע העברה של אלקטרונים.
העיקרון מבוסס על אלקטרודות המקיימות תהליכי חמצון-חיזור באמצעות תהליכים ביוקטליטיים.
המעבר מאנרגיה כימית לאנרגיה אלקטרו-כימית נעשה על ידי שימוש ברכיבים ביולוגיים.
המטרה בסופו של דבר היא להגיע ליצירת אנרגיה מסובסטרטים כגון אלכוהול, פרוקטוז וחומצות אמינו.
בנוסף ישנו אמצעי שליטה על פי תא הדלק באופן של שינוי pH של התמיסה.
האלקטרודה מצופה בפולימר אשר ב-pH נטרלי ובסיסי נמצא במצב לא טעון ולכן יש לו מבנה מכווץ אשר גורמת למיסוך של האלקטרודה בפני התמיסה בה נמצאים אנזימי החמצון-חיזור.
ירידה ב-pH ל-pH חומצי מקנה מטען לפולימר אשר מקנה לו מבנה נפוח ובכך נפסק המיסוך בין האלקטרודה לתמיסה וריאקצית החמצון-חיזור יכולה להתרחש.
היתרונות של סוללות אלו הן בעלות הנמוכה של מרכיביה ובאפשרות להשתמש בה להפעלה של מכשירים דמוי-ביולוגיים באדם כמו דפיברילטורים והם יוכלו לפעול על ידי שימוש באנרגיה גלוקוז אשר נמצא בדם.
בנוסף- תוצרי הלוואי של סוללות אלו בלתי מזיקים.
תא דלק מיקרוביאלי - מערכת ביואלקטרית שמעביר זרם באמצעות חיקוי של תהליכים המתרחשים בתוך חיידקים.
תא דלק מיקרוביאלי הדורש מתווך- זהו הסוג הקדום יותר.
המתווך הוא חומר כימי אשר משמש להעברת אלקטרונים מהחיידק לאנודה.
תא דלק מיקרוביאלי שאינו דורש מתווך- הוכן לראשונה בשנות ה-70. נעשה שימוש באנזימי חימצון-חיזור כדוגמת ציטכרומים בממברנה החיצונית שלהם שיכולים להעביר אלקטרונים ישירות לאנודה.
יחד עם ההשלכות החיוביות של ננו חלקיקים בכל הנוגע לסילוק מזהמים ישנה ביקורת רבה בקרב אנשי התחום לגבי ההשלכות של החלקיקים האלו עצמם על איכות הסביבה ובריאות האדם.
בגלל גודלם הקטן של ננו חלקיקים לא ידוע עדיין מה תהיה ההשלכה הסביבתית של מוצרים אלו.
למשל, טרם ברורה התוצאה של הגעת ננו חלקיקי זהב וכסף למי התהום.
אחת מהמטרות של הננוטכנולוגיה הירוקה היא הקטנת הסיכון לבריאות האדם.
מנגד, יש המכנים את הננו-חלקיקים כ"האזבסט של המאה ה-21".
בעקבות כל זאת נעשה ניסיון של חוקרים להבין את ההשלכות של ננו-חלקיקים על גוף האדם:
השפעה על המערכת הקרדיווסקולרית- חשיפה לננו-חלקיקים עשויה להביא לשינויים פיזיולוגיים אשר עלולים להוביל למחלות קרדיווסקולאריות.
מחקרים בארצות הברית הראו כי בערים בהן היה זיהום של ננו-חלקיקים באוויר הייתה תחלואה ותמותה גדולה יותר ממחלות קרדיווסקולאריות ביחס לערים בהן אין זיהום כזה.
כמו כן, נמצא קשר בין חשיפה לננו-חלקיקים לבין אריתמיה ואוטם שריר הלב.
השפעה על המערכת הפולמונרית- חשיפה לננו-חלקיקים עשויה להוביל לדלקת ריאות.
בנוסף, כמות מסוימת של חלקיקים אלו, עוברים מהריאות לאזורים אחרים בגוף כגון דם, כבד, לב, לבלב ומוח.
לדוגמה, נמצא כי ננו-חלקיקי טיטניום דיאוקסיד אשר נשאפים לתוך הריאות עוברים את הממברנה התאית במנגנון שאינו תלוי פאגוציטוזה ומגיעים לקפילרות.
נמצא כי ננו-חלקיקים נקלטים על ידי נוירונים אם כי עוד לא ידוע אם דבר זה גורם לנזק.
מעבר עורי- חלקיקים גדולים ממיקרון אחד לא יכולים לחדור לרקמת עור שלמה (ללא חתכים או שריטות).
ננו-חלקיקים לעומת זאת, בין אם הם פולארים ובין אם לא, יכולים לעבור את שכבת האפידרמיס במעבר פארה-צלולארי.
טיטניום דיאוקסיד הוא דוגמה לננו חלקיק שיכול לעבור את השכבה החיצונית של העור.
חלקיקים שעוברים את שכבת האפידרמיס יכולים לעבור למערכת הלימפה באמצעות תאי מאקרופאג' ותאים דנדריטים.
תחומי המחקר הקשורים לננוטכנולוגיה ירוקה
ננוטופוגרפית פני שטח להכוונת תאים, הוא מצע מלאכותי, המשרה על תאים חיים כיוון לפעילות הקשורה בגדילה, התמיינות או שגשוג (פרוליפרציה).
תנאי הסביבה משרים או מעכבים גדילה, התמיינות ושגשוג של תאים חיים.
נמצא שתווי המצע עליו גדלים התאים, משפיע על הכוונת הגידול.
טופוגרפיית פני השטח של מצע מלאכותי בתרבית תאים, הבנוי מתבליטים, שקערוריות וצורות בסדר גודל ננומטרי, יכולה לכוון את צמיחתם של תאים שונים.
בנוסף טופוגרפית פני שטח ננומטרית יכולה לשמש סרגל מדידה ננומטרי להתפתחות תאים על פני המצע.
טופוגרפית פני השטח שעל פניה תאים גדלים היא אחת מבין גורמים חיצוניים רבים המשפיעים על התפתחות תאים, כגון גדילה, כיוון הגדילה, מורפולוגיה, התמיינות ושגשוג.
תאים מתחלקים, מכפילים את גודלם במהלך מחזור חייהם, כך שבזמן החלוקה גודל התאים כפול מזה שהיה בעת לידתם.
תהליך גדילת התאים מתרחש בדייקנות ובסנכרון מלא עם מחזור החיים שלהם.
מכיוון שהתאים שומרים על גודלם מחלוקה לחלוקה סביר שתהליך החלוקה והגדילה מתואמים זה עם זה.
ביצורים חד תאיים – למשל בשמרים, קיימת מערכת בקרה תוך תאית המאפשרת סנכרון של מנגנון החלוקה.
ביצורים רב-תאיים ישנן אותות מחוץ לתא המווסתים את תהליך החלוקה והגדילה.
ננוטופוגרפיית פני שטח המיוצרת באופן מלאכותי היא שיטה המאפשרת להתחקות אחר השפעת פני השטח על תהליך ההתפתחות של תאים וכיוון גדילתם.
בד בבד שיטה זו מאפשרת מדידה ננומטרית מדויקת של גודל התא במהלך חייו וחישוב קצב גדילת התא בתנאים חיצוניים שונים.
מדידה ננומטרית זו מתאפשרת בשל העובדה שגודל תא אאוקריוטי הוא בקנה מידה של עשרות מיקרומטרים בעוד שטופוגרפיית פני השטח היא בקנה מידה של ננומטרים בודדים, שהם כארבע סדרי גודל קטנים מגודל תא בודד.
ננוטופוגרפיית פני שטח מיוצרת בדרך כלל באמצעות ננוליתוגרפיה הכוללת: פוטוליתוגרפיה, ליתוגרפיה באמצעות אלומת אלקטרונים או ליתוגרפיה רכה.
מדידת גדילה של תאים והכוונתם
ניתן ללמוד באמצעות ננוטופוגרפיית פני שטח על כיוון הגדילה של תאי הלב בהשפעת פני שטח עליו גודל התא ובנוסף אילו תנאים חיצוניים הקשורים למצע הגידול מאפשרים שגשוג והתמיינות של אותם תאים.
בנוסף, בשיטה זו ניתן לקבוע מהו המצע האידיאלי המאפשר תיקון של רקמת הלב.
על ידי יצירת שקעים בגדלים שונים נמצא כי קיימים תנאים אידיאליים להיווצרות סיבים וניתן למדוד את כיוון גדילתם בהשפעת המתווה הננו טופוגרפי כמו כן את כיוון כיווצם.
במחקר נמצא ביטוי חלבוני גבוה יותר בגודלי תבניות מסוימות, לדוגמה ביטוי לחלבון C*43 ה-Connexin, אשר מעורב בתהליך ההתלכדות של סיבי השריר.
