ביקוש מסביב לעולם לננו-צינוריות* המיוצרות במעבדה ב-HIT
מעבדתה של פרופ' אלה זאק ב-HIT היא היחידה בעולם שמפתחת ומייצרת שני סוגים רב-תכליתיים של ננו-גבישים איכותיים: ננו-צינוריות של WS2 ו- MoS2 הזוכות לביקוש רב בקרב חוקרים מסביב לעולם.
לננו-צינוריות הללו יש מגוון עצום של תכונות ייחודיות, ולכן הן מתאימות לטווח רחב של יישומים ננוטכנולוגיים – ממכשור רפואי לאנרגיה ירוקה, ומתעשיות הרכב והביטחון ועד לאלקטרוניקה.
חיישנים חדשניים, תאים סולריים יעילים, תאי מימן משופרים, חומרי מגן תעשייתיים, פרותזות רפואיות ותומכנים (סטנטים) לעורקי הלב, אפודי מגן, סוללות וטרנזיסטורים מתקדמים – זוהי רשימה חלקית בלבד של יישומים קיימים ופוטנציאליים של שני ננו-חומרים חדשניים – ננו-צינוריות של WS2 (טונגסטן דיסולפיד) ו-MoS2 (מוליבדן דיסולפיד) – המופקים היום במעבדה אחת בפקולטה למדעים של HIT.
"נכון להיום אנחנו המעבדה היחידה בעולם שמפיקה את שני הננו-חומרים החשובים הללו כחומר טהור (ללא גבישים אחרים) ואיכותי (בעל גבישיות מושלמת), ובכמויות משמעותיות המאפשרות מחקר בתחומים שונים – ולכן יש להן ביקוש במעבדות רבות, באקדמיה ובתעשייה, מסביב לעולם," אומרת פרופ' אלה זאק, ראשת המעבדה לסינתזה וחקר ננו-חומרים ב-HIT. "אנחנו מסנתזים ננו-צינוריות של WS2 כבר למעלה מעשור, אך רק בשנה שעברה, לאחר מאמץ מרוכז בן חמש שנים, הצלחנו לגלות את התהליך הרב שלבי והמורכב במיוחד שבאמצעותו ניתן לסנתז גם ננו-צינוריות של MoS2 (מחקר זה פורסם בכתב העת ACS Nano בפברואר 2020). בכך למעשה פתרנו חידה שהעסיקה חוקרים רבים במשך קרוב ל-25 שנה." שני הננו-חומרים מיוצרים בטמפרטורות גבוהות של 900-500 מעלות צלסיוס, בתוך ריאקטורים ייחודיים, עשויים מקוורץ ועמידים לחום ולכימיקלים, שפותחו במיוחד על ידי פרופ' זאק וקבוצתה.
"הננו-צינוריות האלה באמת מדהימות," אומרת פרופ' זאק. "יש להן מגוון עצום של תכונות ייחודיות – אופטיות, מכאניות, תרמיות, אלקטרוניות ואלקטרו-מכאניות (פייזואלקטריות), המאפשרות יישומים רבים. וזו רק ההתחלה... בפני עצמן, או בשילוב עם חומרים אחרים, ננו-צינוריות של WS2/MoS2 מאפשרות ו/או משפרות משמעותית ביצועים במגוון גדול של תחומים ותעשיות (כמתואר למעלה). לכן אין זה מפתיע שהן מעוררות עניין רב וזוכות לביקוש ער במגזרים רבים."
כמקור בלעדי של ננו-צינוריות של WS2/MoS2 באיכות גבוהה, פועלת המעבדה ב-HIT בשיתוף עם חוקרים רבים מסביב לעולם – מיפן, סין והודו, דרך אירופה ועד צפון אמריקה – שמעוניינים לחקור את הננו-חומרים החשובים הללו ואת תכונותיהם, ו/או להשתמש בהם לפיתוח יישומים חדשניים. לכל מעבדה תחומי עניין משלה, וציוד מתקדם הדרוש לעבודתה, והקבוצה ב-HIT יודעת להכין ננו-צינוריות בעלות תכונות ייעודיות עבור כל משימה מדעית. כך בכל פרויקט מתעשרות שתי הקבוצות בידע נרחב על החומרים הייחודים המיוצרים ב-HIT, באמצעות מה שפרופ' זאק מכנה "שיתופי פעולה של win-win המביאים תועלת רבה לכל הצדדים".
