הינך נמצא כאן

תיקון עולם מתחיל בתיקון עצמי

פרובסקיטים האלידיים – ההבטחה הגדולה של תחום האנרגיה הסולארית – מסוגלים לרפא את עצמם
26.02.2018

מיקרו-גבישים שנוצרו באמצעות ריפוי עצמי תיקנו איזור שנהרס כליל בתוך גביש של פרובסקיט האלידי

חומרים חכמים יכולים להעביר את האנושות לעידן של אנרגיה מתחדשת, ומכאן לעולם המקיים את עצמו. ומה חכם יותר מאשר חומרים אשר מתקנים את עצמם? מדעני מכון ויצמן למדע הראו כי החומרים המכונים פרובסקיטים האלידיים – ההבטחה הגדולה של תחום האנרגיה הסולארית – יודעים, לא פחות, לרפא את עצמם. הממצאים, אשר התפרסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Advanced Materials, עשויים לא רק לקדם שימוש מסחרי בפרובסקיטים האלידיים, אלא אף לסייע לזהות חומרים נוספים אשר מרפאים עצמם, ועשויים לשמש לייצור התקנים אלקטרוניים שונים.

מדענים התקשו עד כה להבין את הביצועים יוצאי הדופן של פרובסקיטים האלידיים – מוליכים למחצה רכים שאפשר לייצר בקלות בטמפרטורת החדר על ידי ערבוב וייבוש שתי תמיסות מלח. תהליך הייצור כה פשוט ומהיר, עד כי הוא צפוי גם להוליד פגמים רבים. עם זאת, פרובסקיטים האלידיים ממירים את אנרגיית השמש לחשמל ביעילות כה רבה, כאילו אין בהם פגמים כמעט. אחד ההסברים האפשריים לתופעה הוא שהחומר יודע לתקן בעצמו את הפגמים. ריפוי עצמי בקבוצת חומרים סולאריים מהדור הקודם התגלה לפני כשני עשורים על ידי פרופ' דוד כאהן מהמחלקה לחומרים ופני שטח יחד עם ליאור קרוניק, אז חוקר בתר-דוקטוריאלי, וכיום פרופסור וראש אותה מחלקה, ועמיתים נוספים. הגילוי הוביל להשערה כי התכונה מתקיימת גם בחומרים אחרים. "כאשר ניסינו להסביר את היעילות הגבוהה של פרובסקיטים האלידיים, חזרנו להשערה זו והנחנו כי בזמן שנוצר החומר ולאחר מכן, הוא ממשיך לתקן את הפגמים שבתוכו", מסביר פרופ' כאהן.

>> תיעוד מואץ המראה כי פגם (כתם כהה) בתוך ננו-גביש של פרובסקיט האלידי נעלם לאחר שהחומר ריפא עצמו

על מנת לבדוק ההשערה, נדרשו המדענים להתמודד עם משימה מאתגרת במיוחד: לבודד את תכונות החומר מההפרעות הסביבתיות על ידי יצירת פגם הנמצא אך ורק בתוך החומר, כלומר לא על פני השטח שלו. חוקר הבתר-דוקטוריאלי, ד"ר דוד רפאל סראטי, שעובד עם כאהן ופרופ' גרי הודס מאותה מחלקה, הציע פתרון מקורי: לבחור פרובסקיט האלידי אשר קולט פוטונים (חלקיקי אור) כחולים אך אור אדום יכול לעבור דרכו מבלי להיקלט. בניסוי מיקדו המדענים לייזר אדום בנקודה בקוטר של מיקרון אחד ובעומק של כ-100 מיקרון בתוך גביש של החומר; לשם כך השתמשו בשיטה הקרויה בליעת שני פוטונים: אם שני פוטונים אינפרה-אדומים נקלטים בו-זמנית על ידי החומר, הדבר גורם לחומר להתנהג כאילו בלע פוטון אחד בעל אנרגיה כפולה, כלומר פוטון כחול. מסביר ד"ר סראטי: "כיוונו את הלייזר כך שיצרנו בנקודת המיקוד אור כחול, שעוצמתו בערך כזו של אור השמש.  מכיוון שאור כחול נבלע על ידי החומר, הוא יכול לגרום לנזק בתוך הגביש, סביב נקודת המיקוד שלו, אך לא מחוץ לנקודה זו".

