חוקרים מתל אביב חולמים על טלוויזיות עשויות מדנ"א
חוקרים מאוניברסיטת ת"א פיתחו ננו-מבנים על בסיס חומרים ביולוגיים שפולטים אור בתגובה למתח חשמלי, בדומה לתאורת LED. הפיתוח, שאמור לייתר שימוש במתכות מזהמות, ישתלב במסכי טלוויזיה ובסמארטפונים

את הדבר שמרגש ומסעיר כל כך את פרופ' אהוד גזית ואת עמיתיו מאוניברסיטת תל אביב, קשה להסביר. אפילו הוא עצמו, כמי שעוסק בננו-טכנולוגיה אורגנית כבר כמה שנים, חש שהוא עדיין עושה את צעדיו הראשונים במרחב חדש ובלתי מוגבל, שבו מתמזגים תחומי הביולוגיה והננו-טכנולוגיה לצורות חומר חדשות. הם יוצרים עולם מרתק של חומרים בעלי תכונות ומבנים ביולוגיים. אחרי מהפכת הפולימרים של המאה ה-20 שסיפקה לנו פלסטיק, פי.וי.סי, סיליקון ועוד, מסמן גזית את השילוב בין ננו־טכנולוגיה וביולוגיה כמהפכת החומרים של המאה הנוכחית. לכן אין זה מופרך שבעוד שנים לא רבות נשתמש במסכי מחשב או טלוויזיה גמישים המבוססים על חלקיקי חלבונים ודנ"א, ללא מתכות או חוטי נחושת. ומי שמודאג מהתפתחותה של בינה מלאכותית שמשאירה את בני האדם מאחור, יוכל להוסיף לכך בקרוב גם ממד ביולוגי שיאפיין ארכיטקטורה חכמה, יש שיאמרו אלוהית, של מבנים סדורים וחכמים שבונים את עצמם בטבע.
 
באוקטובר אחרון הוכרזו שלושת המדענים היפנים איסאמו אקסאקי, הירושי אמאנו ושוג'י נאקמורה, כזוכי פרס נובל לפיסיקה לשנת 2014. את ההמצאה שלהם מכירים ומוקירים כיום כמעט בכל בית ורחוב במערב. הדיודות פולטות האור הכחול, שזיכו את השלושה בפרס החשוב, אפשרו את ייצור המוני ורב שימושי של תאורת ה-LED החסכונית, ובישרו על מהפכה בתחום התאורה והחיסכון באנרגיה.
 
אבל עולם האופטיקה והתאורה המלאכותית שואף ליותר. הוא מבקש להיות יעיל יותר, חסכוני יותר באנרגיה ומזיק פחות לסביבה. בשנים האחרונות נמצאת בחיתוליה טכנולוגיית ה-OLED, המציעה מסכים העשויים מחומרים אורגניים. מאמר חדש, שצפוי להתפרסם בקרוב בכתב העת Nature Nanotechnology, עוסק במחקרם של מדענים ישראלים מאוניברסיטת תל אביב שפיתחו ננו-מבנים על בסיס חומרים ביולוגיים שפולטים אור בתגובה למתח חשמלי בדומה להתקני LED. מה שהלהיב את עורכי כתב העת, שאף יקדישו למאמר את השער של גיליון אפריל, וגרם להם לסבור שמדובר בקפיצת מדרגה מדעית הוא העובדה שלראשונה נעשה שימוש ננו־טכנולוגי בחומר אורגני המשלב חלקי חלבון ודנ"א בתחום האופטיקה.
 
"המעבדה שלנו מתמחה בייצור ננו-טכנולוגיה ביולוגית, כלומר מבנים ננו-מטריים שמורכבים מחומרים אורגניים", מסביר פרופ' גזית. "זה גם יותר ירוק וגם יותר זול, ומאפשר לייצר טכנולוגיות חדשות שאי אפשר לייצר באמצעות חומרים אי-אורגניים כמו מתכות ומוליכים למחצה". תחום הננו-ביוטכנולוגיה (או אם תרצו הביו-ננוטכנולוגיה, תלוי את מי שואלים) הוא אחד התחומים הנחשבים לחוד החנית במחקר הננו-טכנולוגי. הוא מתאפיין כיום בשני כיווני מחקר עיקריים, שעושים שימוש בשתי קבוצות של אבני הבניין הבסיסיות ביותר בטבע: סלילי דנ"א ופפטידים, שהם אבני היסוד של החלבונים בטבע.
 

 ברגר וגזית במעבדה באוניברסיטת תל אביב,
תומר אפלבאום

במסגרת המחקר החדש הצליחו החוקרים למעשה לשלב בין שני התחומים ויצרו חומר חדש: חלקיקים זעירים מאוד המבוססים על שילוב אורגני של פפטידים ודנ"א. "הגענו לזה כמעט במקרה", מספר ל"הארץ" הדוקטורנט אור ברגר, שערך את המחקר בהנחייתו של פרופ' גזית. "במעבדה אצלנו עובדים כבר הרבה שנים על ננו-טכנולוגיה של פפטידים (שרשראות קצרות של חומצות אמינו המרכיבות חלבונים - ע"א), וכשהתחלתי לעבוד על הדוקטורט רציתי לשלב את זה עם תחום הננו-טכנולוגיה של הדנ"א, שהוא תחום נפרד. אבל התכונות האופטיות של החלקיקים הללו התגלו במקרה".
 
