צינוריות השֶׁמֶשׁ

מדעני מכון ויצמן למדע ושותפיהם למחקר גילו כי ננו-צינוריות מהתרכובת WS2 לוכדות אור בליבותיהן ומפיקות בתגובה זרם חשמלי. האפקט הפוטו-וולטאי שנמדד הוא העוצמתי ביותר מסוגו שנצפה עד כה

צינורית זעירה, דמוית סיגר חלול, העשויה תרכובת אי-אורגנית המלופפת סביב עצמה, עשויה להפוך לאחד מההתקנים הסולאריים הקטנים בעולם. תגלית זו – פרי שיתוף פעולה בין פיסיקאים מיפן ומגרמניה וכימאים מישראל – מפתיעה לא רק בשל העובדה שננו-צינורית מפיקה אנרגיה חשמלית מאור השמש, אלא מכיוון שמדובר באפקט העוצמתי ביותר שנצפה עד כה של מנגנון פיסיקלי ייחודי, הידוע בשם “האפקט הפוטו-וולטאי האנומלי”.

כבר יותר מ-25 שנה שפרופ’ רשף טנא, מהמחלקה לחומרים ופני שטח במכון ויצמן למדע, יוצר וחוקר ננו-מבנים העשויים תרכובות אי-אורגניות שונות. “ננו-צינוריות פחמן הן אמנם המוכרות ביותר, אבל אפשר להפוך תרכובות רבות ומגוונות לננו-צינוריות”, אומר פרופ’ טנא. ננו-צינוריות מהתרכובת טונגסטן דיסולפיד (WS2) היו הראשונות שיצר, והן התגלו כננו-מוליכים למחצה בעלי חוזק מכני מרשים. פרופ’ אלה זאק מהמכון הטכנולוגי בחולון – שהייתה אחת מתלמידותיו הראשונות של פרופ’ טנא, וברבות הימים הפכה לבת זוגו – חקרה את מנגנון הגדילה של ננו-צינוריות WS2 בפירוט רב, והייתה הראשונה שהציעה מנגנון תגובה ליצירתן בפאזות טהורות ובכמויות גדולות.

בשנים האחרונות פנה מחקרם המשותף לכיוון חדש: הם שילבו כוחות עם פרופ’ יושיהירו איוואסה – פיסיקאי מאוניברסיטת טוקיו וממכון RIKEN, העוסק בתכונות הפיסיקליות של ננו-צינוריות. לאחר שתכונות אלה הודגמו בהרחבה לגבי ננו-צינוריות פחמן, פנה פרופ’ איוואסה לפרופסורים זאק וטנא כדי לבחון גם את התכונות הפיסיקליות של סוגים פחות מוכרים של ננו-צינוריות. בסדרת הניסויים הראשונה שלהם, שתוצאותיה פורסמו בכתב-העת המדעי Nature Communications, גילו החוקרים כי ננו-צינוריות WS2 יכולות להפוך למוליכי-על בטמפרטורות נמוכות; בדומה לסוגים אחרים של מוליכים למחצה הפועלים בטמפרטורה נמוכה, אלקטרוני הננו-צינוריות נעים בחומר בזוגות, ואינם נתקלים בכל התנגדות בדרכם. במחקר שפורסם בכתב-העת Nano Letters, כבר הראו המדענים שהטמפרטורה שבה הננו-צינורית מקבלת תכונות של מוליך-על יורדת ככל שקוטרה קטן. “ממצא תמוה שדורש עדיין הסבר תיאורטי”, מעיר פרופ’ טנא.

בהמשך פנו החוקרים לחקור את התכונות האופטיות של צינוריות WS2. בדומה לסיבים אופטיים במערכות תקשורת, הננו-צינוריות יכולות ללכוד אור במרכזיהן החלולים. כך, כאשר הופעל על הצינוריות שדה חשמלי מקוטב, הן זהרו. במחקר אחר, שהובילה תלמידת המחקר לשעבר של טנא, ד”ר לנה ידגרוב, נמצא שננו-צינוריות בקוטר 100 ננומטר ומעלה יכולות ללכוד אור בליבותיהן, בדומה לסיבים אופטיים. תופעה זו העלתה שאלה נוספת: האם הננו-צינוריות, בדומה לתאים סולאריים, יכולות לקלוט אור ובתגובה להפיק חשמל?

