החלום של הננו אלקטרוניקה יתגשם באמצעות הביולוגיה

כך אמר פרופ' רון נעמן ממכון ויצמן במפגש מועדון השבבים הישראלי –  לדבריו, מולקולות אורגניות כבר משמשות ברכיבים אלקטרוניים, אך תכונותיהן המיוחדות עדיין לא באות לידי ביטוי מלא בטכנולוגיה. המאמץ הגדול הוא לא לחקות טנזיסטורי סיליקון, אלא לבנות רכיבים בעלי תכונות חדשות.

כדי שניתן יהיה להגיע לננו אלקטרוניקה יעילה – יהיה צורך להשתמש בטרנזיסטורים שיודעים לדבר עם הביולוגיה. כך אמר פרופ' רון נעמן ממכון ויצמן במפגש מועדון השבבים הישראלי שהתקיים השבוע, ועסק בקשר שבין השבבים והמוח.

לדבריו, הסיליקון הביא אותנו לרמת מיזעור מדהימה.  "מומחי עמק הסיליקון אמרו בשנת 1977 שלא ניתן  יהיה לבנות טרנזיסטור קטן ממיקרון.  היום אנחנו מדברים על סדרי גודל קטנים בהרבה, אך עדיין אנו סובלים מבעיות: ראשית, הטרנזיסטור  מתחמם ומה שקובע את צפיפות הטרנזיסטורים זו היכולת לסלק חום. שנית – יש צורך בטרנזיסטורים שיודעים לדבר עם הביולוגיה."

"הרעיון התיאורטי נהגה לפני 40 שנה על ידי אבירם ורטנר. הם הציעו במקום להשתמש בטרנזיסטור שבנוי מהרבה אטומים לקחת מולקולה אחת ונשתמש בה כטרנזיסטור שלם. כתוצאה מכך עלו רעיונות איך להשתמש במולקולות כטרנזיסטורים. קשה מאוד לעשות את זה, אחת הסיבות היא שכיוון שכאשר משתמשים במולקולה יחידה יש לה גמישות תנועה וקשה לשלוט בה, בעיקר בשל העובדה שמדובר בסקאלה של אנגסטרמים בודדים או תת ננומטרים, ולכן קשה ליצור רכיבים בעלי תפקודים זהים."

"היום אנו מחפשים דרכים אחרות להגיע לאותה תוצאה, והדרך העיקרית היא באמצעות חומרים אורגניים. כידוע אלקטרוניקה אורגנית מיוצרת היום כבר בייצור המוני, למשל ב-OLED ליצירת מסכים וגופי תאורה. היום ניתן לייצר מעגל חשמלי על פלסטיק מתקפל ואפילו לקבל דף אלקטרוני לקריאה שנכנס למכל בגודל של עט וישמש לנו ספר אלקטרוני. היתרון של המולקולת הללו הוא המחיר הזול, הגמישות, והבהירות (דבר שחשוב במיוחד ב-OLED)."

"תכונה נוספת מעניינת שיש במולקולות היא היכולת של המערכת לבנות את עצמה. בניגוד למקובל היום בתעשיית האלקטרוניקה, את האלקטרוניקה המולקולרית בונים מהמולקולה הבודדת ומעלה. בנינו מערך המבוסס על מולקולות DNA הבנויות משני גדילים שיודעים להתחבר. אנחנו שמים גדיל אחד על פסי הזהב שבנינו, לקחנו שפופרת ננו בקוטר של ננומטר אחד שבנויה מפחמן חיברנו, אליה את הגדיל המשלים ופשוט שמנו טיפה שכוללת את שפופרת הפחמן על המשטח הזה. באופן עצמאי לגרמי המערכת התחברה ויצרה חיבור מחשמלי. עד כה בנינו מאות טרנזיסטורים כאלה. הם מתפקדים, יש להם הדירות גבוהה.הדבר כמובן עדיין רחוק מאוד מאלקטרוניקה ממש אבל זו הצגה שמראה כיצד ניתן לגרום למערכת לבנות את עצמה בעזרת מולקולות ביולוגיות ואנזים שיודע לחתוך DNA במקומות הרצויים."

