|
|
|
|
||
|
חלומות ענק על מימדי ננס
ד''ר אהרון האופטמן |
|||||
|
|
|||||
| על התפתחות הננוטכנולוגיה, המבשרת (אולי) את המהפכה התעשייתית הבאה | |||||
| חפשו "ננוטכנולוגיה" באינטרנט ותוצפו באוקיאנוס של מידע - עשרות אלפי דפי רשת כשמאמר זה נכתב לראשונה, ומעל 4 מיליון דפים כיום. נשיא ארה"ב מכריז על "יוזמה לאומית לננוטכנולוגיה". חתן פרס נובל, ריצ'רד סמולי, צופה שזו תהיה אחת הטכנולוגיות החשובות ביותר של המאה ה-21, אם לא החשובה שבהן. אוניברסיטאות בישראל מקימות מרכזי מחקר מיוחדים לננו-מדע וננוטכנולוגיה. על מה כל הרעש? ננוטכנולוגיה היא טכנולוגיה "מפציעה" – כל עתידה עוד לפניה. וכנראה שנכון לה עתיד גדול. היא מבוססת על יכולת שכבר קיימת כיום, אמנם ראשונית אך מרשימה, לבצע מניפולציות במולקולות ואטומים בודדים: להזיזם ממקום למקום, ולסדרם בתצורות שונות. הקידומת "ננו" (מקורה הלשוני מ"ננוס" ביוונית או "ננס" בעברית) קשורה ליחידת האורך "ננומטר" - מיליונית המילימטר או אלפית המיקרון – כגודל מולקולות מסוימות. המעגלים האלקטרוניים הזעירים ביותר, ב"שבבים" שתעשיית המיקרואלקטרוניקה יודעת לבנות היום, גודלם פחות ממאה ננומטרים. מבחינה זאת, האלקטרוניקה נכנסה כבר לעידן הננו, ועלינו להשתמש במילה "ננואלקטרוניקה" במקום "מיקרואלקטרוניקה". הגודל קובע, אבל לא רק הגודל. 100 ננומטרים זה עדיין גודל ענק לעומת היעד של הננוטכנולוגיה המולקולרית, החותרת לשינוי תפיסה מהותי: לבנות דברים מאטומים ומולקולות, אבני היסוד של הטבע, משל היו קוביות "לגו" בידי ילד או ילדה. אטומים כקוביות לגו? וכי אפשר לאחוז אטום בודד? אפשר גם אפשר – אם כי לא בדיוק ביד. סיפורה של הננוטכנולוגיה הוא סיפור מרתק שמעורבים בו חלומות של סופרי מדע בדיוני בצד חזונות של מדענים חתני פרס נובל, הגיגים של פנטזיונרים מול חששות של ספקנים, ראיה מפוכחת של אנשי טכנולוגיה מעשיים, מול נבואות של רואי שחורות. היום מעורב בסיפור גם כסף – ובעתיד הלא רחוק, הרבה מאוד כסף. זו גם דוגמה יוצאת דופן של מפגש בין חשיבה מדעית נועזת, אפילו ספקולטיבית, לבין חשיבה טכנולוגית-חברתית-כלכלית המנסה להעריך את המשמעויות מרחיקות הלכת של טכנולוגיה שתוצריה חבויים עדיין בעתיד, הקרוב או הרחוק. קח את X, פרק אותו לאטומים, ובנה מהם את Y הרעיון העקרוני אפילו אינו ממש חדש. ב-1959, נתן הפיסיקאי הנודע ריצ'רד פיינמן (שזכה כעבור שנים אחדות בפרס נובל לפיסיקה על מחקרו באלקטרודינמיקה קואנטית) הרצאה במכון הטכנולוגי של קליפורניה (CalTech), תחת הכותרת "יש עוד שפע של מקום בתחתית" – ציון דרך בתולדות הננוטכנולוגיה (אף כי המונח עצמו עדיין לא היה אז בשימוש). פיינמן טען באוזני הקהל הנדהם שאין שום חוק פיסיקלי השולל את האפשרות "לשחק" באטומים בודדים ולארגן אותם כרצוננו, אחד אחד. "זו התפתחות