לעקם חומר מבלי לשבור אותו

חוקרים מאוניברסיטת דרקסל בארה”ב ומאוניברסיטת דאליאן בסין הצליחו לייצר ננו-חומר חדש המוליך חשמל שהינו מספיק גמיש על מנת להתקפל, אך מספיק חזק כך שלא יישבר. החוקרים מאמינים כי החומר החדש יוכל לשמש ביישומים מגוונים, למשל באחסון אנרגיה חשמלית, בסינון מים ובהגנה מקרינה אלקטרומגנטית.

[תרגום מאת ד”ר נחמני משה]
חוקרים הצליחו לייצר ננו-חומר חדש המוליך חשמל שהינו מספיק גמיש על מנת להתקפל, אך מספיק חזק כך שלא יישבר. החוקרים מאמינים כי החומר החדש יוכל לשמש ביישומים מגוונים, למשל באחסון אנרגיה חשמלית, בסינון מים ובהגנה מקרינה אלקטרומגנטית.

חוקרים מאוניברסיטת דרקסל בארה”ב ומאוניברסיטת דאליאן בסין הצליחו לייצר ננו-חומר חדש המוליך חשמל שהינו מספיק גמיש על מנת להתקפל, אך מספיק חזק כך שלא יישבר. החוקרים מאמינים כי החומר החדש יוכל לשמש ביישומים מגוונים, למשל באחסון אנרגיה חשמלית, בסינון מים ובהגנה מקרינה אלקטרומגנטית.

מציאת או הכנת חומר זעיר המסוגל להיות שימושי באחסון ובהעברת זרם חשמלי, ושיהיה כזה הניתן לעיצוב במספר צורות, היא תגלית נדירה בתחום של מדעי החומרים. חוזק המתיחה (החוזק של החומר בזמן מתיחתו) וחוזק הלחיצה (היכולת של החומר לעמוד במשקל המונח עליו) מהווים מאפיינים חשובים עבור חומרים אלו מאחר ובשל גודלם הכה זעיר, ערכים אלו כמעט לחלוטין תלויים בתכונותיו הפיזיקליות.

“קחו למשל את האלקטרודה הנמצאת בסוללת ליתיום-יון קטנה המפעילה את שעון היד שלכם; באופן אידיאלי החומר המוליך שבאלקטרודה זו אמור להיות זעיר ככל האפשר – כך שלא תענדו על ידיכם שעון מגושם ועדיין הוא יוכל לפעול למשך תקופה ארוכה ככל האפשר,” אמר Michel Barsoum, פרופסור במכללה להנדסה. “אבל מה אם היינו מעוניינים להפוך את רצועת השעון עצמה לסוללה? אז, עדיין נרצה להשתמש בחומר מוליך שיהיה זעיר במידותיו ויוכל לאחסן בתוכו אנרגיה, אך הוא יצטרך להיות גמיש מספיק על מנת להיות מלופף מסביב לפרק כף היד שלכם. כפי שתראו, ע”י שינוי של תכונה פיזיקאלית אחת בלבד של החומר – הגמישות או חוזק המתיחה שלו – אנו מקבלים עולם חדש של אפשרויות.” חומר חדיש וגמיש זה, אשר הקבוצה זיהתה בתור ננו-חומר מרוכב פולימרי המוליך חשמל, הוא התוצר האחרון במסגרת המחקר המתמשך במחלקה למדעי החומרים והנדסת החומרים באוניברסיטת דרקסל של משפחת חומרים מרוכבים דו-ממדיים המכונים בשם MXenes.

צוות המחקר בדק את משפחת החומרים הזו בקפדנות, בדומה לפליאונטולוג המבריש בזהירות משקעים על מנת לחשוף אוצר מדעי שהיה טמון בקרקע. מאז המצאת החומר הקרבידי המרובד בשנת 2011 המהנדסים מחפשים דרכים לנצל את היתרונות של ההרכב הכימי והפיזיקאלי של החומר על מנת ליצור חומרים מוליכים בעלי מגוון תכונות שימושיות אחרות.

