במלאת 25 שנה לכדור הבאקי תיאר פרופ’ רוברט קורל, חתן פרס נובל לכימיה לשנת 1996 שגילה את תכונותיהם של חומרים ננומטריים בכלל ו”כדור באקי” בפרט בהרצאה שנשא בפני סטודנטים וחברי סגל בפקולטה לכימיה באוני’ בר-אילן
היום בדיוק לפני 25 שנה התגלה כי פחמן בשתי גרסאות טהורות שלו יכול להתכנס לצורת כדור חלול. עם תחילת המחקרים בתחום הננוטכנולוגיה עלה הרעיון להשתמש בכדורי באקי ליישומים שונים. בין היתר גם להובלת תרופות.
מדענים ומהנדסים רבים משקיעים מאמץ אדיר בפיתוח תחום הננוטכנולוגיה מבוססת הפחמן ליישומים כגון חומרים מרוכבים קלים אך חזקים, סוללות חזקות יותר לרכבים חשמליים ותאי דלק. כך תיאר פרופ’ רוברט קורל, פרופ’ אמריטוס באוניברסיטת רייס חתן פרס נובל לכימיה לשנת 1996, היה שותף לגילוי כדורי הבאקי ומצא דרך קלה לייצור תרכובות פחמן המשמשות ליישומי ננוטכנלוגיה בהרצאה שנשא בפני סטודנטים וחברי סגל באוניברסיטת בר-אילן ב-11 באפריל 2010.
רוברט קורל ושותפיו לפרס, הרולד וו’ קרוטו וריצ’רד אי’ סמולי הם אלו שגילו שתי תצורות ייחודיות של פחמן C60 ו-C70 אשר בהם אטומי הפחמן משולבים זה בזה ככדורים. בתחילה הם העניקו למבנה הכדורי את השם “בקמינסטרפולרן” עקב דמיונו לכיפה הגיאודזית שתיכנן הארכיטקט האמריקאי ר’ באקמינסטר פולר ולאחר מכן הם התקבעו בציבור ככדורי באקי. כדורים אלה הם חלק מסדרת צורות מולקולות הבנויות על טהרת יסוד הפחמן – הפולרנים (fullerenes) מורכבים מטבעות מחוברות של אטומי פחמן הנסגרות לצורה של כלובים חלולים.
“מדענים ומהנדסים רבים משקיעים מאמץ אדיר בפיתוח תחום הננוטכנולוגיה מבוססת הפחמן. מרבית המאמץ קשור לפיתוח חומרים מרוכבים בין היתר לחיזוק חומרים מבוססי אלומיניום. סביר מאוד שיימצאו לחומרים אלה יישומים בבניית מטוסים אם כי תחום התעופה משתמש כבר היום לא מעט בחומרים מבוססי פחמן.
כמו כן ניתן יהיה לפתח חומרים גמישים שיתפקדו באיזורים בהם תנאי סביבה קיצוניים – בפרט מידות חום גבוהות ולחצים גבוהים כדוגמת מתקני הפקת נפט.
מאמץ רב מושקע גם בפיתוח סוללות חדשות. סוללות הן דבר מאוד חשוב כיום. רעיון המכונית החשמלית דורש סוללות שיחזיקו מטען חשמלי גדול, אחרת טווח הנסיעה של מכונית חשמלית יהיה נמוך מאוד.
המאמצים בכל התחומים האלה קשורים בפיתוח כמעט כל החלקים של הסוללה כדי שיוכלו לשמר מתח מאוד גבוה. בין היתר יהיה צורך לפתח ממברנות טובות יותר המפרידות בין חלקי הסוללה האמורים לשנע יונים כדוגמת יוני ליתיום, ולחסום יונים אחרים. יש מדענים המפתחים אלקטרודות חדשות לסוללות אלה. חלק מהפיתוחים הם לכיוון של אלקטרודות מבוססות פחמן ואחרים – לאלקטרודות מבוססות סיליקון.
מאמץ גדול נפרד הולך לכיוון של סוללות מבוססות תאי דלק. אנחנו עובדים על פיתוח תאי דלק מבוססי מתנול. הגורם העיקרי המעכב את הפיתוח הוא האלקטרודה שבה חמצן מהאוויר נכנס לתמיסה. יש חומר אידאלי ומושלם לתהליך הזה – פלטינה אבל אין מספיק פלטינה בעולם שתאפשר ייצור בקנה מידה המוני של סוללות תאי דלק. לכן אנשים עובדים על דרכים להקטנת כמות הפלטינה, או שימוש בחומרים אחרים שייתרו אותה לחלוטין כזרז – לרבות חומרים מבוססי פחמן.
לכדורי הבאקי שגילה, הוא גם מייעד תכונות מעניינות כגון אפשרות לכלוא בתוכן כמעט כל אטום בטבלה המחזורית, דבר שכשלעצמו יכולים להיות לו יישומים רבים.