בלתי נמנעת," טען, וגם התנבא שיבוא יום שבו, אם יזדקק לניתוח, הוא לא יפקיר את עצמו לידיו של מנתח אלא פשוט יבלע אותו – רמז ל"ננו-רובוט" רפואי המשייט בתוך גופנו ושיוזכר בהמשך המאמר. הוא גם התווה את הנתיב העקרוני למימוש היכולת הננו-טכנולוגית: כלים מכאניים הבונים כלים קטנים יותר, אלה בונים כלים קטנים עוד יותר, וכך הלאה – עד ל"תחתית", כלומר עד לרמה האטומית. ייתכן שפיינמן הושפע מסיפור מדע בדיוני בשם "וולדו" מאת רוברט היינליין, משנת 1942, שתיאר מערכת דומה של "ידיים" רובוטיות ההולכות ומתמזערות (אלא שאצלו התהליך לא הגיע עד לאטומים אלא "רק" לתאים חיים שבהם ה"ידיים" הזעירות ביצעו כל מיני מניפולציות). פיינמן דיבר למעשה על שכלול פנטסטי של תהליך ה-Top-Down, המזעור "מלמעלה למטה" המקובל בתעשיית האלקטרוניקה (וזאת בימים שלפני עידן המיקרואלקטרוניקה). בשנת 1981 תיאר לראשונה אריק דרקסלר, מי שהפך לאחר מכן מעין "גורו" של חסידי הננוטכנולוגיה, גישה חדשה בתכלית, מהפכנית – בניית אובייקטים בדרך של Bottom-Up – מהאטומים הבודדים, אטום אחר אטום (או מולקולה אחר מולקולה), כלפי מעלה, עד למוצר המבוקש. כל זה היה אז תיאורטי לחלוטין, ודרקסלר נראה בעיני רבים כפנטזיטונר השוגה באשליות. ב-1986 משתלב בסיפור פרס נובל נוסף, שהפעם קשור ישירות לעולם הננו. הפרס ניתן להיינריך רוהרר וגרד ביניג ממעבדות IBM בציריך, על המצאת המכשיר שסלל את הדרך למימוש, ולו חלקי והתחלתי, של החלום: ה-STM – "מיקרוסקופ מינהור סורק". הממציאים התכוונו בעצם "בסך הכל" לחקור חומרים ברזולוציה אטומית: לראות (או מוטב לומר "לחוש") אטומים נפרדים – יכולת שאין ערוך לחשיבותה למחקר במדעי החומרים. לב המכשיר היא מחט חדה ביותר, הסורקת את פני החומר הנבדק. אלקטרונים קופצים מחוד המחט אל האטום הקרוב שמתחת (זהו "מינהור" – אחת המוזרויות של פיסיקת הקוואנטים). זרם האלקטרונים נמדד ו"מתורגם" להדמיה ממוחשבת –שבה האטומים של החומר הנבדק נראים כגבשושיות ברורות. למרבה ההפתעה התברר, שנים אחדות אחרי המצאת המכשיר, שתוך בקרת "זרם המינהור", ניתן "לתפוס" אטום רצוי (הוא מתנתק מפני החומר ונצמד אל חוד המחט), להזיזו ממקומו, ולהניחו במקום אחר. זו כבר היתה מהפכה אמיתית: לראשונה עמד לרשות האדם כלי לאחיזה באטומים בודדים ולסידורם במבנה רצוי. ולא רק זאת. מדענים הצליחו גם למקם שני אטומים של חומרים שונים במקום מסויים על פני משטח, לקרבם זה לזה ולגרום לתגובה כימית ויצירת מולקולה רצויה, בדיוק במקום הרצוי - יכולת שמבשרת כימיה מסוג חדש (ננו-כימיה, או מכנו-כימיה), שבה יש שליטה מלאה, בדיוק אטומי, על התרכבות אטומים למולקולות. מגלריית האמנות של מיקרוסקופ המינהור הסורק ועד ל"מאגדים אוניברסליים" באתר האינטרנט "גלריית STM” של מעבדות IBM אפשר להתפעל מאוסף של "יצירות