הדפסה

קטן, קטן אבל יש בו המון- ננוטכנולוגיה כטריטוריה חדשה

on .

הננוטכנולוגיה תלך ותתפוס מקום מרכזי בחיינו בעשורים הבאים. חלק ניכר מההתפתחות כולל מיזעור בשטחים קיימים כמיקרואלקטרוניקה, אלקטרואופטיקה, דיאגנוסטיקה רפואית, ועוד. וחלק כולל רתימת התכונות הייחודיות למערכות ננומטריות. אך אבן הבוחן היא באיזו מידה תפרוץ הננוטכנולוגיה את הגבולות הקונספטואלים של ההנדסה הנוכחית.

ננו מקושר אינטואטיבית למילה מזעור וכדי להמחיש את מושג המזעור נסתכל על ננומטר מעוקב אחד, בו נכנסים 125 אטומים, וזהו גם גודל לבסיס דנ"א הצופן בתוכו את המידע הגנטי שלנו. בדנ"א המידע מקודד ע"י 4 חומצות גרעין בדומה לאחסון דיגטלי המבוסס על 4 ביטים בזיכרון, גודל ביט שכזה בביולגיה, הוא 1 ננומטר.

אם כך ניתן להסיק כי המזעור יעיל במיוחד לאגירת מידע. אם ניקח את כל המידע שהאנושות אספה במהלך כל ההיסטוריה (טקסט, תמונות, ארכיטקטורה וכו'), ניתן לשמור את כל המידע ב  ביטים. בשביל לשמור את המידע הזה דרושים אלפי קילומטרים של hard-disk עם בסיס של 10 ס"מ, לעומת זאת לאגירת המידע בסיביות של ננומטר מעוקב כמו שקורה בטבע, דרוש נפח הנכנס לקובית סוכר. השאלה המתבקשת היא האם יש גבול לכמות המזעור בו ניתן לאגור מידע?

על מנת לענות על שאלה זו יש להסתכל על היבט נוסף והוא המורכבות. החלק הקשה הוא לא הכתיבה במימדים קטנים אלא איך מבצעים מניפולציה של מידע בסדרי הגודל הללו. בעשרה ננומטר ניתן לראות שלושים בסיסים של דנ"א ולכן ניתן לקודד מידע משמעותי, אך ברגע שעוברים לעשירית ננומטר ומגיעים לסדרי גודל של אטומים אין לנו שום מידע ואבדה כל המורכבות. לכן הננומטר היא אבן הבניין הקטנה ביותר שיכולה לאגור מידע, וכוללת מידת סיבוכיות המאפשרת איזושהי פונקציה. ולכן לא סביר שנצליח לבנות טכנולוגיה המושתת על גדלים הקטנים מננומטר.

חלק מרכזי בננוטכנולגיה הוא להבין מה קורה בהקטנת המימדים, אחד השינויים הוא השינוי בגיאומטריה. אם נסתכל על קוביה יש לה יחס מסוים בין נפח לשטח הפנים, כאשר אנו מקטינים את הקוביה, הנפח קטן בצורה משמעותית לעומת שטח הפנים, כך שעם הקטנת הקוביה היחס בין הנפח לשטח הפנים הולך וקטן, כלומר בננומטר האטומים נמצאים על פני השטח, ולכן החלקיקים הקטנים הללו יותר פעילים כימית. בנוסף, העולם המיקרוסקופי הוא עולם איזותרמי (בו הטמפ' נשארת אחידה במרחב) זאת כיוון והולכת החום גדולה יותר מכושר ייצור החום. היבט נוסף במזעור הוא שהננוטכנולוגיה נעשת בעיקר בתמיסות בהם החלקיקים מתנגשים ללא הרף אחד בשני ועל החלקיקים להתגבר על כוח חיכוך בעל משמעות יותר ניכרת מזו שבעולם המאקרוסקופי. בנוסף המימדים הקטנים מביאים לידי ביטוי את אופיים הגלי של אלקטרונים. ניתן לסכם ולומר כי המימדים הקטנים מביאים ביטוי שונה של חוקי הטבע המוכרים לנו באוביקטים גדולים, ולכן חלק גדול בננוטכנולוגיה הוא להבין כיצד משתנים חוקי המשחק של הכימיה.

אחד השווקים הגדולים של ההנדסה הכימית הוא אנזימים, חלבונים שיודעים לזרז תהליכים כימים מסוימים. אנזים הוא חלבון מורכב, ולכן הבנת דרכי פעולתו מוגבלת לנו ומציבה בעיה בתכנון אנזים חדש כרצוננו. עם זאת על מנת ליצר אנזים חדש אנו מחקים את הטבע בכך שאנו בוחרים אנזים קיים הנוצר בעקבות תרגום גנים ומבצעים תהליך דומה לאבולציה לקבלת אנזימים שעובדים ביעילות טובה יותר, המתאימה לתעשייה. אנו פותרים בעיה שקשה לפתור עם הידע הקיים ע"י אסטרטגיה של אבולציה והסתמכות על משהו שעובד מבלי שנדע כיצד הוא פועל ברמה הסופית .

אסטרטגיית אבולציה מכוונת אינה ניתנת ליישום בכל תהליך שכן תהליך אבולציוני דורש זמינות גבוהה של אבני בניין של החומר וזמן ייצור נמוך, דבר שלא קיים בתעשייה הקונבנציונלית כמו תעשיית ייצור המכוניות. הננוטכנולגיה בניגוד להנדסה המקובלת כיום היא בעלת אבני בניין זולות הניתנות לייצור המוני בזמן קצר יחסית.

הננוטכנולגיה היא יותר מטכנולוגיה ממוזערת והיא אף יותר קרובה לביולוגיה מאשר להנדסה ידי אדם. ולכן מהווה פרק חדש במדע שאת אופקיו אנו רק מתחילים לחקור.

 {youtube}d9xrrqeV_B4{/youtube}

FaLang translation system by Faboba