ננוטכנולוגיה: מחשב מולקולרי

חמישים שנה לאחר גילוי המבנה הדו סלילי של החומר הגנטי, דנ"א, מציעים מדענים ממכון ויצמן למדע להשתמש במולקולה הזאת כספקית דלק להפעלת מערכת חישוב מולקולרית זעירה. הפיתוח, שזכה בתואר "מערכת החישוב הביולוגית הזעירה בעולם" מטעם ספר השיאים העולמיים של גינס, הוא אולי אחד המוצרים הישימים הראשונים של טכנולוגיית הננו, שיש המכנים אותה המהפכה התעשייתית הבאה.
כמו כל מכונה אחרת, גם מחשבים זקוקים לאספקת אנרגיה שוטפת לצורך פעילותם. מחשבים אלקטרוניים, למשל, צורכים חשמל. לעומת זאת, מערכת החישוב המולקולרית שהציגו לפני כשנה פרופ' אהוד שפירא וצוותו ממכון ויצמן ניזונה מאנרגיה שמקורה במולקולות ATP, המספקות אנרגיה לכל צורות החיים הידועות בכדור הארץ. החוקרים הוסיפו את "דלק" ה־ATP לתמיסה שהכילה את מולקולות הדנ"א ששימשו קלט ופלט, ואת מולקולות האנזימים השונים שביצעו את פעולת החישוב.
מחקר חדש של פרופ' שפירא מראה כיצד אפשר להפעיל את מערכת החישוב המולקולרית באופן חסכוני במיוחד, כאשר מולקולת הדנ"א, שמשמשת כקלט למערכת, גם תספק את האנרגיה הדרושה להפעלתה. הגרסה המשופרת של מערכת החישוב המולקולרית מופעלת אך ורק באמצעות אנרגיה שמשתחררת בתהליך חיתוך מולקולת הקלט, שהוא חלק מתהליך החישוב שמבצעת המערכת. מדובר באנרגיה האגורה בקשרים הכימיים של מולקולת הדנ"א. כאשר אנזים החיתוך של מערכת החישוב חותך את מולקולת הדנ"א ומנתק שני קשרים כימיים ב"חוט השדרה" של הסליל הכפול, מומרת האנרגיה של הקשר הכימי באנרגיית חום שמשתחררת, ועל ידי כך מניעה את מערכת החישוב המולקולרית.
המערכת המתוחכמת הזעירה מציעה צעד נוסף, דרמטי, בתהליך המזעור המתמשך של הטכנולוגיות שלנו, והיא מזמינה הצצה אל תחום המסעיר את הדמיון בעשורים האחרונים – הננוטכנולוגיה. לפני יותר ממחצית המאה המציאו במעבדות בל בארצות הברית את הטרנזיסטור, שתרם תרומה חשובה לתהליך. מחשבי העל של שנות החמישים, שפעלו על שפופרות, תפסו חדרים בגודל של אולם ספורט וצבא של מהנדסים וטכנאים עמד עליהם לשרתם. עם המצאת הטרנזיסטור, שהפך להיות סמלה המובהק של מהפכת המיקרואלקטרוניקה, נעשו המחשבים קטנים ומהירים לאין ערוך, ואיש לא מניד כיום עפעף למראה המחשב האישי או הנייד שלו. כעת, כשהשחר מפציע על טכנולוגיית הננו, באופק כבר נראים מחשבי על בגודל של כרטיס אשראי.
הפיזיקאי ריצ'ארד פיינמן, ממפתחי פצצת האטום ובעל פרס נובל, הוא שהעלה כבר בשנות החמישים את הרעיון לבנות חומרים חדשים באמצעות הרכבתם מהבסיס, אטום אחר אטום. כ־35 שנים אחר כך טבע אריק דרקסלר בספרו "מנועי יצירה" את הביטוי ננוטכנולוגיה, שפירושו טכנולוגיה של יחידות זעירות ברמת תת מיקרו (מולקולות ואטומים). אם מיקרון (שמשמו נגזר המונח מיקרואלקטרוניקה) הוא חלק המיליון של המטר (10־6), ננו הוא חלק המיליארד של המטר (10־9), אלפית המיקרון.
הגישה של מזעוּר שבבים קיימים, הנהוגה בתחום המיקרואלקטרוניקה, נקראת Top Down (עיצוב מלמעלה כלפי מטה). בננוטכנולוגיה, לעומת זאת, נוקטים גישה הפוכה, Bottom Up (עיצוב מלמטה כלפי מעלה), שבה שבבי המחשב או ציוד תקשורת אחר נבנים מלכתחילה בשיטה של מולקולה ליד מולקולה או אטום ליד אטום.