אמנות" - סידורים יפיפיים של אטומים שנעשו בSTM. מכאן הדרך קצרה להתפרעות הדמיון באשר לאפשרויות העתידיות של "ננו-הנדסה". אריק דרקסלר, "נביא" הננוטכנולוגיה המולקולרית, כתב ספר הנדסי שלם על "ננו-מערכות": מיסבים, גלגלי שיניים, זרועות רובוטיות – כולם מאטומים בודדים. חלק מהקהיליה המדעית הגיב בספקנות מוחלטת. אחרים אימצו בהתלהבות את חזון "הייצור המולקולרי": הרי כל דבר בעולם עשוי ממולקולות ואטומים, אז למה שלא יפותחו בעתיד "מאגדים אוניברסליים" (universal assemblers), מעין רובוטים זעירים שיוכלו לפרק כל דבר לאטומים, ולבנות מזה כל דבר אחר שנחפוץ בו. שוו בנפשכם שאי-מתי בעתיד נוכל "להוריד" מהאינטרנט תוכנה עם המבנה המולקולרי של מוצר כלשהו, כולל הוראות הרכבה, לחבר למתקן ייצור ביתי (בצרוף מעט אשפה כחומר גלם), ללחוץ על כפתור – וחיש מהר המוצר המבוקש (אולי סטייק עסיסי?) מוכן לשימוש. אותו מתקן מופלא יוכל גם לשכפל את עצמו, כמובן – לפי חזון הננוטכנולוגיה בנוסח דרקסלר. הקץ למפעלי הייצור המזהמים, הקץ למחסור ולרעב – וברוך בואכם לעידן השפע האולטימטיבי! מימוש החזון הזה עדיין רחוק מאוד – ויש אומרים, גם בלתי אפשרי. דון אייגלר, המדען מ-IBM שגילה את יכולת המניפולציה של ה-STM, אמר בזהירות שלפי שעה קשה לחשוב על שימוש תעשייתי מעשי, אלא רק על מחקר. התהליך אטי מדי, מסובך, לא מכל מולקולה ניתן לבנות תצורות, ואם ניתן – אז רק תצורות שטוחות, דו-ממדיות. ובכל זאת, בטווח הקרוב צפויים יישומים ראשונים של מדע הננו – למשל, ננו-אלקטרוניקה מולקולארית, שתחליף את המיקרואלקטרוניקה. התוצאה: מעגלים אלקטרוניים מולקולריים, אולי כאלה ש"בונים את עצמם" או "צומחים" בדומה לתאים ביולוגיים - ומכאן מחשבים מהירים ויעילים יותר, המעמידים בצל את שיא השכלולים של היום (למשל, מחשבי-על בגודל של קוביית סוכר). גם תחום ה-MEMS (מערכות מיקרו-אלקטרו-מכאניות, המשמשות כיום בין היתר במנגנוני ההפעלה של כריות אוויר במכוניות או בראשי מדפסות הזרקת-דיו) יהפוך בהדרגה ל NEMS (הקידומת "מיקרו" תוחלף ב"ננו"), כאשר ממדי המרכיבים המכאניים והאלקטרוניים יירדו לעשרות ננומטרים או ננומטרים בודדים. יישום חשוב נוסף של המחקר בננו-מדע הוא פיתוח של חומרים חדשים, בעלי תכונות מיוחדות, תוך בקרת המבנה המולקולרי. משפחה מעניינת במיוחד של חומרים הם ה"פולרנים" (Fullerenes) - מולקולות ענק הבנויות מאטומי פחמן. כאן אנו מגיעים לפרס נובל נוסף שהוא ציון דרך בהתפתחות הננוטכנולוגיה, וקושר בברור תגלית מדעית חשובה עם יישומיה הטכנולוגיים העתידיים. הפרס הוענק בשנת 1996 לשלושה מדענים: ריצ'רד סמולי ורוברט קורל מאוניברסיטת רייס בארה"ב, והרולד קרוטו מאוניברסיטת סאסקס בבריטניה, עבור הצלחתם (11 שנים קודם לכן) ליצור מולקולה חדשה, דמויית כדורגל שעל פניו ערוכים 60 אטומי