סיינטיפיק אמריקן/כוח ממוזער

פיתוחן של סוללות-ננו מביא סוף-סוף למזעור מקורות המתח לממדיהם של הרכיבים האלקטרוניים האחרים. סוללת-הננו מתוכננת כך שתוכל להישאר במצב רדום במשך 15 שנה לפחות ולספק, מיד בהפעלתה, פרץ של אנרגיה בעוצמה גבוהה.

צ'רלס צ'וי, סיינטיפיק אמריקן

כשהומצא הטרנזיסטור, ב-1947, הוא נראה כגיבוב מרושל של רכיבים, התקן שגובהו יותר מסנטימטר. מאז, הוא הצטמק להתקן שגודל רכיביו הוא כמה מאות אטומים בלבד. תפוקת החשמל של הסוללות, לעומת זאת, עלתה בזמן הזה בקצב נמוך פי 50.
מעבדות בל, שבהן נבנה הטרנזיסטור הראשון, טורחות כעת על המצאתה מחדש של הסוללה. המטרה היא ליישם טכניקות ייצור של טרנזיסטורים לייצור המוני של סוללות שישולבו בשבבים יחד עם שאר רכיבי המעגל החשמלי. ההתקן, הקרוי סוללת-ננו, ממזער רכיבים מסוימים באלקטרודות לממדים ננומטריים.
סוללת-הננו מתוכננת כך שתוכל להישאר במצב רדום במשך 15 שנה לפחות ולספק, מיד בהפעלתה, פרץ של אנרגיה בעוצמה גבוהה. כך תוכל לשמש, למשל, כמקור מתח לחיישן המנטר רדיואקטיביות, או הצטברות של כימיקלים רעילים. מן הרעיון הזה אולי תתפתח הסוללה הראשונה שתוכל גם לנקות את עצמה – על ידי נטרול מרקחת הכימיקלים הרעילים שבתוכה.

לגדל דשא ננומטרי
סוללת-הננו צמחה מגיחה קודמת של מעבדות בל אל טכנולוגיית הננו. בסתיו 2002 עסקה “לוסנט טכנולוג'יז”, תאגיד האם של מעבדות בל, בהכנות להשקת מאגד (קונסורציום) הננוטכנולוגיה של ניו ג'רזי יחד עם הממשל של המדינה והמכון הטכנולוגי של ניו ג'רזי. הרעיון היה להציע לעוסקים בננוטכנולוגיה בתעשייה, באקדמיה ובממשל את שירותי החברה במחקר, בפיתוח ובבנייה של אבות טיפוס. דיוויד בישופ, סגן הנשיא למחקר ננוטכנולוגי במעבדות בל, התחיל לערוך סמינרים עם מדעני החברה שבהם חלקו רעיונות על יישומים חדשניים העולים ממחקריהם ושאותם יוכלו חברי המאגד להמשיך ולפתח.
אחד המדענים ממעבדות בל, טום קרופנקין, עבד על עדשות מיקרו נוזליות, מן הסוג הנפוץ כיום במצלמות טלפון. עדשות אלה עשויות מטיפות קטנות, שהמוקד האופטי שלהן משתנה כשהן משנות את צורתן בתגובה למתח חשמלי המופעל על המשטח שעליו הן מצויות. עקב שינוי המתח, המשטח עובר ממצב שבו הוא הידרופובי במידה קיצונית (תכונה הקרויה על-הידרופוביות) למצב הידרופילי. תופעה זו נקראת “הרטבה חשמלית”.
על-הידרופוביות היא התכונה האחראית לכך שטיפות הגשם מתגלגלות מעל נוצות הברווזים ומעל עלים של צמח הלוטוס. מתח פנים גורם לטיפות נוזל להתכדר, אך המוצק שעליו הן נחות עשוי להפעיל כוחות משיכה שיגרמו להן להיפרש.
משטחים הידרופיליים, כגון זכוכית, גורמים לטיפות המים להשתטח. אך על גבי משטחים על-הידרופוביים, הטיפות מתכדרות באופן מושלם ונמנעות למעשה מכל אינטראקציה עם המשטחים.
בהתבסס על התנהגותן זו של הטיפות על גבי משטחים על-הידרופוביים, הציע קרופנקין להשתמש בהרטבה חשמלית לבקרה של תגובות כימיות. הרעיון שלו היה לייצר שורות של עמודים על-הידרופוביים ברוחב ננומטרי, בעלי יכולת להרטבה חשמלית. תחת המיקרוסקופ נראים העמודים כמו שדה מכוסח באחידות של “דשא ננומטרי”. את ה”דשא” הזה אפשר כיום לייצר בשיטות המקובלות בתעשיית שבבי-המיקרו, שפותחו במהלך עשרות שנים של עבודה עם צורן (סיליקון). על ידי הפעלת מתח חשמלי על הנוזל, יוכלו המדענים להביא לתגובה שתגרום לעמודים להיעשות הידרופיליים ולמשוך את הטיפות למטה כך שיחדרו אל המרווחים שבין עמודי-הננו. הנוזל יכול אז להגיב עם כל תרכובת המצויה על הקרקעית. קרופנקין הבין שהנוזל יוכל לשמש להפקת אנרגיה חשמלית בסוללה ננומטרית.

