כיפופים ופיתולים

 

 

 

חוזקה של שרשרת נמדד, כידוע, לפי החוליה החלשה ביותר, וגם בחומרים מסוימים תלוי החוזק בכמות הפגמים במבנה. לכן קיים פער בין החוזק התיאורטי שעשוי לאפיין חומר מסוים לבין חוזקו בפועל. האם אפשר לדלג מעל לפער הזה? ככל שמדובר בננו-צינורות, נראה כי התשובה חיובית. מבנים זעירים אלה מכילים רק כמות זעומה של פגמים מיקרוסקופיים, ולכן התכונות העצמיות האופייניות לחומר - ולא התכונות המוכתבות על-ידי הפגמים - הן הבאות לידי ביטוי וקובעות את המאפיינים המכניים שלהם. מסיבה זו, חוזקם של ננו-צינורות יכול להיות גדול הרבה יותר מזה של בני דמותם המאקרוסקופיים. שילוב ננו-צינורות לתוך חומרים אחרים עשוי להוביל ליצירת חומרים מרוכבים בעלי תכונות משופרות. "הבעיה היא שהגודל הקטנטן שלהם מקשה עלינו לספק הוכחות ניסיוניות להשערות האלה", אומר פרופ' דניאל וגנר מהמחלקה לחומרים ופני שטח במכון ויצמן למדע.

ד"ר יפעת קפלן-עשירי, שסיימה באחרונה את עבודת המחקר לתואר השלישי במעבדתו של פרופ' רשף טנא במחלקה זו, בחרה לחקור את התכונות המכניות של ננו-צינורות אי-אורגניים. מבנים אלה דומים באופן עקרוני לננו-צינורות האורגניים, העשויים פחמן (המוכרים יותר), אך הם אינם כוללים פחמן. ננו-צינורות אי-אורגניים העשויים מטונגסטן דו-גופרתי התגלו ויוצרו לראשונה במעבדתו של פרופ' טנא לפני כ-15 שנה. מאז התגלה, כי ניתן ליצור אותם ממיגוון חומרים אי-אורגניים נוספים. לכל אחד מהחומרים תכונות ייחודיות אשר יכולות להציע יתרונות רצויים - בהתאם לשימוש המתוכנן. עם זאת, מכיוון שקשה למדי לייצר את הננו-צינורות האי-אורגניים (בהשוואה לבני דודיהם העשויים פחמן), רק מעט קבוצות מחקר בעולם חוקרות אותם, ותכונותיהם עדיין לא נלמדו באופן מעמיק ונרחב.

ננו-צינורות פחמניים, לעומת זאת, נחקרו ביסודיות, ושיטות מיוחדות לבדיקת תכונותיהם המכניות פותחו בעבר במעבדתו של פרופ' וגנר. יישום השיטות האלה בננו-צינורות רב-שכבתיים העשויים טונגסטן דו-גופרתי, אותם ייצרה ד"ר ריטה רוזנצוייג במעבדתו של פרופ' טנא, איפשר לד"ר קפלן-עשירי לחקור את תכונותיהם המכניות. הננו-צינורות האי-אורגניים האלה הועברו "טירונות מקוצרת", שכללה סדרות של מתיחות, כיפופים ולחיצות, כשהתנהגותן נבדקת באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק. על-פי תצפיות אלה היא חישבה את "דרגת הכשירות" שלהן, כלומר את הנקודה בה הן נשברות, נקרעות או נשחקות תחת המאמץ. השוואת הערכים הניסיוניים שקיבלה לחישובים תיאורטיים המבוססים על מכניקת הקוונטים, שנעשו במעבדתו של פרופ' גוטהרד זייפרט (Seifert) באוניברסיטת דרזדן, הצביעה על התאמה כמעט מושלמת. במילים אחרות, הננו-צינורות נמצאו חזקים בדיוק במידה החזויה באופן תיאורטי, ומכאן, למעשה, שהיו נטולי פגמים. כדי לאשר את הממצאים יוצאי הדופן ערכה ד"ר קפלן-עשירי ארבע סדרות ניסויים נוספות, בשיטות שונות - והגיעה בכולן למסקנה זהה. תוצאות מחקר זה, בו השתתפו גם ד"ר סידני כהן וד"ר קונסטנטין גרצמן מהמחלקה לתשתיות מחקר כימי, התפרסמו באחרונה בכתב-העת המדעי "רשומות האקדמיה הלאומית למדעים של ארה"ב" (PNAS).

