ננו-מכניקה
ננומכניקה (Nanomechanics) הוא ענף בננוטכנולוגיה ובננו-מדע החוקר את התכונות הפיזיקליות של מכניקת היסוד (אלסטית, תרמית וקינטית) בסקלה ננומטרית. הננומכניקה עומדת בתווך בין מכניקה הקלאסית למכניקת הקוונטים.
רקע
מבחינה טכנולוגית, אבני הבניין הבסיסיות מהן נוכל לבנות ולייצר מכונות זעירות הן האטומים שגודלם נמדדים באנגסטרמים שהם עשיריות הננומטר. ישנה מוטיבציה לייצר התקנים מכניים או אלקטרומכניים קטנים ככל האפשר מכיוון שככל ההתקן מכני קטן יותר, כך הוא תופס פחות נפח, משקלו קטן יותר, מגיב מהיר יותר, צורך הספק נמוך יותר וברוב המקרים זול יותר לייצור. כיום קיימים בתעשייה התקנים מכניים שגודלם בין ננומטר למיקרון כגון מנגנון המפעיל כרית אויר בעת התנגשות ועוד. 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[1]. 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 שלהם לכוון ייצור של מפעילים מכניים תת-מיקרוניים בעזרת חודים של מיקרוסקופ מנהור סורק STM.
לעיתים קרובות, ננומכניקה מתוארת כענף בננוטכנולוגיה הממוקד על תכונות מכניות של ננו-מבנים וננו-מערכות (מערכות עם רכיבים בסקלה ננומטרית). כגון התכונות המכניות של ננו-חלקיקים, ננו-תילים, ננו-מוטות, ננו-ציונורות 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 היטב על ננומכניקה הינם : מכניקה של ננו-חומרים, ננו-טריבולוגיה (חיכוך, אינטראקציה בין משטחים, אינטראקציה מכנית בסקלה ננו), מערכות ננו-אלקטרומכניות (NEMS) וננו-פלואידיקה.
ננומכניקה מבוססת על מספר עקרונות:
1. עקרונות כללים במכניקה :
- עקרון של חוק שימור האנרגיה ושל חוק שימור התנע
- וריאציות של עקרון המליטון (עקרון הפעולה המינימלית)
- עקרונות של סימטריה
2. עקרונות פיזיקליים מיוחדים הנובעים מזעירות הגופים הנחקרים.
ייחודיות
בשל הגודל הזעיר של הגופים הנחקרים, ננומכניקה חייבת להתחשב בגורמים חשובים ההופכים משפעים ודומיננטיים בגופים בעלי סדר גודל של מרחקים בין אטומיים כגון :
- מגוון דרגות חופש של גוף
- חשיבות התנודות תרמיות
- אפקטים של אנטרופיה
- אפקטים קוונטיים
עקרונות אלו משמשים כדי לספק הסבר לתכונות מכניות של הגופים הננומטריים. ייחודיות הננומכניקה היא שתכונות אלו אינם קיימים עבור גופים דומים בסקלת המקרו שתכונותיהם שונים בהרבה מתכונות האלו. למשל ננו-מוטות לעומת מבנים מקרוסקופיים. גודלו הזעיר של הגוף מבטא תכונות הנובעות מהיחס הגבוה בין השטח פנים לנפח של הגוף המשפיע על האנרגיה מכנית והתכונות התרמיות של הגוף הננומטרי. ייחודיות זו מאפשרת דיספרסיה של גלים מכניים בתוך מוצק או למשל אלסטיות בקנה 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 ננו 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 המון אפשרויות. למשל, עיבוד אותות בתדרי מיקרוגל בעלי צריכה מאד נמוכה של אנרגיה וייצור של סוגים חדשים של מיקרוסקופים בעלי סריקה מהירה יותר.
השפעה קוונטית
אפקטים קוונטים משפיעים על האינטראקציה בין אטומים בודדים. אינטראקציות אלו מבוטאות בננומכניקה באמצעות מודלים מתמטיים המתארים מאת הפוטנציאל הבין הטומי של אטומים רבים. לאחר שימוש בפוטנציאלים בין אטומיים באמצעות הדינמיקה קלאסית, 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 מעורבבות המאפשרות נצילות רב של שיטות רציפות בסקלה אטומי בעזרת מודל מתמטי יחיד. פיתוח שיטות מורכבות אלו היא נושא מחקר במכניקה שימושית. אפקטים קוונטים מאפיינים גם תכונות חדשות של ננו-מבנים כגון תכונות חשמליות, אופטיות וכימיות.
יישומים
AFM
מיקרוסקופ כוח אטומי (Atomic Force Microscope) הינו מיקרוסקופ שעקרון פעולתו מבוסס על ננומכניקה. המיקרוסקופ בעל רזולוציה גבוהה במיוחד, אשר יכולה להגיע עד לננומטרים בודדים והוא משמש ככלי יסודי בחקר החומר בסקלה ננו למטרות דימות ומדידה. ה-AFM מורכב ב :
- חוד עשוי מסיליקון או סיליקון ניטריט בגודל ננומטרי
- קורה המחוברת לחוד בגודל של מיקרון (על פניה מוקרן קרן לייזר)
- מערכת משוב הכוללת לייזר דיודה רגישה לאור ומערכת קבלה ותרגום נתונים
עקרון פעולה של ה-AFM מבוסס על קשרי ואן דר ואלס הנוצרים בין החוד לאטומים שעל פני השטח של הדגימה. כוחות אלו גורמים לתנודות של החוד המאפשרות את מדידת הטופוגרפיה של פני שטח של דגימה. ישנן שתי דרכים לסריקה[2]:
1. החוד נשאר במקום ומזיזים את הדגימה.
2.הדגימה מקובעת וחוד זז על פניה.
NEMS
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 מאד 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.
ביוננומכניקה
אחד היישומים בתחום ננומכניקה הוא תחום ביוננומכניקה המשלב בין הביומכניקה לביולוגיה. תחום זה חוקר את התנועות של חומרים ביולוגיים (מוצקים, נוזלים או ויסקו-אלסטיים). ביוננומכניקה משייכת לתחום הביופיזיקה החוקרת את מערכת הכוחות הפיזיקליים במערכות חיות. יישומים של ביוננומכניקה בתחום ההנדסה מאפשריים 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. מסת"ב 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/