אותו ביטוי היה גבוה הרבה יותר בתבנית שגודלה 800 על 800 ננומטר ולא ב-400 על 400 ננומטר.
כמו כן נמצא יישור וסידור השלד התאי (ציטוסקלטון) בתאים שעל גבי מצע משורטט בפסים ברוחב תת-מיקרוני לעומת מצע ללא פסים.
בעזרת היכולת למדוד את כיוון הגדילה של התאים על ידי גידולם ומדידת פני השטח שלהם, ניתן לחקור ולהבין את מנגנוני הגדילה השונים.
לדוגמה: סיבי שריר שלד גדלים ומתפתחים בכיוון מסוימים בטופוגרפיה בה הם גדלים.
מחקרים שונים הראו כי ניתן לשלוט על גדילת תאי העצב ולכוון את גדילתו של התא בעזרת תבניות בגודל ננומטרי.
ההכוונה נעשית על ידי חריצים ורכסים בגודל של 100 ננומטר על חומר פולימרי.
נמצא שלתא עצב קיימת העדפה לשטח מסוים והוא גדל טוב יותר על שטחים רכסיים מוגבהים ולא בחריצים.
על ידי הכוונה זו ניתן למעשה לשלוט על גדילת תאים אלהבאופן זה הוכח כי הננוטופוגרפיה של המטריקס החוץ תאי (extracellular matrix- ECM) משפיע על גדילת תאי העצב על ידי הכוונה מלאכותית זו ניתן לשלוט על גדילת התאים ולהכיר את תכונות תא העצב.
חישוב גדילה של תא סרטני
תאים סרטניים נבדלים מתאים נורמליים, בין היתר, בתהליכי החלוקה וההתרבות שלהם.
כאשר לתא נורמלי יש איתות חיצוני הפוקד עליו להתחלק ולהתרבות, הוא מציית לפקודה, ובמקביל ישנה הפעלה של מעין "מערכת בלמים" יעילה, אשר מגבילה את תהליך ההתרבות.
לאחר מספר מחזורי התחלקות התא חוזר למצב מנוחה.
בדרך זו מגן הגוף על עצמו מהתחלקות בלתי-מבוקרת של תאים.
בתא הסרטני, לעומת זאת, נפגעת "מערכת הבלמים" ובעקבות כך ישנה התרבות בלתי מבוקרת של התא ונוצר גידול סרטני.
על ידי מערכת המדידה של ננוטופוגרפית פני שטח ניתן להתחקות אחר הגדילה וההתחלקות של תא סרטני לעומת תא נורמלי בהיבט של ננומטרים ספורים.
באמצעות הנתונים ניתן לאמוד שינויים בגודל ובמבנה התאים ובאופן זה לאתר את הפתולוגיות השונות בתא.
ניתן לזהות איזה מצע משפיע באיזה אופן על אותה "מערכת בלמים" בתא ובכך, בעתיד, להפעילה גם בתא הסרטני.
ננוליתוגרפיית עט נובע (Dip-Pen Nanolithography- DPN) היא טכניקת רישום מולקולארית באמצעות חוד של מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM).
תהליך הרישום שונה במהותו מתהליך ליתוגרפי רגיל, שבו מטביעים גלופה או מסכה על פני מצע.
ב-DPN תהליך הרישום נעשה באמצעות חוד של מיקרוסקופ כוח אטומי המשמש מעין "עט" הטבול ב"דיו" שהוא למעשה תמיסה של חומר מולקולארי.
משיכת החוד על גבי המצע מאפשרת זרימה קפילארית של החומר המולקולארי על גבי המצע ויצירת הדפס מולקולארי.
הרזולוציה המתקבלת בשיטה זו היא בסדרי גודל של 15–30 ננומטרים.
ננוליתוגרפיית עט נובע יכולה להתבצע באופן של הדפסה מקבילית באמצעות מערכים דו-ממדים של חודים רבים עד לכ-55,000 הנמשכים על גבי המצע ביחד.
ננוליתוגרפיית עט נובע - DPN היא כלי יעיל מאוד ביצירה ובעיצוב התקנים שונים בקני מידה ננומטרי ומשמשת ביישומים שונים במגוון דיסציפלינות.
הטכנולוגיה שבה מועבר דיו הספוג על גבי חפץ חד אל מצע נייר קיימת למעלה מ-4000 שנים ושימשה במרוצת השנים להטבעת חומרים שונים על גבי מצעים שונים בסקאלות גדולות.
עוד מימי קדם הייתה נהוגה שיטת ההדפסה על פני מצע, כגון שימוש בנוצה ובדיו על גבי קלף, כמו כן השתמשו בתחריטי אבן כדי ליצור הדפסים על-גבי מצע.
עם התפתחות הטכנולוגיה, והמצאת הדפוס התפתחה טכנולוגיית הליתוגרפיה, ששימשה להדפסה באמצעות גלופות על פני מצעים שונים בקנה מידה גדול.
במסגרת תהליכי המזעור בתעשיית המיקרואלקטרוניקה פותחה שיטת הפוטוליתוגרפיה המאפשרת להטביע מסכה אופטית על גבי מצעים קשיחים באמצעות פוטורזיסט.
המצאת המיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) בשנת 1986 לצורכי סריקה, דימות ומדידה בקנה מידה קטן מאוד, היוותה נקודת מפנה בתחום המזעור, היות שה-AFM היווה פוטנציאל לרישום בקנה מידה מיקרו וננומטרי.
בשנת 1995, צמד חוקרים גרמנים, Jaschke ו-Butt, גילו שבעת סריקה של פני שטח מצע זהב על ידי AFM, נוצרו על גבי המצע מולקולות מים כתוצאה מהממשק בין חוד ה-AFM הסורק לבין פני השטח.
היה זה תיעוד ראשון של יכולת ה-AFM ליצור תבנית מולקולארית על גבי מצע כלשהו.
דא עקא, הצוות הגרמני שגילה את "עקבות" מולקולות המים על גבי מצע הזהב בתהליך סריקת ה-AFM סבר כי מדובר בתהליך אקראי ולא מבוקר של הטבעה מולקולארית על גבי המצע.
צוות מחקר באוניברסיטת Northwestern בראשותו של פרופסור צ'אד מירקין גילה כי ניתן להשתמש ב-AFM ככלי לרישום מולקולארי של חומר כלשהו על גבי מצע בתהליך יזום ומבוקר, היוצר מבנה מולקולרי יציב בקנה מידה ננומטרי - לשיטה זו קראו: DPN - Deep Pen Nanolithography.
העיקרון של שיטת DPN מבוסס על תגובה ספונטנית בין החומר המוטבע לבין המצע הנסרק על ידי ה-AFM, כך שמתקבלת פעולה המזכירה מאוד רישום עם עט נובע (AFM) המושך את הדיו (חומר מולקולרי) על גבי הנייר (המצע).
הרעיון הוא לנצל את תכונות הסריקה המדויקת של ה-AFM (ברזולוציית סריקה של ננומטר ואף אנגסטרום) על מנת להדפיס חומר מולקולארי על גבי המצע הנסרק.
לשם כך, יש לבחור את הדיו ואת המצע באופן כזה שתתאפשר תגובה ספונטנית אשר תוביל לספיחת החומר על המצע.
לאחר שנמצאה התאמה בין חומר מולקולרי (דיו) ומצע, טובלים את חוד ה-AFM ב"דיו" ומתחילים בפעולת סריקה של ה-AFM על גבי המצע.
בכל נקודת סריקה, מועבר החומר המולקולרי מקצה חוד ה-AFM אל המצע באמצעות כוחות קפילאריים (נימיים) ואילו הספיחה של החומר אל המצע מתבצעת בטור, מולקולה אחר מולקולה, כך שמתקבלת תבנית חומר מולקולארי סדור ויציב על גבי המצע, כמו בכתיבה עם עט נובע על גבי נייר.
מידת הסידור של הדיו על המצע תלויה בריאקציה בין ה"דיו" והמצע ומכאן חשיבות ההתאמה ביניהם.
לאחר שה"דיו" נספח אל המצע, הוא יכול לפעפע אל תוך המצע - תלוי בתכונות ההרכבה העצמית (SAM) שלו ובסוג המצע הנסרק.
על ידי היכרות עם מאפייני ה"דיו" (הרכבה עצמית, ספיחה) ומאפייני המצע (כגון חלקות פני השטח), ניתן לבקר על תהליך הבניה העצמית והפעפוע של הדיו במצע לצורך קבלת הדפסה מולקולרית ברזולוציה רצויה.
הניסוי הראשון שבא לבחון את שיטת ה-DPN בוצע על ידי צוות בראשותו של פרופ' צ'אד מירקיןוהתמקד בתהליך קישור אוקטדקאנתיול-ODT (פחמימן בעל שרשרת של 18 פחמנים עם קבוצה תיולית בקצה השרשרת) על פני מצע זהב
מולקולה זו יציבה באוויר וכאשר היא מקובעת על גבי מצע הזהב, ניתן מיד להבחין במצע הזהב ולהבדילו מזהב שלא עבר שינוי, היות שאחת מתכונות התיול היא יכולת קישור מהיר על גבי מתכות בכלל וזהב בפרט.
