"החלום שלי, בנוגע לאנרגיה חלופית, הוא שיום אחד יהיו גגות כל הבתים צבועים ב'צבע סולארי', שיספק להם חלק משמעותי מצריכת החשמל", אומר פרופ' דויד כאהן מהמחלקה לחומרים ופני שטח שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע.

 

מצד אחד, כידוע, השמש היא מקור אנרגיה אדיר. מצד שני, השימוש במשאב הזה אינו נפוץ. מדוע? התשובה לשאלה זו קשורה בעובדה הידועה שבחיים אין דבר מושלם, ואין ארוחות חינם. הטכנולוגיות הקשורות בניצול אנרגיה סולארית הן עדיין יקרות, ואינן מסוגלות להמיר את אנרגיית השמש לחשמל ביעילות מספקת, שתהפוך אותה לכדאית מבחינה כלכלית לרוב השימושים. על בסיס חוקי הפיסיקה, יעילותו של תא סולארי בודד המוצלח ביותר אינה יכולה לעלות על 31% (בהמרת אנרגיית השמש לאנרגיה חשמלית), והיעילות המושגת בפועל קטנה עוד יותר. מדוע אם כן כדאי להשקיע בתאים סולאריים שיעילותם נמוכה כל כך? התשובה הפשוטה לכך היא, שההשקעה משתלמת אם התאים זולים מספיק. "הרעיון הוא להבין את המגבלות, וגם את היכולות של כל אחד מסוגי התאים הסולאריים, ולזהות נישה ייחודית המתאימה לכל אחד מהם", אומר פרופ' כאהן.

 

לפני מחצית המאה זיהו ויליאם שוקלי והנס קווייסר שלוש מגבלות בסיסיות, שחלות על כל תא סולארי ומביאות ליעילות מקסימלית: קליטת האור שלהם מוגבלת לטווח קטן מהספקטרום המלא של אור השמש; חלק גדול מהאור הנקלט בתא מתבזבז בצורת חום; ובנוסף, חלק מהזרם החשמלי שנוצר בתא הולך לאיבוד עוד לפני שניתן להשתמש בו. שלוש המגבלות האלה, שקיבלו את השם SQ על-שם ראשי התיבות של שני מגדיריהן, נחשבו עד היום לגורמים היחידים המגבילים את יעילותם של התאים הסולאריים. אבל מה בנוגע לדור החדש יותר של תאים סולאריים, אשר עשויים מחומרים מולקולריים - כמו פולימרים אורגניים - במקום מחומר גבישי אי-אורגני, כמו סיליקון? בניסויי מעבדה, יעילותם של תאים אלה משתווה בקושי לזו של התאים הפחות יעילים שמצויים כיום בשימוש מסחרי, ולרוב אף נופלת מהם. האם הסיבה לכך היא קשיים בפיתוח, או אולי קיימים גורמים מגבילים נוספים, מלבד אלה שהוגדרו על ידי קווייסר ושוקלי, שיש להביא בחשבון?

 

כדי לנסות לגלות את התשובה לשאלה הזו, פרופ' דויד כאהן, יחד עם החוקר הבתר-דוקטוריאלי פבריטה נייק (ממכון טאטא למחקר בסיסי בהודו), ובעזרת פרופ' חואן ביסקרט מספרד, הישוו וניתחו סוגים שונים של תאים סולאריים, כשהם מתייחסים למיגוון רחב של קריטריונים. ממצאיהם, שהתפרסמו באחרונה בכתב העת המדעי Advanced Materials, מראים כי אכן קיימים גורמים מגבילים נוספים על אלה שהגדירו קווייסר ושוקלי - לפחות עבור תאים סולאריים העשויים מחומרים אורגניים - אשר עשויים להסביר את איבודי האנרגיה הגדולים.

 

תא סולארי טיפוסי מהדור הישן עשוי משתי שכבות של מוליך למחצה אי-אורגני - במרבית המקרים משמש לכך סיליקון. אחת משתי השכבות עשירה באלקטרונים, ואילו בשנייה יש מחסור באלקטרונים. כאשר מניחים את השכבות זו על גבי זו נוצר שדה חשמלי. כאשר פוגעות במוליך למחצה קרני אור, אשר נושאות כמות אנרגיה מספקת כדי לשחרר את האלקטרונים מקשריהם, נוצר זרם חשמלי. השדה החשמלי פועל כעת כשער חד-כיווני, והאלקטרונים החופשיים נעים דרך תיל המחבר את שתי השכבות - כך נוצר זרם חשמל.