פחמן. המולקולה נקראת בלשון הכימית C60 (60 אטומי פחמן מסודרים על פני המעטפת הכדורית) והיא חלק ממשפחת ה"פולרנים" הכוללת תצורת שונות דמויות כדורים או צינוריות שדפנותיהן עשויות מאטומי פחמן ("ננו-צינוריות פחמן" – Carbon Nanotubes). למעשה יצרו שלושת המדענים צורה חדשה של מולקולות פחמן שלא היתה ידועה קודם לכן (גרפיט ויהלום הן שתיים מצורות הפחמן האחרות, המוכרות לכל) – עם תכונות פיסיקליות מיוחדות במינן. למשל - יציבות גבוהה, חוזק פנטסטי (ביחס למשקל), ותכונות חשמליות ומגנטיות יוצאות דופן. בזכות תכונות אלה נעשו מולקולות הפולרן על צורותיהן השונות מועמדים רציניים לשמש כאבני בניין למוצרים שונים של הננוטכנולוגיה העתידית, החל מחומרים חדישים לבניית חלליות ועד ל"ננו-מכונות" כמו אלה שעליהן חלם דרקסלר. לדברי ריצ'רד סמולי, העומד היום בראש המרכז לננו-מדע וננוטכנולוגיה באוניברסיטת רייס, "השפעת הננוטכנולוגיה על בריאות, רווחה, וחיי האדם תשתווה לפחות לסך ההשפעות של המיקרואלקטרוניקה, ההדמיה הרפואית, ההנדסה הממוחשבת ותעשיית הפולימרים שפותחו במאה ה-20". הדברים נאמרו בעדות בפני חברי הקונגרס האמריקני ביולי 1999, חודשים אחדים לפני שהנשיא קלינטון הכריז על "יוזמת ננוטכנולוגיה לאומית". נובוטים בשרות הרפואה העתידית בסרט המד"ב "המסע הפנטאסטי", משנת 1966, מוזערה קבוצת מדענים לממדים מיקרוסקופיים כדי לשייט במעין "צוללת" זעירה בתוך מחזור הדם של מדען השרוי בתרדמת, לחדור למוחו ולתקן, כמו אינסטלטורים מיומנים, את הדרוש תיקון. מזעור אנשים הוא דבר מופרך, אך רעיון ה"צוללת" הזעירה עשוי להתממש – ויותר מכך. אחד הישומים המעניינים המצופים מהמחקר בננו-טכנולוגיות הוא "ננו-רפואה" – רתימת היכולת הננו-טכנולוגית, אולי במשולב עם הישגי ההנדסה הגנטית, לשרות הרפואה. חזון "בליעת המנתח" שהציע פיינמן לפני 42 שנה, בחצי הלצה, מתחיל להיראות היום בר-מימוש. קרוב לוודאי שתוך כ-10 שנים צפויים "ננו-רובוטים" (או "ננובוטים") רפואיים: כלים זערוריים שינועו באופן עצמאי בתוך הגוף, יאתרו ליקויים ויבצעו פעולות ריפוי – החל מהזלפת תרופות מבוקרת בדיוק לאן שצריך ועד לחיסול תאים סרטניים, וכל זאת תוך התאמה אישית למאפיינים הביולוגיים של המטופל. למעשה, אב-טיפוס ראשוני בכיוון זה כבר קיים, וכולו כחול-לבן: ה"גלולה" המצוידת במצלמת וידאו זעירה לצילום דפנות המעי הדק, פרי פיתוח החברה הישראלית Given Imaging. עם כל שכלולה של גלולת הוידאו זה עוד לא "ננו" אלא "מיקרו", דבר פרימיטיבי מאוד ביחס ל"ננובוטים" העתידיים. תכנון ראשוני של אחד "ננובוט" רפואי מעניין הוצע לפני שנים אחדות ע"י רוברט פרייטס, מדען בחברה האמריקנית ZYVEX, אשר התיימרה לבנות אבטיפוס של ה"ננו-אסמבלר" הראשון תוך שנים אחדות. הננובוט של פרייטס, המכונה בפיו "רספירוסייט" (respirocyte) הוא