ננוטכנולוגיה: מדע בהתבגרות

מדענים עמלים על מציאת דרכים לשלוט בננו-חלקיקים כדי להביא את הננוטכנולוגיה לכדי יישום. שיחה עם פרופסור ריצ’רד רובינסון המתארח באוניברסיטה העברית בירושלים/איתן קריין

הכתבה התפרסמה באישור סיינטיפיק אמריקן ישראל ורשת אורט

פרופסור ריצ’רד רובינסון הגיע למעבדתו של פרופסור אורי בַּנין במכון לכימיה בירושלים בגלל כריך המבורגר. לו היה עשוי לחם ובשר, היה זה ההמבורגר הקטן ביותר בעולם. ואולם, ה”לחמניה” במקרה זה עשויה אבץ גופרי (ZnS) וה”המבורגר” עצמו עשוי משכבה דקה של נחושת גופרית (Cu₂S) שיכולה להגיע לעובי של כמה אטומים בלבד. דרך היצירה של הכדורון הזה שקוטרו כ-20 מיליארדיות המטר, או 20 ננומטר, עשויה להורות על תחום חדש ומסקרן של כימיה אי-אורגנית. כדי לדון בתהליכים האלה, ביקרתי באוניברסיטה העברית בירושלים לשיחה עם רובינסון, שהגיע מאוניברסיטת קורנל בארה”ב בסיוע מלגת פולברייט מקרן חינוך ארה”ב-ישראל.

אחד הדברים הבולטים ביותר בקורות חייו של רובינסון הוא הגיוון: את התואר הראשון והשני שלו קיבל בהנדסת מכונות מאוניברסיטת טאפטס; את תואר הדוקטור קיבל בפיזיקה יישומית מאוניברסיטת קולומביה ואת עבודת הפוסט-דוקטורט שלו ערך באוניברסיטת קליפורניה בברקלי בננו-כימיה. כעת הוא חוקר במחלקה למדעי החומרים באוניברסיטת קורנל. “במחקרים שלי אני אכן משלב את כל התחומים האלה,” אומר לי רובינסון בחיוך מצטנע. לדבריו,קבוצת המחקר שלו מנסה לגשר בין העולם הננוסקופי לבין העולם האמיתי במטרה ליצור התקנים המבוססים על ננוטכנולוגיה. לשם כך, חברי הקבוצה עסוקים בשינויים כימיים של ננו-חלקיקים המשמשים כאבני בניין בהתקנים בקנה מידה גדול יותר ומאפיינים אותם בשיטות פיזיקליות. האפיון הפיזיקלי מורה להם כיצד לערוך שינויים כימיים נוספים, וחוזר חלילה. “כדי ליצור סוללות, סופר-קבלים וזרזים כימיים, עלי לשלב את כל תחומי הידע שבהם עסקתי: הנדסה, פיזיקה וכימיה,” אומר רובינסון.

רובינסון משווה את מצב הננוטכנולוגיה של היום לחקר החומרים הפלסטיים בשנות ה-50 של המאה ה-20. פולימרים פלסטיים היו ידועים הרבה קודם לכן, אבל רק אז למדו הכימאים והמהנדסים לשלוט בהרכב ובמבנה שלהם כדי לשלוט בתכונותיהם הכימיות והפיזיקליות וליישמם בקנה מידה גדול. בשנים האחרונות למדו הכימאים להכין מגוון רחב של ננו-חלקיקים, אומר רובינסון. הם יודעים להכין חלקיקים בהרכב מדויק ובגודל מדויק ואחיד. גודל החלקיקים חשוב ביותר. בכימיה רגילה, הדבר שמשפיע יותר מכול על תכונות החומר הוא מבנה המולקולה או השריג. בננו-כימיה, לעומת זאת, לחלקיקים בעלי הרכב זהה, אבל גודל וצורה שונים, יהיו תכונות פיזיקליות שונות לגמרי: צבע, מוליכות חשמלית תכונות מגנטיות ועוד. “היום יודעים ליצור ‘אלבום בולים’ של ננו-חלקיקים: כדורים, מנסרות, כוכבים ומשושים, ועד כה עסקו בעיקר בזה,” אומר רובינסון. אנחנו יודעים כיצד להוסיף לאלבום הזה סוגים חדשים רבים של “בולים”, אבל אין לנו אמצעים ראויים לשלב אותם בהתקנים. בנוסף, עדיין לא הצלחנו למצוא את הדרך לגמלן (scale-up)  את התהליכים לייצור הננו-חלקיקים.

כימיה חדשה?

כאמור, החלק הראשון בפתרון הבעיה הוא שינוי כימי מדויק של הננו-חלקיקים. החומרים שעליהם עובד רובינסון הם תרכובות יוניות של מוליכים למחצה. בכימיה רגילה, מדובר בחומרים גבישיים, מבנים תלת-ממדיים עצומים בגודלם, בהשוואה לחלקיקי-ננו, שבהם מסודרים היונים במחזוריות של יונים חיוביים ושליליים לסירוגין, בעמודות ובשורות. אם מכניסים גביש כזה, לאחר שנוצר, לתמיסה המכילה יונים אחרים, הדרך היחידה שבה הוא יכול להגיב עמם הוא על פני השטח. “יונים זרים יכולים להיכנס ולהחליף את היונים המצויים בגביש, אבל רק למרחק קצר מאוד,” מסביר רובינסון.