 

הבעיה היא, שלא כל האור הפוגע בתא אכן מנוצל: האור נפרד בהתאם לרמות האנרגיה של אורכי הגל השונים המרכיבים אותו (כפי שאפשר לראות - לגבי אורכי הגל הנראים - בצבעים של הקשת בענן). רק חלק מסוים מתוך האנרגיה הזאת - שכמותו המדויקת מוכתבת על-ידי תכונות החומר - נחוצה לשחרור האלקטרונים. אם קרני האור הפוגעות בחומר אינן נושאות כמות מספקת של אנרגיה, הן יעברו דרך התא ולא ינוצלו. לעומת זאת, אם האור נושא כמות אנרגיה גדולה מהנדרש, האנרגיה העודפת תתבזבז בצורת חום. בנוסף לכך, אנרגיה פוטנציאלית עשויה אף היא ללכת לאיבוד כאשר אלקטרון משוחרר חוזר למצבו הקודם, הקשור, לפני שהוא מספיק "לברוח" דרך התיל.

 

כאשר מדברים על הדור החדש של קולטים, העשויים מחומרים אורגניים מולקולריים, יש להתחשב בגורמים נוספים, המוכתבים על-ידי התכונות הכימיות והפיסיקליות של חומרים אלה. פרופ' כאהן סבור, כי עובדה זו עשויה להסביר את יעילותם הנמוכה. המבנה של חומרים אורגניים, לדוגמה, הוא מסודר פחות. נדרשת כמות גדולה יותר של אנרגיה לצורך שחרור האלקטרונים כדי ליצור זרם חשמלי. כאשר אלקטרון משתחרר, בעקבות אינטראקציה של אור עם החומר האורגני, חלק מהאנרגיה הולך לאיבוד בצורה של תנודות בקשר הכימי. בנוסף, הקישור הכימי החלש בין מולקולות אורגניות (בהשוואה לקשר בין אטומים בחומרים אי-אורגניים לא-מולקולרים) מוביל לתנועה מופחתת של אלקטרונים דרך המוליך למחצה, דבר אשר גורם לחלק מהאלקטרונים המשוחררים לאבד את האנרגיה שלהם. אמנם שני המנגנונים האלה, בהם מתבזבזת אנרגיה, משותפים לכל התאים הסולאריים, אך הם קטנים ואף זניחים בתאים הסולאריים האי-אורגניים.

 

ובכל זאת, פרופ' כאהן אינו ממהר לוותר על חלום התאים הסולאריים הזולים והיעילים, אורגניים ואי-אורגניים. "במקום להשקיע זמן ומאמץ בניסיון להגיע ליעילות בלתי ריאלית, עלינו להבין את מגבלות של כל תא ותא, לפתח ציפיות סבירות יותר לגבי יכולותיהם, ולעשות בהם שימוש מתאים יותר", הוא אומר. "לדוגמה, תאים מולקולריים יכולים להיות מושלמים כצבעים סולאריים, למרות יעילותם הנמוכה, ויהיו זולים הרבה יותר לייצור מתאים סולאריים עשויים מסיליקון, שאינם מתאימים לשימוש הזה. הם גם יכולים להתאים לניצול חלקים מסוימים של הספקטרום - כלומר לאורכי גל ספציפיים שקשה לנצל באמצעים אחרים".

 

ממצאי המחקר עשויים להיות שימושיים גם לצורך המרה של אנרגיה סולארית לאנרגיה כימית, ולכן סבור פרופ' כאהן כי המחקר עשוי להיות רלבנטי למערכות פוטוסינתטיות מלאכותיות. "תאים סולאריים הם מעין 'גרסת בטא' המאפשרת ללמוד על חלק חשוב של הפוטוסינתזה המלאכותית. השגת תובנות שיאפשרו התקדמות לקראת פיתוח מערכות פוטוסינתטיות מלאכותיות וצבעים סולאריים, תקדם אותנו להרכבת התצרף של מקורות האנרגיה העתידיים שלנו".

 

 

 

 

 

 

המלך מידאס אולי הפך כל דבר שנגע בו לזהב, אבל הוא מעולם לא זכה להניח את ידיו על ננו-צינורות פחמן. ההישג הזה נפל בחלקם של פרופ' ארנסטו יוסלביץ ותלמיד המחקר טוהר ירדן, מהמחלקה לחומרים ופני שטח שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע. באחרונה השתמשו השניים בשיטה שפותחה במעבדתו של פרופ' יוסלביץ, המאפשרת לשלוט בהפקת ננו-צינורות פחמן כדי ליצור, בין היתר, ננו-חוטים בעלי צורות מורכבות המצופים זהב.

