חוקרים מאוניברסיטת סטנפורד הצליחו לייצר ננו-חוט מוליך בעובי של שלושה אטומים בלבד, שמורכב מיחידות של יהלומים זעירים
מומחים בננוטכנולוגיה משקיעים מאמצים רבים בעיצוב ופיתוח ננו-חוטים שיוכלו לשמש להרכבת מכשירים זעירים במיוחד. קוטר החוטים האלה עומד על ננומטרים בודדים – כמה מיליארדיות המטר, כלומר כאלפית בלבד מהעובי של שערה אנושית. פריצת דרך בתחום, שפורסמה בכתב העת Nature Materials, היא יצירת הננו-חוט הדק ביותר אי פעם, בקוטר של שלושה אטומים בלבד.
מאחורי הפרסום עומדת קבוצת מדענים מאוניברסיטת סטנפורד בארצות הברית, שהשתמשו במחקרם במולקולות בשם Diamondoids. אלו יחידות עשויות פחמן ומימן שמשמשות בסיס למבנה המולקולרי של היהלומים, ולכן קרויות על שמם. מבנה המולקולות מזכיר כלוב והן נפוצות מאוד בדלקי מחצבים כמו נפט, שמהם גם ממצים אותן בדרך כלל.
החוקרים ניצלו את תכונתן של המולקולות האלו להיצמד זו לזו בחוזקה במערכת של קשרים כימיים חלשים המכונים קשרי ון-דר-ולס. הקשרים האלה קיימים בין כל שני אטומים הקרובים זה לזה ועוצמתם מעטה מאוד לבדם, אך עולה ככל שכמותם עולה וכך הם גם יציבים יותר.
לכל יחידה יהלומית הצמידו החוקרים אטומי גופרית, שמסוגלים לקשור אטומי נחושת בתוך תמיסה. אלו הן אבני הבניין הבסיסיות של החוט הננומטרי, שנצמדות יחד באמצעות כוחות ון-דר-ולס שפועלים ביניהן. "בדומה לאבני לגו, המולקולות מתאימות זו לזו רק באופן מסוים בהתאם לגודל ולמבנה שלהן", מסביר פיי הואה-לי (Hua Li) מקבוצת המחקר. "הנחושת והגופרית של כל יחידה התמקמו במרכז ויצרו את הליבה המוליכה של החוט, וחלקיקי היהלומים הגדולים יותר התייצבו במעטפת ויצרו שכבה מבודדת".
הגודל הזעיר של החוטים מקנה להם תכונות שונות מהותית מהתכונות של אותם חומרים בקנה המידה הנראה לעין. בגדלים ננומטריים חומרים ואטומים אינם מתנהגים על פי חוקי הפיזיקה הקלאסית, אלא עוברים לתחומי הפיזיקה הקוונטית. לדוגמה, בשעה שתנועת אלקטרונים בחוטי מתכת מוגבלת ומלווה בפליטת חום רב, בננו-חוטים הם יכולים לנוע מצד לצד בלי לעבור בתוך החוט עצמו ובלי לבזבז אנרגיה כחום. התכונות הללו מרחיבות משמעותית את היקף השימושים האפשריים בחומרים האלה, החל מיצירת שבבים אלקטרוניים וכלה בחיישנים מיקרוסקופיים רפואיים מתוחכמים.
יחידות יהלומיות עם אטומי גופרית, המתחברות כמו לגו. דגם של הננו-חוט | איור: SLAC, אוניברסיטת סטנפורד
הָאוּ יאן (Yan), ממובילי המחקר, מכנה את התהליך "סינתזה בסיר אחד. מערבבים את המרכיבים ביחד ומשיגים את התוצר בתוך חצי שעה, כאילו חלקיקי היהלומים יודעים לאן ללכת". התהליך שהוא מתאר מכונה "הרכבה עצמית", ובו חלקיקים נאספים ומתחברים בכיוונים מתוכננים מראש שנקבעים אך ורק לפי הקשרים הכימיים ביניהם. מדובר בהתקדמות מהפכנית בתכנון הננו-חוטים, שעד כה יוצרו בעיקר על ידי חיתוך של חוטים גדולים יותר או על ידי שימוש במשטחים מקבעים מיוחדים.
בשלב הבא מקווים החוקרים לצפות משטחים שלמים בננו-חוטים ואף לנסות ליצור ננו-חוטים מחומרים נוספים, כגון זהב, ברזל, אבץ וקדמיום. הרכב החוטים מגדיר מה ביכולתם לעשות, וניקולס מלוש, מראשי צוות המחקר, מודה ש"נחושת וגופרית אינן כל כך מרגשות, אבל ננו-חוט מיהלומים וסיליקון יוכל לייצר אנרגיה ממש כמו תא סולרי".
