כבר כמה עשורים מהוות סריקות MRI אמצעי חיוני בזיהוי שלל מחלות, ועקב כך, בהצלת אין-ספור בני-אדם. בפשטות, טכנולוגיה זאת מאפשרת להפיק תמונה קוהרנטית של פְּנים הגוף, באמצעות מדידת צפיפות מולקולות המים. התמונה מתקבלת ברזולוציה של 1 מילימטר מעוקב – מידת הפרדה מצוינת אם מטרתנו לבדוק אם קיים, למשל, קרע במניסקוס בברך. אבל מה בנוגע למבנה של מולקולה בודדה? גודלה של מולקולה כזאת הוא בסביבות 5 ננומטר מעוקב – כלומר, היא בערך פי 10 טריליון יותר קטנה מהרזולוציה הגבוהה ביותר שאליה מסוגל להגיע סורק ה-MRI החדיש ביותר, ולכן – על פניו – מדובר במשימה בלתי-אפשרית. אבל בעבור ד"ר עמית פינקלר מהמחלקה לפיסיקה כימית וביולוגית במכון ויצמן למדע – זאת המשימה. במאמר שהתפרסם באחרונה, הצליחו ד"ר פינקלר, תלמיד המחקר דן יודילביץ ושותפיהם מאוניברסיטת שטוטגרט, גרמניה – ד"ר ריינר שטוהר וד"ר אנדריי דניסנקו – להשלים צעד נוסף בכיוון זה, כאשר הדגימו שיטה חדשה לדימות אלקטרונים בודדים. השיטה אמנם מצויה בשלב הפיתוח הראשוני, אך ייתכן כי בעתיד תיושם לצורך דימות ברמה המולקולרית – מה שעשוי לחולל מהפכה בפיתוח תרופות חדשות ובאפיון של חומרים קוונטיים.

MRI הייתה ועודנה שיטה פורצת דרך, אך במקרים מסוימים יש לה חסרונות. לדוגמה, כדי שתפעל כשורה, יש צורך בדגימה גדולה יחסית – לכל הפחות כמה מאות מיליארדי מולקולות מים – וכתוצאה מכך הפלט המוצג הוא מעין ממוצע של רכיבים קטנים יותר – שאותם המכונה אינה מסוגלת לזהות. ברוב סוגי האבחונים – המיצוע הוא למעשה התוצאה הרצויה והמיטבית. אבל במקרים אחרים – למשל, בפיתוח תרופות – נדרשת עבודה על יריעה קטנה ככל האפשר, שתספק תוצאות מדויקות. מעבר לכך, כאשר עורכים ממוצע של רכיבים שונים רבים כל-כך – חלק מהמידע עשוי ליפול בין הכיסאות, וכך אף למנוע את גילויים של תהליכים חשובים אשר קורים בקנה-מידה קטן במיוחד. לצורך כך, מציעים המדענים צילום תקריב מולקולרי.

השיטה החדשה יכולה לאתר את מיקומו המדויק של אלקטרון בודד באמצעות החלת שדה מגנטי וסיבובו סביב יהלום סינתטי, המשמש חיישן קוונטי

איך נראה מכשיר דימות מדויק יותר, שמסוגל לעבוד בקנה-מידה קטן במיוחד? ד"ר פינקלר, יודילביץ ושותפיהם פיתחו שיטה שיכולה לאתר את מיקומו המדויק של אלקטרון בודד באמצעות החלת שדה מגנטי וסיבובו של השדה סביב יהלום סינתטי, המשמש חיישן קוונטי. למעשה, זה לא היהלום עצמו הפועל כחיישן, אלא פגם קטנטן בתוכו – בגודל אטום יחיד – הקרוי "מרכז חסר חנקן" (nitrogen-vacancy center). עקב גודלו האטומי של החיישן, הוא מותאם במיוחד להבחנה בשינויים המתרחשים בקרבתו, ועקב טבעו הקוונטי הוא יכול להבדיל בין אלקטרון בודד לצבר אלקטרונים. בשל תכונותיו אלה הוא מתאים במיוחד למדידת מיקומו במרחב של אלקטרון בודד ברמת דיוק יוצאת מגדר הרגיל, אשר מספקת לנו הצצה חטופה לטכנולוגיות הדימות של העתיד.

"אפשר יהיה להשתמש בשיטה החדשה שפיתחנו", אומר ד"ר פינקלר, "כדי לספק לרופאים ולמדענים נקודת מבט נוספת ומשלימה – לשיטות הדימות הקיימות". פיתוח כלי כזה עשוי לאפשר למדענים לחקור מקרוב את המבנה של מולקולות חשובות, וכך לסלול את הדרך לתגליות חדשות. המדענים חוזים עתיד שבו נוכל להשתמש בשיטה החדשה לדימות של מגוון מולקולות רחב, אשר, בתקווה, יחשפו נדבכים נוספים מהשילוש המולקולרי הקדוש: המבנה, התפקיד ויחסי הגומלין.

רב-תחומי

ד"ר עמית פינקלר הגיע לראשונה למכון ויצמן למדע כבוגר תואר ראשון. הוא השלים במכון את התואר השני והשלישי במעבדתו של פרופ‘ אלי זלדוב, בפקולטה לפיסיקה, לפני שנסע לאוניברסיטת שטוטגרט – שם ביצע את מחקרו הבתר-דוקטוריאלי. לפני חמש שנים חזר לרחובות והקים מעבדה משלו – בפקולטה לכימיה.

"אני פיסיקאי", אומר ד"ר פינקלר, ”אבל העבודה בפקולטה לכימיה יוצרת הזדמנויות ייחודיות עבור המחקר שאנחנו מבצעים במעבדה שלי. יש אצלנו פיסיקאים, אבל יש גם כימאים ומהנדסים. זה שילוב מעניין, והאפשרות לשלב בין שיטות מחקר ודיסציפלינות שונות היא הכרחית לסוג המדע שבו אני מתעניין. אני אוהב לכוון עדשות, נהנה מכוויות קריוגניות, וכעת אני בוזק מולקולות מהונדסות על היהלומים שלנו".

הפוסט מדעני מכון ויצמן מציגים שיטה חדשה לדימות אלקטרון בודד הופיע לראשונה ב-Chiportal.

מחקר חדש של אוניברסיטת תל אביב חושף מערכת גבישים דו-ממדית המאפשרת שליטה ייחודית במטען החשמלי שלה באמצעות החלקה בין שכבות אטומיות. המערכת החדשה יוצרת שלבי סולם בעובי אטומי של פוטנציאלים חשמליים נפרדים ומוגדרים היטב, וייתכנו לה שלל יישומים בתעשייה בכלל ובטכנולוגיות מידע בפרט.

המחקר נערך בהובלת צוות החוקרים: ד"ר סווארופ דב, סטודנט המחקר נועם ראב, פרופ' משה גולדשטיין וד"ר משה בן שלום, מבית הספר לפיזיקה באוניברסיטת תל אביב, ד"ר וואי כאו, פרופ' עודד הוד ופרופ' מיכאל אורבך מבית הספר לכימיה באוניברסיטת תל אביב, ופרופ' ליאור קרוניק ממכון ויצמן למדע.

תוצאות המחקר פורסמו בכתב העת היוקרתי Nature.

ד"ר משה בן שלום, ראש המעבדה לחומרים קוונטים שכבתיים בבית הספר לפיזיקה מסביר: "אנחנו סקרנים מאוד לגלות איך אטומים מחליטים להסתדר בחומר, איך האלקטרונים בוחרים להתערבב ביניהם ואיך אפשר לתמרן את הסדר האטומי והמטען החשמלי מבחוץ. קשה לענות על השאלות האלה בגלל הכמות הגדולה של האטומים והאלקטרונים אפילו בהתקנים המזעריים של היום. אחד הטריקים הוא לחקור גבישים, שכן האטומים שלהם מסודרים במבנה מחזורי, כך שהמידע על כל המערכת נקבע על ידי התכונות של התא המחזורי האחד – שכולל מספר בודד של אטומים ואלקטרונים. ועדיין קשה לנו להבין ולחזות את הסדר שלהם, בגלל שהאלקטרונים נפרסים בו-זמנית על פני כל האטומים והתכונות של המערכת הקוואנטית נקבעות על ידי כל החלקיקים יחד ויחסי הגומלין שביניהם".

דרך אחת לגלות את סדר האטומים ואת התפלגות המטען החשמלי היא לשבור את הסימטריה של המבנה, כך שייווצר שדה חשמלי פנימי קבוע בגביש. גבישים אלו נקראים "פולאריים" או מקוטבים. ב-2020 יצרה המעבדה של ד"ר בן שלום גביש מקוטב חדש על ידי הדבקה של שתי שכבות זהות – כאשר כל שכבה היא בעובי אטום בודד. לעומת הגבישים הסימטריים שגדלים בטבע בהם כל שכבה חדשה מסתובבת כדי למקם אטומים מסוג אחד בדיוק מעל לאטומים מסוג שני, החוקרים הדביקו את זוג השכבות ללא הסיבוב – וכך גרמו להחלקה זעירה בין השכבות ששוברת את הסימטריה, גורמת לדילוג של האלקטרונים משכבה אחת לאחרת, ויוצרת קיטוב חשמלי פנימי. בשלב שני גילו החוקרים שאפשר להחליק בין השכבות קדימה ואחורה וכך למתג את הקיטוב החשמלי באמצעות שדה חשמלי חיצוני (ראו איור). לתופעה הם קראו SlideTronics, "החלקטרוניקה".