לדברי פרופ' זאק, מעבדתה מקיימת בכל שנה שיתופי פעולה הדוקים עם 10-8 מרכזי מחקר בישראל ובחו"ל. במהלך 13 החודשים האחרונים בלבד (פברואר 2020 – מרץ 2021) הניבו פרויקטים משותפים אלה לא פחות מ-10 מאמרים מדעיים בכתבי עת בינלאומיים (ביניהם המאמר פורץ-הדרך ב-ACS Nano שהוזכר למעלה). חלק מהמאמרים עוסקים במדע בסיסי, ואילו אחרים מתארים מגוון יישומים חדשניים בתחומים שונים. להלן חמש דוגמאות משמעותיות במיוחד:
מחקר שבוצע בשיתוף עם חוקרים באיטליה, ופורסם בכתב העת Small Journal, מצא כי ננו-צינוריות של WS2 יכולות לשמש כננו-חיישנים פייזואלקטריים יעילים. חיישנים כאלה, המשנים את ההתנגדות החשמלית שלהם בתגובה למתיחה או התכווצות מכאנית, או להפך – משנים את צורתם כשהם נחשפים לשדה חשמלי, מצויים כיום בשימוש נפוץ, בעיקר במסכי מגע ובשעונים דיגיטליים. פרופ' זאק מציינת: "התכונות הפייזואלקטריות מצויות רק בננו-צינוריות הזעירות, ולא בגבישים גדולים יותר של החומרים WS2 ו-MoS2. זוהי דוגמה מצוינת לחשיבותה של הננוטכנולוגיה."
פרויקט אחר, שבוצע בישראל בשיתוף עם רפאל – מערכות לחימה מתקדמות, ופורסם בכתב העת Composites Science and Technology, מצא כי הוספת כמות קטנה של ננו-צינוריות של WS2 לפולימר בשם PMMA (polymer methyl methacrylate) מביאה ליצירת חומר מרוכב בעל תכונות מכאניות משופרות ביותר: עלייה של מעל 30% ביכולת ספיגת האנרגיה (צפידות), עלייה של 20% בחוזק בנגיפה, ועלייה של 80% בהתארכות בשבר. בזכות תכונות מרשימות אלה עשוי החומר המרוכב החדש להתאים למגוון יישומי מגן מתקדמים – החל באפודים חסיני קליעים וכלה ברכבים משוריינים קלי-משקל.
מאמר שפורסם בכתב העת ACS Applied Energy Materials, בשיתוף עם חוקרים מבנגלור שבהודו, עוסק בננו-חומרים מרוכבים שמשלבים ננו-צינוריות של MoS2 עם שני סוגים אחרים של ננו-צינוריות (פחמן ובורוקרבוניטריד). המחקר בוחן את יעילותם של הננו-חומרים המרוכבים כקטליזטורים (המזרזים ריאקציות כימיות) בתהליכים פוטוכימיים ואלקטרוכימיים לייצור דלק מימן – דלק נקי לחלוטין שפולט רק מולקולות מים. הממצאים מעידים כי הוספת ננו-צינוריות של MoS2 לתרכובת מעצימה משמעותית את הריאקציה של פירוק מים לייצור מימן, ומכפילה את תפוקת המימן (עלייה של 100%).
שיתוף פעולה עם חוקרים בגרמניה, בספרד ובמכון וייצמן הניב מחקר שפורסם בכתב העת Applied Physics Reviews,, ולקח את הננו-צינוריות של WS2 לעולם של פיזיקה קוונטית. המחקר מצא שבזכות תכונות קוונטיות ייחודיות, הננו-צינוריות הללו הן מועמדות מבטיחות ליישומים כמו קטליזטורים בתהליכים פוטוכימיים, טרנזיסטור תוצא שדה (field effect transistors-FET) חיישנים אופטיים, מיתוג חשמלי (switchable electronics), ומספר רב של יישומים אופטו-אלקטרוניים.
פרויקט משותף עם מעבדות בשוודיה, בהודו ובמכון וייצמן, שפורסם בכתב העת Wiley Polymer Composites, הראה כי הוספת ננו-צינוריות של MoS2 תורמת משמעותית לחומר מרוכב היברידי שמשפר את התכונות התרמיות והמכאניות של הפולימר פוליוויניל אלכוהול (PVA) – פולימר ידידותי לרקמות ביולוגיות שיש לו שימושים רפואיים רבים, כמו החלפת סחוס, עדשות מגע וטיפות עיניים, וכן סרטי צילום, ועוד יישומים תעשייתיים ורפואיים. החומר המרוכב ההיברידי הראה שיפור מרשים מול PVA טהור: עלייה של 138% בחוזק במתיחה, 142% במודול האלסטיות (Young's modulus), ו-246% ביכולת ספיגת האנרגיה, וכן ירידה בספיגת המים ושיפור בעמידות תרמית.
"ממצאים אלה ורבים אחרים סוללים את הדרך לפיתוח חומרים וננו-חומרים חדשניים בעלי תכונות חדשות ומשופרות ואינספור יישומים מתקדמים, המבוססים על ננו-צינוריות וננו-חומרים אחרים שאנו מפתחים ומפיקים במעבדה שלנו ב-HIT," מסכמת פרופ' זאק. "בכוונתנו להמשיך בשנים הבאות בעבודתנו המחקרית, לקראת עוד ועוד תגליות חשובות ומועילות."
* 'ננו' משמעו שגודל של הגביש נמדד בננו-מטרים (1nm=10-9m). קוטרה של ננו-צינוריות - ~100nm, קטן פי 1000 מקוטר שערת אדם.
פורסם:18/04/2021
