חלקיקים בעקבות השמש

 

 

קרינת שמש, הנחשבת למקור אין-סופי של אנרגיה, יכולה גם לספק הצצה נדירה לעולמם של הננו-חומרים. במחקר חדש, שביצעו מדענים ממכון ויצמן למדע ומאוניברסיטת בן-גוריון שבנגב, התגלתה צורתם של ננו-חלקיקים אי-אורגניים מסוימים, באמצעות שימוש באור שמש מרוכז. המחקר, שבו השתתפו גם מדענים גרמניים, "זורה אור שמש" על התנהגותם של חלקיקים בסדר גודל ננומטרי, ועשוי להוביל לפיתוח יישומים מתקדמים של ננו-חומרים שונים.

 

לפני קרוב לשני עשורים גילו לראשונה פרופ' רשף טנא ושותפיו למחקר בפקולטה לכימיה במכון ויצמן, כי ננו-חלקיקים של חומר אי-אורגני יכולים ליצור מבנים חלולים דמויי כלוב. עד אז סברו, שרק מולקולות של פחמן יכולות ליצור מבנים חלולים, כדוריים - מבנים אשר זכו לכינוי "פולרנים" בשל דמיונם לכיפות הגיאודסיות שהמציא האדריכל ריצ'רד בקמינסטר פולר. התגלית של פרופ' טנא פתחה תחום חדש של מחקר, המתמקד בחלקיקים אי-אורגניים דמויי פולרנים, אשר הוביל ליישומים מפתיעים - כמו הפקת חומרי סיכה מוצקים משופרים. עם זאת, המחקר בתחום פתח שאלות רבות חדשות, במיוחד כאלה המתייחסות לקשר בין התכונות המיוחדות של החלקיקים לבין המבנה שלהם וצורתם.

 

החלקיק הקרוי פולרן אי-אורגני "אמיתי" - כלומר, החלקיק דמוי-כלוב הקטן והיציב ביותר של חומר אי-אורגני - הוא בעל מבנה של תמניון: גוף המזכיר קובייה, אך כולל שמונה פאות במקום שש. מדענים במכון ויצמן ובמכוני מחקר אחרים בעולם כבר יצרו תמניונים כאלה בעבר, אך לפולרנים אי-אורגניים גדולים יותר יש מבנה כדורי רב-שכבתי. כיצד נקבעת הצורה שמקבל הננו-חלקיק?

התשובה לשאלה עקרונית זו, שהיא מרכזית להבנת ננו-חומרים, התקבלה במחקר החדש, אשר התפרסם באחרונה במהדורה הבין-לאומית של כתב-העת Angewandte Chemie. צוות החוקרים הבין-לאומי עבד עם ננו-חלקיקים שגודלם אינו עולה על מספר מיליוניות המטר, של חומר הקרוי מוליבדנום דו-גופרתי (MoS2).

המטרה הראשונה הייתה ליצור אדים אטומיים של מוליבדנום דו-גופרתי. במחקרים שבוצעו בעבר, בהם השתמשו באור לייזר לצורך מטרה זו, נוצרו תמניונים קטנים בלבד, העשויים מכ-20,000 אטומים. כדי ליצור תמניונים גדולים יותר בנו המדענים מאוניברסיטת בן-גוריון, בראשותו של פרופ' ג'פרי גורדון, התקן סולארי חדשני המורכב ממערכת מראות המרכזת את קרני השמש מייצרת קרן אינטנסיבית במיוחד, שעוצמתה חזקה בערך פי 15,000 מקרני השמש. המדענים השתמשו בהתקן זה כדי לחמם מוליבדנום דו-גופרתי לטמפרטורה של 2,500 מעלות צלסיוס, ולהפוך אותו לענן חם של אטומים בודדים. מכיוון שקרן השמש המרוכזת רחבה הרבה יותר מהלייזרים שבהם השתמשו במחקרים קודמים, נוצרו בהתקן תנאים ייחודיים. תנאים אלה איפשרו לאטומים המתקררים ליצור צברים גדולים בהרבה מאלה שנוצרו בעקבות השימוש בלייזר.

 

לאחר מכן השתמשו ד"ר אנה אלבו-ירון ממכון ויצמן ועמיתיה במספר מיקרוסקופים אלקטרוניים - כולל המיקרוסקופ המתקדם במעבדתו של ד"ר לותאר הובן במרכז יוליך למחקר שבגרמניה - כדי לבחון את המבנה של הננו-חלקיקים שנוצרו. התמונות שהתקבלו סיפקו הוכחה ניסיונית ראשונה לחיזויים התיאורטיים שהפיקה קבוצתו של פרופ' גוטהארד זייפרט באוניברסיטה הטכנית שבדרזדן, ואשר התברר כי היו מדויקים להפליא. התמונות גילו, כי בנוסף לתמניונים ולכדורים רב-שכבתיים נוצרים לפעמים גם חלקיקי ביניים "היברידיים".