המשמעות של היעדר הפגמים היא שננו-צינורות אי-אורגניים הם מבנים חזקים במיוחד - עמידים יותר מכל חומר ידוע אחר. חומרים אלה יוכלו לשמש בעתיד כבסיס לדור חדש של רכיבים ננומטריים מתקדמים. סוגים דומים של ננו-צינורות אי-אורגניים נרשמו כפטנט על-ידי חברת "ידע" - המקדמת יישומים טכנולגיים תעשייתיים על בסיס המצאותיהם של מדעני מכון ויצמן למדע - וכבר כיום הם מיוצרים באופן מסחרי בישראל ובעולם לשימושים שונים, כמו חומרי הסיכה המיוצרים בחברת "ננומטריאלס".

 

בעקבות מחקרה של ד"ר קפלן-עשירי, שהצליחה להוכיח שננו-צינורות אי-אורגניים הם חזקים ונטולי פגמים, עלתה השאלה, כיצד מתאפשרת השלמות הייחודית הזו. כדי לענות על השאלה יש להבין לעומק את התכונות של ננו-חומרים אלה, ובעיקר - לאפיין באופן מפורט ומדויק את המבנה שלהם. בשלב זה נכנסה לתמונה ד"ר מאיה בר-סדן, גם היא תלמידת מחקר לשעבר במעבדתו של פרופ' טנא. מחקרה התמקד בתכונות המבניות של הננו-צינורות.

 

כחוקרת בתר-דוקטוריאלית בקבוצתו של ד"ר לותר הובן (Houben), במרכז למיקרוסקופיה וספקטרוסקופיית אלקטרונים במכון המחקר "יוליך" בגרמניה, משתמשת ד"ר בר-סדן בשיטות מיקרוסקופיות מתקדמות, ומשלבת שיטות הדמיה עם טכנולוגיות לעיבוד תמונה המבוססות על פיתוחים שנעשו במרכז המחקר של פרופ' קנוט אורבן ( Urban). כל אלה מאפשרים לה לקבוע את המבנה של ננו-צינורות אי-אורגניים רב-שכבתיים, אטום אחר אטום.

אפשר לתאר את הננו-צינורות כמשטח של אטומים שגולגל לצורת גליל. קיימים שלושה סוגים של גלילים כאלה, בהתאם לציר הגלגול: צינורות שנוצרו מגלגול לאורך הציר האופקי של המשטח, צינורות "זיגזג" שנוצרים מגלגול לאורך הציר האנכי, וצינורות כיראליים המתקבלים כאשר מגלגלים את המשטח באלכסון. ננו-צינורות רב-שכבתיים הם מעין "בבושקות" המורכבות מגלילים רבים הנתונים זה בתוך זה. המבנה והצורה של הננו-צינורות, וכן תכונות נוספות כמו סידור האטומים, הקוטר והזווית הכיראלית שלהם, הם שקובעים את תכונותיהם המכניות, כמו אלסטיות, חוזק, מוליכות חשמלית והולכת חום.

ד"ר בר-סדן גילתה, כי שתיים או שלוש השכבות החיצוניות ביותר של ננו-צינורות אי-אורגניים הן תמיד זהות זו לזו, ותמיד אלה צינורות שנוצרו מגלגול אנכי או אופקי. לאחר מכן תימצא שכבה כיראלית, והשכבות הפנימיות יהיו שוב מאחד הסוגים האחרים. ממצאים אלה, שפורסמו באחרונה בכתב-העת המדעי "רשומות האקדמיה הלאומית למדעים של ארה"ב" (PNAS), מסבירים את ההתאמה המדויקת בין נתוני החוזק שהתקבלו בחישובים התיאורטיים לבין התוצאות הניסיוניות: החישובים התיאורטיים נעשו על צינורות אורך ורוחב, ובניסויים נבדקו השכבות החיצוניות של הצינורות - שהן אכן בעלות צורות אלה בלבד. בנוסף, תובנות חדשות אלה התגלו כבעלות משמעות רבה בכל הנוגע לפיענוח המבנה של ננו-צינורות אי-אורגניים, ויסייעו לשפר את תהליך הייצור שלהם. באופן זה אפשר יהיה לייצר ננו-צינורות טובים יותר וחזקים עוד יותר, מה שיאפשר לפתח בעתיד שימושים נוספים לחומרים אלה.

