חוקרי האוניברסיטה העברית יצרו את מתג הצבע הזעיר ביותר בעולם

מתג הצבע המהיר מאפשר שינוי מידי של הצבע הנפלט. לתגלית יש השלכות לטכנולוגיות מגוונות בהן נדרש כיוונן צבע מהיר כדוגמת מסכי תצוגה, תקשורת קוונטית ומקורות אור ממוזערים

צוות חוקרים מהאוניברסיטה העברית גילה תופעה חדשה של מיתוג אור נשלט, מידי, והפיך בננו-גביש בודד המסוגל לפלוט אור בשני צבעים שונים. הננו גביש מורכב משני מרכזים מצומדים הפולטים אור, וניתן למתג ביניהם על ידי הפעלת שדה חשמלי מתאים על הגביש המצומד, שמהווה מעין “מולקולה מלאכותית” המורכבת משני ננו גבישים שונים, ומאפשרת פליטת אור מכל אחד מהצבעים או כל שילוב שלהם. לתגלית השלכות יישומיות לטכנולוגיות מגוונות כולל במסכי תצוגה, ליצירת מקורות אור זעירים, לתקשורת קוונטית, לחישת שדות חשמליים במחקר נוירונים ועוד.

שינוי הגודל וההרכב של ננו גבישים מוליכים למחצה, מאפשר כיוונון של צבע האור הנפלט מהם. לתופעה זו יישומים רבים. למשל במסכי תצוגה, שם התמונה הצבעונית מתקבלת על ידי שילוב של שלושת צבעי היסוד – אדום, ירוק וכחול. יחד עם זאת, עבור כל צבע נדרש להשתמש בננו גביש שונה, ומיתוג מידי בין צבעים שונים לא התאפשר עד כה.

קבוצת חוקרים מהמכון לכימיה ומהמרכז לננומדע ולננוטכנולוגיה של האוניברסיטה העברית שכוללת את תלמיד המחקר יונתן אוסיה וחוקרים נוספים, ובראשות פרופסור אורי בנין, הצליחה לראשונה להדגים את קיומה של תופעה חדשה המאפשרת מיתוג צבע מהיר והפיך במערכת של ‘מולקולה מלאכותית’ המורכבת משני ננו גבישים מצומדים הפולטים שני צבעים שונים. לתגלית השלכות טכנולוגיות משמעותיות ופוטנציאל ליישום בעולם המסכים ובתחומים נוספים. ממצאי המחקר פורץ הדרך התפרסמו בכתב העת היוקרתי נייצ’ר מטריאלס Nature Materials.

פליטת אור צבעוני מחומרים מוליכים למחצה הינה בסיס למגוון טכנולוגיות חשובות כגון תאורה חסכונית וממוזערת, מסכים חדשים, רשתות תקשורת אופטיות מהירות, חישה, ועוד. עם הקטנת גודל חלקיק מוליך למחצה לתחום הננומטרי (ננומטר – ביליונית המטר, אחת חלקי מאה אלף מקוטר של שערה), מתקבל ננו גביש המכונה לעיתים “אטום מלאכותי”. אחת התכונות המופלאות של ננו גבישים עשויים ממוליכים למחצה היא פליטת אור חזקה, ואפשרות לשלוט בצבע האור על ידי שינוי הגודל של הגביש. מסיבה זו, ננו גבישים מוליכים למחצה משמשים כמקורות אור למגוון צבעי הקשת. תכונה זו נמצאת כבר היום בשימוש נרחב במסכי טלוויזיה בהם הפיקסלים מורכבים מננו גבישים המקנים למסך איכות צבע מעולה, בד בבד עם חיסכון אנרגטי. יחד עם זאת, עד כה, השגת הצבעים השונים הנדרשים לקבלת טווח הצבעים במסך (אדום, ירוק, כחול), התאפשרה רק על ידי שימוש בננו גבישים שונים מותאמים לכל צבע ופיקסל בנפרד, ולא ניתן היה להשיג להשתמש בסוג אחד של ננו גבישים לקבלת מספר צבעים שונים.  

