הננו-בלון המושלם

יריעות “גרפן” דקיקות ביותר שומרות הכל בפנים

מיכלים אטומים לא תמיד אטומים באמת. כפי שכל ילד ייגלה ביום שאחרי מסיבת יום-ההולדת שלו, אפילו מבלון הליום קשור בחוזקה ידלוף גז לאחר שעות אחדות. עכשיו, מדענים פיתחו מחסום יעיל באופן עילאי שאינו מאפשר כל דליפה.

כמתואר בגיליון האחרון של כתב-העת המדעי Applied Physics Letters, חומר עטיפה זה מורכב מגרפן, מארג פחמני טבעי בעל עובי של שכבה אטומית יחידה.

צורה קרובה של פחמן, גרפיט, משמשת בחודי עיפרון. ברמה המיקרוסקופית, הגרפיט מכיל מיליוני משטחים דו-מימדיים של אטומי פחמן. העובדה כי משטחים אלו קשורים זה לזה באופן רופף ביותר היא ההופכת את הגרפיט לחומר-סיכה טוב. גרפן הוא המבנה המתקבל אם נוטלים כל פעם אחד מהמשטחים של הגרפיט. שברים קטנים אלו של פחמן – כעין רשת משושה המורכבת מאטומי פחמן – בקושי ניתנים לראייה ועל-כן הגרפן התגלה רק לפני מספר שנים אחדות.

עתה, בזכות תכונותיו המעניינות של הגרפן – כמו העובדה כי האלקטרונים יכולים לנוע בו כמעט ללא אובדן אנרגיה – הוא הפך לנושא “חם” בקרב פיסיקאים וכימאים. אחת מתכונותיו המרשימות ביותר הינה החוזק המכאני שלו, המפתיע בגודלו לאור דקיקותו הרבה.

הן ניסויי מעבדה והן הדמיות ממוחשבות הראו כי יריעות גרפן מסוגלות לעמוד בלחצים גבוהים ולשמש כמיכלים מולקולאריים מושלמים. פיסיקאים תיאורטיים בקבוצתו של Francois Peeters מאוניברסיטת בלגיה ערכו ניסויים במטרה לבחון כיצד יריעות גרפן מסוגלות לאגור גזים במבנה דמויי-בלון זעיר. אם יש אטום יחיד שיוכל לברוח משקיק ננוסקופי זה – הוא יהיה הליום. כאחד מהגזים האצילים, הליום אינרטי מבחינה כימית ועשוי לעבור כל מסגרת בעלת עובי אטומי.

בניסוי באוניברסיטת קורנל במעבדתו של Harold Craighead יריעת גרפן שנמתחה מסביב לבקבוקון קטנטן אכן הראתה כי הגז, אפילו בלחצים גבוהים, נשאר בפנים. (עבודה זו פורסמה בכתב-העת המדעי Nano Letters).

החוקר מציין כי גרפן, מלבד מאפייניו האלקטרוניים, יכול לתרום למספר מוצרים ננוטכנולוגיים. דוגמאות לכך כוללות חיישני-לחץ זעירים: יריעת גרפן מסביב לבקבוק שבו נתון גז בלחץ מסוים תרטוט בתדירות מתאימה ללחץ הפנימי של הגז. טלאי זעיר של גרפן יוכל לשמש כננו-מָהוֹד (התקן שנוצרת בו תהודה חשמלית, מכאנית או אקוסטית, Resonator): לאחר הידוקו בשני צידיו הגרפן ירטוט בתדירויות רדיו. ניתן יהיה לשדר אליו אות חשמלי, כך שהגרפן יוכל לשמש כאנטנת רדיו קטנטנה. ניתן יהיה להשתמש בגרפן אפילו כקרומית מלאכותית – בעיצובו כבועית ננוסקופית, כעין תא מלאכותי, הגרפן יוכל להכיל תרופה שתשוחרר לגוף בנקודות זמן מבוקרות.

הידיעה ממכון המחקר