כורי תגובה כימיים
סוללות הן, למעשה, כורי תגובה כימיים. סוללה חד-פעמית מורכבת משתי אלקטרודות, אנודה וקתודה, השרויות בתמיסת אלקטרוליט. התרכובות שמהן עשויות האלקטרודות מגיבות זו עם זו דרך האלקטרוליט ומשחררות אלקטרונים. אך הבעיה היא, שהתגובות האלקטרוכימיות האלה מתרחשות גם כשהסוללות אינן מחוברות להתקנים. סוללה ממוצעת שאינה בשימוש מאבדת בשנה 7 עד 10 אחוזים מהספקה.
כדי לשמור סוללות לתקופה ממושכת, מפרידים את האלקטרוליט מן האלקטרודות באמצעות מחיצה פיזית עד להפעלה. התגובות האלקטרוכימיות הנמרצות במיוחד שמתרחשות עם הסרת המחיצה מספקות פרצי אנרגיה חזקים. האתגר המכני של מניעת מגע בין האלקטרוליט לאלקטרודות גורם לכך שהסוללות האלה גדולות ומגושמות, ולכן הן מיועדות בעיקר למצבי חירום, כגון ביחידות לטיפול נמרץ או בחדרי ניתוח בבתי חולים, ולשימושים צבאיים, כגון משקפי ראיית לילה או תאורת לייזר.
המצאת הדשא הננומטרי סייעה מאוד למזער את הסוללות לשעת חירום. כמו כן, מסביר קרופנקין, במקום שיופעלו כל המגיבים בבת אחת, אפשר כעת לתכנן סוללה שתפעיל בכל פעם רק אזור אחד בכר הדשא הננומטרי.
מעבדות בל התחילו לחפש קונים לרעיון הדשא הננומטרי. “לוסנט איננה חברת סוללות, אך היינו רוצים לחולל מהפכה בתחום,” אומר בישופ. בסמינר שהתקיים בלוסנט בשלהי 2003, שמעו נציגים של חברה בשם mPhase הרצאה על סוללה המבוססת על ננוטכנולוגיה. “יצאנו מהחדר ואמרנו, 'וואו, זה היה מדהים!'” נזכר סטיב סיימון, סגן הנשיא להנדסה, מחקר ופיתוח של mPhase. בעת ההיא הייתה mPhase חברה שעיקר עיסוקה רכיבי DSL בשביל יישומים ביתיים של פס רחב ווידאו. היא הסתעפה מ-Microphase, חברה לרכיבי מיקרוגל אלקטרוניים שעבדה בשביל תעשיות הצבא, התעופה, החלל והתקשורת בנורווק שבקונטיקט.
כשהתעצמה התחרות בשוק חומרת התקשורת, ביקש רון דורנדו, מנהל הביצועים של mPhase, להמציא את החברה מחדש כספקית ננוטכנולוגיה. הוא חיפש מוצר שפיתוחו לא יארך זמן רב מדי ושלא יהיה מיועד לשימוש רפואי, כדי שלא להסתבך בביורוקרטיה של הניסויים הקליניים. העדפתו הייתה נתונה למוצר שישרת את צרכיו של השוק הצבאי שאינו נרתע ממחירם הגבוה של ההתקנים הננוטכנולוגיים בתחילת דרכם. “הסוללה עמדה בכל שלוש הדרישות,” מסביר סיימון.

במארס 2004 חתמה mPhase הסכם פיתוח משותף למסחור הסוללה הננומטרית. mPhase בודקת מהן דרישותיהם של הלקוחות הפוטנציאליים מן הסוללה, כדי ליצור התקנים רווחיים, ואילו לוסנט תורמת את הרישוי לטכנולוגיה תמורת תמלוגים, שימוש בחדר נקי שמחירו 450 מיליון דולר וסיוע ממדענים בעלי ניסיון של עשרות שנים בייצור רכבי צורן.