גבישים בעלי מבנה דומה, אבל בממדים ננוסקופיים, מתנהגים באופן שונה לגמרי. למשל, אם מכניסים ננו-חלקיקים שהיון החיובי שבהם הוא קדמיום, (Cd⁺²) לתמיסה המכילה יונים חיוביים אחרים, כמו יוני כסף (+Ag) מתרחשת החלפה מהירה מאוד של היונים (על אף הבדלי המטען ביניהם). מכיוון ששטח הפנים של הננו-חלקיקים עצום, ביחס לנפחם, קצב התגובה נעשה מהיר מאוד. “ההחלפה כה מהירה, עד שלמרות השינוי במבנה הכימי, הצורה של החלקיקים נשמרת,” מסביר רובינסון. זאת ועוד, היונים חודרים לחלקיק הננו בכיוונים מסוימים: משני צדיו של כדורון, או בהפרשים קבועים לאורך מקלון. איש אינו מבין בדיוק את המנגנונים האלה, ומבחינות רבות מדובר בענף חדש ורענן של הכימיה.

קבוצתו של רובינסון עושה משהו חדש: היא מפסיקה את התהליך באמצע. כך נוצרים מבנים המורכבים משני חומרים שונים באותו חלקיק. זה מביא אותנו אל ה”המבורגר”: רובינסון ועמיתיו הכניסו את כדורוני הנחושת הגופרית לתמיסה המכילה יוני אבץ, וכשאלה החליפו את יוני הנחושת הפסיקו החוקרים את התגובה בזמנים קצובים (ראו איור). התהליך כה סדיר, עד שאפשר לקבל כריכים אחידים, שעובי ה”המבורגר” הנעוץ בהם תלוי בזמן התגובה. כשעוצרים את התגובה ממש בסופה מתקבלת שכבה דקה של נחושת בעובי של כאטום יחיד. ואת התכונות של השכבה הזאת בודק רובינסון בישראל.

פגוש את המומחים… הישראלים

וכאן בירושלים עובדים כמה מן המומחים המובילים בעולם בתחום אפיון ננו-חלקיקים. במעבדתו של פרופסור בנין, אומר רובינסון, מצוי ציוד ספקטרוסקופי, שנבנה כאן בארץ ושהוא מן הטובים מסוגו. אורי בנין מנוסה מאוד, ומתמחה באפיון מבני וספקטרוסקופי של ננו-חלקיקים. “באתי לכאן כדי לקדם את הקריירה שלי ולייסד שיתוף פעולה עם החוקרים בירושלים,” אומר רובינסון. “הם המומחים, ואני הזוטר.” המומחה השני שאליו מתייחס רובינסון בדבריו הואפרופסור עודד מילוא ממכון רקח לפיזיקה באוניברסיטה העברית. מילוא מומחה לאפיון של ננו-חלקיקים באמצעותמיקרוסקופ מנהור סורק (STM). “בישראל אין ציוד גדול ויקר,” מתאר רובינסון. “אבל רמת המדע כאן, והמומחיות, שווה לזו שבארה”ב או אף עולה עליה.” גם הסטודנטים הישראלים שעמם הוא עובד, ושאותם הוא שומע בסמינריונים, טובים לפחות כמו הסטודנטים שהוא מכיר בארה”ב. “המדענים כאן הם בהחלט פורצי גבולות,” הוא אומר.

מבט למעלה

המחקר שבו עוסק רובינסון בישראל הוא מחקר טהור, שכאמור עשוי להוביל לתחום חדש בכימיה. אבל למחקר יש מטרות יישומיות רבות. אחת הדוגמאות עוסקת למשל בזרזים: חומרים המסוגלים לזרז תגובות כימיות מסוימות ולכוון אותן. הביוכימיה השולטת בחיינו מבוססת על חלבונים זרזים, המכונים אנזימים, המסוגלים להגיע לרמת בקרה מדויקת להפליא. התעשייה הכימית המודרנית רחוקה אמנם מן הדיוק הביולוגי, אבל הולכת ומתבססת על זרזים. התחום מאפשר קיצורי דרך, חיסכון ניכר באנרגיה ושימוש בחומרים ידידותיים יותר לסביבה. הננו-חלקיקים, עם שטח הפנים הענק שלהם ימלאו בוודאי תפקיד חשוב. קובלט חמצני, למשל, עומד במרכז מחקר המחפש דרכים לפירוק מים באמצעות אור – במטרה לחקות את הפוטוסינטיזה. החלפה חלקית של יוני החמצן ביוני גופרית בננו-חלקיקים של קובלט חמצני, אומר רובינסון, משפרת את יכולתם לזרז את התגובה. הסיבה לכך נובעת כנראה מערעור המבנה הגבישי. יוני חמצן ויוני גופרית הם יונים שליליים, שמטבעם גדולים יותר מיונים חיוביים. יונים חיוביים קטנים עשויים להשתחל לתוך המבנה הגבישי בלי לשבור אותו, אך החלפה של יונים שליליים מערערת את המבנה. ודווקא המבנה המעורער עשוי לשפר את הפעילות.

אבל, כאמור, שילוב של ננו-חלקיקים במוצרים עדיין מצוי בראשיתו. יש כבר מסכי תצוגה המשלבים ננו-חלקיקים, אומר לי רובינסון, והן מציגים צבעים עשירים יותר, אבל הם גם יקרים יותר.

ואולי, פריצת הדרך תתאפשר משיתוף הפעולה בין ירושלים לקורנל.

פרופסור ריצ’רד רובינסון שוהה בישראל במסגרת תכנית פולברייט המקדמת שיתוף פעולה אקדמי- מדעי בין ארה”ב לישראל ותומכת בחוקרים ובתלמידי מחקר מצטיינים. השתתפותה של ישראל בתכנית זו מנוהלת על ידי  קרן חינוך ארה”ב-ישראל. הריאיון נערך בסיוע הילה עובדיה-אקרמן.

Prof. Richard Robinson is a University Visiting Professor at the Institute of Chemistry of The Hebrew University of Jerusalem