כאשר קצה חוד ה-AFM הטבול ב-ODT בא במגע עם מצע הזהב, ה-ODT עובר בכוחות נימיים מקצה חוד ה-AFM אל המצע.
סוג החוד של ה-AFM בניסוי היה סיליקון ניטריד אשר הוטבל ב-ODT למשך כדקה.
לאחר מכן בוצעה סריקה של ה-AFM על גבי המצע (במרווח של 3 מיקרון על 3 מיקרון).
היווצרות תבנית ננומטרית בתהליך ה-הרכבה עצמית-SAM התרחשה כאשר התהליך בוצע על מחצב (mica) של זהב, שהתקבל על ידי חישול של סרט זהב דק בטמפרטורה של 300 מעלות למשך 3 שעות.
חישול הזהב והחלקתו יצרו אחידות פני שטח של המצע, מה שאיפשר ספיחה טובה ומדויקת מאוד של מולקולות ODT שהועברו מחוד ה-AFM.
ניסוי נוסף שנעשה בחן יצירת "כתם מולקולרי" על מנת להדגים את תהליך הדיפוזיה (פעפוע) של הדיו על גבי המצע.
ה-ODT בא לידי מגע עם המצע בנקודות שונות ולמשך פרקי זמן שונים: 2, 4 ו-16 דקות.
התצוגה האחידה של ה-ODT על גבי המצע, הראתה "זרימה" אחידה שלו על המצע.
בנוסף, נעשה שימוש במערכים של נקודות וקווים בעלי מרווחים מוגדרים ל"כתיבה" על גבי המצע והתקבלו תמונות מערכי ODT - מה שהמחיש את היכולת של השיטה לבצע פעולה מקבילית בשימוש עם מערכי AFM סורקים וכותבים על מצע.
ממצאי הניסוי הרחיבו את הרעיון הטמון בשיטת DPN בכל הקשור ליכולת לבקר על תבנית החומר הננומטרית שנוצרת וכמו כן על תכונות אחרות שלו, כגון ניגודיות (על ידי שינוי כלשהו בדיו) ודיפוזיה.
פוטנציאל זה פתח צוהר למגוון תחומים בהם ניתן ליישם את השיטה.
במהלך ההתפתחות המוקדמת של DPN השתמשו ב-ODT כ"דיו" כדי להדפיס על גבי משטח זהב, בהמשך פותחו כמה שילובים של "דיו"/מצע.
תהליך DPN משתמש בעיקר בדיו העשוי ממולקולות אורגניות קטנות, פולימרים אורגניים וביולוגיים, חלקיקים שקשורים בקשר קלואודי או קשר יוני.
טכנולוגיה זו מסוגלת להשתמש בסוגים שונים של דיו כדי ליצור דפוסים על מגוון רחב של משטחים הנעים בין מתכות למבודדים.
לרוב הרישום ברזולוציה גבוהה בעיקר בטווח של 100 ננומטר, עם זאת, בכמה מקרים (כמו עם דיו אלקאנתיול על משטחי זהב חד גביש) הרזולוציה שופרה לכ -15 ננומטר, אשר הוא בערך בגודל של מולקולה ביולוגית יחידה.
בגלל האפשרות הזאת, ישנו מאמץ לפתח טכניקות ברזולוציה גבוהה יותר, כך שיהיה ניתן לחקור תהליכים ביולוגיים ברמה תאית.
הבנת התהליך שבו הדיו מועבר מקצה חוד AFM אל פני השטח מאפשרת להמשך פיתוח ושיפור של DPN.
מבחינה טכנית התהליך נקרא "תעבורה מולקולרית של קצה-מצע" ולתהליך הזה משפיעים פרמטרים רבים.
כמה מהפרמטרים כוללים את המבנה הכימי של הדיו ופני השטח, צורה של קצה החוד, כיסוי של הדיו על הקצה החוד, והטמפרטורה שבה מבוצע הניסוי.
שני גורמים חשובים נוספים שמאוד משפיעים על היכולת של ה-DPN להיות מסוגל להעביר דיו למשטח הם: הלחות של הסביבה והמסיסות של הדיו במים.
הלחות תאסף על קצה AFM (הנקרא "מניסקוס המים"), שהוא חיוני לתהליך DPN.
על מנת לשמור על שכבה קבועה של מים, התהליך חייב להתבצע בתוך תיבת לחות מבוקרת, כך ששינוי בריכוז של מים לא ישפיע על התוצאות.
עם זאת, ההשפעה שיש לטמפרטורה וללחות על העברה מולקולרית ב-DPN תלויה בתכונות הכימיות הספציפיות של הדיו בשימוש.
ישנם שני סוגי דיו עיקריים:
מורכב בדרך כלל ממולקולות קטנות בתמיסה מימית המצפים את קצה החוד ומועברים אל פני השטח באמצעות המניסקוס של הממס המימי.
ציפוי החוד ניתן לביצוע גם על ידי אדים או טבילתו בתוך תמיסה מהולה המכיל את הדיו המולקולרי.
קצב העברת של הדיו המולקולרי תלוי בקצב הדיפוזיה של המולקולה, שהיא שונה עבור כל מולקולה.
משך הזמן שלוקח לדיו להיות מודפס תלוי בקצה החוד, במשטח ובסוג הדיו (משך הזמן נע בין אלפיות שנייה לשניות) וגודל של המניסקוס, נקבע על ידי תנאי הלחות.
יש לשים לב שכל דיו מולקולרי מוגבל למצע המתאים לו.לא ניתן לערבב דיו מכמה סוגים.
הרזולוציה של רישום בסוג דיו זה נעה בין 15 ל-2000 ננומטר.
חומרים לדוגמה: אלקותיול שנכתב על זהב וסילן (במצב מוצק) שנכתב על זהב או על סיליקון.
ניתן להשתמש בכל חומר שהוא נוזלי בשיטת DPN (לאו דווקא תמיסה מימית).
מאפייני ההדפסה נקבעים על ידי יחסי הגומלין בין הנוזל וקצה החוד וכמו כן בין הנוזל לבין פני השטח והצמיגות של הנוזל עצמו.
אינטראקציות אלה יכולות להגביל את הגודל המינימלי של תכונת הדיו הנוזלי לכ-1 מיקרומטר, תלוי בזווית המגע של הנוזל.
צמיגות גבוהה יותר נותנת שליטה גדולה יותר על הגודל והתכונה הרצויים.
בניגוד לדיו מולקולרי, ניתן לבצע הדפסות מרובות סוגי דיו באמצעות נוזל שנושא אותם.
לדוגמה, על ידי שימוש בנוזל צמיגי, ניתן להדפיס ישירות חלבונים רבים בו זמנית.
רזולוציה של סוג דיו זה נעה בין 1–10 מיקרומטר.
ניתן לערבב מספר נוזלים יחד, זאת כאשר הדרישה להתאמת ממשק דיו/משטח מגבילה פחות.
חומרים לדוגמה: חלבון, פפטיד, דפוסי-DNA, מימן, סול ג'ל, דיו מוליך, שומנים וסילן (במצב נוזלי) שנכתב על זכוכית או סיליקון.
DPN הוא בעל יכולת למקם מולקולות במיקום רצוי בדיוק ננומטרי הקטן מ-100 ננומטר ומאפשר יישום ליתוגרפיה שלמה.
כושר הפרדה (הקו הדק ביותר של "דיו" שניתן לצייר) מגיע לכ-15 ננומטר, (פי 5000 יותר דק משערת אדם).
כאשר הרישום נעשה על ידי קצה חוד ה-AFM על פני משטח שטוח ברמה האטומית, ניתן לקבל כושר הפרדה גבוה במיוחד.
כושר הפרדה של ה-DPN תלוי בכמה גורמים:
גודל הגרעין של המצע שעליו מבוצע ה-DPN, משפיע על כושר הפרדה כפי שסוג הנייר משפיע על הכושר הפרדה בכתיבה קונבנציונלית.
תהליכי הספיחה וההרכבה העצמית (SAM) של המולקולות יכולים להגביל את הדיפוזיה, מאחר שבתהליך ההדפסה אנו משתמשים בתכונות הדיפוזיה על מנת לבצע את הרישום.
זמן המגע בין קצה חוד ה-AFM לבין המצע (השפעת מהירות סריקה) משפיע על כושר ההפרדה.
ככל שמהירות הסריקה גבוהה, כך כושר הפרדה טוב יותר, אך עם זאת מהירות סריקה גבוהה מדי עלולה לגרום לאי רציפות במעבר הדיו אל המצע.
לכן יש צורך למצוא את האיזון הנכון בין כושר ההפרדה לבין רציפות ההדפסה המתקבלת בתהליך הרישום.
