ננו-מכניקה

ננו־מכניקה (אנגלית: Nanomechanics) הוא ענף בננוטכנולוגיה ובננו-מדע החוקר את התכונות הפיזיקליות של מכניקת היסוד (אלסטית, תרמית וקינטית) בסקלה ננומטרית. הננו־מכניקה עומדת בתווך בין המכניקה הקלאסית למכניקת הקוונטים.

רקע

מבחינה טכנולוגית, אבני הבניין הבסיסיות מהן נוכל לבנות ולייצר מכונות זעירות הן האטומים, שגודלם נמדד באנגסטרמים (עשיריות הננומטר). ישנה מוטיבציה לייצר התקנים מכניים או אלקטרומכניים קטנים ככל האפשר מכיוון שככל שההתקן המכני קטן יותר, כך הוא תופס פחות נפח, משקלו קטן יותר, הוא מגיב מהר יותר, צורך הספק נמוך יותר וברוב המקרים זול יותר לייצור. כיום קיימים בתעשייה התקנים מכניים שגודלם בין ננומטר למיקרון, כגון מנגנון המפעיל כרית אוויר בעת התנגשות. מבחינה טכנולוגית, ננוטכנולוגיה מהווה את קצה הגבול המזעור. רבים מן היישומים המוגדרים כמערכות ננו מכילים את המילה "בודד". למשל, מד מטען אשר ביכולתו למדוד מטען של אלקטרון בודד או קלורימטר שיוכל למדוד חום הנפלט מתגובה כימית של מולקולה בודדת. הייצור של תבניות ננו-אלקטרוניות וננו־מכניות דווח לראשונה ב-1988 על ידי ארני ומקדונלד, שפיתחו תהליך ייצור באמצעות ליתוגרפיה של אלומת אלקטרונים ליצירת הדפסים בסיליקון (צורן). המטרה הראשונית הייתה לייצר מוליך למחצה עשוי מסיליקון בקנה מידה ננומטרי. אותה קבוצת חוקרים הרחיבה את הפיתוח שלה לכיוון ייצור של מפעילים מכניים תת-מיקרוניים בעזרת חודים של מיקרוסקופ מִנהור סורק (STM).

הדמיית מיקרוסקופ סורק-אלקטרונים של ננו-צינוריות פחמן בצפיפויות שונות.

הדמיית מיקרוסקופ סורק-אלקטרונים של ננו-חוט אפיטקסיאלי במבנה-הטרו.

לעיתים קרובות, ננו־מכניקה מתוארת כענף בננוטכנולוגיה המתמקד בתכונות מכניות של ננו-מבנים וננו-מערכות (מערכות עם רכיבים בסקלה ננומטרית), כגון התכונות המכניות של ננו-חלקיקים, ננו-תילים, ננו-מוטות, ננו-צינורות כמו ננו-צינורית פחמן (Carbone NanoTube, CNT) וננו-צינורות בורון ניטריד (Boron Nitride NanoTube, BNNT), ננו-תאים, ננו-חומרים מורכבים, ננו-מנועים ועוד. חלק מהתחומים המבוססים על ננו־מכניקה הם: מכניקה של ננו-חומרים, ננו-טריבולוגיה (חיכוך, אינטראקציה בין משטחים, אינטראקציה מכנית בסקלה ננומטרית), מערכות ננו-אלקטרומכניות (NEMS) וננו-פלואידיקה.

ננו־מכניקה מבוססת על מספר עקרונות:

1. עקרונות כלליים במכניקה
   • עקרון של חוק שימור האנרגיה ושל חוק שימור התנע
   • וריאציות של עקרון המילטון (עקרון הפעולה המינימלית)
   • עקרונות של סימטריה
2. עקרונות פיזיקליים מיוחדים הנובעים מזעירות הגופים הנחקרים.

ייחודיות

בשל הגודל הזעיר של הגופים הנחקרים, ננו־מכניקה חייבת להתחשב בגורמים חשובים ההופכים למשפיעים ודומיננטיים בגופים בעלי סדר גודל של מרחקים בין אטומיים, כגון:

• מגוון דרגות חופש של גוף
• חשיבות התנודות התרמיות
• אפקטים של אנטרופיה
• אפקטים קוונטיים

