במהירות הננו-נקבובית

נומופוביה (קיצור של no-mobile-phone phobia) מוגדרת כפחד להישאר ללא קליטה סלולרית. גם אם איננו סובלים מתגובה כה מוקצנת, התלות שלנו באורך החיים של סוללות נטענות גדלה מיום ליום – בין אם מדובר בטלפונים חכמים, במחשבים ניידים, במכוניות חשמליות או בהתקנים רבים אחרים. פתרון נפוץ לאחסון יעיל של אנרגיה הינו שימוש ב"סופר-קבלים" – יחידות כוח המאחסנות מטען באלקטרודות עשויות חומרים נקבוביים. הנקבוביות – חללים ונקיקים זעירים – מגדילות באופן עצום את שטח הפנים לאחסון חלקיקים טעונים, אך גם מאטות את הקצב שבו האלקטרודות קולטות מטען חשמלי ולאחר מכן מוסרות אותו. כפי שדווח באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Communications, מדעני מכון ויצמן למדע פיתחו שיטה למדידת המהירות שבה ננו-נקבובית בודדת מעבירה מטען חשמלי. ממצאים אלה עשויים לסייע בפיתוח חומרים נקבוביים יעילים יותר לשימוש בייצור סוללות.

כשיצאו המדענים לדרך, סוללות או סופר-קבלים כלל לא היו על דעתם. פרופ' יעקב קליין מהמחלקה לחומרים ופני שטח ועמיתיו ביקשו לדעת מה קורה לכוחות הפועלים בין שני משטחים בסקלת הננו כאשר משנים את הפוטנציאל החשמלי של אחד מהם. הם יצרו התקן המורכב משתי לוחיות עגולות וחלקות במיוחד – אחת מזהב והשנייה מחומר בידוד מינרלי הקרוי נציץ (או מיקה) – שהוצבו זו מול זו במרחק מזערי; כך נוצר ננו-חריץ בקוטר של כ-100 מיקרונים (מיליוניות מטר) ורוחב של כ-50 ננומטרים (מיליארדיות מטר). המדענים טבלו את הלוחיות בתמיסה המכילה יונים טעונים, שינו באופן פתאומי את הפוטנציאל של משטח הזהב ועקבו אחר התפתחות הכוח האלקטרו-סטטי – כוח הדחייה או המשיכה בין שני משטחים טעונים.

"כך הבנו כי מדידת הכוחות הפועלים בננו-חריץ מאפשרת לנו למדוד את משך הטעינה של ננו-נקבובית באלקטרודה – כלומר, כמה זמן לוקח ליונים הנושאים מטען להיכנס לנקבובית או לצאת ממנה", אומר פרופ' קליין שערך את המחקר בשיתוף ד"ר רן טבעוני וד"ר גלעד סילברט, אז תלמידי מחקר בקבוצתו, ועם עמיתו למחלקה פרופ' שמואל שפרן ופרופ' פיליפ פינקוס מאוניברסיטת קליפורניה שבסנטה ברברה. החוקרים הסתמכו על מחקר קודם שביצעה ד"ר לירז חי, אז תלמידת מחקר במעבדתו של פרופ' קליין.

המדענים גילו כי משך הזמן שבו יונים נושאי מטען נכנסו לננו-חריץ או יצאו ממנו היה כשנייה אחת. כמו כן התגלה כי מאפיינים שונים השפיעו על מהירות הכניסה והיציאה. כך למשל, הטעינה היתה מהירה הרבה יותר אם הננו-חריץ היה רחב יותר וכאשר ריכוז היונים בתמיסה היה גדול יותר. מהממצאים עולה כי מדידות אלה עשויות לסייע בפיתוח חומרים נקבוביים יעילים יותר לשימוש בייצור סוללות. המדידות עשויות לעזור גם לשפר חומרים נקבוביים לשימוש בטכנולוגיות אחרות, כגון התפלת מים או הפקת אנרגיה מתחדשת מתמיסות מלח.