בפריצת הדרך המדעית, כדי להשיג את תופעת המיתוג החדשה, יצר צוות המחקר סוג חדש של ננו גביש המורכב משני ננו גבישים, שכל אחד מהם מכוונן לפלוט אור בצבע שונה. כך התקבל מבנה בעל תכונות של מולקולה מלאכותית. בצורה זו למשל – ניתן לחבר יחד ננו גביש הפולט אור ירוק, עם ננו גביש שני הפולט אור אדום ולקבל חלקיק בודד הפלט אור בשני צבעים שונים. החוקרים הראו כי ניתן למתג ולכוונן את צבע האור שנפלט ממולקולה כזו על ידי הפעלת שדה חשמלי חיצוני באמצעות הפעלת מתח על מערך אלקטרודות. בקוטביות אחת של השדה, האור הנפלט יהיה בצבע אדום, ובהיפוך המתח החשמלי, האור הנפלט יהיה בצבע ירוק. באופן כזה, הצבעים ניתנים למיתוג מאדום לירוק, באופן הפיך ומהיר. יותר מכך – תחת הפעלת מתח מתאים ניתן לקבל גם כל שילוב רצוי של צבע בין ירוק ואדום – מה שמאפשר פריסה של מרחב צבעים מגוון מחלקיק בודד.

לתגלית זו השלכות יישומיות מרחיקות לכת במגוון תחומים: במסכים, היא תאפשר לפשט מאוד את מבנה המסך ולקבל רזולוציה גבוהה עם פחות פיקסלים שונים. במקום מבנה של פיקסל שונה לכל אחד משלושת צבעי היסוד (אדום ירוק וכחול), ניתן להחליף זוג פיקסלים בפיקסל בודד שבו האור ימותג בין שני צבעים לפי הצורך. התגלית פותחת גם אפשרויות חדשות בכל הקשור לטכנולוגיות לייזר ממותג צבע, טכנולוגיות של תקשורת אופטית וקוונטית הדורשות מקורות אור ייחודיים בעלי צבעים מוגדרים, ואף כאמצעי חדש לחישת שדות חשמליים באמצעים אופטיים שנדרשת בחקר המוח.

פרופ’ בנין הסביר את משמעות הגילוי ואמר “התגלית שלנו הינה התקדמות משמעותית בשילוב ננו-חומרים והתקנים אופטו-אלקטרוניים. זהו צעד חשוב בפיתוח הרעיון של ‘כימיה מבוססת ננו גבישים’ בו ננו גבישים משמשים כאטומים מלאכותיים ואבני בניין למגוון מולקלות מלאכותיות עם תכונות חדשות, תחום אותו הצגנו לראשונה רק לפני שנים ספורות.” הוא הוסיף ואמר “היכולת למתג ולהחליף צבעים במהירות וביעילות כפי שהצלחנו להשיג, הינה חשובה ורלוונטית למגוון טכנולוגיות. למשל – בתחום המסכים שם תיתכן הפשטה של מבנה המסך שנדרשת לייצור מסכים חדשים ממוזערים, וכן בתחום החדשני של תקשורת קוונטית שם נדרשים מקורות אור חדשים הפולטים פוטונים בודדים ושניתן למתג את צבעם במהירות. התגלית רלוונטית גם לתחומי מחקר שונים, לדוגמא לתחום הנוירוביולוגיה בו נדרשת חישה מרחוק של שדה חשמלי מקומי בעזרת פליטת אור.”

צוות המחקר כלל את החוקרים הבאים: פרופ’ אורי בנין, יונתן אוסיה, אדר לוי, יוסף אפרים פנפיל, סומנת קולי, עינב שרף, נדב חפץ, מהמכון לכימיה, וסרגיי רמניק, ועצמון וקחי מהמרכז לננו-מדע וננוטכנולוגיה של האוניברסיטה העברית בירושלים. המחקר המוביל לתוצאות אלו קיבל תמיכה כספית ממועצת המחקר האירופית (ERC) במסגרת תוכנית המחקר והחדשנות Horizon 2020 של האיחוד האירופי.

קישור למאמר: https://www.nature.com/articles/s41563-023-01606-0

עוד בנושא באתר הידען:

• חוקרים פיתחו “מתג” המפעיל את המערכת החיסונית לתקוף תאים סרטניים כאשר הוא מזהה סימנים של המחלה
• פריצת דרך בטכניון: חוקרים יצרו מתג חשמלי ממולקולת ד-נ-א
• המחשב יזכור היכן היה, ולא נצטרך להמתין להעלאת מערכת ההפעלה
• מתג מולקולארי חדשני
• המתג הקטן ביותר האפשרי – אטום זהב בודד