"אם נשבור מטבע זהב לשניים", אומר ד"ר דן אורון שהצטרף באחרונה למחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע, "יהיו לשני החלקים אותן תכונות בסיסיות שיש למטבע המקורי. המצב שונה לגמרי כאשר מדובר בחלקיק זהב שגודלו כמה אלפי אטומים בלבד. במקרה זה, בין היתר, צבעם של החלקים שנשבור ממנו יהיה שונה מזה של החלקיק השלם".
אנו רואים צבע כאשר קרני האור נבלעות בעצמים או מוחזרות מהם, אבל כשמדובר בעצמים שגודלם אינו עולה על זה של אורך הגל של האור, מתחוללות תופעות מוזרות. למעשה, כשיורדים למידות הננו (מיליארדית המטר), רוב תכונות החומרים המוכרים לנו משתנות באופן משמעותי. ד"ר אורון חוקר את המאפיינים של ננו-גבישים. הוא מבקש להבין את החוקים השולטים בתכונותיהן של פיסות חומר בגודל מולקולת חלבון, פחות או יותר, ולומד כיצד אפשר ליישם את החוקים והתכונות שלהם. "הכימיה האי-אורגנית המסורתית העניקה לנו מספר מצומצם של מנגנונים ליצירת חומרים חדשים - בעיקר באמצעות שינוי ההרכב הכימי והמבנה הגבישי של החומר. ננו-חלקיקים, שהתכונות שלהם תלויות גם בגודל, בצורה ובמבנה המרחבי, עשויים לפתוח בפנינו אפשרות ליצור מיגוון עצום של חומרים בעלי תכונות שאי-אפשר להגיע אליהן באמצעים אחרים", הוא אומר.
מבט חטוף בשתיים מעבודותיו האחרונות של ד"ר אורון מדגים את השימושים האפשריים הרבים של ננו-חלקיקים: באחת, הוא יוצר ננו-חלקיקים ייחודיים אשר מסוגלים להאיר מולקולות מתחת למיקרוסקופ; בשנייה, הננו-חלקיקים מהווים בסיס לסוג חדש של קולט קרינת שמש.
הננו-חלקיקים של ד"ר אורון הם מוליכים למחצה. כשמפריעים להם, למשל, באמצעות פגיעת פוטון (חלקיק אור), גורמים לעירור קצר של אלקטרון, כך שבחומר נשאר "חור" בעל מטען חיובי. כאשר האלקטרון המעורר חוזר אל תוך החור, נפלט אור בצבע מסוים. ומה קורה כשגורמים לעירור של שני אלקטרונים בננו-חלקיק אחד? האם המטענים החשמליים בתוך הננו-גביש פועלים זה על זה? האם הם מושכים או אולי דוחים אחד את השני? ד"ר אורון גילה, כי אפשר לגרום לדחייה חזקה באמצעות הוספת מספר אטומים של יסוד אחר לתוך הננו-חלקיקים. התוספת הזאת יוצרת מעין "כלוב" שלוכד מטען חיובי יחיד, וכך דוחה את המטען השני. במצב זה, האור שנפלט מהחלקיק משנה את צבעו.
במיקרוסקופים יכולים ננו-חלקיקים שמשנים את צבעם לשמש לסימון. כיום, לצורך דימות תלת-ממדי, נוהגים להשתמש בסוג מסוים של מיקרוסקופים אשר מבוססים על בליעה בו זמנית של שני פוטונים בסמן המוצמד לעצם המטרה - תא או חלבון. בעקבות זאת פולט הסמן ניצוץ אור קצר. האור הנפלט בתהליך כזה מננו-חלקיקים זעירים, אשר קשורים לתאים או לחלבונים, עשוי להיות יציב ואמין יותר. בנוסף, היכולת לעצב ננו-חלקיק שיפלוט אור בצבע אחד כשפוגע בו הפוטון הראשון, ואור בצבע אחר כשמתרחשת הפגיעה השנייה, מאפשרת, תוך שימוש בשני הצבעים, לשפר את כושר ההפרדה של המיקרוסקופ. אפשרות אחרת, שתוביל אף היא לשיפור דומה, היא לתכנן חלקיק שיפזר אור רק כאשר שני הפוטונים פוגעים בו באותו זמן, תופעה המכונה פיזור לא-ליניארי. "האתגר בייצור סמנים זעירים כל-כך", אומר ד"ר אורון, "הוא הצורך לשלוט בתהליך הייצור כדי להגיע למבנה הדרוש מצד אחד, והצורך בגילוי אותות אופטיים חלשים במיוחד מצד שני. עם זאת, באמצעות תכנון נכון, אפשר, לדוגמא, להתגבר על הירידה ביכולתו של הננו-חלקיק לפזר אור עם הירידה בגודלו". תכנון כזה הוביל באחרונה, ליצירת הננו-חלקיק הקטן ביותר עד כה - גודלו אינו עולה על 15 ננו-מטרים - שניתן למדוד ממנו פיזור אור לא-ליניארי. "הצלחנו למצוא נקודה מסוימת בה הוא עובד טוב פי עשרה בהשוואה לגוש גדול של חומר מאותו סוג", הוא אומר.