כדי לבחון זאת, השתמשה קבוצת המחקר בהובלת ד”ר ג’אנג ייג’ין, שהיה בשעתו תלמיד מחקר בקבוצתו של פרופ’ איוואסה, בלייזרים באורכי גל שונים והאירה באמצעותם חלקים שונים של הננו-צינוריות. הננו-צינוריות האי-אורגניות הראו תוצאות טובות אף מעל המצופה, אך התוצאות הטובות ביותר התקבלו כאשר אלומת האור כוונה ישירות למרכז הננו-צינורית ולא לקצותיה. זהו סוג ייחודי של פעילות קליטת אור, המכונה “אפקט פוטו-וולטאי אנומלי”. “בדרך כלל היינו מצפים לראות את האפקט קרוב יותר לקצוות, שם נקודות המגע עשויות לדחוף החוצה את האלקטרונים או את ה’חורים'”, מסביר פרופ’ טנא. “בננו-צינוריות WS2, א-סימטריה היא המפתח; כלומר, ה’רשת’ שיוצרת כל שכבה צריכה להיות מוסטת מזו שתחתיה, ובכיוון הנכון”. בדומה למוליכות של הננו-צינוריות, גם תופעה זו שתוארה באחרונה בכתב-העת Nature, עדיין אינה מוסברת במלואה בתיאוריה הפיסיקלית.

למרות התגובה החזקה במיוחד שנצפתה על-ידי צוות המחקר, בשלב זה היא עדיין אינה יעילה מספיק כדי שאפשר יהיה לשלב ננו-צינוריות בקולטי שמש סטנדרטיים. עם זאת, המדענים מתכוונים לחקור בהמשך סוגים אי-אורגניים נוספים של ננו-צינוריות, כדי לבחון אם יש לאלה מאפיינים סולאריים דומים. בנוסף, הם ימשיכו לחקור ננו-צינוריות מסוג WS2 במטרה להגדיל את יכולת קציר האור שלהן, למשל, באמצעות “אילוח” – הוספה מכוונת של זיהומים במטרה לשפר את זרימת האלקטרונים.

פרופ’ טנא סבור שאף שמאפייני הננו-צינוריות שהתגלו במחקר מרחיבים במידה ניכרת את הידע הקיים על אודות התנהגות חומר בקנה מידה זעיר, יישומיהן המיידיים יותר של ננו-צינוריות אי-אורגניות אינם טמונים בתכונותיהן הפוטו-וולטאיות, האופטיות או אפילו במוליכות-העל שלהן, אלא דווקא בחוזקן הרב. הוספתן לחומרים משוריינים, למשל, עשויה לשפר באופן משמעותי את יעילותם של אפודי מגן, והכנסתן לחומרים מרוכבים המשמשים לבניית מטוסים או מכוניות, עשויה לשפר משמעותית את יכולתם של האחרונים לספוג זעזועים ולמנוע נפגעים בתאונות. בנוסף, מחקרים מצביעים על כך שננו-מבנים אי-אורגניים כגון אלה שיצרו המדענים, אינם רעילים, ולפיכך יוכלו בעתיד למצוא את דרכם אל התקנים רפואיים שונים – חיישנים ואפילו “חלקי חילוף” מלאכותיים של גוף האדם.

האפקט הפוטו-וולטאי האנומלי שנמדד בננו-צינוריות WS2 היה חזק יותר ב-2 עד 4 סדרי גודל מאפקטים דומים שנמדדו בחומרים אחרים, כגון חומרים קרמיים קוטביים.
למאמר המדעי