[תרגום מאת ד”ר משה נחמני]

כימאים מבריטניה ומשוויץ הצליחו לסנתז את הפרודה הטבעתית הפחמנית ₁₆C והראו את ההוכחה הראשונה לאופייה האנטי-ארומטי. הטבעות ממשפחה זו מהוות תצורה חדישה של היסוד פחמן, ולפיכך הן מוגדרות כאלוטרופ חדש שלו.

בשנת 2019, חוקרים מאוניברסיטת אוקספורד וממכון המחקר של תאגיד IBM באירופה (ציריך), דיווחו על הסינתזה של אלוטרופ חדש של פחמן, ₁₈C, פוליאן טבעתי המורכב משמונה עשר אטומי פחמן המחוברים על ידי קשרים יחידים ומשולשים לסירוגין. המולקולה היא גם ארומטית כפולה, הודות לשתי מערכות הפאי האנכיות זו לזו – אחת במישור הטבעת ואחת מחוץ למישור זה ואנכית לו.

כעת, שתי קבוצות מחקר, אחת מאוניברסיטת אוקספורד (Harry Anderson) והשנייה מציריך (Leo Gross), קידמו את הרעיון של טבעות פחמן צעד אחד קדימה על ידי יצירת מועמד חדש: טבעת בעלת 16 אטומי פחמן. בניגוד לטבעת בעלת 18 אטומי פחמן שהיא ארומטית, הטבעת בעלת 16 אטומי הפחמן צפויה להיות אנטי-ארומטית כפולה ולפיכך בלתי יציבה. טרם הסינתזה המוצלחת, לא היה ברור אם בכלל אפשר ליצור מולקולה כזו ולהשאיר אותה יציבה מספיק זמן לשם חקר המבנה שלה והתכונות האלקטרוניות שלה.  

חומר המוצא 4 משוקע על גבי משטח של נתרן כלוריד; לאחר מכן הקבוצות הכימיות פחמן חד-חמצני והלוגן מוסרות לקבלת הטבעת הפחמנית ₁₆C [באדיבות: Yueze Gao et al 2023] 

“האתגר בסינתזה של טבעת 16 היה בעיקר חוסר היציבות של חומרי המוצא, שהיו אף הם אנטי-ארומטיים”, מסביר החוקר הראשי. חומרי המוצא המקרו-טבעתיים הכילו מספר קבוצות כימיות התורמות ליציבות של המולקולה. קבוצות אלו יכולות להיות מוסרות בשלב מאוחר יותר ולהפוך לקשרים אלקיניים (קשר משולש) על ידי הסרת קבוצות המיסוך. ניסיון ראשוני להשתמש בקבוצות מיסוך הדומות לאלו שבהן נעשה שימוש בסינתזה של טבעת 18 התבררו כבלתי יציבות מדי לחומר הנדרש. הגישה המוצלחת בסופו של דבר כללה מקרו-טבעת בעלת ארבע קבוצות של פחמן חד-חמצני ושתי קבוצות של אטומי ברום. בשלב הבא, חומר זה משוקע על גבי משטח נתרן כלוריד. בשלב הבא החוקרים השתמשו בזרם חשמלי על מנת להסיר את כל הקבוצות הללו ולקבל את התוצר הסופי הנדרש. 

שימוש במיקרוסקופ כוח אטומי אישש את המבנה של הטבעת המורכבת מקשרים יחידים ומשולשלים לסירוגין. החוקרים הצליחו גם לנתח את פיזור האלקטרונים בתוך האורביטלות המולקולאריות של המולקולה הניטרלית הכוללת 16 אטומי פחמן וכן את של האניונים שלה בעזרת מיקרוסקופ כוח אטומי ומיקרוסקופ מינהור סורק. מדידות אלו יחד עם חישובים תיאורטיים אימתו את ההשערה כי מצב היסוד האלקטרוני של המולקולה הוא אכן אנטי-ארומטי כפול. 