 

לפני שנתיים התחילו פרופ' יוסלביץ וחברי קבוצת המחקר שבראשותו ליצור ננו-צינורות ארוכים ודקים בעלי כיפופים, לולאות ופיתולים, כולל צורות "עקלתון" המזכירות רדיאטורים. ננו-צינורות מעוקלים כאלה יוכלו אולי, בעתיד, לשמש כמרכיבים בהתקנים חשמליים זעירים. מעניין לציין, כי הצורות הזעירות והמסודרות האלה מתארגנות באופן עצמאי. המדענים יצרו מעין "אי-סדר מסודר", שבו תנודות אקראיות מניעות את ההתארגנות העצמית ואת כיוונה, ובשיטה זו הצליחו "לצייר" כל צורה.

 

 

 

כעת מתחילים החוקרים לצפות את הננו-צינורות האלה בזהב, באמצעות תהליך הקרוי שיקוע חשמלי: העברת פולסים חשמליים בתמיסה המכילה יוני מתכת גורמת להם לעזוב את התמיסה ולהתחבר לננו-צינורות. עד כה הניבה השיטה יצירות מוזהבות יפות, אבל מטרת החוקרים איננה לעצב ננו-תכשיטים, כמובן, אלא, כפי שאומר פרופ' יוסלביץ, "לשלב בין הגיאומטריה הייחודית של הננו-צינורות העקלתוניים לבין התכונות של חומרים אחרים". באמצעות השיטה - אשר התפרסמה בכתב-העת Nano Letters וזכתה לכינוי "לצייר עם ננו-צינורות" - אפשר לייצר ננו-חוטים מכל חומר מוליך או מוליך למחצה. בנוסף לזהב, הם ציפו את הננו-צינורות העקלתוניים גם בחומר הקרוי ביסמות טלוריד. חומר זה מסוגללהמיר חום בחשמל, או, לחלופין, כאשר מועבר דרכו זרם חשמלי, הוא מקרר. ננו-חוטים של ביסמות טלוריד עשויים להוות בעתיד מעין סוללה זעירה בהתקנים מיקרוסקופיים, או לשמש כיחידות קירור זעירות במכשירים ננו-אלקטרוניים.

 

בינתיים ממשיך הצוות בניסיונותיו לייצר ננו-חוטים עקלתוניים ממיגוון חומרים. אחד האחרונים שבהם, לדוגמה, הניב חוטים שייתכן כי אפשר יהיה להשתמש בהם כקולטי אור קטנטנים, או אף כננו-נורות ניאון.

כמדען ואב לארבעה, חייו של פרופ ' יוסלביץ נעים בעיקר בין המעבדה והבית. "אך לפעמים", הוא אומר, "המדע לוקח אותי לחופים רחוקים ומפתיעים. באחרונה, למשל, הוזמנתי להרצות בכנס בהוואי. נהניתי כמובן מחופי התכלת עטורי הדקלים ומהרי הגעש הירוקים, אבל התאהבתי ממש במוסיקה המקומית. זמרים וזמרות בני הוואי מסלסלים בקולות פלצט לצלילי יוקליילי וגיטרה רפויית מיתרים. הזמרים שאהבתי הם Israel Kamakawiwo’ole Amy Hanaiali’i והאחים Cazimero. ניתן לשמוע את שיריהם ביוטיוב ולקנות את תקליטיהם באמזון".

 

 

 

 

קיפודי ים החיים על קרקעית הים לא נראים שייכים לעולמה של הטכנולוגיה המתקדמת. אבל מדענים במכון ויצמן למדע גילו באחרונה, להפתעתם, שיצורים קוצניים אלה יוצרים את מקומות המחבוא שלהם תוך שימוש בטכנולוגיות מתקדמות. כאשר הם חופרים לעצמם מחילות בקרקעית הים, משתמשים הקיפודים עגולי הגוף בחמש השיניים שלהם, שכמו שיניהם של מכרסמים נשחקות בקצותיהן וממשיכות לגדול מצידן השני, מכיוון השורש, במשך כל חייו של הקיפוד. מפתיע, אבל השיניים האלה, אשר צריכות להיות חזקות יותר מסלע הגיר בו חופרים הקיפודים את מחילותיהם, עשויות בעיקר מקלציט, אותו מינרל שממנו עשויה ברובה אבן הגיר. כיצד אם כן מצליחות השיניים האלה לחרוץ ולחפור בקרקע הים?