 

פרופ' ארנסטו יוסלביץ והחוקרת הבתר-דוקטוריאלית ד"ר קבורי סתומדוון נגפרייה, גם הם מהמחלקה לחומרים ופני שטח במכון ויצמן, חוקרים כיצד מגיבים ננו-צינורות פחמניים - מבחינה מכנית וחשמלית -
כאשר מפתלים אותם. בעקבות זאת פנה אליהם פרופ' טנא, כדי לבדוק אם אפשר לחקור באופן זהה גם ננו-צינורות לא אורגנייםהעשויים טונגסטן דו-גופרתי, ולבדוק את קשיחותם - כלומר, עד כמה קשה לפתל אותם.

כשהצוות, שכלל את ד"ר נגפריה, ד"ר קפלן-עשירי ואת תלמיד המחקר אוהד גולדברט, ניגש לפתל את הננו-צינורות, הוא נתקל בתופעה בלתי צפויה: הצינורות החלו לחרוק - כמו צירים חלודים בדלת ישנה.
חריקות הנגרמות מחיכוכים כאלה, במנגנון הקרוי "הדבקה-החלקה", מוכרות לפיסיקאים העוסקים בתופעות בקנה-מידה גדול, כמו רעידות אדמה או נגינה על כינור. אך הדבקה-החלקה פיתולית בקנה-מידה אטומי עוד לא נצפתה מעולם, ככל הידוע.

מה גורם לחריקות? ניסויים ראשוניים  הראו, כי כאשר הננו-צינורות האי-אורגניים מתפתלים, הם נתקעים - בניגוד לצינורות הפחמניים, בהם השכבות החיצוניות מחליקות באחידות מסביב לשכבות הפנימיות יותר. החוקרים הבחינו כי בשלב הראשון, כל השכבות "נדבקות" זו לזו ומתפתלות ביחד, אך לאחר שהתפתלו מעבר לזווית מסוימת, השכבה החיצוניות מחליקה ומתפתלת סביב השכבות הפנימיות. לאחר מכן מתחילה סדרה מחזורית נוספת של הדבקות והחלקות.

 

מה ההסבר להתנהגות המוזרה הזו? מה קורה בזווית הקריטית, שגורם להדבקה להתחלף בהחלקה? ומדוע חריקות פיתוליות לא נצפו עד עתה ברמה האטומית?

כדי לנסות ולהסביר את התופעה החדשה גייסו פרופ' יוסלביץ וד"ר נגפריה לעזרתם את פרופ' זייפרט, וביחד הם הציעו מודל תיאורטי פשוט המסביר את השפעת החיכוך על מבנים של ננו-צינורות. המחקר פורסם באחרונה בכתב-העת המדעי Physical Review Letters.

מסתבר, כי המפתח לתעלומת החריקות נעוץ בפני השטח של הננו-צינורות האי-אורגניים: האטומים בולטים החוצה מהמשטח המגולגל ויוצרים מבנה גלי ומחוספס. מאחר שהמבנה של השכבות החיצוניות הוא תמיד זהה - כפי שמצאה ד"ר בר-סדן - השכבות "ננעלות" זו על גבי זו, כמו ערימה של לוחות פח גלי. המדענים חישבו, כי תופעה זו מכריחה את השכבות להישאר דבוקות זו לזו גם  כאשר הן מתפתלות. בשלב מסוים נעשה הכוח המפתל את הצינור חזק מהכוח ה"נועל" את השכבות ביחד. זוהי הזווית הקריטית שבה השכבות מתחילות להחליק זו על גבי זו. פני השטח הגליים מסבירים גם את סדרת ההדבקות החלקות המחזוריות שבאות לאחר מכן - כאשר השכבות המחליקות זו כנגד זו מתחככות זו בזו. לננו-צינורות העשויים פחמן, לעומת זאת, פני שטח חלקים. לכן החיכוך קטן יותר, ותנועת ההחלקה אחידה וללא חריקות

תלמיד המחקר רונן קרייזמן, ממעבדתו של פרופ' טנא, ביחד עם ד"ר אנה אלבו ירון מהמחלקה לחומרים ופני שטח וד"ר רונית פופוביץ-בירו מהמחלקה לתשתיות מחקר כימי, ועם פרופ' מלקולם גרין ובן דייוויס והסטודנט סונג יו הונג מאוניברסיטת אוקספורד, גילו דרך נוספת ומפתיעה לחדור, באופן פיסי, ללב ליבם של ננו-צינורות העשויים טונגסטן דו-גופרתי. הם עשו זאת באמצעות התכת חומר אי-אורגני בעל טמפרטורת התכה נמוכה בקרבת הצינורות. קרייזמן גילה, כי כוחות נימיים מושכים את הנוזל המותך לתוך חלל הצינור, שם הוא מתקשה ויוצר בעצמו ננו-צינור דקיק. התגלית, המציגה לראשונה ננו-צינור אי-אורגני הנוצר בתוך ננו-צינור אי-אורגני אחר, פורסמה באחרונה בכתב-העת המדעי Angewandte Chemie International Edition.

