העולם שייך לזעירים
חוקרים בנו משטחים שמכוונים גידול של ננו-חוטים וננו-צינורות וצפו בתהליך גדילתם בזמן אמת. התחזית לעתיד: בניית התקנים מתקדמים, כגון תאים סולריים זעירים
מכון ויצמן למדע|
החיים עצמם:
פרופ’ ארנסטו יוסלביץ, נשוי פלוס ארבעה ילדים, גר ברחובות. נולד בארגנטינה ובהיותו בן תשע עבר עם משפחתו לברצלונה, ספרד. בגיל 18 עלה לבדו לישראל ונרשם ללימודי כימיה באוניברסיטה העברית, שם עשה גם דוקטורט. את הפוסט-דוקטורט עשה באוניברסיטת הרווארד ולאחר מכן השתלב במכון ויצמן. לפני כשנתיים נמצא בארכיון מכון ויצמן מברק מ-1919 ששלח חיים ויצמן ליעקב יוסלביץ – מייסד הפדרציה הציונית בארגנטינה ב-1913 ובעל מפעל מתכת – שבו ביקש ממנו לגייס כספים לבית היהודי בארץ ישראל. פרופ’ יוסלביץ, כך הסתבר, הוא נינו של יעקב יוסלביץ. הוא מספר כי “גיליתי לתדהמתי את הקשר בין סבא רבא שלי לחיים ויצמן, וזה גרם לי לחשוב שעבודתי במכון ויצמן היא סוג של סגירת מעגל”. עוד הוא מוסיף כי “למעשה, סבא רבא שלי עסק בחומרים כבר לפני 100 שנה בארגנטינה, סבא שלי היה מהנדס אזרחי, אבא שלי היה אדריכל ומעצב ואני איש ננו-חומרים. כלומר, במשך ארבעה דורות אנחנו מייצרים מבנים בגדלים שונים”.
האם עתידנו טמון בחומרים זעירים? לפי חוקרי ננוטכנולוגיה, ייתכן שכן. תחום זה עוסק במערכות שגודלן נע בין ננומטרים בודדים לעשרות ננומטרים (ננומטר = מיליארדית המטר, פי 100,000 דק יותר משערה). ננו-חומרים – בעלי ממד ננומטרי אחד לפחות – הם חלק מתחום זה. תכונותיהם הפיזיקליות – כגון הולכה חשמלית גבוהה וזירוז תגובות כימיות (קטליזטורים) – תלויות בגודל זה ומותאמות לייצור של מגוון התקנים מתקדמים, למשל אלקטרוניים, דיגיטליים, קוונטיים ורפואיים.
מה השאלה?
כיצד אפשכר לגדל ננו-חוטים וננו-צינורות כדי לבנות מהם התקנים מתקדמים?
פרופ’ ארנסטו יוסלביץ מהמחלקה לכימיה מולקולרית ומדע חומרים בפקולטה לכימיה במכון ויצמן וצוותו עוסקים בננוטכנולוגיה ובננו-חומרים – חד-ממדים (ננו-צינורות וננו-חוטים שעשויים מפחמן ומוליכים למחצה – חומרים שמוליכים חשמל בטמפרטורת החדר – אבני הבניין של האלקטרוניקה המודרנית), ודו-ממדיים (חומרים שכבתיים כגון מתכות וגרפן). מטרתם לגלות חומרים חדשים – את היווצרותם, תכונותיהם, התנהגותם והתארגנותם העצמית – כדי שבעתיד יוכלו לבנות מהם מגוון התקנים.
אומרפרופ’ יוסלביץ: “בעשורים האחרונים גילו כי כאשר החומר בגודל ננו, תכונותיו משתנות בהתאם לו ואפשר להעביר דרכו יותר מידע. במערכות שונות, גם בגוף האדם, לצינורות ולחוטים זעירים יש תפקידי העברה חיוניים, לדוגמה של חומרים, אנרגיה, כוח ומידע. מדע הננו פתח בפנינו עולם חדש של חומרים ותכונות שלא הכרנו עד כה, שעל בסיסם אפשר לפתח התקנים מסוגים רבים ושונים. ככל שהחוטים והצינורות דקים יותר, אפשר לבנות מהם מערכות יעילות יותר”.
במחקרם האחרון, שזכה במענק מחקר מהקרן הלאומית למדע, ביקשו פרופ’ יוסלביץ וצוותו לבדוק כיצד ננו-חוטים וננו-צינורות גדלים במסודר, כך שנמנע סבך שלהם והם יכולים לתפקד כמוליכים למחצה. מדובר למעשה ב”גידול מונחה” – תהליך שמאפשר לגדל מערכים מסודרים של ננו-חוטים וננו-צינורות, לשלוט בגודלם, קוטרם, כיוונם ומיקומם, וכך לבנות על בסיסם התקנים יעילים.
בעבר גילו החוקרים כי כאשר הם מגדלים ננו-חוטים וננו-צינורות על משטחים מסוימים (למשל גבישים חלקים ומקומטים עם ננו-תלמים מלאכותיים שיצרו בליתוגרפיה או זכוכית ששרטו באמצעות יהלומים), הם צומחים אופקית – לפי סידור שורות האטומים, הננו-תלמים או השריטות, אשר משמשים כ”מסילות”. הם מחדירים למשטחים הללו גם מתכת ומכניסים אותם לתוך גוף חימום (טמפרטורה של 800 מעלות). הננו-חוטים והננו-צינורות גדלים מתוך ננו-חלקיקי המתכת המותכת; היא הופכת לטיפה (נוזל) שמחליקה לאורך המסילות וכך משאירה אחריה שובל – שהופך לננו-חוטים וצינורות מוליכים למחצה.
במחקרם האחרון צפו החוקרים לראשונה בתהליך הגידול המונחה של הננו-חוטים והננו-צינורות לאורך המסילות במיקרוסקופ אלקטרונים (בסיוע היחידה למיקרוסקופיה אלקטרונית במכון ויצמן); קרן אלקטרונית סרקה אותם והאלקטרונים שנפלטו מהם יצרו תמונות שבהן ניתן היה לצפות בגדילתם. כך למשל התגלה שכאשר טיפת המתכת אוזלת, החוטים והצינורות מפסיקים לגדול ומתכווצים חזרה. “לראשונה ראינו בזמן אמת כיצד הננו-חוטים והננו-צינורות גדלים על המשטחים, למשל את מסלולם טמהירותם, מסביר פרופ’ יוסלביץ.
צפייה בתהליך הגידול המונחה בזמן אמת והבנתו יאפשרו לחוקרים לבנות התקנים מתקדמים שמבוססים על ננו-חוטים וננו-צינורות, כגון טרנזיסטורים (רכיבים חשמליים המשמשים כמתגים אלקטרוניים), רכיבים פיזיקליים כגון שער לוגי, גלאי אור ותאים סולריים. “התקנים אלו יוכלו לשמש למשל ל’אינטרנט של דברים’ (Internet of Things – פריטים המשובצים בחיישנים ובתוכנה אשר מאפשרים תקשורת מתקדמת ויכולות איסוף וניתוח מידע. למשל, ברפואה ותחבורה חכמות ובית חכם)”, מסכם פרופ’ יוסלביץ.