ד"ר בן שלום מוסיף: "הגביש המקוטב החדש שגילינו, בעובי שני אטומים בלבד, הוא הדק ביותר האפשרי ועשוי לשמש בטכנולוגיות מידע מבוססות מנהור קוואנטי. אנו מפתחים יחידות מנהור כאלו בחברת Slide-Tro LTD שהוקמה ע"י האוניברסיטה ומשקיע חיצוני ופועלת כעת מתחת לרדאר, ומאמינים כי התופעה מאפשרת בסיס רחב להתקנים אלקטרוניים חדשניים החל מפתרונות להפחתת הספק ועד ליחידות זיכרון משופרות. בהיבטי מחקר יסודי, התגלית העלתה בנו מייד שאלות חדשות: איך יסתדר המטען? ומה יהיה גודל הקיטוב? אם נדביק שכבות נוספות למערכת בצורה שתשבור או תשמור את הסימטריה?". "במילים אחרות, במקום לרדד את עובי המערכת על ידי איכול שכבות מהגביש, כפי שנעשה עד כה, יכולנו כעת לערום גבישים מקוטבים שכבה אחר שכבה זו מעל זו ובו בזמן למדוד את גודל הקיטוב והפוטנציאל החשמלי שנוצר בכל שלב בסולם השכבות".

בניסוי הנוכחי הצליחו החוקרים להשוות אזורים סמוכים בעלי מספר שכבות שונה שנערמו יחד עם החלקות בכיוונים שונים היוצרים קיטובים בגדלים שונים. לדוגמה, עבור ארבע שכבות (ושלושה משטחי מגע מקוטבים) יש ארבע אפשרויות לסדר את כיוון שלושת הקיטובים: כולם מצביעים למעלה ↑↑↑, שניים למעלה ואחד למטה  ↑↑↓, אחד למעלה ושניים למטה ↑↓↓ או שלושה למטה ↓↓↓.

"לשמחתנו גילינו סולם של קיטובים מוגדרים היטב המופרדים ביניהם בערכי קיטוב אחידים, כך שכל שלב בסולם יכול לשמש כיחידת מידע נפרדת", אומר נועם ראב, סטודנט המחקר שמדד את הגבישים. "זוהי כאמור תגובה שונה מאוד מזו של הגבישים המוכרים עד כה, שבהם תגובת פני השטח לקיטוב היא משמעותית והחלפת הקיטוב אפשרית כיחידה אחת בלבד – כלומר שינוי הקיטוב בשכבה אחת משנה את מטען השכבות כולן". דר. סווארופ דב, כותב מוביל במאמר, מדגיש: "הצלחנו גם לטעון את השכבות באלקטרון נוסף לכל מאה אטומים בערך ולשפר בכך משמעותית את הולכת הגבישים במישור מבלי לפגוע בקיטוב הניצב". תוך הסתייעות בחישובים תיאורטיים על סמך עקרונות היסוד של המכניקה הקוואנטית, גילינו שאפשר לתכנן ולבנות צירופי גבישים שכבתיים נוספים באמצעות החלקה יחסית בין השכבות, וכי המידע אודות הקיטוב והסימטריה של המערכת נותר כלוא בין השכבות ומוגן מהסביבה," אומר דר. וואי כאו כותב ראשי נוסף שערך את החישובים. "למעשה ה'החלקטרוניקה' עזרה לנו לגלות את סולם הקיטובים הדק ביותר שאפשר לבנות" מסכם דר. בן שלום. "המשך מתבקש למחקר עתידי הוא תמרון סדרים אלקטרוניים נוספים, כגון קיטוב מגנטי ומוליכות-על באמצעות החלקות דומות בין סימטריות גבישיות שונות".

The DOI number of the paper will be 10.1038/s41586-022-05341-5.

Once it has been published online, November 9^th 16:00 London local time, it will be available at:

הפוסט שלבים אטומיים בסולם החשמלי הדק בטבע הופיע לראשונה ב-Chiportal.

חוקרים הראו שניתן לבצע יישומי בינה מלאכותית באמצעות ננומגנטים זעירים שמתקשרים כמו נוירונים במוח. השיטה החדשה, שפותחה על ידי צוות בראשות חוקרי אימפריאל קולג ' בלונדון, יכולה לקצץ את עלות האנרגיה של בינה מלאכותית (AI), אשר כיום מוכפלת ברחבי העולם כל 3.5 חודשים.

במאמר שפורסם היום בכתב העת Nature Nanotechnology, הצוות הבינלאומי הפיק את ההוכחה הראשונה לכך שניתן להשתמש ברשתות של ננו-מגנטים לביצוע עיבוד דמוי בינה מלאכותית. החוקרים הראו כי ננומגנטים יכולים לשמש למשימות 'חיזוי סדרות עתיות', כגון ניבוי ווויסות רמות האינסולין בחולי סוכרת.

בינה מלאכותית המשתמשת ב'רשתות עצביות' שואפת לחקות את האופן שבו חלקים במוח פועלים, שבהם נוירונים מדברים זה עם זה כדי לעבד ולשמור מידע. הרבה מהמתמטיקה ששימשה להפעלת רשתות עצביות הומצאה במקור על ידי פיזיקאים כדי לתאר את האופן שבו מגנטים מתקשרים, אבל בזמנו היה קשה מדי להשתמש במגנטים ישירות מכיוון שהחוקרים לא ידעו איך להכניס אליהם נתונים ולהוציא מידע.

במקום זאת, תוכנה הפועלת על מחשבים מבוססי סיליקון מסורתיים שימשה כדי לדמות את אינטראקציות המגנט, שבתורו ביצע הדמיית המוח. כעת, הצוות הצליח להשתמש במגנטים עצמם כדי לעבד ולאחסן נתונים – לחתוך את המתווך של סימולציית התוכנה ואולי להציע חיסכון עצום באנרגיה.

מצבים ננומגנטיים

ננומגנטים יכולים להגיע ב'מצבים 'שונים, בהתאם לכיוון שלהם. החלת שדה מגנטי על רשת של ננומגנטים משנה את מצב המגנטים בהתבסס על המאפיינים של שדה הקלט, אך גם על מצבי המגנטים שמסביב.

הצוות, בראשות חוקרי המחלקה לפיזיקה באימפריאל קולג', הצליחו לעצב טכניקה לספירת מספר המגנטים בכל מצב לאחר שהשדה השתנה, ונתנו את 'התשובה'.

המחבר הראשי של המחקר ד"ר ג'ק גרטסייד אמר: "אנחנו מנסים לפצח את הבעיה של איך להזין נתונים, לשאול שאלה, ולקבל תשובה באמצעות מחשוב מגנטי במשך זמן רב. עכשיו הוכחנו שהדבר אפשרי. תגלית זו סוללת את הדרך להיפטר מתוכנת המחשב שעושה סימולציה עתירת אנרגיה."

סטנינג הוסיף: "האינטראקציה של המגנטים נותנת לנו את כל המידע שאנחנו צריכים; חוקי הפיזיקה עצמם הופכים למחשב."

ראש הצוות ד"ר וויל ברנפורד אמר: "זו הייתה מטרה ארוכת טווח לממש חומרת מחשב בהשראת אלגוריתמי התוכנה של שרינגטון וקירקפטריק. זה לא היה אפשרי באמצעות ספינים על אטומים מגנטים קונבנציונליים, אבל על ידי הרחבת ספינים לתוך מערכים בגודל ננומטרי הצלחנו להשיג את השליטה הדרושה ואת הקריאה."

קיצוץ בעלות האנרגיה

בינה מלאכותית משמשת כיום במגוון תחומים, החל מזיהוי קולי וכלה במכוניות בנהיגה עצמית. אבל אימון בינה מלאכותית לבצע אפילו משימות פשוטות יחסית יכול לקחת כמויות עצומות של אנרגיה. לדוגמה, אימון בינה מלאכותית לפתרון קובייה הונגרית לקח את המקבילה האנרגטית של שתי תחנות כוח גרעיניות הפועלות במשך שעה.

רוב האנרגיה המשמשת לאימון בינה מלאכותית במחשבים קונבנציונליים, שבבי סיליקון, מבוזבזת בהובלה לא יעילה של אלקטרונים במהלך עיבוד ואחסון זיכרון. עם זאת, ננומגנטים אינם מסתמכים על הובלה פיזית של חלקיקים כמו אלקטרונים, אלא מעבדים ומעבירים מידע בצורה של גל 'מגנון', שבו כל מגנט משפיע על מצב המגנטים השכנים.

משמעות הדבר היא שהרבה פחות אנרגיה הולכת לאיבוד, וכי עיבוד ואחסון של מידע יכול להיעשות יחד, במקום להיות תהליכים נפרדים כמו במחשבים קונבנציונליים. חדשנות זו יכולה להפוך את המחשוב הננומגנטי ליעיל עד פי 100,000 ממחשוב קונבנציונלי.

בינה מלאכותית בקצה

הצוות יאמן את המערכת בהמשך באמצעות נתונים מהעולם האמיתי, כגון פיענוח אק"ג, ויקווה להפוך אותה למכשיר מחשוב אמיתי. בסופו של דבר, מערכות מגנטיות יכולות להיות משולבות במחשבים קונבנציונליים כדי לשפר את יעילות האנרגיה בשימות עיבוד אינטנסיביות.