עקרונות אלו משמשים כדי לספק הסבר לתכונות מכניות של הגופים הננומטריים. ייחודיות הננו־מכניקה היא שתכונות אלו אינן קיימות עבור גופים דומים בסקלה מאקרוסקופית שתכונותיהם שונות בהרבה מהתכונות האלו, כמו ננו-מוטות לעומת מבנים מקרוסקופיים. גודלו הזעיר של הגוף מבטא תכונות הנובעות מהיחס הגבוה בין שטח הפנים לנפח של הגוף, המשפיע על האנרגיה המכנית והתכונות התרמיות של הגוף הננומטרי. ייחודיות זו מאפשרת דיספרסיה של גלים מכניים בתוך מוצק או למשל אלסטיות בקני מידה קטנים. ריבוי דרגות חופש ועלייה של תנודות תרמיות מהווים את הסיבה למנהור תרמי של ננו-חלקיקים דרך מחסומי פוטנציאל. מזעור ותנודות תרמיות מספקים את הסיבה לתנועה בראונית של ננו-חלקיקים. הגברה של תנודות תרמיות ותצורה של האנטרופיה בסקלה ננומטרית מגדילים את הסופראלסטיות ואלסטיות אנטרופית בעזרת כוחות אנטרופיים. עבודה בתדרי עבודה גבוהים, במיוחד במסה נמוכה, מאפשרת לבנות מתנדים בעלי תדרי יסוד גבוהים במיוחד (מעל 10GHz) באמצעות תהליכים ננו־מכניים של המשטח. התקנים מכניים בתדרי עבודה גבוהים כאלה פותחים אפשרויות רבות. למשל, עיבוד אותות בתדרי מיקרוגל בעלי צריכה מאוד נמוכה של אנרגיה וייצור של סוגים חדשים של מיקרוסקופים בעלי סריקה מהירה יותר.

השפעה קוונטית

אפקטים קוונטיים משפיעים על האינטראקציה בין אטומים בודדים. אינטראקציות אלו מבוטאות בננו־מכניקה באמצעות מודלים מתמטיים המתארים את הפוטנציאל הבין אטומי של אטומים רבים. לאחר שימוש בפוטנציאלים בין אטומיים באמצעות הדינמיקה הקלאסית, ניתן לקבוע מודלים מכניים בעזרת אלגוריתם דטרמיניסטי של ננו-מבנים וננו-מערכות ברזולוציה אטומית. לפתרון מודלים אלו קיימים:

• שיטות נומריות הנקראות דינמיקה מולקולרית (MD), ולעיתים קרובות מכניקה מולקולרית.

• שיטות לא נומריות כגון Monte Carlo, Kinetic Monte Carlo וכו'

כיום כלים נומריים כוללים גישות מעורבות המאפשרות נצילות רבה של שיטות רציפות בסקלה אטומית בעזרת מודל מתמטי יחיד. פיתוח שיטות מורכבות אלו הוא נושא מחקר במכניקה שימושית. אפקטים קוונטיים מאפיינים גם תכונות חדשות של ננו-מבנים, כגון תכונות חשמליות, אופטיות וכימיות.

יישומים

AFM

מבנה מיקרוסקופ כוח-אטומי.

תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים סורק של הקורה והחוד של מיקרוסקופ כוח אטומי.

מיקרוסקופ כוח אטומי (Atomic Force Microscope) הוא מיקרוסקופ שעקרון פעולתו מבוסס על ננו־מכניקה. למיקרוסקופ רזולוציה גבוהה במיוחד, אשר יכולה להגיע עד לננומטרים בודדים, והוא משמש ככלי יסודי בחקר החומר בסקלה ננומטרית למטרות דימות ומדידה. ה-AFM מורכב מ:

• חוד עשוי מסיליקון או סיליקון ניטריט בקוטר-קצה ננומטרי
• קורה בסדר גודל של מיקרונים, אליה מחובר החוד
• קרן לייזר אשר מכוונת אל הקורה, ומוחזרת ממנה לפוטודיודה (גלאי אור)
• מערכת עיבוד ומשוב, אשר מקבלת את הנתונים מהגלאי ושולטת במרחק של הקורה והחוד מהדגימה

עקרון הפעולה של ה-AFM מבוסס על כוחות ואן דר ואלס הנוצרים בין החוד לבין האטומים שעל פני השטח של הדגימה. כאשר החוד נע על פני הדגימה, המרחק שלו מפני השטח משתנה (מכיוון שפני השטח אינם בגובה אחיד). הכוחות הפועלים בין האטומים ובין החוד מכופפים את הקורה ומסיטים את קרן הלייזר המוחזרת אל הגלאי; מערכת המשוב מגביהה או מנמיכה את הקורה והחוד עד שקרן הלייזר מוחזרת לנקודה ההתחלתית על הגלאי, מצב המעיד על כך שהחוד חזר למרחק ההתחלתי שלו מהדגימה, ואשר ממנו לומדים על הגובה המקומי של פני השטח של הדגימה. על ידי הנעת החוד ביחס לדגימה, ממפים את הטופוגרפיה של פני שטח שלה. ישנן שתי דרכים לביצוע הסריקה:

1. החוד נייח, והדגימה נעה תחתיו.
2. הדגימה נייחת, והחוד נע על פניה.

