פריצת דרך בייצור תעשייתי של ננו-צינורות

התגלית משותפת לצוות מאוניברסיטת רייס ולצוות חוקרים בטכניון

מדענים מאוניברסיטת רייס חשפו שיטה לייצור תעשייתי של סיבי ננו-צינורות פחמן טהורות, שיטה שעשויה להוביל להתקדמות מהפכנית במדעי-החומרים, תפוצת אנרגיה וננו-אלקטרוניקה. השיטה הינה התוצאה המוצלחת של מחקר שארך תשע שנים ואשר התבסס על תהליכים המשמשים חברות כימיקלים מזה עשורים בייצור חומרי-פלסטיקה. המחקר פורסם בכתב-העת המדעי Nature Nanotechnology.

“פלסטיקה הינה תעשיה של שלוש מאות מיליארד דולר רק בארה”ב בזכות יכולת התפוקה הרבה של שיטות העיבוד הנוזליות המשמשות בה,” אומר Matteo Pasquali, פרופסור לכימיה, והנדסה ביומולקולארית.

“הסיבות שבגללן חנויות מכולת משתמשות בשקיות פלסטיק במקום שקיות נייר ושחולצות פוליאסטר זולות מחולצות כותנה טמונות בעובדה כי ניתן להתיך או להמיס פולימרים וכן כי ניתן לעבדם בתור נוזלים. עיבוד ננו-צינורות בתור נוזלים מקדם את האפשרות להשתמש בשיטות לעיבוד נוזלי שפותחו כבר בעבר עבור פולימרים.”

התהליך החדש מתבסס על התגלית משנת 2003 של אותה האוניברסיטה שאפשרה להמיס כמויות גדולות של ננו-צינורות טהורות בממסים חומציים מאוד כדוגמת חומצה גופרתית. צוות המחקר מצא כי ננו-הצינורות בממסים אלו מסתדרות בכוחות עצמן, בדומה לאטריות ספגטי באריזתן, ליצירת גבישים נוזליים המסוגלים להיות מעובדים לחד-סיבים דקיקים בגודל של שערת אדם.

“ממחקר זה פותח תהליך תעשייתי מתאים עבור ננו-צינורות המקביל לשיטות המשמשות היום להכנת קבלר (Kevlar, שם מותג של סיב אראמיד חזק וחסין המשמש בייצור שכפ”ץ, אפודות מגן, ביגוד מגן, בצמיגים, בסיבים אופטיים ועוד) מפולימרים דמויי-מוט, פרט לעובדה כי החומצה אינה ממס אמיתי,” אמר אחד מהחוקרים.

“המחקר הנוכחי שלנו מראה כי יש בידנו ממס אמיתי עבור ננו-צינורות –חומצה כלורו-גופרתית – שהינו היעד שהצבנו לעצמנו כאשר החלנו במיזם זה לפני תשע שנים.” כהמשך ישיר לפריצת-הדרך שנעשתה בשנת 2003 עם ממסים חומציים, הצוות החל לבחון באופן שיטתי כיצד מתנהגות הננו-שפופרות בסוגים וריכוזים שונים של חומצות. ע”י בחינת ההתנהגות של ננו-שפופרות בחומצות והשוואתה לידע הספרותי לגבי פולימרים וקולואידים דמויי-מוט, הצוות פיתח הן כלים תיאורטיים והן כלים מעשיים שלהן תזדקקנה חברות כימיקלים לשם עיבוד תעשייתי של ננו-השפופרות.

“ישי טלמון ועמיתיו מהטכניון ביצעו את השלב המכריע שנידרש כדי להציג ראיה ישירה כי ננו-שפופרות אכן מתמוססות עצמאית בחומצה כלורו-גופרתית,” מסביר החוקר הראשי. “לשם כך, הם נדרשו לפתח שיטות ניסיוניות חדישות לצפייה ישירה בתמיסות שהוקפאו במהירות.”