מחקר תאי השמש של ד"ר אורון, לעומת זאת, אינו מבוסס על יכולתם של הננו-חלקיקים לפלוט אור, אלא על יכולתם לקלוט את האור. קולטי האור מהדור השלישי, שבהם משתמשים כיום בתאי שמש זולים, מבוססים על חומרי צבע אורגניים (בניגוד לתאים היקרים העשויים מסיליקון). תאים אלה נדרשים לבצע משימה קשה: לקלוט כמויות גדולות של אור במיגוון רחב של אורכי גל, להפריד בין האלקטרון המעורר לבין ה"חור" שהוא משאיר, ואחר כך לקלוט אלקטרון בחזרה, בתהליך החוזר שוב ושוב. רוב הצבעים האורגניים מסוגלים להפריד מטענים בצורה טובה, אך הם מוגבלים בטווח הצבעים שהם קולטים וביציבותהכימית שלהם. לעומת זאת, ננו-חלקיקים מוליכים למחצה מסוגלים לקלוט את אור השמש ברוב אורכי הגל הנראים, אך הם אינם יעילים במיוחד בהפרדת המטענים. ד"ר אורון, בשיתוף עם ד"ר אריה צבן מאוניברסיטת בר-אילן, העלו את הרעיון לחלק את העבודה. הם יצרו התקנים מיקרוסקופיים שבהם הננו-חלקיקים פועלים כמעין אנטנות, אשר מתעלות את אנרגיית השמש אל מולקולות הצבע, שם נעשית הפרדת המטענים. ד"ר אורון סבור, שלאחר מספר שיפורים עשויים קולטי שמש משולבים כאלה להיות יעילים מאוד.
אישי
ד"ר דן אורון נולד ברחובות בשנת 1974 וגדל סמוך למכון ויצמן למדע. "ביליתי הרבה במכון, ומגיל 11 השתתפתי בחוגים שונים ביחידה לפעולות נוער", הוא מספר. הוא השלים את התואר הראשון והשני במסגרת תוכנית "תלפיות". בעבודת המחקר לתואר השני, באוניברסיטת בן-גוריון, חקר אורון את הפיסיקה של העירבול. מחקרו לתואר שלישי בספקטרוסקופיה באמצעות פולסים קצרים של אור נעשה בקבוצתו של פרופ' ירון זילברברג במכון ויצמן למדע. במחקרו הבתר-דוקטוריאלי, במעבדתו של פרופ' אורי בנין באוניברסיטה העברית בירושלים, התחיל ד"ר אורון לעבוד עם ננו-חלקיקים. בשנת 2007 הצטרף כחוקר בכיר למכון ויצמן למדע.
ד"ר דן אורון נשוי לרותי, ואב להילה, בת 7.
אחד האתגרים הגדולים הניצבים לפני מדענים שעוסקים בננו- אלקטרוניקה דומה מאוד לזה המעסיק הורים לילדים קטנים: כיצד מלמדים אותם "להסתדר לבד". הרכיבים הננו-אלקטרוניים הם קטנים כל כך, עד שאין שום סיכוי ליצור אותם באמצעות סידור חיצוני. יש "לסמוך עליהם" שיתארגנו באופן עצמאי, וליצור עבורם את התנאים שיאפשרו זאת.
תוצאות המחקר, 
_1.jpg "אילוסטרציה")
במחקרו הבתר-דוקטוריאלי חקר ד"ר טל מולקולות פשוטות, כגון מימן מים ובנזן. מאז, ד"ר טל ותלמידי המחקר במעבדתו, תמר ילין ורן ורדימון, התקדמו למולקולות מורכבות יותר, הקרויות אוליגואצנים (oligoacenes), אשר מורכבות מיחידות חוזרות של טבעות פחמניות. המולקולה הבסיסית ביותר במשפחה הזאת, בנזן, היא טבעת פשוטה המכילה שישה אטומי פחמן. מולקולת הבנזן גולשת אל בין האלקטרודות בניצב אליהן, ובזמן מתיחת הגשר המולקולרי היא נוטה על צידה, כך שהחפיפה עם האלקטרודות קטנה. תנועה זו משנה את מוליכות המולקולה, באופן דומה לעמעם. השימוש באוליגואצנים מאפשר לחקור את התנאים בהם ההולכה של הגשר המולקולרי גבוהה כשל הולכת אטומי מתכת.