לחות משפיעה על כושר הפרדה של תהליך הרישום.
גודל שכבת המים המגשרת בין קצה חוד ה-AFM לבין המצע תלויה בלחות היחסית.
לדוגמה, קו ברוחב 30 ננומטר דורש 5 דקות רישום בסביבת לחות יחסית של 34%, ואילו קו ברוחב 100 ננומטר דורש 1.5 דקות רישום בסביבת לחות יחסית של 42%.
בנוסף ליכולת למקם מולקולה בכושר הפרדה ננומטרי, קיימים מספר יתרונות נוספים לשיטת DPN:
האפשרות להשתמש בחומרים אורגניים ולא אורגניים כ"דיו" היא יתרון גדול על פני טכנולוגיות רישום אחרות, המאפשרת יישומים רחבים יותר בתחומי הביולוגיה, מדעי החיים ותחומים אחרים.
למעשה, ניתן להדפיס דיו אורגני על מצעים אורגניים באמצעות מערך של חודים המשמשים לרישום מולקולארי, ניתן לבצע רישום בו זמנית עם דיו אורגני ואנאורגני.
יתרון זה של DPN הוא ייחודי לשיטה זו ואינו קיים בטכניקות אחרות של ליתוגרפיה.
מולקולות כגון דנ"א וחלבונים יכולות להיות מודפסות על חומרים מגוונים כגון מתכות, מוליכים למחצה ומשטחים פונקציונליים אחרים.
היכולת לעבוד הן עם חומרים קשים והן עם חומרים רכים, מבדילה את DPN מטכניקות ליתוגרפיות אחרות.
שיטת DPN מאפשרת בניית שכבות חדשות על גבי שכבות שכבר יוצרו, מה שהופך את הטכניקה לרבגונית ויחד עם כושר ההפרדה הגבוה ניתן לבנות מערכים מורכבים תלת־ממדיים באזורים קטנים ביותר המאפשר פונקציונליות רחבה יותר, תוך ניצול מינימום שטח - תכונה הרצויה בתחום של ייצור התקנים הדורשים מקסימום מזעור.
שיטת DPN מבוססת על רישום ישיר על גבי משטחים ובכך חוסכת בתהליכים יקרים ומסורבלים הדורשים שימוש במסכות על מנת לבצע הדפסה על פני השטח.
הטכניקה לכתיבה ישירה גם מונעת חלק מהנזק שנגרם מקרינה, כפי שקיים בטכניקות ליתוגרפיה המקרינות אלומות אלקטרונים או אנרגיה אלקטרומגנטית כגון ליתוגרפיה אלומת האלקטרונים ופוטוליתוגרפיה.
בהשוואה לטכניקות ליתוגרפיה אחרות, שיטת DPN מאפשרת גמישות רחבה יותר לתנאי עבודה, בהיבט של תנאי סביבה (טמפרטורה, לחץ, לחות).
בכך התהליך בשיטת DPN הופך לנגיש יותר, ללא צורך בתאי ואקום והתקני בקרת תנאי סביבה, שיכולים להיות יקרים ומסורבלים.
מלבד היתרונות שצוינו לעיל, היבט חשוב של DPN הוא ההיבט המסחרי.
עלות הציוד הנדרש לביצוע תהליך ה-DPN זולה באופן משמעותי מציוד ומכשור שבו נעשה שימוש בטכנולוגיות אחרות.
בניגוד לשיטות אחרות, בהן רכישת הציוד ותחזוקתו יקרים מאוד (כגון מסיכות ליתוגרפיות), ההשקעה הנדרשת בטכנולוגיית DPN היא רכישה חד פעמית של AFM ותחזוקה של דיו וחודים לרישום, הזולים יחסית, מה שמשתלם גם בהיבט הכלכלי.
נכון להיום, קיימות הגבלות בהתאמת סוג המצע והדיו.
שילובי דיו/מצע חייבים להיבחר בקפידה, כך שהדיו לא יצטבר או יפוזר במידה בלתי סבירה על גבי המצע.
על מנת ליצור מבנים יציבים, האינטראקציה בין מולקולות דיו על פני השטח חייבת להיות כזו שתעגן את המולקולות למיקומם המיועד.
יש צורך לשים לב לתרכובות הכימיות של הדיו והמשטח.
בפועל, תהליכי DPN בדרך כלל מוגבלים על ידי גורמים כגון מסיסות הדיו הרצוי להדפסה, יציבותו של החומר להעברה בתוך מניסקוס המים וספיחה של חומרים על פני שטח המצע.
לכן, הבחירה של צבעים יציבים שניתן להעביר מקצה חוד ה-AFM אל המצע היא קריטית לתהליכי DPN.
שילובי דיו ומצעים מסוגים שונים נמצאים בשלבי מחקר, כשהמוטיבציה היא מציאת ההתאמות של ממשק הדיו/מצע שתספקנה את התוצאות הטובות ביותר ברישום מולקולארי בסקאלה ננומטרית.
על מנת להבטיח רזולוציית הדפסה אופטימלית, פני השטח של המצע חייבים להיות חלקים, מה שיאפשר סידור אחיד ויציב של המולקולות על גבי המצע.
לשם כך, נדרשים תהליכי חישול של המצע לצורך החלקתו, תהליכים שאורכים זמן רב ומצריכים שימוש במכשור ייעודי נוסף.
המכשול העיקרי בשיטת DPN הוא מהירות הרישום במהלך סריקת פני שטח המצע על ידי ה-AFM.
על מנת לאפשר לדיו לעבור למצע באופן עיקבי וסדור, מהירות הסריקה של קצה חוד ה-AFM מוגבלת ואיטית, כך שתהליך הרישום הוא סריאלי ולפיכך ארוך בהשוואה לטכניקות ליתוגרפיה אחרות (הכתיבה נעשית ברצף נקודה אחר נקודה, שורה אחר שורה).
עם זאת, נושא שנחקר רבות לאחרונה, בוחן שימוש במערכים מקבילים של קצוות חודי AFM במהלך רישום בשיטת DPN.
תהליך זה יכול לשפר את המהירות משמעותית.
ברם, הבעיה הכרוכה ברישום מקבילי זה היא חוסר היכולת לשלוט על כל קצה חוד בנפרד, מה שגורע מגמישות תהליך הרישום.
כאמור, הבעיה העיקרית של DPN היא מהירות הרישום הנגזרת ממהירות הסריקה של ה-AFM.
בניסיון לחפות על חיסרון זה, פותחו מערכים מקביליים חד-ממדיים ודו-ממדיים של חודי AFM סורקים, כך שניתן לבצע כיסוי נרחב יותר של רישום מולקולארי על גבי המצע, בהשוואה לכיסוי של חוד AFM בודד במשך אותו זמן סריקה.
מערך חודים חד-ממדי טיפוסי יכול להכיל עד 50 חודי AFM.
המערכים הדו-ממדיים יכולים להכיל עד כדי 55,000 חודי AFM, כאשר המרחק בין שני חודים הוא 400 ננומטר וכן כל קצה חוד הוא ברוחב בסיס של 100 ננומטר.
לשיטת DPN קיים פוטנציאל יישומי במספר תחומים, כאשר המשותף לכולם היא היכולת לשלוט בחומרים ברמה המולקולארית שלהם ובתגובתם עם סביבות שונות.
באופן זה ניתן לתכנן את המבנה והצורה של ההדפסה כתלות בסביבה איתה המולקולות באות במגע.
התחומים העיקריים שבהם ניתן ליישם את שיטת DPN:
התקני מצב מוצק - בניית מערכים מולקולריים של חומרים שונים במבנה ננומטרי על גבי התקנים שונים.
התקני מוליכים למחצה - יכולת לבקר על קיטוב המצע של המל"מ באמצעות קישור ה"דיו" בעל תכונות שונות על מצע המל"מ.
כמו כן, יכולת לאלח באופן נקודתי וללא מיסוך חלקים שונים במצע.
ביולוגיה - יצירת תבניות של מערכים ביו-מולקולאריים על גבי אורגניזם מעולם החי, סריקה ויצירה של מערכי DNA, זיהוי חלבוניםומולקולות זעירות, גילוי מוקדם של מחלות, הנדסת רקמות וכדומה.
המחקר העתידי בתחום טכנולוגיית DPN מתמקד ביכולת להשיג רזולוציות גבוהות ככל שניתן ברישום מולקולארי למגוון מטרות במגוון תחומים.
הרזולוציה הגבוהה ביותר שנרשמה בשימוש בטכנולוגיה זו עד כה, היא בסדר גודל של 15 ננומטר, זאת על ידי רישום אלקאנתיול על גבי משטח של זהב.
לאור היכולת הנ"ל, נעשים מאמצים לפתח טכניקות ברזולוציה גבוהה יותר, כך שניתן יהיה לחקור תהליכים ביולוגיים ברמה התאית.