מסביר טלמון: “המחקר היה מאתגר ביותר. קבוצת המחקר של המדען Matteo לא רק שהייתה צריכה להיות חלוצה בשיטות ניסיוניות חדישות להשגת יעד זה, אלא גם נדרשה לבצע הרחבה משמעותית של התיאוריות הקלאסיות ששימשו עבור תמיסות של מוטות.”

הצוות מהטכניון היה חייב לפתח שיטת מחקר מדעית חדישה בכדי לאפשר לנו לקבל תמונות בכושר-הפרדה גבוה של ננו-השפופרות הפזורות בחומצה הכלורו-גופרתית, נוזל מאכל ביותר, באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני מתקדם בטמפרטורות קריוגניות (cryogenic).”

רק מעט פריצות-דרך טכנולוגיות עוררו התלהבות כפי שעוררו ננו-שפופרות הפחמן. מאז גילויין בשנת 1991, ננו-שפופרות פחמן הוכרזו החל מתרופה לסרטן וכלה בפתרון למשבר האנרגיה העולמי. התלהבות זו מדהימה עוד יותר אם נזכיר כי העבודה עם ננו-שפופרות מורכבת ביותר וכי כימאים בכל רחבי העולם נאבקו במשך שנים בכדי להכין אותן.

מדוע קיימת התלהבות? פשוט ולעניין – ננו-שפופרות פחמן יוצאות-דופן. למרות שהן בעלות אותם הגדלים והצורות של מספר פולימרים דמויי-מוט, ננו-שפופרות פחמן מסוגלות להוליך חשמל בדומה לנחושת, והן יכולות להופיע הן כמתכות והן כמוליכים למחצה. ניתן לחברן לנוגדנים לשם האבחון של מחלות או לחממן באמצעות גלי-רדיו כך שתוכלנה לחסל באופן ממוקד תאי-סרטן. הן משמשות להכנת טרנזיסטורים הרבה יותר זעירים מאלו הקיימים היום במיקרו-שבבים. הן שוקלות כשישית ממשקל פלדה אך מסוגלות להיות חזקות פי מאה ממנה.

“קבלר, סיב הפולימר המשמש היום באפודי-מגן (שכפ”צים) חזק יותר פי עשרה מסיבי ננו-השפופרות החזקים ביותר שלנו, אולם בעיקרון אנו מסוגלים לייצר את הננו-שפופרות שלנו חזקים יותר פי מאה,” מסביר אחד מהחוקרים. “אם נוכל להגשים אפילו רק עשרים אחוזים מהיכולת שלנו, יהיה בידנו חומר מדהים, אולי החזק ביותר אי-פעם. “כבר היום המוליכות החשמלית של הננו-שפופרות די טובה,” הוא מוסיף. “היא דומה למוליכות הקיימת בסיבי הפחמן המוליכים ביותר הקיימים היום, והיא תוכל להיות גבוהה פי מאתיים באם נוכל לפתח שיטות ייצור טובות יותר עבור ננו-שפופרות מתכתיות.”

אולם, עדיין נדרשת פריצת-דרך סופית לפני שתמומש היכולת האמיתית של ננו-שפופרות פחמן באיכות גבוהה. זאת מכיוון שבשיטות הקיימות מתקבלות תערובות של ננו-שפופרות בעלות קוטר, אורך ומבנה מולקולארי שונים. מדענים ברחבי העולם נאבקים קשות למצוא תהליך שבו יתקבל סוג אחד בלבד של ננו-שפופרות בכמות גדולה, בדומה לחומרים המוליכים המתכתיים המקבילים להן.

“אחד מהיתרונות של התהליך שלנו הינו בכך שאם יינתן לנו גרם אחד של ננו-שפופרות מתכתיות נקיות, אנו נוכל להפוך אותו לגרם אחד של סיב תוך ימים אחדים,” מסביר החוקר.

הידיעה מאוניברסיטת רייס