היעילות האנרגטית של הננומגנטים משמעותה היא שהם יכולים להיות מופעלים באופן ריאלי על ידי אנרגיה מתחדשת, ולהשתמש בהם לניתוחי 'AI בקצה' – עיבוד הנתונים במקומות שבהם הם נאספים, כגון תחנות מזג אוויר באנטארקטיקה, במקום לשלוח אותם בחזרה למרכזי נתונים גדולים.

בנוסף אפשר יהיה להשתמש בהם במכשירים לבישים כדי לעבד נתונים ביומטריים על הגוף, כגון ניבוי ויסות רמות האינסולין עבור חולי סוכרת או זיהוי פעימות לב חריגות.

בכנס ChipEx2022 שיערך ב-10 במאי, 2022 במרכז הכנסים Expo Tel Aviv . להשתתפות בכנס ניתן להירשם באמצעות לינק זה

להודעת החוקרים

למאמר המדעי

הפוסט ChipEx2022: מחשוב 'ננומגנטי' יכול לאפשר אימון בינה מלאכותית באנרגיה נמוכה הופיע לראשונה ב-Chiportal.

פיתוח ננוטכנולוגי חדש של צוות מחקר בינלאומי בהובלת חוקרים מאוניברסיטת תל אביב יאפשר לייצר זרם ומתח חשמליים בתוך גוף האדם, באמצעות הפעלת איברים שונים בגוף (כוח מכני). לטענת החוקרים, הפיתוח מכיל חומר ביולוגי חדשני חזק מאוד, דמוי-קולגן, שאינו רעיל וידידותי לרקמות הגוף. החוקרים מעריכים שיש לננוטכנולוגיה החדשה יישומים פוטנציאליים רבים בתחום הרפואה, ביניהם קצירת אנרגיה נקיה להפעלת התקנים שהושתלו בגוף (דוגמת קוצבי לב) באמצעות תנועות טבעיות של הגוף וללא צורך בסוללות.

"קולגן הוא החלבון הנפוץ ביותר בגוף האדם, ומהווה כ-30% מכלל החלבונים בגופנו. מדובר בחומר ביולוגי בעל מבנה סלילי, עם מגוון תכונות פיזיקליות חשובות, כמו חוזק מכני וגמישות, שיכולות להתאים לשימושים רבים," מסביר פרופ' אהוד גזית. "עם זאת, מכיוון שמולקולת הקולגן עצמה היא גדולה ומורכבת, מחפשים החוקרים כבר זמן רב מולקולה מינימליסטית, קצרה ופשוטה המתבססת על קולגן ומציגה תכונות דומות."

"לפני כשנה וחצי פרסמה קבוצתנו בכתב העת Nature Materials מחקר שבו נעזרנו באמצעים ננוטכנולוגיים כדי להנדס  חומר ביולוגי חדש שעונה על דרישות אלה. מדובר בטריפפטיד – מולקולה קצרה ביותר בשם Hyp-Phe-Phe, המורכבת משלוש חומצות אמינו בלבד – שמסוגל בתהליך פשוט של הרכבה עצמית ליצור מבנה סלילי דמוי קולגן, גמיש ובעל חוזק דומה לזה של המתכת טיטניום. במחקר הנוכחי ביקשנו לבחון אם לחומר החדש שפיתחנו יש תכונה נוספת המאפיינת את הקולגן – פייזואלקטריות: יכולתו של חומר לייצר זרם ומתח חשמליים בעקבות הפעלת כוח מכני, או להפך, ליצור כוח מכני בעקבות חשיפה לשדה חשמלי."

המחקר נערך בהובלת פרופ' גזית מבית הספר למחקר ביו-רפואי וסרטן ע"ש שמוניס בפקולטה למדעי החיים ומהמחלקה למדע והנדסה של חומרים בפקולטה להנדסה, ובהשתתפות צוות החוקרים ממעבדתו – ד"ר סנטו ברה וד"ר וויי ג'י. כמו כן, במחקר השתתפו חוקרים ממכון וייצמן וממגוון מוסדות מחקר באירלנד, בסין ובאוסטרליה. בעקבות הממצאים קיבלו החוקרים לאחרונה שני מענקי ERC-POC שמטרתם לתרגם את המחקר המדעי של מענק ה ERC שגזית זכה בו בעבר לטכנולוגיה יישומית. המאמר פורסם בכתב העת היוקרתי Nature Communications.

במסגרת המחקר, החוקרים יצרו מבנים ננומטריים של החומר המהונדס, ובעזרת מכשור ננוטכנולוגי מתקדם הפעילו עליהם לחץ מכני. הניסוי העלה כי החומר אכן מייצר זרם ומתח חשמליים כתוצאה מהלחץ. יתרה מכך, מבנים זעירים בסדר גודל של מאות ננומטרים הראו פייזואלקטריות שהיא מהגבוהות שהתגלו אי-פעם, המשתווה או עולה על זו של החומרים הפייזואלקטריים הנפוצים היום בשוק (שרובם מכילים עופרת ולכן אינם מתאימים ליישומים רפואיים).  

מנוע זעיר וידידותי

לדברי החוקרים, לתגלית של פייזואלקטריות בסדר גודל כזה בחומר ננומטרי יש חשיבות רבה, שכן היא מדגימה את היכולת של החומר המהונדס לשמש כמעין מנוע זעיר עבור התקנים קטנים מאוד. בהמשך יישמו החוקרים שיטות של קריסטלוגרפיה וחישוביות במכניקת הקוונטים (Density functional theory) בכדי להבין לעומק את ההתנהגות הפייזואלקטרית של החומר, במטרה לאפשר הנדוס מדויק של גבישים לבניית התקנים ביו-רפואיים.

פרופ' גזית מוסיף: "רוב החומרים הפייזואלקטריים המוכרים היום הם חומרים רעילים מבוססי עופרת, או פולימרים, כלומר הם אינם ידידותיים לסביבה ולגוף האדם. החומר שהחדש שלנו, לעומת זאת, הוא ביולוגי לחלוטין, ולכן מתאים לשימושים בתוך הגוף. כך לדוגמה, התקן העשוי מחומר זה עשוי להחליף סוללה שמספקת אנרגיה לשתלים כמו קוצבי לב, אך יש להחליפה מעת לעת. תנועות הגוף – פעימות הלב, תנועות הלסת, תנועות המעיים או כל תנועה אחרת המתרחשת בגוף באופן שוטף – יטענו את ההתקן בחשמל, שיפעיל את השתל לאורך זמן."

כעת, במסגרת מחקרי המשך, מבקשים החוקרים להבין את המנגנונים המולקולריים של החומר המהונדס, במטרה לממש את הפוטנציאל העצום הטמון בו, ולהפוך את התגלית המדעית לטכנולוגיה יישומית. בשלב זה הדגש הוא על פיתוח התקנים רפואיים, אך פרופ' גזית מדגיש כי "לחומרים פייזואלקטריים ידידותיים לסביבה, כמו זה שפיתחנו, יש פוטנציאל אדיר במגוון רחב של תחומים – מכיוון שהם מייצרים אנרגיה ירוקה באמצעות כוח מכני המופעל ממילא. כך לדוגמא, מכונית שנוסעת בכביש תוכל להדליק את תאורת הרחוב. כמו כן עשויים חומרים אלה להחליף חומרים פייזואלקטריים מכילי-עופרת שנמצאים כיום בשימוש נרחב, אך מעלים חשש לדליפה של המתכת הרעילה לסביבה."

למאמר המדעי

הפוסט זרם חשמלי "בריא" בתוך גוף האדם הופיע לראשונה ב-Chiportal.

מרבית הטכנולוגיות העוטפות את חיינו המודרניים נולדו מתוך סקרנות אודות התנהגותם של אטומים ואלקטרונים בחומר. במיוחד, כחלק מהמאמץ היסודי להבין, לחזות, ואף לשלוט בתכונות המשותפות של חלקיקים אלו כאשר הם מתמצקים אל מבנה מחזורי מסודר הנקרא גביש. החל מהדמיית עובר בבטן אימו, דרך פירוק וירוס זעיר על שלל מרכיביו, ועד האזנה לחורים שחורים שהתמזגו לפני מליארד שנים, כמעט כל טכנולוגיה עכשווית מתבססת על תכונות חומר מחזורי כלשהו. בלב המחשב לדוגמה, יושב התקן גבישי זעיר שמטרתו לשלוט בתגובה כלשהיא בעלת שני מצבים לפחות (מיתוג) – "כן" או "לא", "מעלה" או "מטה", "קטן" או "גדול". ללא היכולת הדיכוטומית הזו – לא ניתן לקודד ולעבד מידע. האתגר הוא למצוא מנגנון שיאפשר מיתוג בהתקן קטן, מהיר וזול.

נכון להיום, ההתקנים המתקדמים ביותר עשויים מגבישים קטנטנים המכילים כמיליון אטומים בלבד (כמאה אטומים בגובה, ברוחב, ובעובי), כך שאפשר למקם מיליון כמוהם כמיליון פעמים בשטח של מטבע אחד ולמתג כל אחד מההתקנים במהירות של כמליון פעמים בשנייה. שיפור היחידות הזעירות כדי שיפעלו באופן יעיל, מהיר, צפוף וזול יותר היא אולי המשימה המרכזית של המדע והתעשייה בעת הנוכחית. בזכותן אפשר לאחוז בכף היד יכולת חישוב עצומה בהשוואה לזו שהייתה זמינה לנו לפני כמה עשורים בלבד ודרשה, בין היתר, חלל גדול במיוחד.