פיתוחן של סוללות-ננו מביא סוף-סוף למזעור מקורות המתח לממדיהם של הרכיבים האלקטרוניים האחרים. סוללת-הננו מתוכננת כך שתוכל להישאר במצב רדום במשך 15 שנה לפחות ולספק, מיד בהפעלתה, פרץ של אנרגיה בעוצמה גבוהה. בספטמבר 2004 כבר היה למדענים מודל פועל ומפיק זרם. כדי לייצר את האב טיפוס, היה על הצוות לייצר עמודי צורן בקוטר 300 ננומטר ובמרווחים של כשני מיקרונים. כדי להפיק חשמל, השתמשו החוקרים בתרכובות המשמשות בסוללות אלקליות רגילות, עם אבץ כאנודה ומנגן דו-חמצני כקתודה. רצפת הצורן שעליה נחים העמודים מצופה אבץ, והעמודים עצמם מצופים צורן דו-חמצני המאפשר לחוקרים לשלוט במתח שמפיק ההתקן. קצות העמודים מצופים שכבת פחמן פלואורי דמוית טפלון שבה מתרחשת תופעת ההרטבה החשמלית.
“גם אם הדברים פשוטים מבחינה מושגית, הם קשים לביצוע,” מדגיש קרופנקין. שיקוע אבץ רק על הקרקעית הוא “שרשרת של אתגרים ענקיים,” הוא נזכר. התהליך המקובל לציפוי במתכת נקרא ציפוי אלקטרוליטי. אך אי אפשר לבצעו על תחמוצות כמו צורן דו-חמצני המצוי בהתקן הדשא הננומטרי. היה אפוא צורך לתכנן דרך לנקות את רצפת הצורן מצורן דו-חמצני ולהניח לאבץ לשקוע עליה, ובתוך כך יש להקפיד שעמודי הצורן עצמם יישארו מצופים בתחמוצת. הפתרון היה לצפות בתחמוצת גם את הקרקעית וגם את העמודים, אך לרבד על הקרקעית שכבה דקה יותר. לאחר מכן, איכלו את התחמוצת באמצעות גז מיונן עד שהוסרה כליל מן הקרקעית, בעוד העמודים נותרים מצופים.
אך גם על צורן אי אפשר לעשות ציפוי אלקטרוליטי. לכן השתמשו החוקרים בשיטות של כימיה רטובה כדי לשקע ניקל או טיטניום על הקרקעית, כשכבת זריעה שעליה יתיישב האבץ בעת הציפוי האלקטרוליטי. שיקוע האבץ בשכבה אחידה, כך שלא ייווצרו תלוליות של אבץ לצד מקומות חשופים, היה מסכת מייגעת של ניסוי וטעייה על ידי משחק בטמפרטורה, בזרם החשמלי ובריכוז הכימיקלים. “כשאני מסתכל אחורה, אני מתפלא שזה לקח רק שנה,” אומר סיימון.
לאחר שהיה למדענים אב טיפוס פועל, הם התחילו לדבר עם לקוחות פוטנציאליים. בעקבות שיחות אלה הוכנסו שינויים גדולים במבנה הסוללה. העיצוב ההתחלתי היה דמוי כריך, הקתודה הייתה למעלה, תמיסת האבץ הכלורי ששימשה כאלקטרוליט, באמצע, הדשא הננומטרי מתחתיה, והאנודה למטה. נציגי מעבדות הצבא האמריקני מאדלפי שבמרילנד הביעו חשש שהמגע הרצוף בין האלקטרוליט ובין כל אחת מן האלקטרודות יחולל תגובות כימיות לא רצויות. לאחר תכנון מחדש, האלקטרוליט מצוי כעת למעלה, תרכובות האנודה והקתודה מצויות באזורים מופרדים פיזית על הקרקעית, ומחסום של צורן ננומטרי תלוי ביניהם. כשמפעילים אותו, הוא מאפשר לאלקטרוליט לחדור ולהציף את האלקטרודות.