NEMS

מיקרו-מכונה

מערכות ננו-אלקטרומכניות (NanoElectroMechanical System) הם התקנים המיוצרים על גבי שבבים הכוללים מעגלים משולבים יחד עם מכלולים מכניים בסקלה ננומטרי. מערכות NEMS מהוות את הצעד הבא במזעור מערכות מיקרו-אלקטרומכניות MEMS היכולות לקיים אינטגרציה בין מערכות מכניות, אלקטרוניות ואופטיות ומאפשרות להמיר תהליכים מכניים לאותות חשמליים או אופטיים והפוך. דבר זה מהווה בסיס ליצירת חיישנים בעלי רגישות גבוהה במיוחד. למערכות NEMS מספר תכונות:

• ניצול מרבי של אנרגיה, תכונה אשר מאפיינת את מקדם איכות או מקדם Q הגבוה של תהודה.

• הקטנה של הרעש תרמומכני הדומה לרעש ג'ונסון בנגדים חשמליים. תכונה זו חשובה עבור חיישני תהודה וסטייה, אשר מצמצמת תנודות מכניות אקראיות ובכך הופכת את התקני ננו-אלקטרומכניים לבעלי רגישות גבוהה לכוחות המופעלים עליהם.

• צריכה נמוכה מאוד של אנרגיה.

ייצור של התקנים ננו-אלקטרומכניים

קיימות כיום שתי גישות לייצור התקנים ננואלקטרומכניים:

1. Top Down גישה מלמעלה למטה משתמשת בשיטות המסורתיות של מזעור כגון: ליתוגרפיה (אופטית או אלומת אלקטרונים) לייצור התקנים

2.Bottom-Up גישה מלמטה למעלה משתמשת באבני בניין מולקולריים לבניית ננו מבנים באמצעות תהליך הרכבה עצמית SAM. מחד זה מאפשר ייצור של התקנים קטנים בהרבה, ומאידך ישנה שליטה מוגבלת על תהליך הייצור.

ביוננו־מכניקה

אחד היישומים בתחום ננו־מכניקה הוא תחום ביוננו־מכניקה המשלב בין הביומכניקה לביולוגיה. תחום זה חוקר את התנועות של חומרים ביולוגיים (מוצקים, נוזלים או ויסקו-אלסטיים). ביוננו־מכניקה משייכת לתחום הביופיזיקה החוקרת את מערכת הכוחות הפיזיקליים במערכות חיות. יישומים של ביוננו־מכניקה בתחום ההנדסה מאפשרים לפתח שיטות מתקדמות לטיפולים שונים במחלות. למשל, בתחום השתלת שניים כאשר משתילים שתלי טיטניום יש חשיבות גדולה לפני שטח השתל המוחדר. לימוד מבנה פני השטח של שתלי שיניים לא רק ברמת המיקרו אלא גם ברמת הננו יאפשרו שיפור בהשתלבות השתל בעצם. עיגון השתל בעצם מפעיל השפעה מכנית על רקמת העצם המכונה גירוי ביומכני, וזה מאפשר היווצרות של עצם חדשה. הגדלת השטח הפעיל ברמת הננו מאפשר להשפיע על ביומכניקה של הגוף ולזרז את ריפוי האזור המושתל.

מקורות

[1] Sattler KD. Handbook of Nanophysics: Vol. 1 Principles and Methods. CRC Press, 2011.

[2] Bhushan B (editor). Springer Handbook of Nanotechnology, 2nd edition. Springer, 2007.

[3] Liu WK, Karpov EG, Park HS. Nano Mechanics and Materials: Theory, Multiscale Methods and Applications. Wiley, 2006.

[4] 2006, ? Dr. Ron Lifshitz,Tel Aviv University, Nanomechanics - What is it all about

[5] 2004 ,div class="mw-content-ltr"> James E. Hughes Jr; Massimiliano Di Ventra; Stephane Evoy. Introduction to Nanoscale Science and Technology (Nanostructure Science and Technology). Berlin: Springer. ISBN 1-4020-7720-3

[6] Cleland AN. Foundations of Nanomechanics. Springer, 2003.

[7] 2001 ,[1] Michael Roukes, Nanoelectromechanical systems face the future

[8] MIT, [Nanobiomechanics Breakthrough Technology], http://www2.technologyreview.com/article/405526/nanobiomechanics/

ראו גם

• מעבדה על שבב
• מכונה מולקולרית
• ננואלקטרוניקה
• ביוננומכניקה
• ננוטופוגרפית פני שטח להכוונת תאים