על רקע זה, החוקרים מאוניברסיטת תל-אביב הצליחו להנדס מערכת בעובי של שני אטומים בלבד העשויה לאפשר דחיסה ועיבוד של מידע ובכך עשויה להביא לשיפור משמעותי בהתקנים אלקטרוניים בהיבטים שונים. המערכת החדשה שגילו החוקרים מציעה דרך לקודד מידע לתוך יחידה הדקה ביותר המוכרת למדע היום, בגביש שהוא מהחזקים והיציבים ביותר בטבע. המחקר בהובלתם של מעיין ויזנר שטרן, יובל ושיץ,ד"ר ואי כאו, ד"ר יפתח נבו, פרופ' ערן סלע, פרופ' מיכאל אורבך, פרופ' עודד הוד, וד"ר משה בן שלום מהפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר באונ' תל-אביב ועמיתיהם מיפן התפרסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי Science. מחקר מומן בסיוע המועצה האירופאית למחקר ERC, הקרן הישראלית למדע ISF, ומשרד המדע MOST .

חומר דו ממדי

המחקר עוסק בחומר דו-מימדי, שכבה בעובי אטום בודד של אטומי בור וחנקן המסודרים במבנה משושה מחזורי. במהלך הניסוי החוקרים הצליחו לשבור את הסימטריה של גביש זה ע"י הרכבה מלאכותית של שתי שכבות כאלו. "בצורתו הטבעית והתלת מימדית חומר זה בנוי ממספר רב של שכבות כאלו המונחות אחת על פני השניה, כאשר כל שכבה מסובבת ב-180 מעלות ביחס לשכבה שמתחתה" – מספר ד"ר בן שלום. "במצב זה, כל אטום חנקן משכבה אחת נמצא בדיוק מעל אטום בור מהשכבה השנייה, ולהיפך. מכיוון ששני האטומים שונים, הם מושכים אליהם את האלקטרונים במידה שונה כך שמצטבר על כל אטום מטען קטנטן שמחזק במעט את הקשרים בין השכבות הלא טעונות. המעבדה שלנו באוניברסיטת תל-אביב מתמחה בהפרדת השכבות של חומרים כאלו, הנקראים חומרים שכבתיים והרכבתן מחדש בצורות שונות – מעין משחק לגו אטומי העשוי משכבות אטומיות. בניסוי הנוכחי בחרנו להפריד שתי שכבות ולהרכיב אותן מחדש יחד אבל הפעם כשהן באותו כיוון סריגי".

התצורה המקבילה הזו ממקמת לכאורה אטומים מאותו סוג בחפיפה מלאה למרות הדחיה החזקה שבינהם (כתוצאה ממטענם הזהה). בפועל, הגביש מעדיף להחליק את אחת השכבות מעט ביחס לשניה כך שרק חצי מהאטומים של כל שכבה חופפים, אך אלו שחופפים הם מסוגים שונים (כלומר עם מטען בסימן הפוך), בעוד ששאר האטומים ניצבים מעל (או מתחת) לחלל ריק – מרכז המשושה. על אף שמצב זה קצת פחות יציב מהסידור הטבעי (נקרא מצב מטא-סטבילי), הסידור החדש מבחין היטב בין השכבות. לדוגמה, אם בשכבה העליונה האטומים החופפים הם רק מסוג בור, הרי שבשכבה התחתונה המצב הפוך.

המדידות  מתבססות על מיקרוסקופ-כח-אטומי ומציגות דרך נוחה בתנאי החדר לצפות בסדר החשמלי-מכאני שנולד בין השכבות. באופן רחב יותר, הניסוי מציע דרך ישירה להתבונן ולשלוט בתגובות מכאניות, בסדרים מגנטיים, ובדרגות חופש נוספות של השכבות המחליקות.

מעיין ויזנר שטרן, הסטודנטית לדוקטורט שהובילה את המחקר, מסבירה: "שבירת הסימטריה שהצלחנו ליצור במעבדה, ואינה קיימת בגביש הטבעי, כופה על המטען החשמלי להתארגן מחדש בין השכבות וליצור קיטוב חשמלי זעיר בניצב למישור השכבות . יחד עם יובל ושיץ, סטודנט תואר ראשון מתוכנית המצטיינים – אודיסיאה, גילינו כי בנוסף לקיטוב היחודי למערכת בעובי שני אטומים בלבד, ניתן גם לשלוט בכיוון הקיטוב. הפעלת שדה חשמלי חיצוני הפוך, מעודדת החלקה מקומית נוספת בין השכבות, באורך מרחק בין-אטומי אחד. אחריה לדוגמה, דווקא כל אטומי החנקן של השכבה העליונה חופפים עם אטומי הבור של השכבה התחתונה. החלקה זו שקולה להיפוך זוג השכבות, ולכן יוצרת קיטוב בסימן הפוך. הקיטוב הנגדי שנוצר נותר יציב גם כשהפסקנו את השדה החיצוני, בדומה למערכות "פרו-אלקטריות" תלת מימדיות הנמצאות בשימוש רחב בטכנולוגיה עכשווית".
<h2">קשרי ואן דר ואלס חלשים בין השכבות

"האפשרות לאלץ סידור גבישי ואלקטרוני במערכת כה דקה, עם מאפייני קיטוב והיפוך יחודיים הנובעים מקשרי הואן-דר-ואלס החלשים בין השכבות, אינה מוגבלת רק לגביש הבור והחנקן" – מוסיף ד"ר בן שלום. "נועם ראב וסוארופ דב, סטודנטים נוספים מהמעבדה, כבר הספיקו לגלות אותה בגביש שכבתי אחר. למעשה, אנו צופים כי ניתן להרחיב את התופעה לגבישים שכבתיים רבים בעלי מאפייני סימטריה מתאימים ולהשתמש בהחלקה הבין-שכבתית כדרך מקורית ויעילה למימוש התקנים אלקטרונים מתקדמים. הבנה יסודית ושליטה בתגובה הקוואנטית המשותפת של כל כך הרבה אטומים הן אתגר גדול. זה התאפשר הודות למאמץ משותף ופורה במיוחד עם עמיתינו התיאורטיקנים שביצעו חודשים של סימולציות מחשב כדי לנתח לעומק למה האלקטרונים במערכת מסתדרים בדיוק כפי שמדדנו. מנקודת המבט של סקרנות מדעית, התגלית מדגימה דרך מקורית לניצול כלים שפותחו מאז גילוי הגרפן (שכבה דו-מימדית עם סידור משושה של אטומי פחמן) ב-2004 , בכדי לצמד דרגות חופש של אטומים ואלקטרונים בגבישים שכבתיים".

"אנו נרגשים לגלות מה יקרה במצבים אחרים שנכפה על הטבע, וחוזים כי אפשר יהיה ליצור צימודים חדשים בין דרגות חופש שונות. כדי לנחש זאת טוב יותר (עבור מגוון גבישים דומים אפשריים) אנו משתמשים במחשבים רבי עוצמה ובסימולציות מורכבות, וגם במשוואות מקורבות פשוטות. במקביל, אנו מנסים למדוד במדויק את התחרות העדינה של כוחות הואן-דר-ואלס בין השכבות כנגד הקיטוב והקשרים החזקים של האטומים בתוך השכבות.אנו מקווים כי המזעור וההיפוך באמצעות החלקה יביא לשיפור בהתקנים אלקטרוניים של היום, ובמיוחד, יאפשר דרכים מקוריות אחרות לשליטה במידע בהתקנים של מחר. בנוסף להתקני מחשוב, ניתן לחזות תרומה להתקני גילוי, אגירה והתמרת אנרגיה, תגובה עם קרני אור ועוד. האתגר שלנו, כפי שאנו רואים אותו, הוא למצוא גבישים נוספים עם דרגות חופש חדשות ומחליקות" – מסכמת ויזנר שטרן.

למאמר המדעי

הפוסט חוקרים מאונ' תל-אביב יצרו זיכרון חשמלי בעובי שני אטומים בלבד הופיע לראשונה ב-Chiportal.

חוקרים מהטכניון ומאוניברסיטת בן-גוריון מציגים ממצאים חדשים הנוגעים להמרת אנרגיה סולרית לחשמל ולדלק מימן. במסגרת המחקר שהתפרסם ב- Nature Materials פותחה שיטה חדשנית למדידת יעילות ההמרה של פוטונים למטענים חשמליים ניידים (אלקטרונים וחורים) במוליכים למחצה. בשיטה זו הם גילו גורם לא מוכר המגביל את יעילות ההמרה של פוטונים לזרם חשמלי בתחמוצת ברזל (המטייט). הגורם שהתגלה צפוי להשפיע על יעילותם של חומרים נוספים, בפרט בחומרים בעלי אלקטרונים מקושרים (electron correlated materials), שיש בהם אינטראקציה חזקה בין האלקטרונים לאטומים בגביש. השיטה שפותחה צפויה להניב ידע חדש על האינטראקציה בין אור לחומר בחומרים אלה ולסייע בפיתוח חומרים חדשים לתאים סולריים בעלי מאפיינים ייחודיים.