הצוות השתמש במקור בעמודים ננומטריים כדי להפריד בין האלקטרוליט לאנודה, כי העמודים תופסים הכי פחות מקום ומספקים יותר שטח פנים לתגובות כימיות בין האלקטרודות. אך הקושי לייצר את סוללת העמודים הננומטריים דחף את החוקרים לפתח במקומה ממברנה בצורה של חלת דבש ננומטרית כדי להפריד את האלקטרוליט מן האלקטרודות. גם יצירת ממברנת ההרטבה החשמלית הזאת, בעלת נקבוביות שקוטרן 20 מיקרון ודפנות דקיקות ושבריריות שרוחבן 600 ננומטר, הייתה אתגר לא קטן. בהתחלה השתמשו המדענים בפלזמה כדי לחרוט את המבנה העדין של חלת הדבש מפרוסות צורן מצופות צורן דו-חמצני. לאחר מכן, הם גידלו צורן דו-חמצני על קירות הצורן החשופים של הנקבוביות על ידי פעפוע של חמצן לכבשנים בטמפרטורה של 1,000 מעלות. לבסוף, ציפו את כל החלה בפחמן פלואורי.
החוקרים פיתחו את הדוגמאות החדשות הראשונות באוקטובר 2005. אחד מיתרונותיה הגדולים של המערכת, לדברי סיימון, הוא שהצוות אינו צריך לחפש ביגיעה רבה את התנאים המדויקים, הדרושים לגידול שכבת אנודה אחידה בתוך יער של עמודים ננומטריים, כל אימת שהוא רוצה לנסות צירוף חדש של אנודה וקתודה. במקום זאת, המדענים פשוט מניחים את פיסות האלקטרודות על משטח אחיד. כמו כן, הניסיון הרב שנרכש בציפוי אלקטרוכימי, מסייע להם היום לייצר את האלקטרודות בקלות רבה. מעבדות בל ו-mPhase מנסות כיום, בשיתוף פעולה עם אוניברסיטת ראטגרס, לשלב במערכת את סוג התגובות הכימיות המשמשות בסוללות של מצלמות דיגיטליות וטלפונים סלולריים.
מן הסוללה הננומטרית עשוי גם לצמוח מקור מתח ידידותי יותר לסביבה, שיכיל בתוכו תרכובות המנטרלות את האלקטרוליט. “כך תימנע זליגתו לקרקע, או, אם נורה חייל הנושא מכשיר בעל סוללה, הסוללה לא תזיל עליו את תכולתה הצורבת,” אומר קרופנקין. ייתכן גם שמבני פלסטיק ננומטריים יחליפו את הצורן, מוסיף סיימון, ויסללו את הדרך לסוללות ננומטריות גמישות.
המדענים אינם מנסים להחליף את הסוללות המתכלות, שכן עלות הייצור ההמוני של אלה “היא כמה שברירי סנט לסוללת AA,” אומר קרופנקין. הם מתמקדים ביישומים מתמחים, כגון חיישנים המוצנחים ממטוסים צבאיים ואמורים להשתמש במשדרי הרדיו שלהם רק פעם או פעמיים, כדי לאותת על נוכחותם של פולשים, למשל, או רעלנים, או קרינה. “אם החיישן אינו קולט שום דבר מעניין, אין לו מה לשדר, אך אם כן, הוא צריך הספק חשמלי רב,” מסביר קרופנקין. עוד שימוש פוטנציאלי הוא בהתקנים המנטרים שינויים סביבתיים. אלה יכולים להשתמש בתוספת המתח כדי לשדר למרחק רב יותר, ובכך להפחית את מספר החיישנים הדרוש. את הסוללות לשעת חירום אולי יהיה אפשר לשלב גם בשתלים רפואיים, בטלפונים סלולריים או במשדרי קולר לחיות מחמד.
הצוות שקל גם לפתח גרסה נטענת של ההתקן. פולס של זרם יכול לעבור בסוללה המרוקנת ולגרום לחימום המשטח שעליו נח האלקטרוליט. כתוצאה מכך תתאדה שכבה דקיקה של נוזל, והטיפה תקפוץ בחזרה אל ראש המבנה הננומטרי. “בעיקרון, זה אפשרי. בפועל, זה קשה מאוד לביצוע,” חושש קרופנקין. למשל, mPhase מצפה לשגר דוגמאות מוצר לראשוני המשתמשים הפוטנציאליים בעוד שנתיים עד שלוש. סוללה ננומטרית תהיה אבן דרך חשובה בהצטרפות מקורות המתח למהפכת המזעור המניעה את שאר תעשיית האלקטרוניקה זה כמה עשרות שנים.
ידען ננו טכנולוגיה
לאתר סיינטיפיק אמריקן ישראל בו ניתן לרכוש מנוי לכתב העת

https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~503990911~~~57&SiteName=hayadan