על מנת לפתח סוגי "דיו" ברזולוציה גבוהה יותר, מעריכים החוקרים כי טכנולוגיית DPN תדרוש שימוש ביחסי רוחב/גובה קטנים יותר במיקרוסקופ הכוח האטומי (AFM), כך שקצה החוד הסורק שלו יהיה לדוגמה מננו-צינורות פחמן (Carbon Nanotubes).
פיתוח בשימוש במערכים מקבילים- המחקר בנושא פיתוח השימושים במערכי DPN מקבילים יתמקד ביכולת לשלוט באופן עצמאי על כל קצה חוד במערך.
זאת על ידי חימום של שלוחה רב שכבתית, במטרה לכופף את החוד הרצוי.
היכולת תאפשר יצירת מערכים מורכבים המשלימים סריקה בזמן קצר, כאשר תהיה אינטראקציה של כל חוד וחוד עם המשטח והוא יהיה ניתן לשליטה באופן עצמאי.
שילוב DPN בטכנולוגיית מערכת מיקרו אלקטרוניקה ומכניקה (MEMS) - השילוב חיוני לצורך ציפוי ואספקת דיו אל החוד באופן ישיר, אוטומטי ומבוקר.
חוקרים מאמינים כי טכנולוגיית המיקרופלואידיקה שמצויה בפיתוח, תסייע בתחום זה.
הרעיון מבוסס על מערכות מיקרופלואידיקה היכולות לשמש כפתרון העתידי לשליטה על הדיו בכל עט בודד (חוד) במערך המקבילי, זאת על ידי מערכים מיקרופלואידים חדשים של קסת דיו, שנמצאים כיום בשלבי פיתוח, אשר לתוכם יוטבלו החודים טרם הסריקה והרישום.
בנוסף, מהנדסי MEMS בוחנים את האפשרות לשלב מיקרופלואידיקה ישירות לתוך חודי ה-DPN, כך שאספקת דיו תוזן לקצה החוד הסורק באופן רציף, בדומה לעט נובע קונבנציונלי.
שילוב של מספר טכניקות ליתוגרפיה - על מנת לנצל את היתרונות של כל אחת משיטות הליתוגרפיה השונות, נבחנת האפשרות לשלב ביניהן ולהפיק יתרונות מכל אחת.
דוגמה לכך הוצגה על ידי קבוצת מחקר בשם MIRKIN, שפיתחה את (PPL ( Polymer Pen Lithography - שילוב של יתרונות ה-DPN והדפסה במיקרו מגע.
ננומאה (בטובאלואנית: Nanumea) הוא אטול השוכן בקצה הצפון-מערבי של מדינת האיים טובאלו.
האטול משתרע על פני 640 ק"מ במרחק קצר מדרום לקו המשווה ומערבה מקו התאריך הבינלאומי ושטחו הוא 4 קמ"ר.
אוכלוסייתו של ננומאה מנתה 664 תושבים בשנת 2002.
ננומאה ממוקם בקצהו של מה שקרוי "המשולש הפולינזי", מדרום לאיי גילברט.
ננומאה הוא אטול קלאסי, סדרה של איונים הניצבים על שונית אלמוגים ומקיפים לגונה.
אורכו הכללי של האטול הוא 12 ק"מ, רוחבו הוא 2.5 ק"מ ושטח אדמתו הוא 4 קמ"ר.
2 קמ"ר משטח הלגונה יחד עם שני איונים מהווים שמורת טבע ימית.
רוב רובה של אוכלוסיית האטול מתגוררת בכפר באיון הגדול ביותר שבקצהו הצפון-מערבי.
על פי המסורת המקומית, ראשוני התושבים בננומאה הגיעו מטונגה או מסמואה.
האירופאים הראשונים שהגיעו לאטול היו ספרדים שגילו אותו בשנת 1781 וקראו לו סן אגוסטין (San Augustin).
במלחמת העולם השנייה בנו האמריקנים שדה תעופה באטול
ננוטכנולוגיה בענף הבנייה היא תחום בהנדסה אזרחית המתייחס ליישומים ננוטכנולוגיים באדריכלות ותהליכי בנייה.
הרעיון של שימוש בננוטכנולוגיה בענף הבניה הוצג לראשונה על ידי פרופסור ריצ'רד פיינמן בהרצאתו במכון הטכנולוגי של קליפורניה (Caltech - California Institute of Technology) בשנת 1959. אולם, המחקר בנושא התפתח רק בשני העשורים האחרונים, מכיוון שהיישום של ננוטכנולוגיה תלוי בפיתוחים בתחומים אחרים.
בתחום הננו-חומרים מתוכננים חומרי בנייה חדשים עם תכונות מיוחדות, קלים וחזקים יותר, מבודדי אש וקולטי רעש, ציפוים שלא דורשים תחזוקה, חומרים דוחי מים ומשטחי חיטוי עצמיים.
הפיתוחים המבטיחים ביותר בתחום ננוטכנולוגיה בענף הבניה כוללים את השימוש בננוחומרים כגון פולרן (fullerene), וננו-צינוריות פחמן
ננו צינוריות פחמן (carbon nanotubes), המופיעות באיור-1 ובאיור-2, הן למעשה משטחי גרפן שנסגרו על עצמם.
תכונות חדשות של חומרים ואלמנטים לבניה משנות בהתאם את אופן השימוש בחומרים אלו על-פי חישובי חוזקם, עמידותם ואופן עיצובם, ובכך משפיעות על תפעול וניהול הבניה.
כמו כן מפותחים ננו-חיישנים לניטור ובקרה.
ניתן להשתמש בננוטכנולוגיה עבור תהליכי תכנון והבנייה במגוון רחב של תחומים, מכיוון שלמוצרים שבהם מעורבים ננוחומרים יש תכונות ייחודיות.
חומרים עם תכונות אלו יכולים באופן ניכר לתקן את בעיות הבניה הקיימות כבר וגם לשנות את הדרישות והארגון של תהליך הבניה.
ניתן להשתמש בננוחומרים כדי לקבל מגוון של תכונות:
מרכיבי בנייה קלים וחזקים יותר.
תכונות טובות יותר של חומרי ביטון.
הפחתת קצב העברה תרמית של מעכבי אש ובידוד והשבחתם.
הגדלת ספיגת רעשים של בולם אקוסטי.
הגדלת החזרת אור של זכוכית.
הרשימה הנ"ל היא חלקית בלבד.
בטון הוא אחד מן חומרי הבנייה הנפוצים ביותר בשימוש בבניה המודרנית.
תכונותיו נחקרו היטב ברמת המאקרו וברמה המבנית ללא השגת הבנה מלאה של תכונותיו ברמת המיקרו.
ההתפתחות המהירה של טכניקות ניסיוניות נותנת אפשרות לחקור את תכונות הבטון ברמות המיקרו מבנים והננו מבנים, דבר שבוצע בסיוע אמצעי הדימות השונים, מיקרוסקופ כוח אטומי -AFM, מיקרוסקופ אלקטרוני סורק - SEM ועוד.
נערכו מחקרים בתחום על מנת ללמוד על תהליך יצירת הצמנט לאחר הוספת מים באמצעות תגובת אלקלי סיליקט (ASR – Alkali–silica reaction).
צבירת ידע ושיפור בהבנה של מבנה והתנהגות הבטון ברמות המיקרו והננו עשוי לעזור בשיפורי תכונותיו של בטון.
כמו כן, הוספת של ננוחומרים לבטון יכולים לשפר את תכונותיו וביצועיו.
חוקר בשם Li, מצא בשנת 2004 שהוספת ננוחלקיקים של דו־תחמוצת הצורן (SiO2-silicon dioxide) משפרת בצורה משמעותית את דחיסת הבטון המכיל כמות גדולה של עפר וגם משפרת את התפלגות גודלי הנקבוביות על ידי מלוי הנקבוביות שנמצאות בין חלקיקי הבטון והעפר.
כמו כן, משתמשים בפיזור סלארי (slurry) של ננו-סיליקה אמורפית על מנת לשפר את הדחיסות של בטון.
בנוסף, ישנו דיווח על כך שהוספת כמות קטנה של ננו-צינורית של פחמן (1% מסך משקל הכולל של בטון אחרי ההוספה) יכולה לשפר את חוזק המבנה ללחיצה ולכפיפה זאת על מנת למנוע סדקים, המהווים בעיה גדולה במבנים רבים.
באוניברסיטת אורבנה-צ'אמפיין שבמדינת אילינוי ארצות הברית, עובדים על ריפוי מבנים באמצעות "סוכני" ריפוי הנמצאים בתוך מיקרו קפסולות.
קפסולות המכילות חומרי מוצא ליצירת פולימר באמצעות טריגר קטליטי כימי הנמצא בחומר הבנייה.
כאשר קפסולות מיקרוניות אלו נשברות על ידי הסדק, חומר המוצא לתגובת הפלמור משוחרר לתוכו ויוצר מגע עם הזרז (catalyst).