לממצאים אלה עשויים להיות יישומים חשובים, שכן ייתכן שבשיטה זו אפשר יהיה לייצר ננו-צינורות גם מחומרים אי-אורגניים "סרבנים". ניסיונות קודמים לייצר ננו-צינורות מחומרים אלה לא עלו יפה, משום שהם אינם יציבים במבנה זה. באמצעות השיטה שפיתח קרייזמן יוכלו ננו-צינורות עשויים טונגסטן דו-גופרתי לשמש כ"תבנית יציקה" וכשריון הגנה, ויאפשרו לחומרים יציבים פחות (במקרה זה, יודיד העופרת) ליצור מבנה צינורי בתוך ליבתם.

 

החוקרים מקווים, כי מחקר זה יסמן את נקודת הזינוק לייצור ננו-צינורות אי-אורגניים ממיגוון חומרים, בתוך ננו-צינורות קיימים ומחוץ להם, וכך ניתן יהיה להרחיב במידה ניכרת את מיגוון הננו-מבנים הקיימים.
בעקבות זאת תיסלל הדרך לפיתוח טווח רחב של רכיבים ושל יישומים בעלי תכונות רצויות וייחודיות. במחקרו הבא של קרייזמן, יחד עם ד"ר בר-סדן, הוא מתכנן לנתח את מבנה הננו-צינורות הפנימיים. ניתוח כזה, בשילוב איפיון כימי ופיסיקלי, יאפשר לוודא כי הפוטנציאל שמציע מחקרו הקודם אכן ניתן למימוש - "כור היתוך" בדמות ננו-צינור, המשמש לייצור ננו-צינורות אחרים.

 

מאיה בר-סדן נולדה בתל אביב בשנת 1975. היא התחילה להתעניין במדע כששן החלב הראשונה שלה נשרה - אז קיבלה במתנה ספר על בניית מטוסים ועקרונות התעופה. היא השלימה את לימודי התואר הראשון בהנדסה כימית בטכניון, והמשיכה ללימודי תואר שני במעבדתו של פרופ' שמעון רייך, במכון ויצמן למדע, שם עסקה במוליכי-על. בעבודת המחקר שלה לתואר שלישי, בהדרכת פרופ' רשף טנא, היא סינתזה פולרנים אי-אורגניים מסוגים שונים. בין השאר הצליחה לייצר פולרנים אי-אורגניים מסוג חדש: ננו-אוקטהדרים בעלי חתך משושה ומעוין. יחד עם עמיתים בגרמניה היא חקרה את תכונותיהם של הפולרנים באמצעות מיקרוסקופיית אלקטרונים חודרת, וגילתה כי המבנה הייחודי שלהם מכתיב מצב של מוליך דמוי-מתכת, בניגוד לחומר המוצא שלהם. ד"ר בר-סדן היא אם לבת, כבת שמונה, ולתאומים, בן ובת, כבני שש. את זמנה הפנוי היא מבלה בטיולים ובקריאה.

יפעת קפלן-עשירי נולדה בחולון בשנת 1975. היא השלימה את לימודי התואר השני והתואר השלישי במעבדתו של פרופ' רשף טנא במכון ויצמן, וזכתה בפרסים רבים - האחרון שבהם הוא פרס עבודת הדוקטורט המצטיינת לשנת 2007 שקיבלה מהאגודה הישראלית לכימיה. כיום, כחוקרת בתר-דוקטוריאלית בקבוצתה של ד"ר קתרין ווילטס באוניברסיטת טקסס באוסטין, היא מתכננת לשלב שיטות ספקטרוסקופיות ומיקרוסקופיות מתקדמות כדי לחקור מולקולות בודדות. ד"ר קפלן-עשירי נשואה לאלעד ואם לרונה, כבת שנה. מלבד ננו-צינורות היא מתעניינת גם בנגינה בפסנתר, קדרות וקריאה.