יום חמישי , יוני 29 2017
בית » חדשנות » עוד יותר קטן!

עוד יותר קטן!

מאת: מערכת הבלוג

גבול תחתון למזעור רכיבים אלקטרוניים

בחיים המודרניים מכשירי החשמל והאלקטרוניקה, ובראשם הטלפונים החכמים והמחשבים האישיים, תופסים מקום הולך וגדל, עד כדי כך שאנו שוכחים שעד לא מזמן מכשירים כאלו לא היו בנמצא. מה שאפשר את פיתוחם הוא ההתקדמות בייצור – ובעיקר בהקטנת הגודל – של הרכיבים האלקטרוניים הבסיסיים המרכיבים את המחשב, הלא הם הטרנזיסטורים והדיודות. מראשית שנות השבעים ועד היום גודלם של הרכיבים קטן פי מיליון מזה, וניתן היום לשים כמיליארד טרנזיסטורים על מעבד.

הבעיה היא, שבקרוב כנראה נגיע לגבול התחתון. ב-1965 חזה גורדון מור, ממייסדי אינטל, שמספר הטרנזיסטורים שניתן לשים על מעבד יכפיל את עצמו בערך כל שנתיים. עד היום, תחזית זו התגשמה באופן מלא,מה שאפשר עלייה בכוח החישוב וירידה בגודל המחשבים, ובהמשך את פיתוח הטכנולוגיות שאנו מכירים היום. בשנים האחרונות חלה האטה מסוימת בקצב הקיטון, ההאטה שצפויה להימשך. הסיבה היא שהמשך הקטנת הרכיבים תדרוש עיבוד של הסיליקון על סקלת גודל של אלפית-מיליונית המטר (או ננו-מטר), על גבול היכולת הפיסיקאלית, מפני שזהו (פחות או יותר) המרחק בין האטומים. על מנת לנסות לעמוד בקצב שהכתיב חוק מור ולהמשיך בהקטנת הרכיבים האלקטרוניים, יש צורך בשינוי הדרך בה אנו חושבים. כאן נכנס לתמונה התחום של "אלקטרוניקה ומולקולרית".

 מולקולות כרכיבים אלקטרוניים

"המחשבה להשתמש במולקולות בודדות כרכיבים אלקטרוניים אינה חדשה, והועלתה כבר בשנות השבעים הרעיון הוא לחבר מולקולות לאלקטרודות מתכת, ולבחור את המולקולות הנכונות כך שייתנו את ההתנהגות האלקטרונית המתאימה. אולם, מדידה חשמלית של מולקולה בודדת המחוברת לאלקטרודות הוא אתגר מדעי-טכנולוגי עצום (מפני שמולקולות הן קטנות מאוד!), שנפתר רק בסוף שנות ה-90 עם פיתוחם של טכנולוגיות מדידה כגון מיקרוסקופ כח אטומי (AFM) ומיקרוסקופ מינהור סורק (STM). אולם, גם לאחר כ-15 שנות טכנולוגיה, עדיין אין כמעט דוגמאות של מולקולות המראות התנהגות אלקטרונית המחקה רכיבים קיימים.

בשיתוף פעולה בין הקבוצה של פרופ' בינגשיאן שו מאוניברסיטת ג'ורג'יה, ארה"ב, וד"ר יוני דובי מהמחלקה לכימיה ומכון אילזה כץ למדע וטכנולוגיה בתחום הננומטרי באוניברסיטת בן-גוריון בנגב, חיפשו החוקרים מולקולה שתתנהג כמו דיודה. דיודה הינה "שסתום אלקטרוני" – רכיב המאפשר מעבר זרם בכיוון אחד, אך לא בכיוון השני.  לצורך זה, פנו החוקרים למולקולת DNA  קצרה. הסיבה לבחירה דווקא ב-DNA נבעה מהעובדה שניתן כיום "להנדס" מולקולות DNA לפי דרישה ובקלות יחסית. במעבדה של פרופ' שו בנו מולקולת DNA  המורכבת מ-11 בסיסים בלבד. לצערם, המולקולה לא הראתה התנהגות של דיודה  מפני שדיודות דורשות א-סימטריה מרחבית, והמולקולה המקורית שנבחרה הייתה סימטרית להפליא.

ResearchTeam

צוות המחקר (מימין): פרופ' בינגשיאן שו מאוניברסיטת ג'ורג'יה, אלינור זרח-הרוש וד"ר יוני דובי מהמחלקה לכימיה

 קצת בלגן – והכל מסתדר

כדי לשנות את המולקולה, החוקרים החדירו לתוך ה-DNA מולקולה קטנה שנקראת coralyne, ש"אוהבת" להתיישב בין שני הגדילים של ה-DNA. לאחר הטיפול בקוראלין, המולקולה החדשה הראתה התנהגות משונה – הזרם בכיוון אחד היה גדול פי 15 מהזרם בכיוון השני, כלומר בפניהם דיודה ממולקולה בודדת!

אך עדיין לא היה ברור – מהו המקור המיקרוסקופי להתנהגות זו? על מנת להבין מה קורה ביתר פירוט, בנתה הסטודנטית אלינור זרח-הרוש, יחד עם ד"ר דובי, מודל תאורטי שלוקח בחשבון את המבנה הפנימי של המולקולה ומאפשר חישוב של הזרם. על ידי השוואה בין התוצאות של המודל לתוצאות הניסוי, המודל הבהיר מהו המקור לא-סימטריה בתוך מולקולת ה-DNA, מה ההשפעה שלה של הזרם ומדוע היא מוליכה להתנהגות כמו דיודה. התוצאות הראו כי כאשר מולקולת הקוראלין מתיישבת בין גדילי ה-DNA, היא מעוותת את סביבתה בצורה לא-סימטרית.

הממצאים מהווים הוכחת היתכנות ניצחת ליכולת של חוקרים להנדס מולקולות שייתנו התנהגות אלקטרונית רצויה, אך הדרך לרכיבים אמתיים, שישתלבו במכשירים אלקטרוניים, עוד רחוקה מאוד. למרות זאת, הניסוי הראה שעתיד שבו את שבבי הסיליקון מחליפות מולקולות אינו מדע בדיוני. מכיוון שמולקולה קטנה בהרבה מהרכיבים האלקטרונים הקיימים כיום, בעידן "האלקטרוניקה המולקולרית" נוכל לשים כמיליון רכיבים על אותו שטח שהיום תופס טרנזיסטור אחד. קשה לדמיין מה נוכל לעשות כשכל מחשב בעתיד יהיה חזק כמו מיליון מחשבים בני ימינו המחוברים זה לזה!

אודות מערכת הבלוג

מערכת הבלוג
ibgu.ac.il הינו בלוג חדשנות, מדע וטכנולוגיה של אוניברסיטת בן-גוריון בנגב.