מאמרים
פרופ' אורי בנין וד"ר ג'נט מקדונלד
למדענים העוסקים בננו-טכנולוגיה יש בעייה לא פשוטה: הציבור הרחב אינו מבין באמת מה הם עושים ולמה נדרשים תקציבי ענק כאלה כדי לשחק עם אטומים במשחק, שנראה לפעמים כמו בנייה בלגו עם קוביות קטנות במיוחד. אולי זו הסיבה שפרופ' אורי בנין, העומד בראש המרכז לננו-מדע ולננו-טכנולוגיה בפקולטה למדעי הטבע באוניברסיטה העברית, נדרש תמיד לתיאורים מעולם החפצים והסמלים, כשהוא מתאר את הישגי המחקר שלו. לפני כמה שנים הוא הציג "משקולות אימון", שהמוט שלהם הוא מוליך למחצה והכדורים בקצוות עשויים זהב. הפרוייקט האחרון שלו הפיק "מגיני דוד" משולבי מוליך למחצה ומתכת.
זה לא שהמעבדה של פרופ' בנין הפכה לסדנת צורפות: אנחנו מדברים על עצמים שגודלם דק פי 10 אלפים משערת אדם, ושיצירתם היתה כרוכה במאמצים רבים ואינספור נסיונות וטעייה. התוצאות אכן מכות הדים ומתפרסמות בכתבי העת המדעיים המובילים בעולם – Science במקרה הראשון ו-Nature Materials במקרה האחרון.
מה עושים עם משקולות זהב זעירות? אולי זה עתיד ההתפתחות של תעשיית המוליכים למחצה? גם לחוקרים בתחומי הננו לא תמיד ברור מה לעשות עם התגליות שלהם. עם הננו-מגיני דוד הם מנסים, למשל, לבדוק אפשרויות יישום בתחום הדיאגנוסטיקה – גילוי כמויות זעירות של מי-חמצן שיכול לשמש בעתיד לאבחון סוכרת למשל. במחקר באוניברסיטת תל אביב, שבו שותף פרופ' בנין, משלבים נקודות קוואנטום (Quantum Dots) עם ננו-צינוריות פחמן כדי להחליף תאי חישת האור ברשתית העין ואולי יום אחד לאפשר ראייה למי שתאי הרשתית שלהם התנוונו והם התעוורו.
מציאת יישום מעשי לכל תגלית מדעית היא בהחלט תכונה בולטת של פרופ' בנין, יכולת לא מובנת מאליה בתחום כל כך אבסטרקטי. ולראייה – על בסיס אחת הטכנולוגיות שפיתח הוקמה חברת קיולייט ננוטק (QLight Nanotech), שכבר זכתה במימון נדיב מחברת מרק כדי לפתח טכנולוגיה חדשה של מסכי תצוגה גמישים.
"אותי אישית מעסיקה מאוד בעיית האנרגיה בעולם," אמר פרופ' בנין בראיון למגזין קרן פולברייט, כאילו מבקש להוכיח שהשמיים הם הגבול כשמדובר בננו-טכנולוגיה, "מאוד מתבקש בעיני להפנות את הגילויים של הננו-טכנולוגיה לכיוון הזה. זה אתגר עצום בפני האנושות כולה, איך נצליח ליצור מקורות אנרגיה מתחדשים וחלופיים, ונפסיק את התלות בנפט ודלקים פוסיליים, שגם מתדלדלים, גם פוגעים קשות בסביבה, וגם קשורים בבעיות גיאו-פוליטיות. שני המועמדים לנשיאות בארה"ב דיברו הרבה על החשיבות של פיתוח פתרונות חדשניים לבעיית האנרגיה, ואני מאוד מקווה שהעניין יישאר גבוה בסדרי העדיפויות גם לאחר הבחירות, ושיושקעו משאבים מתאימים, גם בישראל. מה שנדרש כאן זה לא שיפור של פתרונות קיימים, אלא מהפכות."
והנה אנחנו חוזרים למגיני הדוד שנוצרו במעבדה של פרופ' בנין, ושהיישום שלהם הוא אתגר גדול ללא ספק. כעת בודקים החוקרים אם החומר החדש יוכל גם לשמש כדי להפוך את אנרגיית השמש ל"דלק ירוק". הרעיון לשלב מוליך למחצה ומתכת עלה כרעיון מחקרי לפני כמה שנים. באופן תיאורטי לננו-גבישים כאלה, המורכבים ממספר חומרים ומשלבים את הפונקציונליות של כולם, עשויים להיות שימושים רבים. מאז, עוסקת המעבדה של בנין באינטנסיביות במחקר מה שהם מכנים "ננו-חלקיקים היברידיים".
עד לתגלית הננו-מגן הדוד הצליחו המדענים לייצר רק ננו-חלקיקים שבהם חומר אחר מכיל את השני (בדומה לביצה וחלמון) וכן ננו-חלקיקים, שבהם חומר מסוים יוצר איים על גבי השני (בדומה לראש של גפרור על פני מקל הגפרור). במחקר זה התרחש דבר מפתיע, כאשר פוסט דוקטורנטית מהצוות של פרופ' בנין, ד"ר ג'נט מקדונלד, ניסתה לייצר חלקיקים ננו-מטריים המורכבים מנחושת גופרתית שהיא מוליך למחצה ורותניום שהוא מתכת הידועה בתכונותיה הכימיות המעולות. בניגוד לציפיות לקבל צורה של "איים", גילו החוקרים, שהחלקיקים שיצרו הם מפוספסים ודמויי מגן דוד, למעשה הם ייצרו את ה"ננו-מגן דוד" הראשון.