בעצם כדורית דם מלאכותית משוכללת, בגודל של חיידק, מעוצבת במבנה כדורי על בסיס מולקולות פולרן, ומתפקדת כמיכל לחץ זעיר המכיל 9 מיליארד מולקולות חמצן ופחמן דו-חמצני. כשהכדורון יוזרק למחזור הדם, חישנים שעל פניו ימדדו את רמת החמצן והפחמן הדו-חמצני בדם. בהתאם לכך יופעלו בתוכו משאבות זעירות כדי לקלוט באופן מבוקר חמצן ולשחרר פחמן דו-חמצני (בתוך הריאות) או להיפך (ברקמות הגוף). הכדורונים הננו-רובוטיים יהיו, לפי פרייטס, יעילים בהרבה מכדוריות דם טבעיות: הם יאחסנו פי 200 יותר גז ליחידת נפח. יתרון אדיר בעת התקף לב, למשל: אספקת חמצן סדירה לרקמות עד 4 שעות מהרגע שהלב מפסיק לתפקד. שלא לדבר על היכולת לצלול במים למשך 4 שעות בלי צורך לנשום! גירסה עתידנית יותר של ננובוט רפואי היא מכשיר לתיקון תאים, שיחליף כרומוזומים פגומים בגרעין התא בכרומוזומים תקינים (שהוכנו מראש מגנים בריאים של המטופל), וכך יאפשר לתא "לתכנת את עצמו מחדש" ולהתרפא. אך גם בכך לא נגמר הדמיון היצירתי של הוגי הננו-רפואה העתידנית. הם צופים דורות סופר-מתקדמים של ננו-רובוטים, שלא רק ירפאו מחלות אלא יעצרו את תהליכי ההזדקנות הרקמות. וגם זה לא הכל. ננו-מנועים שיושתלו בשרירים ישפרו את היכולת הגופנית. ולבסוף – רעיון שנראה היום כפרוע למדי: ננו-מחשבים דמויי תמנון רב-זרועות שיתחברו לרשת הנוירונים במוח וישפרו את כושר הזיכרון והחשיבה. מהפכת הייצור המולקולרי מכאן עדיין ארוכה הדרך עד ל"ננו-אסממבלרים האוניברסליים" של דרקסלר, המשכפלים את עצמם ובונים כל דבר מכל דבר. רבים סבורים שהם לא ייתכנו לעולם. אחרים (כמו ביל ג'וי, מראשי חברת "סאן מיקרוסיסטמס") מזהירים את העולם מהסכנה של "ננו-רובוטים" היוצאים מכלל שליטה עד כדי סכנה קיומית לאנושות. לדרקסלר וחסידיו יש תשובה ניצחת למפקפקים ביכולת האולטימטיבית של הננוטכנולוגיה המולקולרית. הרי יש לזה כבר הוכחת היתכנות, הם אומרים. הטבע עושה את זה, ואנחנו יכולים לחקות אותו ואולי אף לעשות זאת עוד יותר טוב. זו טענה חזקה, המבטאת השקפה מעניינת על הטכנולוגיה והקשר בינה לבין הטבע. כדאי לקרוא בעיון את הציטוט הבא מתוך ספר של דרקסלר משנת 1991 (בתרגום חופשי ועם קיצורים אחדים): "תעשיה המוכרת לוקחת מחצבים מהאדמה, או עצים מהיער, ומעבדת אותם לדברים מועילים. עצים נהפכים לקרשים, ומזה לרהיטים. הרים נהפכים לעפרות, ואז לברזל מותך, ואז לפלדה, ובסוף למכוניות. חול הופך לגאז מטוהר, אחר כך לסיליקון, ואחר כך לשבבים אלקטרוניים. ככה זה הולך. כל אחד מהתהליכים הללו הוא גס – מבוסס על חיתוך, ערבוב, טחינה, איכול, אפייה, וכו'. אבל עץ צומח אינו פועל באופן גס שכזה. כדי ליצור את חומר הגזע, את העלים או את הפירות, הוא קולט ומנצל אנרגיה מהשמש ע"י התקנים אלקטרוניים מולקולריים, בתהליך הפוטוסינתזה. הוא מנצל את האנרגיה