כתוצאה, מתרחש תהליך הפלמור, שגורם לשני קצוות של הסדק להיקשר אחד לשני.
חומר בנייה בעל תכונות של ריפוי עצמי יכול להיות שימושי במיוחד בתיקון של מיקרו סדקים ברציפים ועמודות של גשרים.
החיסרון הוא שלשם כך נדרשת הזרקה של חומר יקר לתערובת הבנייה.
פלדה היא חומר בנייה עיקרי.
התכונות הפלדה, כגון חוזק, עמידות לקורוזיה ויכולת הריתוך חשובות מאוד לעיצוב ובניה.
כבר בימי הביניים ידעו לייצר פלדה מחושלת במיוחד, כגון פלדת דמשק בה נתקלו עוד הצלבנים בדרכם לארץ הקודש, שלימים התברר כי השתמשו בחומרי ננו על מנת לייצר אותה כדי ליצור כלי נשק.
לצערנו, סוד הייצור של הפלדה זו אבד.
ארגון Federal Highway Administation) FHWA) ביחד עם המכון האמריקאי לברזל ופלדה וצי אמריקאי (U.S Navy) בשנת 1992 התחילו בפיתוח של פלדה חדשה דלת פחמן בעלת ביצועים גבוהים (HPS - High Performance Steel) לשימוש בגשרים.
פלדה חדשה זו פותחה עם תכונות עמידות לקורוזיה ויכולת ריתוך גבוהות באמצעות שילוב חלקיקי נחושת בגבולות גרעיני הפלדה.
Sandvik Nanoflex היא סוג חדש של פלדה בעלת חוזק גבוה במיוחד, יכולת עיצוב צורתיות וגימור פני השטח גבוהים שפותחה על ידי חברת Sandvik Nanoflex Technology.
הודות לביצועיה הטובים, סוג זה של פלדה מתאימה לשימושים הדורשים משקל קל וקשיחות המאפשרת כושר עיצוב טוב.
עבור יישומים מסוימים, רכיבים העשויים מפלדה זו יכולים להיות אפילו עוד יותר דקים וקלים מאשר אלו העשויים מאלומיניום או טיטניום, הודות לחוזק והאלסטיות הטובות במיוחד.
עמידות טובה לבלאי וקורוזיה תורמת להוזלת התחזוקה של המבנים העשויים מפלדה זו בכך שהיא מאריכה את זמן החיים של המבנים.
ניתן להשיג תכונות אלו על ידי עיבוד הפלדה בטכניקות שונות (על ידי שימוש בטכנולוגיות של חברת Sandvik Nanoflex Technology).
סוג נוסף של פלדה - MMFX2. נעשו בה שינויים ברמת הננו על ידי חברת MMFX Steel Corp.
בהשוואה לפלדה הרגילה, לפלדה זו יש תבנית שונה לחלוטין - מבנה פסיס למינטיבי (laminated lath structure) הדומה יותר ל"דיקט" ("plywood").
הודות לתבנית ייחודית זו, לפלדת MMFX2 יש חוזק מפליא במיוחד (עד פי שלושה מהפלדה הרגילה), משיכות, קשיחות ועמידות לקורוזיה טובים.
עקב עלויות גבוהות, חיזוקים מפלדת אל-חלד במבני בטון מוגבלים רק לאזורים בהם יש סיכון גבוה לשלמות המבנה.
השימוש בפלדת MMFX2 יכולה להיות אלטרנטיבה טובה מכיוון שיש לה עמידות לקורוזיה בדומה לפלדת אל-חלד, עם עלויות זולות בהרבה (לפי חברת MMFX Steel Corp).
ציפויים המשלבים בתוכם ננוחלקיקים וננו-שכבות מפותחים למטרות שונות.
ציפוי הוא אחד מן היישומים העיקריים של ננוטכנולוגיה בבניה, כך למשל, משתמשים בדו־תחמוצת טיטניום (TiO2 - Titanium Dioxide) לציפוי זכוכית למטרות חיטוי עצמי ומניעת עכירות לאורך הזמן.
דו־תחמוצת טיטניום תישבר ותפורר זיהום אורגני באמצעות תגובה קטליטית חזקה.
יתרה מכך, דו־תחמוצת טיטניום היא הידרופילית, תכונה מאפשרת למים להתפזר באופן שווה על פני הזכוכית ולשטוף את כל הלכלוך שנוצר.
פותחו ציפוים נוספים למטרות בנייה כגון ציפוי אנטי-גרפיטי (anti-graffiti), בקרה תרמית (טמפרטורה), מניעת השתקפות.
בעתיד הלא רחוק, ניתן יהיה להתקין ננו-חיישנים שיהיו מסוגלים לנטר אחר חוזק המבנה ולהתריע במידה ותהיה פגיעה בשלמותו.
זמן החיים של המבנים המנוטרים יוכלו לגדול פי חמישה מהמבנים של היום, הודות לתחזוקה מונעת קפדנית יותר וטיפול בתקלות מתקדם יותר שיתאפשר הודות לננו-חיישנים.
כמו כן, מבנים כאלו יוכלו לסגל את עצמם לטובת השוהים בהם, באמצעות וויסות הטמפרטורה לפי עונות השנה, תוך חיסכון באנרגיה הדרושה לכך.
חיישני מערכות ננו ומיקרו אלקטרומכניות (NMEMS - Nano and Microelectrical Mechanical Systems) כבר פותחו בעבר ונמצאים בשימוש בענף הבניה לצורך ניטור או/ו בקרה של תנאי הסביבה וביצועי המבנים/חומרים.
יתרון של החיישנים אלו הוא גודלם המיזערי.
חיישנים אלו יכולים להיות מותקנים בתוך המבנה בזמן תהליך הקמת הבניין.
התקן חכם, זול, מבוסס על פיאזו קרמיקה (pizoceramic-based) ורב שימושי כזה כבר נמצא בשימוש למטרות ניטור אחר תכונות הבטון בשלב מוקדם כגון עמידה ללחות, טמפרטורה וחוזק בשלב הראשוני
ניתן להשתמש בננו-חיישנים גם עבור ניטור אחר קורוזיה וסדקים.
שימוש נוסף בהתקנים חכמים אלו הוא בניטור תקינות המבנה לאחר הקמתו.
מערכת סגורה יכולה לנטר אחר לחצים פנימיים, סדקים וכוחות פיזיקליים אחרים הפועלים על המבנה לכל אורך זמן החיים שלו.
כך, חיישנים אלו מסוגלים לתת התראה מוקדמות על תקינות המבנה לפני שהכשל קורה ומחמיר במבנה.
בזמן שמוצרי בנייה מבוססי ננוטכנולוגיה מציעים יתרונות רבים לתהליכי תכנון ועיצוב הבניה, ייצור של מוצרים אלו מצריך השקעה רבה.
בנוסף, ישנה אי ודאות אודות התכונות הטוקסיקולוגיות של הננוחלקיקים היכולות לסכן את בריאות הפועלים, שכן חשיפה לחלקיקים אלו יכולים להיגרם נזקים כבדים.
בנוסף טכנולוגיה זו מהווה אתגר סביבתי.
מכיוון שלענף הבניה יש השפעה רבה על צמיחה כלכלית והוא צורך כמות גדולה של משאבים והשקעה רבה, השפעתו על הסביבה היא משמעותית ביותר.
לכן נוצר צורך דחוף והכרחי להסדיר ולמסד את הנושאים הנוגעים בענף הבניה והשפעתו על הסביבה.
כך נוצר המצב שננוטכנולוגיה מתפקדת למעשה כחרב פיפיות עבור ענף הבניה.
נדרשים עוד מחקרים ומאמצים בעריכת ניסויים רבים נוספים כדי להגיע לכך שפרויקטי בנייה יהיו חכמים, כך שהמבנים יהיו נתונים לתחזוקה חכמה, דבר שיחסוך הרבה אנרגיה, משאבים וימנע נזקים לאיכות הסביבה.
יש הכרח בשימוש בננוטכנולוגיה ירוקה וידידותית לסביבה כדי למנוע נזקים בעתיד.
ננוטכנולוגיה צבאית מהווה את כלל השימושים הצבאיים והביטחוניים בטכנולוגיות ננו מנת להקנות לצבא עליונות טכנולוגית בשדה הקרב.
בין המטרות השונות להטמעת הננוטכנולוגיה בצבא: שיפור יכולות התקשוב, שיפור הטיפול בנפגעים, ייצור של חומרים חדשים אשר יאפשרו בניה של כלי נשק וכלי מגן חדישים, וייצור כלי נשק מבוססי ננוטכנולוגיה.
התפתחות הטכנולוגיה והתפתחות הטכנולוגיות הצבאיות הולכות בד בבד ומזינות זו את זו.
הננוטכנולוגיה הוא ענף טכנולוגי מפציע המתפתח במהירות ונותן את אותותיו בפיתוחים טכנולוגיים צבאיים.