רקע:

יתרונותיה של האנרגיה הסולרית – אנרגיה שמקורה בשמש – ידועים כבר שנים, והניסיון לרתום אותה לצורכי האדם הוביל לפיתוחים רבים ובהם תאים סולריים פוטו-וולטאיים. התקנים אלה קולטים את חלקיקי האור (פוטונים) בחומר מוליך-למחצה, ואלה מוסרים את האנרגיה שלהם למטענים חשמליים ניידים המוכרים כאלקטרונים וחורים ומקנים להם מתח חשמלי המאפשר להם לבצע עבודה (אנרגיה חופשית). עבודה זו באה לידי ביטוי כאנרגיה חשמלית בתאים פוטו-וולטאיים, ובאופן עקרוני תאים שכאלו עשויים לספק את כל צורכי האנרגיה שלנו.

הקושי העיקרי במעבר לאנרגיה סולרית בת קיימה נובע מהזמינות המשתנה של אור השמש לאורך שעות היממה והתלות של אור זה בעננות ובאובך. תפוקת החשמל של תא פוטו-וולטאי נגזרת מעוצמת האור הפוגע בו, ולכן היא משתנה משעה לשעה, מעונה לעונה, ובימים רבים בשנה היא מוגבלת על ידי עננים ואובך. כדי שיהיה אפשר להסתמך על אנרגיה סולרית כמקור אנרגיה מרכזי היכול לספק את הדרישות לחשמל, חום, דלק וצרכים אחרים בכל שעות היממה ובכל עונות השנה יש צורך בהמרתה לאנרגיה הניתנת לאחסון (אגירה) והמרה מחדש לחשמל, חום ודלק בהתאם לדרישה. כך, למשל, אפשר לאגור את החשמל המופק בתאים סולריים פוטו-וולטאיים בסוללות (בטריות) נטענות, ולהמירו בחזרה לחשמל בשעת הצורך. אגירה בסוללות מייקרת את עלות החשמל הסולרי ומתאימה לשימוש בטווח של יממה לכל היותר. אגירה ארוכת טווח, למשל מעונה לעונה, דורשת פתרונות טכנולוגיים אחרים, וכך גם צורכי אנרגיה נוספים, מלבד הפקת חשמל, כגון חימום ביתי ותעשייתי, דלק לתחבורה ועוד.

פתרון שכזה ניתן למימוש באמצעות תאים פוטו-אלקטרוכימיים הפועלים באופן דומה לתאים פוטו-וולטאיים, אך במקום חשמל הם מייצרים מימן על ידי פיצול מולקולות מים לשני מרכיביהם – חמצן ומימן. אלה נאגרים לשימוש עתידי, בין אם לייצור חשמל ובין אם להנעת כלי רכב חשמליים המונעים במימן באמצעות תא דלק המחליף את מערך הסוללות בכלי רכב חשמליים כדוגמת טסלה ואחרים. מימן הנוצר באופן זה מכונה מימן "ירוק" והוא מהווה תחליף אידאלי לדלק פחמימני שכן הפקתו והשימוש בו אינם מלווים בפליטת גזי חממה או כל דבר אחר מלבד מים זכים.

תאים פוטו-אלקטרוכימיים להמרת אנרגיה סולרית למימן "ירוק" מעסיקים קבוצות רבות של מחקר ופיתוח באקדמיה, אולם טכנולוגיות אלה עדיין לא הבשילו ליישום. זאת בעיקר בשל מגבלות החומרים היכולים לשמש בהם. בדומה לתאים הפוטו-וולטאיים, גם כאן לב ליבו של התא עשוי מחומר מוליך-למחצה הקולט את הפוטונים וממיר את האנרגיה שלהם (אנרגיה של קרינה) לעבודה, אלא שכאן העבודה מתבטאת באנרגיה כימית האצורה בקשרים הכימיים של מולקולות המימן והחמצן הנוצרות מפיצול מולקולות המים. לשם כך, המוליך-למחצה טבול באלקטרוליט מימי בעל תכונות קורוזיביות שלא מאפשרות שימוש במוליכים למחצה רגילים כמו הסיליקון המשמש בתאים פוטו-וולטאיים. מגבלות אלה ואחרות מצריכות מוליכים-למחצה אחרים בעלי מאפיינים ייחודיים שאינם בנמצא ברגיל.

ממצאי המחקר וחשיבותם:

מזה למעלה מעשור, פרופ' אבנר רוטשילד וקבוצת המחקר שלו בטכניון חוקרים מינרל הנקרא המטייט (hematite) והוא סוג של תחמוצת ברזל בעלת הרכב כימי דומה לחלודה, בעל קשת המאפיינים הדרושים לתא פוטו-אלקטרוכימי לפיצול מים למימן וחמצן. מחקר זה הוביל לפריצות דרך מדעיות וטכנולוגיות שפורסמו בכתבי עת מדעיים מובילים מקבוצת Nature ואחרים. למרות השיפורים שהושגו בתכונות החומר ומבנה התא הפוטו-אלקטרוכימי, יעילות ההמרה של פוטונים לזרם חשמלי בהתקנים מבוססי המטייט מגיעה לפחות ממחצית הגבול התיאורטי לחומר זה. לשם השוואה, תאים פוטו-וולטאיים מסיליקון מגיעים קרוב ל- 100% מהגבול התיאורטי של סיליקון.

לאחר שנים של מחקר שבו הפכו החוקרים כל אבן בדרך לשיפור תכונות החומר ומבנה התא, הם הגיעו למסקנה שרב הנסתר על הגלוי וחייב להיות גורם נעלם ייחודי להמטייט שמונע הגעה לגבול התיאורטי המוכר לחומר זה. במחקרם האחרון, שפורסם זה עתה בכתב העת המדעי Nature Materials, הם חושפים ומגלים את הגורם הנעלם הזה, ומציעים שיטה חדשה לאיפיונו בהמטייט ובחומרים אחרים. בניגוד לסיליקון ומוליכים למחצה אחרים המשמשים בתאים סולריים והתקנים אופטו-אלקטרוניים אחרים, בהם הפוטונים הנבלעים בחומר מייצרים מטענים חשמליים ניידים (אלקטרונים וחורים) היכולים לנוע בחופשיות וליצור זרם חשמלי, חלק ניכר מהפוטונים המגיעים להמטייט נבלעים באופן שונה באמצעות מעברים אלקטרוניים מקומיים בהם האלקטרון עובר ממצב אנרגטי (הנקרא אורביטל) אחד לאחר באותו האטום עצמו או בקשר הכימי בין שני אטומים שכנים. מאחר שאלקטרון שכזה נשאר ממוקם באתר ספציפי בגביש, אין לו יכולת תנועה (ניידות) ולכן אין הוא יכול לתרום ליצירת זרם חשמלי. לכן, הפוטונים הנבלעים באופן זה "מתבזבזים" ואינם תורמים ליצירת זרם חשמלי (בתא פוטו-וולטאי) או מימן (בתא פוטו-אלקטרוכימי).

בשל תכונות כימיות ופיזיקליות ייחודיות המתבטאות, בין השאר, באינטראקציה חזקה בין האלקטרונים לאטומים בגביש, חלק ניכר (כמחצית) מהפוטונים הנבלעים בהמטייט יוצרים מעברים אלקטרוניים מקומיים מסוג זה. תכונה זו אופיינה לראשונה במחקר הנוכחי כתלות באורך הגל של הפוטונים הפוגעים בחומר, בהמטייט ובכמה תחמוצות מוליכות למחצה אחרות שבהן התופעה נמצאה שולית בהשוואה להמטייט. עם זאת, החוקרים מציינים כי מדובר בתופעה לא מוכרת ולכן קרוב לוודאי שהיא קיימת גם במוליכים למחצה אחרים. עצם חשיפת התופעה והתוויית דרכים לאיפיונה מהווה פריצת דרך מדעית בחקר האינטראקציה בין אור לחומר בחומרים בעלי אלקטרונים מקושרים (correlated electron materials), ויש לה חשיבות מעשית בחקר חומרים חדשים לתאים סולריים בעלי מאפיינים ייחודיים כדוגמת התאים הפוטו-אלקטרוכימיים לפיצול מים למימן וחמצן, נושא המחקר הנוכחי.

את המאמר שהתפרסם בכתב העת היוקרתי Nature Materials הובילו חוקרים מקבוצת המחקר של פרופ' אבנר רוטשילד מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון, ובהם ד"ר דניאל גרוה (מדען בכיר במחלקה להנדסת חומרים באוניברסיטת בן-גוריון בנגב), ד"ר דויד אליס והדוקטורנטית יפעת פיקנר מתוכנית האנרגיה ע"ש גרנד בטכניון (GTEP), בשיתוף חוקרים מהמכון לחקר דלקים סולריים בראשותו של Prof. Roel van de Krol ב- Helmholtz-Zentrum Berlin. במחקר תמכו מוקד המחקר בנושא פוטוקטליזטורים ופוטואלקטרודות לייצור מימן בתכנית לתחליפי נפט לתחבורה של הקרן הלאומית למדע (ISF), מרכז האנרגיה ע"ש גרנד בטכניון (GTEP) ומכון ראסל ברי למחקר בננוטכנולוגיה (RBNI).

למאמר ב- Nature Materials

הפוסט מה מגביל את היעילות האנרגטית של תאים סולריים מסוג חדש? חוקרים בטכניון ובאוניברסיטת בן-גוריון גילו את הסיבה הופיע לראשונה ב-Chiportal.