"דרך אחרת להכות את חוק מור היא לבנות מיחשוב מסוג חדש. אנחנו שבויים במחשב טורי, במערכת בינארית 01 ולכן נסינו לבנות טרנזיסטורים שיעשו את אותו דבר עם מולקולה במקום עם מעגל חשמלי. יש כאלו שמציעים לחפש יישומים שהסיליקון לא יכול לבצע ובכך להכות את חוק מור."

"כחלק מהנסיון לפתרון אנו שואלים את עצמנו כיצד הופכים את המחשבים ליעילים יותר מבחינה אנרגטית, האם ניתן לעשות זאת ללא מזעור נוסף והאם מולקולות יכולות לעזור."

"הבעיה הגדולה ביותר בשימוש ברכיבים ננומטריים היא האנרגיה שמתבזבזת כשמעבירים את האלקטרון מאלקטרודה לאלקטרודה. הדרך לפתור את זה באה מתוך החשיבה על דבר מאוד מאקרוסקופי. תחשבו שיש לנו אקדח ואנחנו יורים כדור. מה שקורה הוא שהכדור מתחכך עם האוויר הוא לא יציב והוא נופל. כדי לפתור את זה שמנו חריצים בתוך הקנה, הכדור מסתובב, ומתאם את הסיבוב עם התנועה הקווית שלו וכך התאפשר ליצבו. באותה דרך ברמה הננוסקופית אנו משתמשים באלקטרון וגם בספין שלו. הספין הוא היוצר של המגנטיות – לפי ההגדרה חומר מגנטי הוא חומר שבו הספינים של האלקטרונים מסודרים בכיוון אחד. רצינו להשתמש בספין ולצמד אותו לתנועת האלקטרונים וכל להעביר מידע. לשם כך אנו משתמשים במולקולות כיראליות."

"כל הסלילים שקשורים למבנה של חלבונים או DNA הם סלילים ימניים. הדבר נובע מהעובדה שבטבע יש חוסר סימטריה. כל מעבר האלקטרונים בכל המערכות הביולוגיות – צמחים יונקים ובני אדם כולם מתרחשים רק במערכות שיש בהם סלילים ימניים כאלה, ביקשנו לבחון המעבר של האלקטרון דרך סליל כזה תלוי בספין שלו."

"עכשיו מגיע החלק המסובך – מדידת הזרם במולקולה יחידה שגודלה כמה ננומטרים. אנחנו מעמידים את המולקולה על משטח מלא כדורי זהב קטנים בגודל של כמה ננומטרים שמתחברים בסידור עצמי למולקות ה-DNA. לאחר מכן אנו משתמשים במיקרוסקופ כוח אטומי שיודע להוליך חשמל ונעזרים בצומת עשויה מניקל שאותה ניתן למגנט. כל אלה מאפשרים לנו למדוד את הזרם במולקולה."

"גילינו שמעבר אלקטרון דרך מולקולות כיראליות תלוי בספין. תכונה זו יכולה להפוך את תנועת האלקטרון לבליסטיות גם למרחקים ארוכים ובטמפרטורות רגילות (ללא קירור), וכך כל אלקטרון מביא איתו יותר אינפורמציה. אנחנו משתמשים בתכונות אלה כדי לבנות זיכרון מגנטי בשיתוף עם יוסי פלטיאל מהמחלקה לפיסיקה באוניברסיטה עברית. אחד השימושים המעניינים בזכרון כזה הצמדתו לכל מעבד וביצוע הפעולות הדורשות זכרון קבוע בתוך המעבד במקום להוציא החוצה. כתוצאה מכך הגישה של המעבד לזכרון, ויכולת העיבוד שלו, תהיינה הרבה יותר מהירות."