לאור כל הממצאים הללו המולקולה מספקת הזדמנויות חדשות לחקר ניסיוני של התיאוריות הכרוכות במבנים כאלו. “כימאים אורגניים אוהבים לדון ולהתווכח באשר לרעיון הארומטיות, והסינתזה יוצאת הדופן של טבעת 16 אנטי-ארומטית כפולה בוודאי תוליד מחלוקת ותובנות חדשות,” מסביר החוקר הראשי מאוניברסיטת אלברטה, קנדה.

משפחת הציקלו-פחמן צפויה לגדול עוד יותר בקרוב. קבוצת המחקר בסין כתבה כבר שלושה מאמרים חדשים הנמצאים כעת בביקורת עמיתים באשר לסינתזות של טבעות פחמן המורכבות מ- 6, 10, 12, 14 ו-20 אטומי פחמן בלבד. מאמרים אלו מכסים את מלוא הטווח של הטבעות הפחמניות שכעת מאמינים כי הן מספיק יציבות לשם מחקר. עם קשת רחבה של מולקולות חדשות לחקור אודותיהן, השלב הבא יהיה לבחון את התגובה שלהן אחת עם השנייה, ליצירת עוד שלל מולקולות חדשות. “פריצת הדרך הבאה בתחום זה תוכל להיות גילוי שיטות לשליטה על התגובה של מולקולות ציקלו-פחמן אחת עם השנייה ליצירת אלוטרופים נרחבים של פחמן”, אומר החוקר הראשי.

הידיעה אודות התגלית (באתר האגודה המלכותית לכימיה)

הפוסט חוקרים סינתזו טבעת פחמן יציבה C16, למרות שתיאורטית היא היתה אמורה להתפרק מיד הופיע לראשונה ב-Chiportal.

חוקרים ישראלים פיתחו שיטה חדשה לשליטה בתכונות המגנטיות של חומרים. השיטה האמורה שואבת השראה מתהליכי גידול מינרלים על ידי אורגניזמים בטבע. את המחקר שהתפרסם ב- Advanced Materials הובילו פרופ' בעז פוקרוי והדוקטורנט ערד לנג מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון והשתתפו בו חוקרים מהקריה למחקר גרעיני שבנגב ומ-ESRF (המכון האירופי לקרינת סינכרוטרון) בצרפת.

ביו-מינרלים הם מבנים הנוצרים בטבע כמעט על ידי כל בעלי החיים למגוון רחב של מטרות, למשל בניית העצמות התומכות בגופנו או הצדפה המגינה על הרכיכה שבתוכה. מבנים אלה מאופיינים ברובם בתכונות מכניות מעולות – קשה מאוד לשבור אותם. אחת הסיבות לכך היא העובדה כי בתוך המבנה האי-אורגני של המינרל משולבות מולקולות אורגניות (חלבונים), המשמשות מעין "דבק" ומונעות מסדקים להתקדם בתוך המינרל. בהשראת תופעה זו, חוקרים במעבדה של פרופ' בעז פוקרוי גידלו גבישים של המינרל מנגן-קרבונט (MnCO3) בנוכחות חומצות אמינו – אבני הבניין של החלבונים. מתברר שבדומה למה שקורה בטבע, גם בתהליך המלאכותי האמור מצליחות המולקולות האורגניות (חומצות האמינו) להשתלב במבנה הגבישי של המינרל. מולקולות אלה מרחיקות את יוני המנגן והקרבונט זה מזה ויוצרות עיוותים במבנה של הגביש המארח.

לאחר מכן מדדו החוקרים את התכונות המגנטיות של הגבישים שהתקבלו. במדידה, שנערכה בטמפרטורה נמוכה מאוד (2 K, בערך 270- מעלות צלזיוס), התברר כי החומר החדש (מנגן-קרבונט המכיל בתוכו את חומצות האמינו) מאופיין בהיענות מגנטית (magnetic susceptibility) גבוהה יותר משל החומר המקורי, כלומר, הוא מושפע בקלות רבה יותר מהפעלה של שדה מגנטי חיצוני. בנוסף, ככל שכמות חומצת האמינו שבחומר עולה, התגובה של החומר לשדה מתחזקת אף יותר. עוד התברר כי טמפרטורת הסף, שהיא הטמפרטורה המרבית שבה החומר מתנהג בצורה מגנטית (נקראת גם טמפרטורת ניל, Neel temperature), ירדה כתוצאה מהכנסת חומצות האמינו. הסיבה לשינויים אלה היא התרחקות האטומים זה מזה בתוך הגביש, הגורמת להיחלשות של האינטראקציות המגנטיות בתוכו, ובכך להשפעה חזקה יותר של השדה החיצוני.