קוביות קטנות
ננו-קוביות אינן משחק ילדים. מדעני מכון ויצמן למדע השתמשו בקוביות אלה כדי ליצור מבנים דמויי-חוט: הם הראו כי בהינתן התנאים הנכונים, ננו-חלקיקים בצורת קובייה מסוגלים להתארגן בעצמם וליצור בדרך זו מבנים סליליים. ממצאים אלה, שחושפים כיצד ננו-חומר מסוגל להתארגן וליצור מבנים מורכבים ויפהפיים באופן מפתיע, פורסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Science.
מגנטיות היא רק אחד הכוחות הפועלים על אותם ננו-חלקיקים. בשיתוף עם קבוצת המחקר של פרופ' פיטר קראל (Král) מאוניברסיטת אילינוי, שיקגו, פיתחו ד"ר קליין וד"ר סינג מודל תיאורטי להבנת האופן שבו כוחות שונים מסוגלים לסדר מחדש את חלקיקי המגנטיט. "כוחות מסוגים שונים גורמים לננו-חלקיקים להתארגן ב דרכים שונות", אומר ד"ר קליין. "כוחות אלה יכולים להתנגד זה לזה, כך שהרעיון הוא למצוא את האיזון הנכון ביניהם, שיכול לגרום להרכבה עצמית של החלקיקים למבנים של חומרים חדשים". על-פי המודלים שפיתחו, ישנה חשיבות לצורת הננו-חלקיקים. מתברר כי רק קוביות מספקות את האיזון הדרוש לכוחות המנוגדים בשביל ליצור מבנים סליליים.
החוקרים מצאו כי שני הכוחות המנוגדים העיקריים שפועלים על החלקיקים הם הכוח המגנטי וכוח ואן דר ואלס. הכוח המגנטי גורם לחלקיקים המגנטיים למשוך ולדחות אחד את השני, ובכך הוא דוחף את החלקיקים דמויי הקובייה להתארגן פינה-מול-פינה. לעומת זאת, כוחות ואן דר ואלס מקרבים את פאות הקוביות, ו"משדלים" אותן להתארגן בשורה. כאשר כוחות אלה פועלים יחדיו על אותן קוביות קטנות, התוצאה היא סידורן העצמאי כמבנים בצורת סליל.
בניסוייהם, נחשפו המדענים לשדה מגנטי בריכוז גבוה-יחסית של ננו-קוביות מבוססות-מגנטיט בתמיסה. השרשראות הסליליות הארוכות שנותרו לאחר שהתמיסה התאדתה היו מוצקות באופן מפתיע. הם חזרו על הניסוי עם ננו-חלקיקים בצורות שונות, אך כפי שציפו, הם גילו שרק קוביות מתאפיינות במבנה הנכון, שמאפשר להן להתארגן בסליל. בנוסף, מצאו ד"ר קליין וד"ר סינג שכאשר קיים ריכוז חלקיקים גבוה במיוחד, הם מקבלים גדילים כיראליים, המעוקלים כולם באותו כיוון. ככל הנראה, כוחות מנוגדים מסוגלים "לקחת בחשבון" את הדרך היעילה ביותר לדחוס את הגדילים בחלל נתון.
למרות המראה המרשים של גדילי הננו-קוביות, ד"ר קליין אומר שמוקדם מדי לחשוב על יישומים מסחריים. הערך המיידי של עבודתו, על-פיו, הוא ההדגמה הבסיסית של בנייה עצמית ברמת הננו. "על-אף שחוקרים את המגנטיט לעומק – אפילו בצורתו הננו-חלקיקית – במשך עשורים רבים, אף אחד לא זכה לראות את המבנים האלה בעבר" אומר ד"ר קליין. "רק כאשר נבין את האופן שבו אותם כוחות משפיעים על הננו-חלקיקים, נוכל להתחיל ליישם את הממצאים, ואולי לייצר חומרים חדשים המסוגלים להתארגן ולבנות את עצמם".
מידע נוסף אפשר לקבל במשרד דובר מכון ויצמן למדע: 08-934-3856