 

בסדרה של מחקרים שבוצעו במשך יותר מעשור גילו פרופ' סטיב ויינר ופרופ' ליאה אדדי, מהמחלקה לביולוגיה מבנית במכון ויצמן למדע, כי סודם של קיפודי הים טמון בשילוב של טכנולוגיות עיצוב מקוריות ומפיעות. המחקר האחרון בסדרה, שביצעו החוקרת הבתר-דוקטוריאלית יורונג מה ותלמידת המחקר יעל פוליטי, בשיתוף פרופ' פופהגילברט וד"ר רבקה מצלר מאוניברסיטת ויסקונסין, ד"ר ברברה אייכמאייר, אוסקר פאריס ופיטר פראצל ממכון מקס בפוטסדם, גרמניה, וד"ר אנדרה מייבום מהמוזיאון הלאומי לתולדות הטבע בפאריס, פורסם באחרונה בכתב-העת של האגודה הלאומית האמריקאית למדעים (PNAS). בשלב הראשון מצאו המדענים, כי שיניהם של קיפודי ים מכילות גבישים של מגנזיום קלציט שהם קטנים, דחוסים וחזקים יותר מקלציט נקי. גבישים אלה מרוכזים בקצה הטוחן של השן ובמיוחד במרכזה, שם מופעל רוב הכוח. מה שמחזיק את הגבישים במיקום הנכון הוא תבנית של גבישי קלציט שהם גדולים ורכים יותר. בזמן שרוב החומרים מסוג זה בנויים כתבנית של סיבים קשים המכילה את המילוי הרך יותר, נראה כי שיני הקיפודים בנויות באופן שונה: תבנית של סיבי קלציט רכים יחסית מחזיקה גבישי מגנזיום קלציט שהם קשיחים יותר. עובדה זו מאפשרת לגבישים אלה להתפזר לאורך פני השטח של קצה השן. נוכחות גבישי המגנזיום קלציט יוצרת אפקט של נייר זכוכית אשר מסייע לטחון את הסלע.

 

באמצעות שימוש במיקרוסקופיית אלקטרונים ברזולוציה גבוהה מסוג X-PEEM גילו המדענים היבט מרתק נוסף של עיצוב השן בקיפודי ים. מתברר, שכל החומרים הגבישיים אשר מרכיבים את השן מסודרים בשתי שכבות שונות, ושכבות אלה "ננעלות" זו על גבי זו כמו אצבעות של שתי ידיים משולבות. המדענים מאמינים, כי בדרך זו קיפודי הים מייצרים לעצמם כלי משונן המזכיר מסור. הקצה משחיז את עצמו כאשר השן נטחנת. במקביל, השכבות הגבישיות נשברות תמיד בצורה כזאת שהקצה נשאר משונן.

 

הבנה טובה יותר של מבנה השיניים של קיפודי ים עשויה להוביל לעיצוב כלים מכניים משופרים, כגון כלים יעילים לטחינה ולחיתוך אשר אינם מתקהים, בדיוק כמו השיניים המשחיזות את עצמן של קיפודי הים.

 

הוא רכב לפלשתינה
על גמל דו-דבשתי
הוא הגיע לראש פינה
במסווה של שייך תורכי

 

 

חיידקים מחליפים ביניהם חומר גנטי מעשה שגרה. כך, למשל, חיידק שפיתח עמידות לאנטיביוטיקה מעביר את התכונה הזאת לחיידק אחר. לעיתים נדירות יכולים חיידקים להעביר חומר גנטי גם לאורגניזם אחר, שאינו חיידק. זה בדיוק מה שעושה האגרובקטריום, חיידק הגורם לעפצים בצמחים. יכולת ייחודית זו של האגרובקטריום עשתה אותו ליקיר הביו-טכנולוגיה, והוא משמש כיום כלי מרכזי בפיתוח וייצור צמחים מהונדסים. בעתיד, ייתכן שאפשר יהיה להשתמש בו לריפוי גנטי של תאי אדם.כדי לקדם את האפשרות הזאת, נחוצה הבנה עמוקה של אופן הפעילות של האגרובקטריום.