לאחר מכן, האירו המדענים את הגביש – אשר פולט אור לאחר בליעה של אור – ועקבו בעזרת גלאי אופטי רגיש במיוחד אחר הפגמים שנוצרו בו. הגביש פלט אור כפי שאופייני לחומר זה, למעט באיזור הפגום אשר נותר כהה יותר.  אך לאחר זמן מה – מספר דקות עד מספר שעות – נעלם הכתם הכהה, והגביש כולו חזר להאיר. המדענים בחנו את הגביש תחת מיקרוסקופ אלקטרונים וגילו כי המבנה שלו היה זהה למצבו המקורי.

"ייתכן כי תאים סולאריים העשויים מפרובסקיטים האלידיים ירפאו עצמם עם רדת החשיכה, וכך יתקנו את הנזקים שנגרמו להם במהלך היום"

1.	גביש של פרובסקיט האלידי תחת מיקרוסקופ לפני יצירת הפגם ולאחריה: A – מצב תקין, B – מצב פגום, C – הריפוי, D – לאחר ריפוי עצמי. פס המדידה: 10 מיקרונים

במפתיע, אפילו כאשר נוצרו הפגמים באמצעות  אור כחול בעוצמה הגדולה פי מאות פעמים מזו של אור השמש, ואיזור שלם בתוך הגביש נהרס, החומר עדיין ריפא את עצמו – והפעם בעזרת יצירת שכבה חדשה של מיקרו-גבישים במקום האיזור החד-גבישי שנהרס. המדענים הניחו כי קרני הלייזר גרמו לחלק מהחומר הפגום להתפרק למרכיביו, אשר הגיבו זה עם זה ויצרו את החומר המקורי. כלומר, התרחש באיזור מיחזור, או ריפוי עצמי. ניסויים כימיים במעבדה תמכו בהסבר זה.

"גבישים של פרובסקיטים האלידיים נוצרים באמצעות קשרים אטומיים חלשים יחסית, לכן קל לפרק אותם, אך גם קל יחסית לשחזר אותם", מסביר פרופ' כאהן.

מימין: פרופ' דן אורון, רון טנא, ד"ר ויאצ'סלב קלצ'נקו, ד"ר דוד רפאל סראטי, יבגני רקיטה, פרופ' מיכאל אלבאום ופרופ' דוד כאהן. פולטים אור

ריפוי עצמי עשוי להיות מועיל במיוחד בתאים סולאריים, שמתבלים בהדרגה בזמן השימוש. "ייתכן כי תאים סולאריים העשויים מפרובסקיטים האלידיים ירפאו עצמם עם רדת החשיכה, וכך יתקנו את הנזקים שנגרמו להם במהלך היום", מציע פרופ' כאהן. ממצאי המחקר עשויים לעזור להפוך חומרים מבטיחים אלה לעמידים יותר לשם ייצור תאים סולאריים או מרכיבים חיוניים בהתקנים אופטיים ואלקטרוניים. דבר חשוב לא פחות: הממצאים עשויים לקדם את החיפוש אחר חומרים נוספים אשר מרפאים עצמם לשם הפקת אנרגיה בת-קיימא ולשימושים אחרים.

קבוצת המחקר כללה גם את פרופ' מיכאל אלבאום מהמחלקה לפיסיקה כימית וביולוגית ופרופ' דן אורון מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות, את תלמידי המחקר יבגני רקיטה ורון טנא ואת מדען הסגל ד"ר ויאצ'סלב קלצ'נקו, וכן מדענים מאוניברסיטת מילאנו שבאיטליה: לורנץ קרמונזי ופרופ' מרקו פוטנצה.

>> תא סולארי העשוי מפרובסקיטים האלידיים מייצר כ-1017 אלקטרונים לשנייה לכל ס"מ מרובע המופנה לשמש (20 מיליאמפר). לשם השוואה, מכשיר אייפון זקוק במהלך הטענה לזרם חשמלי חזק פי-50 (1 אמפר). 

#מספרי_מדע

לשיתוף:

 

 

 

 

אינסטגרם