התקדמות גדולה במחקר בשנים האחרונות הביאה לכך שפיתוחים שונים כבר נמצאים בשירות צבאות בעולם, ופיתוחים רבים נוספים הם בשלבי פיתוח שונים.
כיום ניתן לראות את ניצניה של הננוטכנולוגיה בשירות הצבא במגוון תחומים: בתחום הננוחומרים אשר משמשים לפיתוח חומרי מיגון כגון קסדות העשויות חומרים קלים וכלי נשק אישיים אשר הונדסו להיות עמידים וקלים יותר, בתחום הננואלקטרוניקה והננופוטוניקה בשימושים תקשוביים ורפואיים שונים.
תחום האלקטרוניקה הוא חלק אינטגרלי מכל צבא מודרני עתיר טכנולוגיה.
הננואלקטרוניקה היא חלק אינטגרלי ממערכות תקשוב הכוללים: מכשירי קשר, מכשירי האזנה וריגול, מערכות פיקוד, שליטה ובקרה שונים, טילים ואמצעי לחימה (מרגמת קשת, טילים ופגזים שונים), כלי טיס, "רשת שדה קרב" מאובטחת ורחבת סרט (צי"ד), רובוטיקה ועוד.
חרקים רובוטיים נמצאים בשימוש בשנים האחרונות על ידי סוכנויות ביון וצבאות שונים, ומשמשים עבור איסוף מודיעין וריגול, זיהוי חומרים מסוכנים, חיפוש נעדרים לאחר אסונות טבע, ועוד.
רובוטים אלו מכילים פונקציות רבות המגיעות ישירות מתחום הננוטכנולוגיה- מערכות אגירת האנרגיה שלהם מהונדסות ברמה המולקולרית לקלוט ולאחסן אנרגיה כאשר הרובוט שוהה בשדה אלקטרומגנטי (לדוגמה: ליד מקור מתח, רשת אלחוטית, קרינה אלקטרומגנטית).
המכשור אותו נושא הרובוט גם הוא ננוטכנולוגי באופיו, החל משבבי השליטה והתקשורת ועד למצלמות או ציוד ההאזנה.
חיישנים ביולוגיים הם חיישנים המחקים פעולה ביולוגית כלשהי על מנת לקבל נתונים מהסביבה.
שימוש בחיישנים מסוג זה נפוץ ביותר בצבאות שונים, החל מ"הרחת" חומרי נפץ, גילוי חומרים כימיים וביולוגיים, זיהוי תנועות במרחב, ועוד.
חיישנים אחרים קולטים אותות אלקטרומגנטים, יכולים להשתלב במבנה המולקולרי של אריגים שונים ולשמש כתחליף לאנטנה עבור אמצעי תקשוב שונים.
תחום הננוחומרים מיושם בבניית כלי נשק מחומרים אשר הונדסו במיוחד על מנת להיות קלים וחזקים (סיבי פחמן, לדוגמה).
דוגמה לנשק הבנוי מחומרים מסוג זה הוא רובה ה"תבור" הישראלי, המורכב מחומרים אשר תוכננו במיוחד על מנת לאפשר תכונות של קשיות, משקל קל ועמידות.
סריגים וחומרים בעלי תכונות מיוחדות
ננוחומרים שונים מתוכננים ברמה המולקולרית כך שיהיו בעלי תכונות שאינן קיימות בחומרים הנמצאים בטבע באופן רגיל.
חומרי הסוואה - חומרים אלו בנויים ברמה המולקולרית כך שיבלעו או יפזרו הדי מכ"ם.
חומרים אלו מהווים מעין עטיפה המאפשרת חמקנות ואי-גילוי על ידי מכ"ם.
בשנים האחרונות ישנו פיתוח של חומרים המפזרים חום ו"מסתנכרנים" עם טמפרטורת הסביבה, על מנת לאפשר חמיקה מאמצעים לראיית לילה ולראייה תרמית.
"שריון קל"- פיתוח של ביגוד וסריגי לבוש המכילים חומרים כגון סיבי פחמן או סגסוגות מהונדסות שונות, כדוגמת שריון הגוף מסדרת "terminator" של תעשיות בורק המכיל שגשוגות שונות בשילוב סיבי פחמן.
שריון מסוג זה קל וגמיש ביותר, אך עמיד מאוד לפגיעות נקודתיות בעצמה גבוהה, כגון פגיעות קליעים או רסיסים.
דוגמה נוספת לכך היא הקסדה הקלה החדשה שבשימוש היחידות הלוחמות בצה"ל, העשויה סיבי פחמן.
סריגי לבוש שונים מאפשרים מעבר אוויר ו"נשימה" של הבגד על מנת לאפשר לחייל הלובש את הסריג לא לאגור חום רב מדי בין הגוף לבגד, לנדף זיעה ועוד.
חומרים בעלי תכונות מיוחדות שונות
חומרים אשר הונדסו ברמה המולקולרית על מנת לקבל תכונות של עמידות לחום גבוה, עמידות ללחץ, גמישות גבוהה וכו'.
חומרים מסוג זה מאפשרים בנייה של כלי נשק טובים ואמינים יותר, ציוד קל וחזק יותר, ומיגון טוב ואמין.
בנייה של כלי רכב מחומרים מסוג זה מגנה להם תכונות של משקל קל ועמידות לירי.
כיום ישנם בפיתוח נשקים ביולוגיים וכימים שונים על טהרת הביוננוטכנולוגיה.
מחקרים שונים מתבצעים על מנת למצוא רעלים שונים אותם ניתן להכיל בנשקים להשמדה המונית.
בנוסף, הננוטכנולוגיה מקנה פתרונות ל"אריזת" החומרים הללו.
אחת מהבעיות העיקריות בנשקים מסוג זה היא אי עמידות החומר ב"מסע" אותו הוא עובר עד היעד, או אי הישרדותו לאחר פיצוץ הטיל או הפגז בו הוא מובל.
חומרים מולקולריים שונים מקנים פתרונות לעמידות הכימיקלים והאמל"ח הביולוגי, ומאפשרים את שרידותו עד להגעתו למטרה.
עם התקדמות הננוטכנולוגיה, ניתן לחשוב על שימושים עתידיים רבים אשר ישמשו בשדה קרב בשנים הבאות- החל מחומרים קלים וחזקים המאפשרים שרידות כלי רכב וחיילים, ועד למערכות רפואיות מתקדמות המבוססות על ננורובוטיקה והביוטכנולוגיה המאפשרות איחוי פציעות כבר בשדה הקרב.
עוד אמצעים כגון: ננורובוטים המפרקים כלי אויב תוך שכפול עצמי, כלי נשק ביולוגיים משתיקים ואינם הורגים, אמצעי תקשורת ותקשוב זעירים אשר ישתלבו בבגדיו ואף בגופו של הלוחם, ועוד.
למרות היתרונות הרבים בשימושים הצבאיים בננוטכנולוגיה, הן בשדה הקרב והן בשימושים לא קרביים, ישנן מספר סוגיות וחששות עליהן יש לתת את הדעת:
כמו כן, התפתחות של כלי נשק להשמדה המונית מבוססי ננוטכנולוגיה (כגון ננורובוטים נושאי רעלנים) עלולים להביא למרוץ התחמשות ולנפגעים אזרחיים רבים.
ננואלקטרוניקה היא השימוש באמצעים מתחום הננוטכנולוגיה לצורך יישום רכיבים והתקנים אלקטרוניים בקנה מידה ננומטרי, והיא תת-תחום של האלקטרוניקה והננוטכנולוגיה.
ננואלקטרוניקה היא תחום מדעי טכנולוגי העוסק ביישום התקנים אלקטרוניים ממבנים הקטנים מ-100 ננומטרים ובחקר העקרונות הפיזיקליים של פעולת התקנים אלו.
הננואלקטרוניקה התפתחה מתוך המיקרואלקטרוניקה עם ההתקדמות הטכנולוגית בתהליכי המזעור.
תחום זה מקיף באופן נרחב חומרים והתקנים ממוזערים רבים אשר המשותף להם הוא גודלם הקטן מאוד עד כדי הופעת אינטראקציות בין אטומיות במרכיביהם ותופעות הנשענות על חוקי המכניקה הקוונטית.
כמו כן, ננואלקטרוניקה כוללת שיטות ייצור חדשניות ותהליכים מיוחדים לצורך מזעור התקנים אלו.
ננואלקטרוניקה אינה מתייחסת רק לגודלם הזעיר של חומרים והתקנים אלקטרוניים, אלא גם לתופעות ולמנגנונים המופיעים בקנה מידה ננומטרי זה.
בדומה להתקני מיקרואלקטרוניקה, התקני ננואלקטרוניקה עשויים בדרך כלל (אך לא בהכרח) מחומרים מוליכים למחצה.