מתברר, שקיים קשר בין המבנה המתקבל לבין גודל החלקיק: המולקולות הקטנות ביותר, בגודל של פחות מ-100,000 אטומים, היו תמניונים חלולים. לחלקיקים גדולים יותר, הכוללים בערך 500,000 אטומים, היה מבנה ביניים: שכבות של תמניון בליבה, אשר עטופות בשכבות כדוריות רבות, כמו בצל.

מלבד התשובות שהן מציעות לשאלות בסיסיות בתחום מדע החומרים, תוצאות המחקר עשויות להוביל ליישומים מעשיים. מוליבדנום דו-גופרתי משמש כזרז בתהליך הניקוי של דלקים מאובנים. בתהליך זה מסולקת הגופרית במטרה למנוע היווצרות של דו-תחמוצת הגפרית, אשר תורמת לגשם חומצי. למטרה זו עשויה צורתו הננו-חלקיקית של המוליבדנום הדו-גופרתי להיות יעילה הרבה יותר: בזכות המבנה התלת-ממדי שלהם, חלקיקים אלה עשויים להיות נגישים יותר לתגובות עם הגופרית, וכך לזרז את תהליך הניקוי. כאשר יצליחו לייצר אותם בכמויות מספיקות, מתכוונים המדענים לבחון את הפוטנציאל של החלקיקים הסולאריים כזרזים לניקוי גופרית. זרזים כאלה יועילו לסביבה בשני מובנים: הם יופקו בשיטה סולארית נקייה, ויהיו יעילים יותר בהפחתת הנזק שגורמים דלקים מאובנים לסביבה.

 

יישומים אפשריים נוספים לננו-חלקיקים סולאריים קשורים בעובדה, שהמולקולות התמניוניות של מוליבדנום דו-גופרתי הן בעלות תכונות של מתכת, אך החלקיקים הכדוריים הם מוליכים-למחצה. משמעות הדבר היא, שהחלקיקים בעלי מבנה הביניים התמניוני-כדורי הם מוליכים-למחצה המקיפים רכיב בעל תכונות מתכתיות. למבנה כזה עשויים להיות שימושים חדשים בתעשיית המוליכים-למחצה, כמו, לדוגמה, ליצירת חישנים מתקדמים.

 

את המחקר ביצעו ד"ר אנה אלבו-ירון ופרופ' משה לוי במעבדתו של פרופ' רשף טנא, מהמחלקה לחומרים ופני שטח שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע, עם ד"ר רונית פופוביץ'-בירו מהמחלקה לשירותים כימיים במכון; יחד עם פרופ' דניאל פויירמן וד"ר יוג'ין כץ ממעבדתו של פרופ' ג'פרי גורדון באוניברסיטת בן-גוריון; ובשיתוף עם מדענים מגרמניה: מרק וידנבאך, ד"ר מאיה בר-סדן, וד"ר לותאר הובן במרכז יוליך למחקר, וד"ר אנדריי אניאשין ופרופ' גוטהרד זייפרט מהאוניברסיטה הטכנית של דרזדן.

בשנים האחרונות עבר פרופ' רשף טנא לאורח חיים בריא, והפחית 20 ק"ג ממשקלו. בנעוריו שירת בצנחנים, ו"רץ על הגבעות", אבל מאז, בלחץ השגרה והעבודה, "עשה לעצמו הנחות", והתוצאה לא איחרה לבוא.

 

לפני מספר שנים, מאז מות רעייתו, החליט להשקיע יותר בבריאות. פרופ' טנא: "המתכון שלי לחיים טובים מבוסס על תזונה נכונה ועל פעילות גופנית מתונה. לאכול הרבה פירות וירקות, מעט שומן, להימנע כמעט לחלוטין מסוכר (מלבד פירות יבשים). אני צמחוני זה 20 שנה, ולכן מקפיד על תזונה מאוזנת". הוא מקדיש קרוב לשעה ביום לפעילות גופנית מתונה, ואפשר לראות אותו צועד בשבילי המכון מדי יום, בגשם או בשרב. "עכשיו אני גם ישן יותר, וחברי מדווחים שאני מחייך יותר".