חלקיקים בעקבות השמש
קרינת שמש יכולה לספק הצצה נדירה לעולמם של הננו-חומרים: צוות מחקר ישראלי ובינלאומי גילה צורה חדשה של ננו-חלקיקים באמצעות שימוש באור מרוכז. המחקר עשוי להוביל לפיתוח יישומים מתקדמים של ננו-חומרים שונים
התגלית של פרופ' טנא פתחה תחום חדש של מחקר, המתמקד בחלקיקים אי-אורגניים דמויי פולרנים, אשר הוביל ליישומים מפתיעים - כמו הפקת חומרי סיכה מוצקים משופרים. עם זאת, המחקר בתחום פתח שאלות רבות חדשות, במיוחד כאלה המתייחסות לקשר בין התכונות המיוחדות של החלקיקים לבין המבנה שלהם וצורתם.
כיפה גאודזית במכון ויצמן למדע שברחובות (צילום: מיכאל יעקובסון)
החלקיק הקרוי פולרן אי-אורגני "אמיתי" - כלומר, החלקיק דמוי-כלוב הקטן והיציב ביותר של חומר אי-אורגני - הוא בעל מבנה של תמניון: גוף המזכיר קובייה, אך כולל שמונה פאות במקום שש. מדענים במכון ויצמן ובמכוני מחקר אחרים בעולם כבר יצרו תמניונים כאלה בעבר, אך לפולרנים אי-אורגניים גדולים יותר יש מבנה כדורי רב-שכבתי. כיצד נקבעת הצורה שמקבל הננו-חלקיק?
התשובה לשאלה עקרונית זו, שהיא מרכזית להבנת ננו-חומרים, התקבלה במחקר החדש, אשר התפרסם באחרונה במהדורה הבין-לאומית של כתב-העת Angewandte Chemie. צוות החוקרים הבין-לאומי עבד עם ננו-חלקיקים שגודלם אינו עולה על מספר מיליוניות המטר, של חומר הקרוי מוליבדנום דו-גופרתי (MoS2).
זהירות - תמניון!
המטרה הראשונה הייתה ליצור אדים אטומיים של מוליבדנום דו-גופרתי. במחקרים שבוצעו בעבר, בהם השתמשו באור לייזר לצורך מטרה זו, נוצרו תמניונים קטנים בלבד, העשויים מכ-20,000 אטומים.
כדי ליצור תמניונים גדולים יותר בנו מדענים מאוניברסיטת בן-גוריון, בראשותו של פרופ' ג'פרי גורדון, התקן סולארי חדשני המורכב ממערכת מראות המרכזת את קרני השמש מייצרת קרן אינטנסיבית במיוחד, שעוצמתה חזקה בערך פי 15,000 מקרני השמש.
המדענים השתמשו בהתקן זה כדי לחמם מוליבדנום דו-גופרתי לטמפרטורה של 2,500 מעלות צלסיוס, ולהפוך אותו לענן חם של אטומים בודדים. מכיוון שקרן השמש המרוכזת רחבה הרבה יותר מהלייזרים שבהם השתמשו במחקרים קודמים, נוצרו בהתקן תנאים ייחודיים.
תנאים אלה איפשרו לאטומים המתקררים ליצור צברים גדולים בהרבה מאלה שנוצרו בעקבות השימוש בלייזר. לאחר מכן השתמשו ד"ר אנה אלבו-ירון ממכון ויצמן ועמיתיה במספר מיקרוסקופים אלקטרוניים - כולל המיקרוסקופ המתקדם במעבדתו של ד"ר לותאר הובן במרכז יוליך למחקר שבגרמניה - כדי לבחון את המבנה של הננו-חלקיקים שנוצרו.
התמונות שהתקבלו סיפקו הוכחה ניסיונית ראשונה לחיזויים התיאורטיים שהפיקה קבוצתו של פרופ' גוטהארד זייפרט באוניברסיטה הטכנית שבדרזדן, ואשר התברר כי היו מדויקים להפליא. התמונות גילו, כי בנוסף לתמניונים ולכדורים רב-שכבתיים נוצרים לפעמים גם חלקיקי ביניים "היברידיים".
מתברר, שקיים קשר בין המבנה המתקבל לבין גודל החלקיק: המולקולות הקטנות ביותר, בגודל של פחות מ-100,000 אטומים, היו תמניונים חלולים. לחלקיקים גדולים יותר, הכוללים בערך 500,000 אטומים, היה מבנה ביניים: שכבות של תמניון בליבה, אשר עטופות בשכבות כדוריות רבות, כמו בצל.
אנרגיה סולארית נקייה
מלבד התשובות שהן מציעות לשאלות בסיסיות בתחום מדע החומרים, תוצאות המחקר עשויות להוביל ליישומים מעשיים. מוליבדנום דו-גופרתי משמש כזרז בתהליך הניקוי של דלקים מאובנים. בתהליך זה מסולקת הגופרית במטרה למנוע היווצרות של דו-תחמוצת הגפרית, אשר תורמת לגשם חומצי.
למטרה זו עשויה צורתו הננו-חלקיקית של המוליבדנום הדו-גופרתי להיות יעילה הרבה יותר: בזכות המבנה התלת-ממדי שלהם, חלקיקים אלה עשויים להיות נגישים יותר לתגובות עם הגופרית, וכך לזרז את תהליך הניקוי.
כאשר יצליחו לייצר אותם בכמויות מספיקות, מתכוונים המדענים לבחון את הפוטנציאל של החלקיקים הסולאריים כזרזים לניקוי גופרית. זרזים כאלה יועילו לסביבה בשני מובנים: הם יופקו בשיטה סולארית נקייה, ויהיו יעילים יותר בהפחתת הנזק שגורמים דלקים מאובנים לסביבה.
יישומים אפשריים נוספים לננו-חלקיקים סולאריים קשורים בעובדה, שהמולקולות התמניוניות של מוליבדנום דו-גופרתי הן בעלות תכונות של מתכת, אך החלקיקים הכדוריים הם מוליכים-למחצה. משמעות הדבר היא, שהחלקיקים בעלי מבנה הביניים התמניוני-כדורי הם מוליכים-למחצה המקיפים רכיב בעל תכונות מתכתיות. למבנה כזה עשויים להיות שימושים חדשים בתעשיית המוליכים-למחצה, כמו, לדוגמה, ליצירת חישנים מתקדמים.
המאמר התפרסם במגזין מכון ויצמן למדע .
לפנייה לכתב/ת 