לרכיבים רבים הבנויים בתכנון של מיקרואלקטרוניקה וננואלקטרוניקה קיימים רכיבים שקולים בהתאמה מעולם המאקרו אלקטרוניקה המוכר - אלו כוללים טרנזיסטורים, קבלים, סלילים, נגדים, דיודות, מוליכים, מבודדים וחיווט חשמלי.
טכניקות חיווט ייחודיות שהן יקרות ודורשות ציוד מיוחד, כגון הצמדה-חוטית , נמצאות בשימוש לעיתים קרובות בתהליכי מיקרואלקטרוניקה בגלל ממדיהם הזעירים של מגעי הרכיבים.
הרעיון של שימוש וניצול העולם הננומטרי הוצע לראשונה על ידי ריצ'רד פיינמן בשנת 1959, אבל יכולת המימוש הפכה אפשרית רק בשני העשורים האחרונים.
העולם המיקרומטרי והננומטרי (העולם הקטן במיוחד) הוא מקום מרוחק מאוד מאיתנו במובנים מעשיים - אנחנו לא יכולים לראות או לגעת בו.
מיקרוסקופים אופטיים סטנדרטיים לא יכולים לדמות ולספק תמונות של משהו קטן יותר מאורך הגל של האור הנראה, כלומר כל אובייקט קטן יותר מ-380 ננומטר.
בקנה המידה של כמה עשרות ננומטרים, גדלים מסוימים של האלמנטים נעשים קרובים מאוד ודומים לערכים פיזיקליים בסיסיים כגון מרחק אפקט המיגון, נתיב ממוצע של האלקטרון , אורך גל דה ברולי, שבהם מופיעים השפעות פיזיקליות חדשות.
במשמעות זו נידונות גם כמה מגבלות פיזיקליות בסיסיות ביכולות של התקנים אלקטרוניים בקנה מידה שכזה.
בכך הננואלקטרוניקה שונה מן המיקרואלקטרוניקה אשר נשענת על החוקים המקרוסקופיים של הפיזיקה הקלאסית והמכניקה הקלאסית.
בשנת 1965 גורדון מור צפה כי טרנזיסטורי הסיליקון נמצאו בתהליך מתמיד בהקטנת קנה מידתם, תצפית שמאוחר יותר נקראה בשם חוק מור.
חוק מור מתקיים על פי היכולת לכווץ ולהקטין את גודלם של הטרנזיסטורים – המעגלים שמעבירים את האותות החשמליים.
על ידי הקטנת גודל הטרנזיסטור והמעגלים המשולבים ניתן לצופף כמות טרנזיסטורים רבה יותר בכל שבב.
החוק קבע כי כל 18 עד 24 חודשים כמות הטרנזיסטורים שיכיל כל שבב אלקטרוני תוכפל.
מאז, גודל המאפיין המינימלי (Minimum feature size) שבטרנזיסטור ירד מסביבות ה-10 מיקרומטר לטווח שנע בין 22 ל-28 ננומטר בשנת 2011 ו-12 ננומטר בשנת 2015 כמתואר בגרף גודל המאפיין המינימלי לפי שנים.
חוק זה נתן למתכנני הננו-מעגלים המשולבים תמריץ גדול יותר (ותקווה) במטרה לנסות ולשלב תכונות חדשות על פני מצעי הסיליקון במטרה לצופף כמה שיותר טרנזיסטורים, וניתן לומר שתחזית זו הפכה לנבואה שמגשימה את עצמה בשל העובדה שתעשיית המוליכים למחצה הציבה את חוק מור כיעד ייצורי.
תחום הננואלקטרוניקה הוא מימוש חוק זה על ידי ניצול שיטות וחומרים חדשים מעולם הננוטכנולוגיה לצורך בניית התקנים אלקטרוניים בעלי גודל מאפיין מינימלי בקנה מידה ננומטרי.
עם זאת, כמות טרנזיסטורים רבה יותר פירוש הדבר יותר חשמל ולכן יותר חום הדחוס בחלל קטן יותר.
יתר על כן, שבבים אלקטרוניים קטנים יותר אולי מגדילים את הביצועים אך כאן קיימת בעיית המורכבות והסיבוכיות של פס הייצור – נדרשת טכנולוגיה מורכבת ומסובכת יותר המתבססת על עקרונות הננוטכנולוגיה.
תכונות הגל של האלקטרונים בתוך כל חומר מושפעות מאוד משינויים המתרחשים בקנה המידה הננומטרי.
הארגון השיטתי של חומרים בקנה מידה ננומטרי מהווה אופיין בסיסי מאוד בטבע במערכות ביולוגיות.
הננוטכנולוגיה מאפשרת למקם רכיבים והתקנים מלאכותיים בתוך תאים חיים, ובכך ליצור חומרים חדישים בקנה מידה ננומטרי וזאת תודות לשיטות הרכבה עצמית של הטבע.
לחומרים ולמרכיבים ננומטריים יש שטח פנים גבוה מאוד ביחס לנפחם, מה שהופך אותם אידיאליים לשימוש בחומרים מרוכבים למיניהם (לחיזוק שלדת מטוסים לדוגמה), בתחומי שיגור תרופות ואגירת אנרגיה.
גודלו הסופי של גוף החומר בקנה המידה הננומטרי (והמולקולרי) ביחס לגודלו האינסופי לכאורה של חומר רציף וגדול ברמת ה משפיע בכך שהחומר הננומטרי מתנהג באופן שונה בתכונותיו ובעל השפעות מתח פנים ואפקטים אלקטרומגנטיים מקומיים שונים, שהופכים את חומרי הננו לקשים ביותר ופחות שבירים, כדוגמת הננושפופרות פחמן.
מלבד התופעות וההשפעות המופיעות בקנה מידה זה יש להזכיר את המשמעות של המעבר בין גדלים הקטנים מננומטר (כמו רדיוסי האטומים של היסודות המחזוריים בטבע שגודלם נע בין 0.3 אנגסטרם ל-3 אנגסטרם), לגדלים בקנה המידה הננומטרי ומעלה (כמו מולקולות של חומרים, תרכובות, סגסוגות, וכו').
האטום לבדו מהווה יסוד ואבן בניין של הטבע, אך צירופם של מספר אטומים יחדיו (על ידי יצירת קשרים חשמליים, קשרי מימן, קשרים כימיים, קשרי ואן דר ואלס, קשרים קוולנטים, וכדומה) יוצרים למעשה את המולקולות שלהן תכונות ותופעות מיוחדות וייחודיות.
האטומים (שהם אוסף של אבני בניין) שמספרם מוגבל בונים יחדיו אין סוף סוגי מולקולות ותרכובות היוצרים חומרים בעלי תכונות שונות.
ייצור בקנה מידה ננומטרי מתייחס לשימוש בטכניקות ואמצעים מיוחדים (המבוססים על עקרונות בנייה המוכרים לנו מעולם המיקרואלקטרוניקה ומהעולם הביולוגי), כגון:
טכניקת ננוליתוגרפיה הפועלת על פי עקרון בנייה מלמעלה-למטה או בשילוב עקרון הבנייה מלמטה-למעלה זאת בהשראה ממערכות ביולוגיות.
תהליכי בנייה מלמטה-למעלה מבוססי תהליך הרכבה עצמית (SAM) כמו הרכבה עצמית של חלקיקים בקנה מידה ננומטרי והרכבה עצמית של חלקיקים בקנה מידה מולקולרי .
דוגמאות ייצור נפוצות הם בניית טרנזיסטור אלקטרון בודד (SET - Single electron transistor) על ידי שימוש בננוליתוגרפיה וגידול תעלת ה-SET על ידי SAM, בניית מערכות ננואלקטרומכניות (מוכר גם כ-NEMS), בניית ננו-מעגלים וגידול מערכים מקבילים וצפופים במיוחד של ננוחוטים.
אפיטקסיית קרן מולקולרית בה מגדלים שכבות דקות של גבישים יחידים באופן אפיטקסיאלי (גידול שכבה גבישית כיוונית, על פני משטח חומר גבישי אחר שהוא בעל הרכב כימי שונה אך בעל מבנה זהה).
תהליך שיקוע על ידי אדי גז שהוא תהליך בעל דיוק רב מאוד.
גידול ננוחוטי סיליקון המיוצרים בשיטת Vapor liquid solid (VLS).
בנוסף קיימות שיטות אחרות המוכחות כיעילות ביישומי ננואלקטרוניקה, למשל סינתזת יונים (Ion synthesis) וננוליתוגרפיה.
ככל שטכניקות הייצור משתפרות, גודל התקני המיקרואלקטרוניקה ממשיך לרדת.
בקנה מידה קטן יותר קיימות השפעות בתכונות עצמותיות (אינטרינזיות) של המעגל האלקטרוני, כדוגמה השפעה הדדית בין מחברי המעגל עקב תופעות קוונטיות הנעשות יותר משמעותיות ככל שקנה המידה קטן.