מחשב בתוך הגוף, חללית בגודל ציפור
לאן יכולה להוביל טכנולוגיה חדשה זו? נסו לדמיין: מחשב ביולוגי זעיר שיטייל בגוף האדם, יפתח סתימות בעורקים, ינקה רעלים וישמיד חיידקים; תחבושת שעשויה מסיבים הדקים פי אלף משערת אדם, שתיספג לגוף בתהליך ריפוי הפצע; חללית בגודל של ציפור שתישלח למאדים מצוידת בכל מה שחללית בגובה של בניין רב קומות מכילה כיום. זהו חזונם של חוקרי הננו, אבל היישום, כך נראה, עדיין רחוק.
"האופטימים ביותר מדברים על עשר שנים עד תחילת יישומה של דיסציפלינת הננו בשימוש יומיומי", אומר פרופ' אמיר סער, מראשי המרכז לננו־מדע וננוטכנולוגיה באוניברסיטה העברית בירושלים. "אחרים טוענים שהדרך ארוכה יותר ויעברו עוד 15 שנים עד שנוכל לראות את הננוטכנולוגיה בפעולה.
"צריך לזכור שמהמצאת הטרנזיסטור בשנות החמישים ועד שראינו את מחשב ה־PC הראשון עברו קרוב לעשרים שנה. וזוהי דוגמה לטכנולוגיה שפרצה במהירות קדימה. עדיין דרוש מחקר רב כדי שהננוטק, כפי שהאמריקאים אוהבים לכנות את התחום, יהיה זמין".
אחת הבעיות שבפניה ניצבים היום חוקרים בתחום הננוטכנולוגיה היא החשש מסכנות, מוחשיות או דמיוניות, שהיא נושאת בחובה. דרקסלר עצמו

מחט דקה העשויה מגביש סיליקון. משמשת למטרות הדמיה אופטית וחשמלית במיקרוסקופ מיוחד, שבעזרתו ניתן לדמות אובייקטים במימדים ננו-מטריים, שאי אפשר לראותם בטכניקות מיקרוסקופיות אחרות | פרופ' אמיר סער ופרופ' יוסי שפיר

תיאר בספרו את הסכנה שבהצמחת "חומר אפור" (Goo Grey): רובוטים ננוטכנולוגיים, שתוכנתו לשכפל את עצמם תוך כדי שימוש בכל חומר המתאים למטרה זו, ישתלטו על כדור הארץ וימחקו את האנושות.
קבוצה קנדית העוסקת בהגנת הסביבה, למשל, תובעת להשהות כל מחקר הנוגע לננוטכנולוגיה עד שהשפעתה תיבחן במלואה. "אנחנו מודאגים מננו־
חלקיקים, שיכולים לחדור למי השתייה ולמזון, ומשפופרות ננו שישייטו לתוך המערכת החיסונית שלנו ומחוצה לה ללא ידיעתנו", אומרים חברי הקבוצה.
חוקרים רבים אומרים שתסריטי אימה אלה קרובים יותר למדע בדיוני מאשר למציאות, אבל כמעט כולם מסכימים שהננוטכנולוגיה נושאת בחובה סיכונים, שכן תהיה לה יכולת לשנות את דרך פעולתם של התאים (מכאן נובע גם מקור כוחה כמטפלת במחלות).
בעיה נוספת, קשה לא פחות, קשורה בכסף. ככל שגודלם של שבבי הננו יורד, כך עלות ייצורם עולה. אם הקמתו של מפעל מודרני לייצור שבבי מיקרו כרוכה בהשקעה של כמה מיליארדי דולרים, לשם הקמת מפעל שבבי ננו מהדור הבא יידרשו סכומים גבוהים עשרת מונים. "זהו תחום יקר", אומר סער, "שמחייב שימוש בכלים יקרים ובניית תשתית רחבה מאוד".
ומה קורה בתחום בישראל? פעילות אינטנסיבית בשדה הננוטכנולוגיה מתרחשת כיום בטכניון, במכון ויצמן, באוניברסיטה העברית, באוניברסיטת תל אביב וגם באוניברסיטת בן גוריון. למרות התחרות בין הגופים השונים, כשמדובר בהשקעות בסדר גודל כזה, למוסדות המחקר אין ברירה אלא לאחד כוחות, והם עוברים כיום למתכונת של מרכזי מידע המשרתים חוקרים מכל מוסדות המחקר.

תודת המערכת לפרופ' אמיר סער על עזרתו.