אנרגיה סולארית נחשבת לטרנד ירוק ושאינו מזהם, מאפשרת ניצול יחסית מרבי של אנרגיית השמש, זמינה בכל מקום ואין צורך להובילה ממקום למקום – אך למרות זאת עדיין נשאלת השאלה האם תאים סולאריים משפיעים רק לטובה על הסביבה? כיום ידוע כי לאחר סיום חייו של התא הסולארי החומרים המרכיבים אותו עלולים להתפרק וליצור זיהום סביבתי. פרופ' ליעוז אתגר מהמכון לכימיה בפקולטה למתמטיקה ומדעי הטבע באוניברסיטה העברית זיהה את התגר, ובמעבדתו פותחו תאים סולאריים שהתגלו ככאלה שיכולים לעבור מחזור. המבנה הייחודי של התאים הללו מקנה להם יציבות המאפשרת את שטיפתם, הסרת החומר האקטיבי הפרובסקייט (Perovskite) מהם והשמת חומר חדש וטרי במקום. החוקרים מצאו שיעילות התאים נשמרת במלואה גם לאחר השמת הפרובסקייט החדש בפעם השנייה והשלישית, וכן כעבור מספר מחזורים נוספים.

התגלית של פרופ' אתגר, המתוארת בהרחבה ב-PNAS, כתב העת הרשמי של האקדמיה הלאומית למדעים של ארצות הברית, מאפשרת להחליף באופן יזום את הפרובסקייט בתא הסולארי, מבלי לחכות שייהרס או יתפרק. "חישבו למשל על גג המצופה תאים סולאריים או שדה של תאים סולאריים – כעבור תקופה מסוימת כאשר נצילותם של התאים יורדת יהיה ניתן לשטוף אותם מחומר הפרובסקייט, כאשר כל שאר תבנית התא נשארת ואינה ניזוקה. בשלב הבא ניתן למרוח פרובסקייט חדש לתוך התאים הקיימים. מדובר בתהליך פשוט, יעיל, זול וכמובן אינו מזיק לסביבה", הסביר השבוע החוקר.

במאמר המדעי צוין כי ישנו יתרון בולט של תאים סולאריים אלו – יכולת ההדפסה של התאים במלואם באמצעות שיטה הנקראת Screen printing, המאפשרת יצירת פאנלים סולאריים גדולים ואחידים והוזלת העלות שלהם. יתרון נוסף הינו יעילותם הגבוהה המאפיינת את תאי הפרובסקייט ויציבות טובה מאוד עקב המבנה המורכב מרשת של מתכות מחומצנות אשר ידועות ביציבותן המצוינת.

אנרגיות מתחדשות משחקות לאחרונה תפקיד מרכזי בקידום האנושות, ביניהן האנרגיה הסולארית ואנרגיית הרוח. בתחום האנרגיה הסולארית, תאים סולאריים מבוססי פרובסקייט הגיעו תוך מספר שנים מועט ליעילות גבוהה, דבר אשר מציב טכנולוגיה זו כמובילה מבין טכנולוגיות האנרגיה הסולארית הקיימות. פרובסקייט הינו חומר רגיש לאור, כשעל ידי הקרנתו באור השמש הוא יכול לייצר מטענים אשר מהם ניתן להפיק חשמל. חומר זה הינו פשוט להכנה, בעל תכונות הולכה מצוינות ובליעת אור רחבה. החוקרים משוכנעים כי הטכנולוגיה הייחודית הזאת יכולה לשמש למספר אפליקציות, ביניהם תאים חצי שקופים ותאים היכולים לשמש כתאים משלימים לטכנולוגיות קיימות כגון תאים סולאריים מבוססי סיליקון.

במחקר הקודם, שפורסם בכתב העת המדעי Nano Letters, קבוצת המחקר של פרופ' אתגר יצרה לראשונה פרובסקייט דו-ממדי. הפרובסקייט הדו-ממדי יציב יותר מהפרובסקייט שהיה בשימוש עד כה בתאים הסולאריים. נושא היציבות של התאים הסולאריים הינו חשוב ביותר, על מנת שטכנולוגיה זו תוכל להיות ממוסחרת. במעבדה הצליחו החוקרים להטמיע את הפרובקייט הדו-ממדי בתא הסולארי וכתוצאה מכך התקבלה יעילות גבוהה של התאים, יציבותם השתפרה ועלותם הכללית ירדה משמעותית. בנוסף, ואולי חשוב מכל, הם היו יעילים מאוד בבליעת אנרגיית השמש – אנרגיה שלא מנוצלת כיום בצורה יעילה ומועילה. למעשה, קיים פער אדיר בין השימוש הקיים באנרגיית השמש לבין הפוטנציאל הלא מנוצל שלה.

הפוסט חוקרי האונ' העברית הצליחו לשפר את תפקודם של תאים סולאריים – וכעת אף להיות ידידותיים מאוד לסביבה הופיע לראשונה ב-Chiportal.

בשנת 2012 דווח בכתב העת Nature Nanotechnology כי פיזיקאים אוסטרלים ואמריקאים הצליחו לפתח את טרנזיסטור הסיליקון הקטן ביותר בעולם, המורכב מאטום בודד של זרחן בתוך לוח סיליקון. הפיתוח היה מהווה נדבך נוסף במאמצים המתמשכים למזעור טרנזיסטורים, שמהווים רכיב בסיסי וחיוני מאוד בתעשיית האלקטרוניקה. החוקרים ציינו כי השתמשו במיקרוסקופ מינהור סורק (שבעזרתו ניתן לבחון משטחים ברמה האטומית) כדי למקם את אטום הזרחן הבודד על לוח סיליקון, בין אלקטרודות, וראו שנוצר זרם חשמלי. עד אז יוצרו טרנזיסטורים על בסיס אטום בודד רק במקרה, בעוד שבמחקר מ-2012 הדבר נעשה לראשונה באופן מתוכנן. בחודש מאי השנה היו אלה חוקרים מהמכון הטכנולוגי האמריקאי NIST ועמיתיהם מאוניברסיטת מרילנד, שעבדו על ניסוי דומה לגביו צוין ב-Science daily כי "מדובר בצוות השני בעולם שמצליח לבנות טרנזיסטור מאטום יחיד".

טרנזיסטור הסיליקון הוא מתג או שסתום אלקטרוני המאפשר לממש התקנים לוגיים המהווים החל משנות ה-60 את עמוד התווך של מהפכת המידע. הטרנזיסטור הוא מתג חשמלי העשוי מחומר מוליך למחצה, שמייצר את הבסיס הבינארי למכשירי אלקטרוניקה. המתג מגדיר את הספרות הבינאריות 0 ו-1 על ידי שתי רמות של מתח – מתח גבוה ומתח נמוך. התקנים אלה, כידוע, הולכים ונעשים קטנים, ובשנים האחרונות הגיעו לממדים של עד כ-10 ננומטר. ממדים אלה מאפשרים לצופף מאות מיליוני התקנים על גבי שבב יחיד, ולהביא לכף ידו של כל אחד עצמת חישוב שנחשבה לדמיונית בדורות הקודמים. מעבר לכך, טרנזיסטורים המורכבים מאטומים בודדים צפויים להיות אבני הבניין של דור חדש של המחשבים הקוונטיים, עם זיכרון וכוח עיבוד שאין שני להם. למה חשוב כל כך כיום להוסיף ולמזער את הטרנזיסטורים? ככל שהטרנזיסטור קטן, ניתן לממש שליטה מהירה יותר במידע, ולצופף יותר התקנים בנפח נתון.

"במחקרי העבר הצליחו פיזיקאים לממש אלקטרוניקה על בסיס של אטום יחיד, אבל מדובר באטום שנמצא על פני השטח. במרוצת השנים החוקרים לא פתרו את הבעיה העיקרית – האטום הוא על פני השטח, ולכן פגיע לסביבה שלו", מסביר פרופ׳ הדר שטיינברג, שבימים אלה עובד יחד עם חוקרים ממכון רקח לפיסיקה באוניברסיטה העברית בירושלים על טרנזיסטור הבנוי מאטום אחד, שמוזער לגודל הקטן ביותר הידוע למדע. "להבדיל מהמחקרים הקודמים, במחקר שלנו, במערכת החדשה שיצרנו בטרנזיסטור הבנוי מאטום אחד, ההולכה החשמלית מתאפשרת דרך פגם שמשובץ בתוך מבודד. המערכת הזאת יציבה מאוד ופחות פגיעה. חשוב מאוד להדגיש שהמטרה שלנו היא לא מי יגיע קודם לטרנזיסטור עובד מאטום אחד, אלא גם לתרום ולחדש למדע, להגיע ליכולות שלא היו קיימות קודם. בהתקן שלנו, מדובר בטרנזיסטור הבנוי אטום אחד שנמצא ננומטר אחד בלבד מהמוליכים בסביבה שלו".