לאחר הגילוי המפתיע ניסו החוקרים להבין מהו המבנה התלת מימדי של החלקיקים החדשים. לקח כמה חודשים לפענח את התעלומה בעזרתם של ד"ר מאיה בר סדן וד"ר לותר האובן ממרכז המחקר ביוליך בגרמניה. החוקרים יצרו באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני תמונה תלת ממדית של החלקיקים וגילו שהמבנים בצורת מגן דוד הם בעצם "ננו-כלובים". מדובר בננו-חלקיקים בצורת גביש בעל חתך משושה בן שש צלעות. לכל חלקיק ישמסגרת מתכת זעירה, העוטפת אותו כמו כלוב של ציפור. בשל צורת החתך המשושה, נראים החלקיקים במבט מלמעלה כבעלי צורה של מגן דוד – צורה שהחוקרים טרם הכירו.
המחקר על אודות היישומים האפשריים של הננו-מגן דוד הוא רק בחיתוליו אך כבר מראה, שהמבנים לא רק יפים אלא שההרכב וצורת הכלוב הופכת אותם גם לשימושיים ביותר. היישום הראשון שהחוקרים ניסו הוא כאמור בתחום הדיאגנוסטיקה – הם ציפו אלקטרודה עם ננו-כלובים והוכיחו כי ניתן לגלות בעזרת ההתקן החדש כמויות זעירות של מי-חמצן. גילוי מי-חמצן הוא השלב הראשון בפיתוח חיישנים טובים יותר של גלוקוז ולכך השלכות רפואיות חשובות, לרבות באבחון סוכרת. הסתבר שכלוב הבנוי משני חומרים היה חיוני ליצירת ההתקן הרגיש – התקן דומה עם ננו חלקיקי נחושת סולפידית בלבד לא פעל ורק השילוב עם הכלוב המתכתי העוטף ותכונות הנחושת הסולפידית, פעלו כגלאי רגיש.
כעת בודק צוות המחקר האם החומרים הללו יכולים לשמש כחיישנים למטרות רפואיות וסביבתיות אחרות, והאם ניתן להשתמש בהם כדי להפוך את אנרגיית השמש ל"דלק ירוק".
הרעיון העיקרי של פרופ' בנין הוא לייצר חומר חדש שישמש כ"פוטו-קטליזטור", חומר שמאפשר תהליך פירוק מים על ידי הקרנת אור שמש, ומפיק מהם מימן. בננו-החלקיקים ההיברידיים, המשלבים מוליך למחצה עם מתכת, המוליך למחצה בולע את אור השמש. בדרך כלל מדובר בקרינת ה-UV, שמכילה רק מעט אנרגיה, אבל ככל שעולה השליטה בחומרים המוליכים למחצה יתאפשר הרחיב את טווח הקליטה שלהם לאור הנראה, ואז ניתן יהיה להפיק מימן בכמויות משמעותיות שישמש כדלק נקי לכלי רכב.
לפרופ' אורי בנין דוקטורט בכימיה פיסיקלית, בתחום של ספקטרוסקופיה אולטרה-מהירה. הוא היה מחלוצי תחום הננו, כשהתחיל בחקר הננו-גבישים של מוליכים למחצה. מחקריו זיכו אותו במילגות פוסט-דוקטורט מטעם קרן פולברייט וקרן רוטשילד, והוא עשה שלוש שנים באוניברסיטת קליפורניה בברקלי, כשהוא עוסק בייצור ננו-גבישים במסגרת אחד המרכזים המתקדמים בעולם בתחום. ב-1997 חזר לארץ והקים את קבוצת המחקר שלו באוניברסיטה העברית בירושלים, שעוסקת בפיתוח ננו-חומרים חדשים ובמחקר של תכונותיהם. ב-2001 הקים ביחד עם פרופ' אמיר סער, פרופ' עודד מילוא ופרופ' יהושע קולודני את המרכז לננו-איפיון של האוניבסיטה. תקציבי המחקר שהצליח לגייס הביאו גם לרכישת יכולת ייצור ננו, באמצעות מערך חדרים נקיים שנרכשה. מקור המימון הוא במסגרת היוזמה הלאומית לננוטכנולוגיה, שמציבה את הננוטכנולוגיה כיעד לאומי מועדף של מדינת ישראל: שליש ממנו מגיע מתרומות, שליש מתקציב האוניברסיטה ושליש מתמיכה ממשלתית. במרכז פועלות כיום כמה עשרות קבוצות מחקר, מאות סטודנטים לתארים מתקדמים וגם מאות מאמרים שמתפרסמים בעיתונות האקדמית המובילה.
"זו משימה לאומית חשובה מאין כמוה," אמר פרופ' בנין בראיון, "היא מאפשרת לאנשים המוכשרים לחזור לארץ. אמנם מתפשרים על משכורת, וקצת על יכולות מחקריות והתפתחות הקריירה, אבל הרמה המדעית אינה נופלת מאוניברסיטאות מובילות בארה"ב ובעולם בכלל, ומשאבים רבים הופנו כדי לספק כלים מתאימים. יש לנו המון ציטוטים, הזמנות לכנסים בינ"ל, אנו זוכים בקרנות מחקר אירופיות רבות בתחום ואני מרגיש טוב מאוד בתוך הקהילה העולמית שבה אני פועל."