אחת מהדרכים המוצלחות ביותר שהם פיתחו על מנת לסייע לחומרים אלו להפגין את מלוא שלל היכולות שלהם היא תהליך המכונה בשם הַשְׁלָבָה (intercalation) במהלכו מוסיפים לתערובת מגוון תרכובות כימיות במצב נוזלי. תהליך זה מאפשר למולקולות להתמקם בין השכבות של החומר המרובד וע”י כך לשנות את התכונות הפיזיקאליות והכימיות של החומר המוגמר. אחת מהתכונות המרשימות ביותר, והראשונות שהחוקרים חשפו, היא היכולת של החומרים הללו לאחסן אנרגיה.

על מנת ליצור את הפולימר המוליך הגמיש החוקרים שילבו בין קרביד טיטאניום לבין פוליויניל אלכוהול (PVA) – פולימר נפוץ כדבק בתעשיית הנייר וכמרכיב בג’ל לשיער. בנוסף, החוקרים שילבו את החומר עם פולימרים נוספים, למשל PDDA.

“הייחודיות של משפחת חומרים זו (MXenes) נובעת מהעובדה כי פני-השטח שלהם גדושים בקבוצות פונקציונאליות, כגון קבוצת הידרוקסיל, מה שמוביל לקשר כימי חזק בין חלקיקי החומר לבין מולקולות פולימרים, תוך כדי שמירה על תכונת המוליכות החשמלית של השכבות הנפרדות. הרכב זה מוליד ננו-חומר מרוכב בעל שילוב ייחודי של תכונות,” מסביר החוקר הראשי. ממצאי המחקר פורסמו לאחרונה בכתב-העת המדעי Proceedings of the National Academy of Sciences ובמסגרתם מדווחים החוקרים כי החומר מפגין יכולת מוגברת לאחסון מטען חשמלי בהשוואה לחומר המקורי וכי הוא חזק יותר בשיעור של 400%. “הראנו כי הקיבולת הנפחית של ננו-חומר מרוכב של פולימר- MXeneיכולה להיות הרבה יותר גבוהה בהשוואה לאלקטרודות רגילות המבוססות על פחמן או אפילו בהשוואה לחומר גרפן,” מציין החוקר הראשי. “כאשר מערבבים את החומר MXeneעם הפולימר PVA המכיל כמות קטנה של מלח אלקטרוליטי, הפולימר משמש בתור אלקטרוליט, אולם הוא גם משפר את הקיבול החשמלי מאחר והוא מגדיל במעט את החלל הבין-שכבתי שבין חלקיקי ה-MXene, מה שמאפשר ליונים נוספים לחדור עמוק אל תוך האלקטרודה; בנוסף, יונים אלו גם נותרים לכודים בסמוך לחלקיקי ה-MXene בעזרת הפולימר. בעזרת אלקטרודות מוליכות אלו ולאור העובדה כי לא משתמשים כלל באלקטרוליט נוזלי, נוכל בסופו של דבר להימנע כליל מקולטי זרם מתכתיים ולפתח סופר-קולטים קלי-משקל וזעירים יותר.”

הניסויים גם הראו כי ההרכב הוא בעל תכונות הידרופיליות, מה שאומר כי הוא יוכל לשמש במערכות לטיפול במים, למשל, בתור קרומית לטיהור ולהתפלת מים, מאחר והחומר נותר יציב בסביבה מימית מבלי להיהרס או להתפרק. בנוסף, מאחר והחומר גמיש במיוחד, ניתן לגלגל אותו לצורת שפופרת או גליל, כאשר ניסויים מוקדמים הראו כי צורה זו אפילו מגבירה את חוזקו המכאני. הצעד הבא של החוקרים יהיה לבחון כיצד הרכבים משתנים של החומרMXene עם הפולימרים השונים ישפיעו על התכונות של החומר המתקבל.

תקציר המאמר

הידיעה על המחקר