מאמר זה מציג בפעם הראשונה את האפשרות לשליטה בתכונות מגנטיות של חומרים באמצעות שילוב מולקולות אורגניות (שאינן מגנטיות בעצמן). הוא מתווה את הדרך לשימוש במולקולות קטנות ולא רעילות לשינוי התכונות המגנטיות של מגוון רחב של חומרים המשמשים בתחומים רבים ובהם רפואה ומיקרואלקטרוניקה.

למאמר בכתב העת Advanced Materials 

הפוסט בהשראת הטבע: חוקרים שינו את התכונות המגנטיות של חומרים הופיע לראשונה ב-Chiportal.

פרס דן מידן לחקר הננו-מדע לשנת 2022 מטעם האוניברסיטה העברית מוענק לפרופ' ג'רילו-הררו מ-MIT על עבודתו החלוצית בתחום הננו-חומרים הדו-מימדיים הבנויים משכבות חד-אטומיות מוגדרות ומוכוונות. תרומותיו פורצות הדרך כוללות יצירה והבנה של מבנים דו-מימדיים טופולוגיים ומגנטיים, וגילוי של מוליכות-על ומצבים מתואמים בגרפן דו-שכבתי מוכוון בזווית קסם.

פרס דן מידן לחקר הננו-מדע מוענק מדי שנה למדען/ית מצטיין/נת בשלב של עד אמצע הקריירה, מישראל או מחו"ל, על הישגים האקדמיים יוצאי דופן בתחום הננומדע והננוטכנולוגיה ונבחר על-ידי ועדת הפרס: פרופ' אורי בנין (יו"ר, לשעבר מנהל מייסד של HUCNN), פרופ' אוריאל לוי (מנהל HUCNN) ופרופ' ראם סרי (סגן נשיא האוניברסיטה העברית למחקר ופיתוח).

פרופ' ג'רילו-הררו מצטרף לשורת חתני פרס דן מידן הקודמים: פרופ' יי צ'וי (2019), פרופ' עלי ג'ווי (2020), פרופ' מקסים ו' קובלנקו (2021) ופרופ' אנדריאה אלו (2021). פרופ' ג'רילו-הררו הוא חלוץ בהכנה ומחקר של מערכת גרפן דו-שכבתי מוכוון ב"זוית קסם". הוא מוביל עולמי במחקר של חומרים דו-מימדיים שמהם הכין מבנים שכבתיים מוכוונים. פרופ' ג'רילו-הררו הראה כי הזוית היחסית בין השכבות השונות יכולה לשנות את תכונות המבנה באופן בסיסי ומהותי. תרומותיו כוללות מחקר של מבנה הפסים עבור שכבות גרפן, מחקר תכונות מגנטיות של חומרים דו-מימדיים שכבתיים, גילוי של מצבים טופולוגיים ועוד.

בשנת 2018 פרסם עבודה מרעישה בה הצליח להכין מערכת של שתי שכבות של גרפן המוכוונות ביניהן בזוית קסם קטנה ומדויקת. בסדרת עבודותיו בתחום זה חשף עם שותפיו מצבים אלקטרוניים מתואמים במערכת זו וכן תכונות על-מוליכות מפתיעות. למעשה, נפתחה כאן חזית מחקר חדשה בתחום הננו-חומרים, הפיזיקה שלהם ותקנים ננומטריים שנגזרים מכך. כתוצאה מתגליות אלו, ניתן כעת לייצר טרנזיסטורים מבוססי מוליכי-על והתקנים נוספים שמהווים בסיס להתקנים לוגיים חדשניים.

