מהנדסי פולימרים הצליחו לפתח תבנית לננו-מבנים המאפשרת ייצור של סיליקון נוזלי מתוך חומר פולימרי אורגני. ממצאי המחקר יוכלו להוביל לפיתוח של ננו-מבנים תלת-ממדיים ומושלמים בצורת חד-גבישים.

השימוש בתבניות לשם עיצוב צורות מוגדרות עתיק כימי האנושות עצמה. בתקופת הברונזה, למשל, סגסוגת נחושת-בדיל הותכה ונוצקה לאחר מכן לכלי נשק בתוך תבניות קרמיות. כיום, שיטות הזרקה ושיחול מאפשרות עיצוב צורות מתוך נוזלים חמים לכדי כמעט כל חפץ שנדמיין, החל מחלקי רכב ועד צעצועים. בכדי ששיטות אלו תפעלנה כראוי, יש צורך שהתבנית עצמה תהיה יציבה בזמן שהחומר הנוזלי המותך מתקשה לכדי הצורה הסופית הנדרשת. בפריצת דרך שנחשפה על ידי מהנדסי פולימרים מאוניברסיטת קורנל הם הצליחו לפתח תבנית עבור ננו-מבנים המסוגלת לעצב סיליקון נוזלי מתוך חומר העשוי פולימר אורגני. הממצאים יוכלו לסלול את הדרך לפיתוח של ננו-מבנים תלת-ממדיים מושלמים עבור ייצור חד-גבישים.

ההתקדמות בתחום זה מגיעה ממעבדתו של החוקר Uli Wiesner, פרופסור להנדסה במחלקה למדעי החומרים וההנדסה באוניברסיטת קורנל, אותה מעבדה שבעבר פיתחה חומרים חדשניים העשויים מפולימרים אורגניים. בעזרת הכימיה הנכונה, פולימרים אורגניים מתארגנים באופן עצמאי, והחוקרים השתמשו ביכולת ייחודית זו של הפולימרים בשביל לפתח תבנית המורכבת מננו-חרירים בעלי צורות וגדלים מדויקים במיוחד.

באופן רגיל, התכה של סיליקון אמורפי, בעל נקודת התכה של כ-2350 מעלות צלזיוס, תביא להריסת תבנית הפולימר השברירית, המתפרקת כבר בטמפרטורה של 600 מעלות צלזיוס. אולם, המדענים עקפו את הבעיה הזו באמצעות משכי זמן קצרים במיוחד להתכה תוך התבססות על השימוש בלייזר. החוקרים גילו כי תבנית הפולימר נותרת יציבה אם מחממים את הסיליקון בעזרת פעימות לייזר בעלי משכי זמן של ננו-שניות בלבד. בפרקי זמן קצרים כל כך ניתן לחמם את הסיליקון ולהפוך אותו לנוזל, אך משך הזמן בו הוא נמצא בצורת נתך הוא כה קצר כך שלפולימר (התבנית) אין זמן מספיק בכדי להתחמצן ולהתפרק. למעשה, הם "רימו" את תבנית הפולימר כך שהיא תשמור על צורתה גם בטמפרטורה שהינה מעל נקודת ההתפרקות שלה. לאחר שהתבנית הורחקה, החוקרים הראו כי הסיליקון עוצב באופן מושלם לכדי הצורות שבתוך התבנית. שכלול השיטה יוכל להוביל לייצור ננו-מבנים מושלמים של סיליקון בתצורת חד-גבישים. ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי היוקרתיScience . החוקר הראשי כינה את פריצת הדרך בתור "יפהפייה" וטען כי היא עשויה להוות תובנה בסיסית בתחום המחקר של ננו-חומרים. בתחום של מדעי החומרים היעד הוא תמיד להשיג מבנים מוגדרים-במיוחד שאותם ניתן לחקור מבלי לחשוש מההפרעות של פגמים מבניים בחומר.

תצלומים מתוך מיקרוסקופ אלקטרונים סורק המציגים תבנית שרף נקבובית בעלת סדר מחזורי (A ו- B) וכן את ננו-המבנה הגבישי של הסיליקון המוגמר לאחר הרחקת התבנית (C ו- D). [באדיבות: Wiesner lab]

רוב ננו-המבנים המתארגנים באופן עצמאי מתקבלים כיום בצורה אמורפית או רב-גבישית – כלומר, כוללי
ם יותר מסוג יחיד ואחד של תצורת חומר. בשל כך, קשה מאוד לקבוע אם התכונות של חומרים אלו נובעות מננו-המבנה עצמו או שהן בכלל נשלטות על ידי הפגמים שבתוך החומר. הגילוי של סיליקון חד-גבישי – המוליך למחצה הנמצא כיום בכל מעגל משולב – הביא למהפכה בתחום האלקטרוניקה. רק לאחר שנפרסו החד-גבישים לפרוסות דקיקות, הובנה כהלכה תכונת המוליכות למחצה של סיליקון. כיום, שיטות ננוטכנולוגיות מאפשרות חריצה מפורטת ומדויקת בפרוסות סיליקון בקנה מידה ננומטרי, עד לרמה של 10 ננומטרים. יחד עם זאת, שיטות לייצור ננומטרי, למשל פוטו-ליתוגרפיה, שבמסגרתן חומר פולימרי מעצב את צורתו של הסיליקון, נתקלות במהמורות כאשר מדובר במבנים תלת-ממדיים.

חומרים מוליכים למחצה, כגון סיליקון, אינם מתארגנים באופן עצמאי לכדי מבנים בעלי סדר מושלם, כפי שמתרחש עם פולימרים. זה כמעט בלתי אפשרי להשיג חד-גביש תלת-ממדי מחומר מוליך למחצה. לשם קבלת ננו-מבנים של חד-גבישים קיימות שתי אפשרויות: ביצוע מספר רב של חריצות או עיצוב בתוך תבנית. קבוצת המחקר הזו מצאה עכשיו את הדרך לשימוש בתבנית. האופן שבו הם הכינו את התבנית הייתה פריצת דרך משל עצמה – בעבר הם למדו כיצד לגרום להתארגנות עצמאית של ננו-חומרים נקבוביים, מסודרים במיוחד, תוך שימוש במולקולות המכונות בשם בלוק קו-פולימרים. בשלב הראשון הם השתמשו בלייזר פחמן דו-חמצני בכדי להטמיע את החומרים הננו-נקבוביים בתוך פרוסת הסיליקון. על גבי פני השטח של הפרוסה הזו שולבו בלוק קו-פולימרים שהכווינו את ההתארגנות העצמאית של שרף פולימרי. בשלב הבא, הבלוק קו-פולימרים שעיצבו את ננו-המבנים הורחקו מהמצע תוך יצירת ננו-מבנה נקבובי המשמש כתבנית. בשלב הבא לננו-מבנים אלו הוכנס הסיליקון הנוזלי, ולאחר קירורו הוא הפך לסיליקון גבישי. "היכולת לעצב את החומר הבסיסי בתחום האלקטרוניקה, הסיליקון, לכל צורה שנחפוץ בה, הינה חסרת תקדים," מסביר אחד מהחוקרים.

הידיעה על המחקר

תקציר המאמר