סוף עידן הסיליקון
“דברים כגון פיתוח מחשבים עם החומרים הללו נראים לי מרוחקים מאוד בעתיד כיום. הבעיה העיקרית בהחלפת הסיליקון במחשבים היא כיום העובדה שניתן היום הלכה למעשה להדפיס מחשבים. אמנם זה תהליך הדפסה די מסובך אבל בסופו של דבר הוא ניתן לביצוע המוני. אי אפשר לשכפל את התהליך לאף חומר אחר שאינו סיליקון. יקח עוד זמן רב עד שניתן יהיה לבנות מחשבים מחומרים אחרים, פחמן הוא אחת הבחירות האפשריות.”
אנחנו אכן מגיעים לקראת הגבול הפיזי של השימוש בסיליקון, ואנשים מחפשים דרכים לפתח אלקטרוניקה מולקולרית, כפי שהתחום הזה נקרא. קשה מאוד לחזות את העתיד. אינני רואה את העתיד בתחום האלקטרוניקה. נראה לי שבשלב ראשון ניתן יהיה לייצר באמצעים החדשים רכיבי זכרון. אני לא רואה כיצד ניתן לבנות את המעגלים המורכבים ואת הלוגיקה המסובכת, וכמובן שיש צורך לחווט את המערכת – דבר המהווה אתגר בפני עצמו. אבל אתגרים קיימים כדי שייענו עליהם. יהיו אתגרים שיתבררו כקלים מהצפוי ויהיו אחרים שיתבררו כמסובכים מהצפוי, אבל בסופו של דבר אני משוכנע שיתגברו עליהם.
מעלית החלל עדיין רחוקה
יישום מעניין אותו העלה אחד משותפיו של פרופ’ קורל לפרס נובל, פרופ’ ריצ’רד סמולי (שנפטר בשנת 2005) שימוש בתכונותיהם של ננו צינורות פחמן המבוססים על פולרינים לבניית כבל שיחזיק מעלית שתעלה אל תחנת חלל המרחפת במקום קבוע מעל כדור הארץ כמו לוויין תקשורת ותרד ממנה בחזרה ובכך תאפשר הוזלת עלויות שיגור בני אדם ומטענים לחלל: “יש בעיות פיסיקליות כיצד לדאוג שלווין כזה ישאר יציב ושהכבל לא יפול אבל יש גם בעיה – שאם יבנו את הכבל מחומרים רגילים הוא יקרוס תחת משקלו העצמי. הבעיה היא שעד כה לא הצליחו לייצר סיבים רצופים של החומר הזה בגודל של יותר מ-4 סנטימטרים. אני לא יכול דעת מתי, אם בכלל זה יהיה מעשי, אבל תיאורטית זה נראה סביר. אכן סמולי ידע לחשוב בגדול.” ענה פרופ’ קורל.
עוד בנושא באתר הידען
5 תגובות
הרצאה חשובה.
מישהו שם לב ללוגו של גוגל אשר התייחס לעניין?
דווקא בקבוצה של פרופ’ טנא עשו התקדמות אדירה לשיפור הנצילות בתהליך היצור ומצליחים לייצר כמויות יפות מאוד של פולרנים סינטטיים – מבטיח מאוד.
הלוואי שבזכות הפיתוחים הטכנולוגיים בתחום הננו-צינורית פחמן נצליח לבנות גורדי שחקים זולים, חזקים וקלים שיגיעו לגובה של עשרות ואפילו מאות קילומטרים. גם לתלמידים כושלים מותר לחלום 🙂
אחד המומחים הגדולים בארץ לתחום הוא פרופ’ רשף טנא ממכון ויצמן. פרופ’ טנא מציע להשתמש בכדורי
באקי ודומיהם להקטנת החיכוך במיסבים מכניים. יש לרעיון זה יכולת השפעה אדירה על תעשיית הרכב ואל פרופ’ טנא כבר פנו חברות רכב גדולות בניסיון להשתמש ברעיונות שלו. החלפת חומרי הסיכה תאשפר הפעלת מנועים שלא יעברו כמעט בלאי מכני.
הבעיה כמו שבדרך כלל ברעיונות הכוללים ננו-טכנולוגיה היא המעבר מייצור של כמויות במעבדה לייצור כנויות מסחריות (הרבה רעיונות יפים נפלו כתוצאה מאי-יכולת לעבור שלב זה). הבעיה הזו גם מתוארת בכתבה בהקשר של ייצור המוני של מחשבים מחומרים שאינם סיליקון “העובדה שניתן היום הלכה למעשה להדפיס מחשבים אמנם זה תהליך הדפסה די מסובך אבל בסופו של דבר הוא ניתן לביצוע המוני. אי אפשר לשכפל את התהליך לאף חומר אחר שאינו סיליקון. יקח עוד זמן רב עד שניתן יהיה לבנות מחשבים מחומרים אחרים, פחמן הוא אחת הבחירות האפשריות.”