להפעלת מכונות מולקולריות עם חלקים הנעים בדייקנות, כדי לעבד פחמן דן-חמצני ומים ולהפכם לחמצן ולאבני בניין מולקולריות. הוא משתמש במכונות מולקולריות כדי לצרף את אבני הבניין הללו וליצור שורשים, גזע, ענפים, קולטי שמש ומכונות מולקולריות נוספות. כל עלה הוא יותר מתוחכם ממטוס, ופרטיו מעוצבים בדייקנות העולה על כל שבב מחשב. ואת כל זה עושה העץ בלי רעש, חום, עשן רעיל או עבודת כפיים של פועלים, והוא אפילו צורך ומחסל חומרים מזהמים תוך כדי כך. כשמסתכלים על זה כך, מתברר שהעצים הם טכנולוגיה עלית, ולא שבבי מחשב או טילים." האסכולה ה"דרקסלריאנית" של הננוטכנולוגיה מאמינה שהמחקר במדעי הננו אכן יוכל להוביל ל"ייצור מולקולרי", שיבשר אולי את המהפכה התעשייתית הבאה – ננו-מכונות שמפרקות, מרכיבות, משכפלות ומשתכפלות. ואכן, יותר ויותר מחקרים עוסקים לאחרונה בלימוד וחיקוי של תהליכים המתחוללים ב"ננו מכונות" של הטבע – וירוסים, חיידקים, תאים, גנים, חלבונים, דנ"א. בצמוד למונח "ננוטכנולוגיה" נתקלים יותר ויותר במונחים כמו "ננו-ביולוגיה" או "ננו-ביוטכנולוגיה", המשקפים מעין מיזוג בין הננוטכנולוגיה לבין ביולוגיה מולקולרית, הנדסה גנטית, הנדסת חלבונים וכו'. במעבדות כבר הצליחו להדגים מעגלים האלקטרוניים ש"בונים את עצמם" תוך שימוש המולקולות דנ"א – כך אולי ייבנו "ננו-מחשבים" עתידיים. עידן הננו מרכזי מחקר רציניים משקיעים הרבה משאבים בננוטכנולוגיה העתידית. בנאס"א, למשל, עוסקים בסימולציות ממוחשבות של מנועים ומכונות מולקולריות – שעדיין לא יודעים איך לבנותן בפועל, אך המחשב מוכיח את היתכנותם. הנשיא קלינטון הכריז בשלהי כהונתו על "יוזמת ננוטכנולוגיה לאומית" - בנאום שנשא, איך לא, באותו אולם במכון הטכנולוגי של קליפורניה שבו ניתנה הרצאתו הנבואית של פיינמן ב-1959. גם בישראל גוברת המודעות לחשיבות של קידום מחקרים בתחום. המרכז הבינתחומי לניתוח ותחזית טכנולוגית באוניברסיטת ת"א עוקב אחר ההתפתחויות בתחום החל מתחילת שנות ה-90, והצביע על הפוטנציאל הרב הטמון בו בעבודה מקיפה של הערכה טכנולוגית שבוצעה בשנים 1995-1996. בשנת 2000 קיים הפורום הבינתחומי של אוניברסיטת ת"א, ביוזמת המרכז לתחזית טכנולוגית, מפגש על "עולם הננו" בהשתתפות מדענים ואנשי תעשייה. בשנים האחרונות מוקמים, בהשקעות ענק, מרכזי מחקר בינתחומיים לננוטכנולוגיה במיטב האוניברסיטאות בארץ. משרד המדע הגדיר את התחום בבעל עדיפות לאומית במסגרת תכנית המחקר התשתיתי שהוא מממן. יש התחלות של מיזמים תעשייתיים בשטחים הקשורים לעולם הננומטרי. עידן הננו בפתח, גם בישראל. המאמר ו/או חלקים ממנו פורסמו במועדים שונים (בגרסאות שונות) בעיתון "הארץ" ובכתב העת "אאוריקה" להוראת מדע וטכנולוגיה | |||||
|
|
|||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||
|
לתחילת הכתבה |