למדענים אין כיום בעיה להכין שלל עצמים ננומטריים – חוטים, שפופרות, רצועות ואפילו צורות דמויות עצים. אולם, לעיתים הם אינם מצליחים להסביר כיצד בדיוק נוצרים מבנים אלו בסביבה הנוזלית או הגזית בה הם מתקבלים.
עתה, צוות מחקר בראשותו של הכימאי Song Jin מאוניברסיטת ויסקונסין, מדווח במאמר שפורסם בכתב-העת המדעי היוקרתי Science, כי פגם פשוט בגביש המכונה “חורג בָּרְגִּי” (“screw dislocation”) הוא זה שמניע גדילה של ננו-שפופרות תחמוצת אבץ חלולות בעובי של מיליונית הסנטימטר.
הממצא חשוב מכיוון שהוא מספק תובנה חדשה לגביי התהליך שמנחה את היצירה של המבנים הסינתטיים הזעירים ביותר כיום, אתגר משמעותי בננו-מדעים ובננוטכנולוגיה. “אנו מאמינים כי מחקר זה מספק בסיס תיאורטי רחב עבור בקרת הגדילה של ננו-תילים או ננו-שפופרות ללא הצורך בזרזים מתכתיים, בסיס שיוכל להתאים לחומרים רבים,” אומר החוקר הראשי.
לחומרים כאלה ולמבנים ממוזערים, שהמדענים מצליחים להכין, נמצאו כבר שלל יישומים בתחומים של אלקטרוניקה, אנרגיה סולארית, סוללות, טכנולוגיות לייזר וחישה ביולוגית או כימית. באמצעות הרחבה נוספת של התיאוריה בבסיס היווצרותם של מבנים זעירים שכאלו, יתאפשר עתה למדענים לפתח שיטות חדשות להפקה תעשייתית של עצמים ננומטריים ע”י שימוש במגוון חומרים שונים.
השיטה החדשה מבוססת על מה שהמדענים מכנים חורג בורגי. חורג – חריגה מפותלת – הינם מהותיים לגדילה ולמאפיינים של כל החומרים הגבישיים. כפי שמרמז השם, פגמים אלו מעודדים את היצירה של מקטעים לולייניים, שבהעדרם מתקבל גביש מושלם. ברגע שאטומים “נוחתים” על פני-שטח הגביש, הם יוצרים מבנה שדומה בצורתו, באופן ניכר, לשיפועים המפותלים במבני חניונים רב-מפלסיים. במחקר קודם שלהם, המדענים הראו כי חריגות מסוג זה מניעות את הצמיחה של מבני ננו-תילים חד-מימדיים הנראים כעין עצי-אורן זעירים. זה, אומר החוקר הראשי, הינו רמז חיוני להבנת הקינטיקה של צמיחה עצמאית של ננו-שפופרות.
המפתח להבנת היכולת לרתימת פגמים אלו להכנת ננו-מבנים באופן רגיל, מסביר החוקר, הוא בידיעה כי כאשר אטומים מצטברים ע”ג חריגה מפותלת שבמשטח, הולך ונבנה מתח במבנים הזעירים המתרחבים. מסתבר כי “היווצרות מבנים חלולים או מפותלים הינן שתיים מהדרכים היעילות ביותר להקלה במתח מבני זה,” מסביר החוקר. “במקרים מסוימים, קיום אנרגיית מתח רבה, שמקורה בפגם המבני בתוככי ננו-החומרים, מכתיב היווצרות עצמאית של ננו-שפופרות חלולות מסביב לפגמים.”
התופעה שתוארה ע”י מדעני אוניברסיטת ויסקונסין שונה באופן מהותי ממנגנונים רגילים אחרים להיווצרות ננו-מבנים חלולים. כיום משתמשים מדענים בתבניות בכדי לעצב ננו-שפופרות, או כחלופה בתהליכי דיות (diffusion) בכדי להמיר חומר אחד לחומר אחר, חלול. כיום מיוצרים ננו-צינורות פחמן ע”י קיפול של שכבה יחידה הנסגרת על עצמה. המנגנון שתואר, מסבירים החוקרים, אמור להתאים גם לחומרים אחרים מלבד תחמוצת אבץ: “הבנת ההיווצרות של ננו-שפופרות לבטח תסייע לנו להבין תופעות דומות בחומרים אחרים.”
בסופו של דבר, הידע החדש שהתקבל יוכל לסייע לפיתוח שיטות ייצור זולות ומסחריות של ננו-חומרים למגוון רחב של יישומים. התחום המבטיח ביותר, אומר החוקר הראשי, הינו התחום של אנרגיה מתחדשת שבה ניתן יהיה לפרוס כמויות נרחבות של ננו-חומרים אלו לשם המרת אור-שמש לחשמל, וכן לספק חומרי-גלם חדשים ל אלקטרודות סוללות, והתקנים תרמו-אלקטרוניים אחרים.