וכך, בניסוי שבוצע לאחרונה בהובלת פרופ׳ הדר שטיינברג ובסיוע הדוקטורנט איתי קרן – שניהם ממכון רקח לפיסיקה באוניברסיטה העברית בירושלים, המתפרסם בימים אלה בכתב העת Nature Communications, הצליחו החוקרים לממש טרנזיסטור הבנוי אטום יחיד על ידי שימוש באלקטרודה מהמוליך החשמלי הדק ביותר המוכר למדע – חומר הנקרא גרפין. גרפין הוא שכבה יחידה של גרפיט, שהוא תצורה של פחמן נקי, הבנויה במבנה שכבתי. כל שכבת גרפין הוא יריעת אטומי פחמן בעלת מבנה של חלת דבש. לגרפין שתי תכונות מרכזיות המאפשרות לממש באמצעותו אלקטרוניקה של אטומים יחידים. מצד אחד, הוא מוליך חשמלי מצוין. מצד שני, כתוצאה מעוביו המזערי, הוא מאפשר מעבר של שדה חשמלי. כך, שלא כמו בשכבת מתכת, מתח חשמלי המופעל מצדה האחד של יריעת גרפין ״יחלחל״ לצדה השני.

החוקרים השתמשו בשיטה המבוססת על בניית התקנים מחומרים שכבתיים. שיטה זו משמשת כיום מעבדות מחקר שונות בעולם, והיא מאפשרת לקלף חומר שכבתי לעובי של אטום יחיד, ולמקם מספר שכבות זו על גבי זו – כפי שמניחים, למשל ערימה של דפי ניר או קלפים. החוקרים בנו התקן חשמלי שבליבו שכבה דקה מאוד, בעובי של שני ננומטרים בלבד, של חומר מבודד שכבתי. מצידו האחד של המבודד הם הניחו גרפיט, ומצדו השני – גרפין. במדידה חשמלית הם גילו שהזרם יוצא מהגרפיט, מדלג דרך אטום יחיד בשכבה המבודדת, ומגיע לגרפין. על ידי הפעלת מתח חשמלי מצידו השני של הגרפין, הצליחו החוקרים להדליק ולכבות את הזרם, ולהראות שהזרם נישא על ידי אטום יחיד. "בגלל השימוש בגרפין, מתאפשר הפעלת שדה חשמלי דרך האלקטרודה, ולא במקביל אליה. כך מגיעים לגבול חדש ביכולות המזעור", מסביר פרופ' שטיינברג.

למאמר המדעי

לאתר הקבוצה

הפוסט חוקרים מהאוניברסיטה העברית הצליחו לפתח טרנזיסטור המורכב מאטום בודד – הכי קטן ויציב ביותר הופיע לראשונה ב-Chiportal.

בתחום של אחסון אנרגיה, גורמים שונים עשויים להיות משמעותיים, כדוגמת צפיפות אנרגיה/עוצמה, וזאת בהתאם לנסיבות. סוללות – המסוגלות לאחסן אנרגיה באמצעות הפרדת כימיקלים – עדיפות יותר בהעברת כמויות גדולות של אנרגיה, בעוד שקבלים – המסוגלים לאחסן אנרגיה באמצעות הפרדת מטענים חשמליים – עדיפים יותר בהעברת כמויות גדולות של עוצמה (אנרגיה ליחידת זמן). המערכת הטובה ביותר תהיה, כמובן, השילוב של שני מאפיינים אלו.
המדען Michael Strano ועמיתיו מאוניברסיטת MIT מדווחים על ממצאי מחקריהם בדבר אחסון אנרגיה בננו-שפופרות פחמן דקיקות באמצעות הוספת דלק לאורכה של השפופרת, דלק המהווה אנרגיה כימית שתוכל להיות מומרת לאחר-מכן לחשמל ע"י חימום קצה האחד של השפופרת. תהליך תרמו-אנרגטי זה פועל כדלהלן: החימום יוזם תגובת שרשרת ו"גל" של המרות אנרגיה מתפשט לאורך ננו-השפופרת במהירות של 10 מטרים לשנייה.
"ננו-שפופרות פחמן ממשיכות לחשוף בפנינו עובדות חדשות – הגילוי של גלים תרמו-אנרגטיים פותח צוהר לאפשרויות חדשות בתחום של יצירת אנרגיה והפיסיקה של גלים פעילים," מסביר החוקר הראשי. לסוללת ליתיום רגילה יש צפיפות אנרגיה של 1 kW/kg. למרות שהחוקרים עדיין לא הגיעו לייצור מסחרי של ננו-השפופרות שלהם, הם השיגו כבר עכשיו פעימות פריקת מטען בעלות צפיפות אנרגיה של 7 kW/kg.
בנוסף, החוקרים פרסמו ממצאים חדשים בדבר ניסויים המנצלים ננו-חרירי פחמן בעלי גודל חסר-תקדים – קוטר של 1.7 ננומטרים ובאורך של 500 מיקרונים.
"ננו-חרירי פחמן," מציין החוקר, "מאפשרים לנו לזהות פרודות בודדות ולמנות אותן אחת אחר השנייה," מערכת שהצליחה לעשות זאת לראשונה אי-פעם. וזה מתרחש בטמפרטורת החדר.
הפרודות הבודדות הנבדקות חוצות את ננו-השפופרות אחת אחר השנייה בתהליך המכונה "תהודה עקבית" (coherence resonance). "תופעה זו לא נראתה עד כה עבור מערכת אי-אורגנית כלשהי," מציין החוקר, "אולם היא מהווה חיקוי טוב לתעלות יוניות ביולוגיות פעילות, המוכרות בספרות."

הפוסט אחסון אנרגיה בננו שפופרות פחמן הופיע לראשונה ב-Chiportal.

חוקרים מהמכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה פיתחו משפחה חדשה של התקנים אלקטרוניים של שערים לוגיים שבהם הזרם ממותג באמצעות שדה חשמלי שנוצר בעקבות לחץ מכאני על ננו-תילים של תחמוצת אבץ.
ההתקנים, הכוללים טרנזיסטורים ודיודות, יוכלו לשמש ברכיבי רובוטיקה בקנה-מידה ננומטרי, במערכות ננו/מיקרו-אלקטרו-מכאניות ובהתקני מיקרו-זרימה. הפעולה המכאנית המשמשת לייזום הלחץ יכולה להיות פשוטה כמו לחיצה על כפתור, או הזרם של נוזל, מתיחת שרירים או ההנעה של רכיבים רובוטיים.
בטרנזיסטורים תוצא שדה (FET – field-effect transistors) רגילים, מתגי שדה חשמלי – או "שערים" – אחראים למעבר של זרם חשמלי דרך מוליך-למחצה. במקום להשתמש בשדה חשמלי, ההתקנים הלוגיים החדשניים יוצרים את השדה הממתג באמצעות עיוות מכאני של תילי תחמוצת אבץ. העיוות יוצר ללחץ מכאני בננו-התילים, תוך קבלה של שדה חשמלי בשל תוצא פיאזואלקטרי – הקבלה של מטענים חשמליים בחומרים גבישיים מסוימים בעקבות לחץ מכאני.
"כאשר אנו מפעילים לחץ על ננו-התיל הממוקם בין שתי אלקטרודות מתכת, אנו יוצרים שדה, שהינו מספיק חזק בכדי לשמש כזרם הממתג," אמר Zhong Lin Wang, פרופסור בביה"ס למדע החומרים והנדסה במכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה. "סוג זה של התקן יוכל לאפשר שילובה של פעולה מכאנית עם רכיבי אלקטרוניקה, ויוכל להוות את הבסיס להתקנים חדשים של שערים לוגיים המשתמשים ביכולת הפיזואלקטרית במקום בזרם שמקורו בשער."
החוקר Wang, אשר פרסם סידרה של מאמרים בנוגע להתקנים אלו בכתבי-עת מדעיים כדוגמת Nano Letters, Advanced Materials ו- Applied Physics Letters, מכנה את המשפחה החדשה הזו של התקנים ננומטריים בשם "רכיבי פיאזואלקטרוניקה" ("piezotronics") מאחר והם משתמשים ביכולת פיאזואלקטרית בכדי לווסת ולמתג את תהליך העברת המטען החשמלי במוליכים למחצה. ההתקנים מתבססים על התכונות הייחודיות של ננו-מבני תחמוצת אבץ, שהינם גם מוליכים למחצה וגם פיאזואלקטריים.
הטרנזיסטורים והדיודות החדשים מצטרפים למשפחת ננו-התקנים שפותחו ע"י החוקר וקבוצת המחקר שלו, והם ניתנים לשילוב במערכות שכל רכיביהן מבוססים על אותו החומר – תחמוצת אבץ. חוקרים אלו דיווחו כבר בעבר על הפיתוח של מחוללים (גנראטורים) ננומטריים היוצרים חשמל באמצעות המרה של תנועה מכאנית מהסביבה, וחיישני ננו-תילים למדידת ערך ההגבה (pH) והגילוי של קרינה על-סגולה.
"משפחת ההתקנים שפיתחנו יכולה להשתלב יחדיו ליצירת מערכות ננומטריות עצמאיות, המונעות בעצמן," מסביר החוקר. "ניתן להכין מערכות מורכבות המבוססות במלואן על ננו-תילי תחמוצת אבץ שהינן בעלי יכולת זיכרון, עיבוד וחישה, המונעות כולן באמצעות אנרגיה חשמלית הנלכדת מהסביבה."
ע"י השימוש בטרנזיסטורים המבוססים על מתגי-לחץ המחוברים למצע פולימרי גמיש, החוקרים הצליחו להדגים פעולות לוגיות בסיסיות – בכללן שערי NOR, XOR ו- NAND ותפקודי מולטיפלקסר (התקן ריבוב – מאחד קלט נתונים ממספר ערוצים ומעבירם בו זמנית כפלט אחד בפס תקשורת רחב)/דה-מולטיפלקסר (נוֹטֵל רִבּוּב) – פשוט באמצעות הפעלת סוגים שונים של לחץ על ננו-תילי תחמוצת האבץ. הם גם הצליחו ליצור מְהַפֵּךְ (inverter) באמצעות מיקום טרנזיסטור ממותג-לחץ ע"ג שני צידיו של מצע גמיש. "באמצעות השימוש בטרנזיסטור החדש שלנו כאבן בניין, אנו מסוגלים להכין שערים מורכבים," הוסיף החוקר. "זוהי הפעם הראשונה שפעולה מכאנית משמשת ליצירת פעולה לוגית."
טרנזיסטור ממותג-לחץ מורכב מננו-תיל תחמוצת אבץ יחיד ששני קצותיו – אלקטרודות המקור והניקוז – מעוגנים למצע פולימרי באמצעות חיבור מתכתי. כיפוף ההתקנים הופך את הקוטביות מאחר והמקור משתנה ממצב דחוס למצב מתיח בשני הצדדים.
ההתקנים פועלים בתדירויות נמוכות – הדומות לאלו הנוצרות מיחסי-הגומלין שבין האדם לסביבתו – והם לא יתחרו בטרנזיסטורים רגילים המבוססים על CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) בנוגע למהירות המשמשים ביישומים נפוצים. ההתקנים מגיבים לכוחות מכאניים חלשים ביותר, מוסיף החוקר.
קבוצת המחקר הצליחה גם לשלוט במוליכות של ננו-התקני תחמוצת האבץ באמצעות השימוש באלומת לייזר המנצלת את התכונות הפוטוניות הייחודיות של החומר. "הלייזר משפר את המוליכות של המבנה," מציין החוקר. "ההשפעה של הלייזר היא הופכית להשפעה של התכונה הפיאזואלקטרית."
החוקר מכנה את ההתקנים החדשים שלו המורכבים משילוב של תכונות פיאזואלקטריות, פוטוניות ומוליכות-למחצה התקני "פיאזו-פוטוטרוניקה" ("piezo-phototronic").
קבוצת המחקר הכינה גם התקני שערים לוגיים מוכלאים המשתמשים בננו-תילי תחמוצת אבץ בכדי לשלוט בזרם המועבר דרך ננו-שפופרות פחמן חד-דופנות.