 

כאשר די-אן-אי עובר מחיידק לחיידק, הוא נשאר בסביבה ביוכימית דומה, ולכן הוא מצליח לתפקד כראוי. אבל כשחומר גנטי מחיידק נכנס לתא צמח, הוא מוצא את עצמו בסביבה חדשה ועוינת, ממש כמו מרגל החודר לארץ אחרת. תא הצמח מתנגד לפלישה ומפעיל כלי נשק שונים (אנזימים) כדי לפרק את הדי-אן-אי הזר.

כדי לחמוק מאמצעי ההגנה של הצמח, פיתח האגרובקטריום מערכת תמיכה המבוססת על חלבונים, המסתירים את הדי-אן-אי הזר ומלווים אותו עד לגרעין התא. חלבונים אלה, אשר מתקבלים בברכה בתא הצמח על-אף שהם משרתים את  החיידק, מתפקדים במובן מסוים כמעין סוכנים כפולים. המרכזי בהם הוא החלבון VirE2, אשר עוטף את הדי-אן-אי המועבר אל תא הצמח, ומגן עליו במסלולו המסוכן.

אלא שקישור מוקדם של VirE2 יסכן את החיידק עצמו (גם כאן, סוכנים כפולים מהווים סכנה גם למפעיליהם). כדי למנוע זאת, פועל במערכת זו חלבון נוסף הקרוי VirE1, המונע קשר בין VirE2 לדי-אן-אי עד לצאתם מהחיידק בדרכם אל תא הצמח.

איך להבין את המחול המשולש הזה בין VirE1, VirE2 ודי-אן-אי? מתברר, שיחידות ה-VirE2 מתחברות זו לזו ויוצרות שרשרות ארוכות, המתארגנות במעין שרוכים לא מסודרים. השרוכים יוצרים סליל חלול שבתוכו יכול החומר הגנטי החיידקי להסתתר כשהוא מוגן מהסביבה העוינת. אבל, בנוכחות VirE1, יחידות ה-VirE2 אינן מתחברות לשרשרות, ואינן מפריעות לחומר הגנטי של החיידק.

 
פרופ' מיכאל אלבאום, מהמחלקה לחומרים ופני שטח, וד"ר שרון וולף מהיחידה למיקרוסקופיה אלקטרונית במכון ויצמן למדע, בחנו בעבר את המבנה התלת-ממדי של VirE2 כשהוא נושא מקטע די-אן-אי. לצורך זה השתמשו במיקרוסקופ אלקטרונים חודר ובמערכות מתקדמות של עיבוד תמונה. אבל כדי להבין את תהליך ההיקשרות של VirE2 ל-VirE1, או לדי-אן-אי, יש צורך בהכרה מפורטת של מבנה החלבון, ברמת דיוק אטומית. כדי להשיג את ההבנה הזאת, פנה פרופ' אלבאום לצוות המרכז לפרוטאומיקה מבנית במכון, ד"ר אורלי דים, ד"ר שירה אלבק וד"ר תמר אונגר. בשלב הראשון החליטו החוקרים ליצר את החלבון VirE2 כשהוא קשור ל-VirE1. המבנה הכפול שנוצר התגבש מהר ובקלות, אך הגבישים היו קטנים מדי ולא התאימו לפענוח באמצעות פיזור של קרני X ("רנטגן"). רק כעבור שנתיים של מאמצים מתמשכים התקבלו גבישים בעלי גודל מתאים.

 

מפיענוח המבנה התברר, ש-VirE2 מורכב משני מבני "חבית" כמעט זהים המייצגים קיפול לא מוכר עד כה, וממקטע גמיש המחבר ביניהם. נראה שה"חביות" דוחות זו את זו מכיוון ששתיהן נושאות מטען דומה. VirE , הנושא מטען הפוך, נקשר ברווח בין שני החלקים של VirE2, ומונע את היווצרות השרוכים. הינתקות מ-VirE1 גורמת לפתיחה של מבנה החלבון, ומאפשרת לו לקשור אליו די-אן-אי ולהתארגן בצורת סליל חלול. ממצאים אלה פורסמו באחרונה בכתב העת המדעי "רשומות האקדמיה הלאומית למדעים של ארה"ב" (PNAS).

פרופ אלבאום: "לחיידקים יש שתי תכונות נפוצות: היכולת להעביר די-אן-אי זה לזה, והיכולת להעביר רעלים ל"תא קורבן" אחר. האגרובקטריום משלב באופן ייחודי את שתי היכולות האלה. ההבנה שהשגנו, באשר לדרך שבה הוא עושה זאת, עשויה לשמש בעתיד לפיתוח שיטות מתקדמות כבסיס לריפוי גנטי".