"אנחנו לא הראשונים לפתח את הפפטיד דמוי הדנ"א", מדגיש פרופ' גזית, "אבל אנחנו הראשונים בעולם שהשתמשו בחומר הזה לשימושים ננו-טכנולוגיים. כאמור, התכונות האופטיות של החומר התגלו במקרה רק לאחר שהמדענים יצרו אותו. "מדובר בארכיטקטורה מיוחדת ומאוד חזקה", ממשיך פרופ' גזית, "אבל אנחנו שאלנו את עצמנו מה יכול להיות מיוחד במבנים האלה, גם מעבר להיותם בעלי ארכיטקטורה מולקולרית מיוחדת". את התשובה קיבלו החוקרים כאשר החדירו את הצבע הפלואורסצנטי (צבע הגורם לחלקים בדנ"א להאיר שהשימוש בו נפוץ) לחלקיקים. רק אז כי החלקיקים שלא נצבעו האירו בזכות עצמם. החוקרים גילו שתי תגליות מפתיעות: ראשית, המבנים שיצרו האירו גם ללא הוספת צבע. ושנית, ניתן להפיק מאותם מבנים כל צבע בתחום האור הנראה, בניגוד לחומרים פלואורסצנטיים אחרים שמאפשרים רק צבע אחד. כך נולד הפרויקט, שנמשך שנתיים ושבו השתתפו גם ד"ר ליהי אדלר-אברמוביץ, ד"ר יובל אבנשטיין, ד"ר טל שוורץ, פרופ' פליקס פרולוב שמת באחרונה ופרופ' פרננדו פטולסקי - כולם מאוניברסיטת תל אביב, וכן ד"ר לינדה שמעון ממכון ויצמן.
 
"המבנים התגלו כבעלי תכונות אופטיות ייחודיות", מסביר ברגר. "לא זו בלבד שהם שיכולים להאיר בזכות עצמם, ניתן גם לקבל מהם אלקטרו-לומיניסנציה. כלומר, כשמופעל עליהם מתח חשמלי, הם פולטים אור בדומה לנורת LED. ופה כבר מדובר בשלל אפליקציות אפשריות ומגוונות, כמו מסכי מחשב, טלוויזיה וטלפונים חכמים". לדבריו, כיום מסכי LED מורכבים מכמה שכבות של חומרים שונים, שכל אחד יכול לפלוט אור בצבע מסוים, וכך מתקבלים מסכים צבעוניים. כיוון שהמבנים החדשים מסוגלים לפלוט אור בכל צבע, מדובר בחיסכון משמעותי. בנוסף, כיוון שמדובר במבנים המבוססים על חומרים ביולוגיים, הם הרבה יותר ידידותיים לסביבה, בניגוד לחומרים הנמצאים בשימוש ומכילים מתכות כבדות ושאר מזהמים. הגילוי החדש הלהיב לא רק את הקהילה המדעית. הוא אף נרשם כפטנט בחברת רמות - חברת מסחור הטכנולוגיות של אוניברסיטת תל אביב, זכה למענק מקרן "מומנטום" של אוניברסיטת תל אביב, ונכנס לשלבי פיתוח מוקדמים בהשקעה של התאגיד ההודי TATA.
 
"באופן כללי יש כיום תנועה בכיוון של אלקטרוניקה שאינה מבוססת על חומרים שאינם ידידותיים לסביבה אלא על חומרים אורגניים", מסביר גזית. "אחת הבעיות שקיימות כיום בתחום האופטיקה היא להשיג תאורה באזור הכחול של הספקטרום האלקטרו-מגנטי. גילנו שהמבנים שיצרנו מספקים תאורה טובה גם באזור הזה. יצרנו מבנים שבונים את עצמם, וגילינו שניתן לתכנן כל מיני תצורות חומר שמבוססות על הרכבה עצמית. זו תחילתה של מהפכה בתחום החומר שמבוסס על ננו־טכנולוגיה".
 
לדברי גזית, הוא ועמיתיו למדו מהביולוגיה כיצד חומרים יוצרים מבנים ננו-מטריים מאוד קטנים וסדורים, וכעת הם מתחילים ללמוד את המגוון הגדול של תכונותיהם הפיסיקליות. "במקרה הזה מדובר על פליטת אור, מה שיכול להיות יעיל מאוד למסכים ולאלקטרוניקה שמבוססת על מצעים גמישים ללא מתכות", הוא אומר. "אבל זה מגיע גם עם פוטנציאל גדול של תכונות נוספות כמו חוזק מכני גבוה, תכונות של מוליכות למחצה ועוד. זה עולם חדש מלא יישומים שנמצא לנו מתחת לידיים. אנחנו רוצים לשלב את שני העולמות - מצד אחד חומרים שבונים את עצמם ויכולים ליצור מבנים סדורים, ומצד שני חומרים שניתן לארגן אותם ולשלוט בהם". לדברי גזית, האתגר הטכנולוגי הגדול בתחום האלקטרוניקה הוא לא המזעור אלא ייצור התקנים שיבנו את עצמם, על בסיס ההבנה שהמערכת הביולוגית היא סוג של מכונה שאפשר לשלב עם ננו-טכנולוגיה. "הרעיון הוא להצליח להקנות את התכונות שאתה מקבל בננו-טכנולוגיה להתקנים גדולים וספציפיים יותר של מערכות ולאפשר להם להתארגן בעצמם", אומר גזית. "מבחינה זו, השמיים הם הגבול".