שערים לוגיים המבוססים על ננו-תילים

דר. משה נחמני,‏ יום שבת, 11 בספטמבר 2010

ההתקנים, הכוללים טרנזיסטורים ודיודות, יוכלו לשמש ברכיבי רובוטיקה בקנה-מידה ננומטרי, במערכות ננו/מיקרו-אלקטרו-מכאניות ובהתקני מיקרו-זרימה

שערים לוגיים המבוססים על ננו-תילים. צילום: המכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה

חוקרים מהמכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה פיתחו משפחה חדשה של התקנים אלקטרוניים של שערים לוגיים שבהם הזרם ממותג באמצעות שדה חשמלי שנוצר בעקבות לחץ מכאני על ננו-תילים של תחמוצת אבץ.

ההתקנים, הכוללים טרנזיסטורים ודיודות, יוכלו לשמש ברכיבי רובוטיקה בקנה-מידה ננומטרי, במערכות ננו/מיקרו-אלקטרו-מכאניות ובהתקני מיקרו-זרימה. הפעולה המכאנית המשמשת לייזום הלחץ יכולה להיות פשוטה כמו לחיצה על כפתור, או הזרם של נוזל, מתיחת שרירים או ההנעה של רכיבים רובוטיים.

בטרנזיסטורים תוצא שדה (FET – field-effect transistors) רגילים, מתגי שדה חשמלי – או "שערים" – אחראים למעבר של זרם חשמלי דרך מוליך-למחצה. במקום להשתמש בשדה חשמלי, ההתקנים הלוגיים החדשניים יוצרים את השדה הממתג באמצעות עיוות מכאני של תילי תחמוצת אבץ. העיוות יוצר ללחץ מכאני בננו-התילים, תוך קבלה של שדה חשמלי בשל תוצא פיאזואלקטרי – הקבלה של מטענים חשמליים בחומרים גבישיים מסוימים בעקבות לחץ מכאני.

"כאשר אנו מפעילים לחץ על ננו-התיל הממוקם בין שתי אלקטרודות מתכת, אנו יוצרים שדה, שהינו מספיק חזק בכדי לשמש כזרם הממתג," אמר Zhong Lin Wang, פרופסור בביה"ס למדע החומרים והנדסה במכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה. "סוג זה של התקן יוכל לאפשר שילובה של פעולה מכאנית עם רכיבי אלקטרוניקה, ויוכל להוות את הבסיס להתקנים חדשים של שערים לוגיים המשתמשים ביכולת הפיזואלקטרית במקום בזרם שמקורו בשער."

החוקר Wang, אשר פרסם סידרה של מאמרים בנוגע להתקנים אלו בכתבי-עת מדעיים כדוגמת Nano Letters, Advanced Materials ו- Applied Physics Letters, מכנה את המשפחה החדשה הזו של התקנים ננומטריים בשם "רכיבי פיאזואלקטרוניקה" ("piezotronics") מאחר והם משתמשים ביכולת פיאזואלקטרית בכדי לווסת ולמתג את תהליך העברת המטען החשמלי במוליכים למחצה. ההתקנים מתבססים על התכונות הייחודיות של ננו-מבני תחמוצת אבץ, שהינם גם מוליכים למחצה וגם פיאזואלקטריים.

הטרנזיסטורים והדיודות החדשים מצטרפים למשפחת ננו-התקנים שפותחו ע"י החוקר וקבוצת המחקר שלו, והם ניתנים לשילוב במערכות שכל רכיביהן מבוססים על אותו החומר – תחמוצת אבץ. חוקרים אלו דיווחו כבר בעבר על הפיתוח של מחוללים (גנראטורים) ננומטריים היוצרים חשמל באמצעות המרה של תנועה מכאנית מהסביבה, וחיישני ננו-תילים למדידת ערך ההגבה (pH) והגילוי של קרינה על-סגולה.

"משפחת ההתקנים שפיתחנו יכולה להשתלב יחדיו ליצירת מערכות ננומטריות עצמאיות, המונעות בעצמן," מסביר החוקר. "ניתן להכין מערכות מורכבות המבוססות במלואן על ננו-תילי תחמוצת אבץ שהינן בעלי יכולת זיכרון, עיבוד וחישה, המונעות כולן באמצעות אנרגיה חשמלית הנלכדת מהסביבה."

ע"י השימוש בטרנזיסטורים המבוססים על מתגי-לחץ המחוברים למצע פולימרי גמיש, החוקרים הצליחו להדגים פעולות לוגיות בסיסיות – בכללן שערי NOR, XOR ו- NAND ותפקודי מולטיפלקסר (התקן ריבוב – מאחד קלט נתונים ממספר ערוצים ומעבירם בו זמנית כפלט אחד בפס תקשורת רחב)/דה-מולטיפלקסר (נוֹטֵל רִבּוּב) – פשוט באמצעות הפעלת סוגים שונים של לחץ על ננו-תילי תחמוצת האבץ. הם גם הצליחו ליצור מְהַפֵּךְ (inverter) באמצעות מיקום טרנזיסטור ממותג-לחץ ע"ג שני צידיו של מצע גמיש. "באמצעות השימוש בטרנזיסטור החדש שלנו כאבן בניין, אנו מסוגלים להכין שערים מורכבים," הוסיף החוקר. "זוהי הפעם הראשונה שפעולה מכאנית משמשת ליצירת פעולה לוגית."

טרנזיסטור ממותג-לחץ מורכב מננו-תיל תחמוצת אבץ יחיד ששני קצותיו – אלקטרודות המקור והניקוז – מעוגנים למצע פולימרי באמצעות חיבור מתכתי. כיפוף ההתקנים הופך את הקוטביות מאחר והמקור משתנה ממצב דחוס למצב מתיח בשני הצדדים.

ההתקנים פועלים בתדירויות נמוכות – הדומות לאלו הנוצרות מיחסי-הגומלין שבין האדם לסביבתו – והם לא יתחרו בטרנזיסטורים רגילים המבוססים על CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) בנוגע למהירות המשמשים ביישומים נפוצים. ההתקנים מגיבים לכוחות מכאניים חלשים ביותר, מוסיף החוקר.

קבוצת המחקר הצליחה גם לשלוט במוליכות של ננו-התקני תחמוצת האבץ באמצעות השימוש באלומת לייזר המנצלת את התכונות הפוטוניות הייחודיות של החומר. "הלייזר משפר את המוליכות של המבנה," מציין החוקר. "ההשפעה של הלייזר היא הופכית להשפעה של התכונה הפיאזואלקטרית."

החוקר מכנה את ההתקנים החדשים שלו המורכבים משילוב של תכונות פיאזואלקטריות, פוטוניות ומוליכות-למחצה התקני "פיאזו-פוטוטרוניקה" ("piezo-phototronic").

קבוצת המחקר הכינה גם התקני שערים לוגיים מוכלאים המשתמשים בננו-תילי תחמוצת אבץ בכדי לשלוט בזרם המועבר דרך ננו-שפופרות פחמן חד-דופנות.

הפוסט שערים לוגיים המבוססים על ננו-תילים הופיע לראשונה ב-Chiportal.