התגליות גם הובילו למחקר פורה ומתפתח במהירות בתחום החומרים דו-מימדיים הנשלטים עם הרכבים שונים מעבר לגרפן. פרופ' ג'רילו-הררו זכה בפרס וולף בפיזיקה (2020) ובפרס בקלי. הוא פרסם מעל 110 עבודות שמצוטטות באופן נרחב. הוא ללא ספק אחד המדענים המובילים בעולם בתחום פיזיקת המצב המוצק וננו-פיזיקה.

פרס דן מידן לחקר הננו-מדע נוסד על-ידי האוניברסיטה העברית בשיתוף עם הידידים האמריקאים של האוניברסיטה העברית (AFHU) והתרומה הנדיבה שנתן ד"ר מידן, שמילא תפקיד מרכזי בהקמת היוזמה הלאומית הישראלית לננו-טכנולוגיה (INNI). ארגון זה סייע למצב את ישראל כמובילה בננו-טק והוביל להקמת 10 מרכזי ננו-טק בישראל.

מאז הקמתו בשנת 2001, המרכז לננו-מדע ולננו-טכנולוגיה באוניברסיטה העברית מטפח מחקר חוצה תחומים ברמה עולמית בתחומי כימיה, פיזיקה, הנדסה, מדעי החיים, חקלאות, רוקחות ורפואה ומאכלס מעל 100 קבוצות מחקר ויותר מ-600 M.סטודנטים לתואר מוסמך ודוקטורט. המרכז מאפשר למדענים, מהנדסים, ובעיקר לסטודנטים הטובים והמבריקים בישראל, לעבוד בחזית החדשנות הננו-טכנולוגית. ננו-מדעים וננוטכנולוגיה נמצאים בחזית המחקר הבסיסי והיישומי בתחומי מחקר אלה.

הפרס יוענק באירוע חגיגי שיתקיים במאי 2022 באוניברסיטה העברית.

הפוסט פרס דן מידן לחקר הננו-מדע לשנת 2022 מוענק פרופ' פבלו ג'רילו-הררו מהמחלקה לפיזיקה ב-MIT הופיע לראשונה ב-Chiportal.

טכנולוגיה שפיתחו חוקרים ב-MIT ובטכניון צפויה להוביל לקפיצת מדרגה ביעילותם של מכשירי רנטגן ומערכות CT ובמהירות פעולתם. במחקר שהתפרסם ב-Science שותף פרופ' עדו קמינר, ראש מעבדת AdQuanta ע"ש רוברט ורות מגיד.

גילוי קרני הרנטגן בשנת 1895 חולל שינוי דרמטי בעולם הרפואה. המצאתו של וויליאם רנטגן הובילה לשימוש בקרני רנטגן, הנקראות גם קרני X, במיפוי הרקמות הפנימיות של גוף האדם. אף שהרנטגן משמש בעיקר למיפוי מצבן של שיניים ועצמות, כיום נעשים בו שימושים אחרים ובהם איתור קרעים בשרירים וממוגרפיה של השד וכן שימושים לא רפואיים כגון בדיקת איכותם של רכיבי תעשייה שונים.

טכנולוגיית CT, שהומצאה רק ב-1972 – כמעט מאה שנה אחרי מכשיר הרנטגן הראשון – עושה שימוש מתוחכם יותר באותה קרינה; באמצעות עריכת צילומים רבים מזוויות שונות, וניתוחם הממוחשב, היא מספקת תמונה תלת-ממדית מורכבת של האזור הנסרק. ביישומים הרפואיים של רנטגן ו-CT משוגרות קרני רנטגן לתוך גופו של הנבדק ונקלטות בצד השני על ידי גלאים הקרויים סינטילטורים ("נצנצים" בעברית). גלאים אלה קולטים את הפוטונים עתירי האנרגיה של קרני הרנטגן וממירים אותם לפוטונים "רגילים" – קרינת אור בספקטרום הנראה. קרינה זו פוגעת בלוח צילום וכך מתקבלת התמונה הקלינית של פנים הגוף. תהליך דומה משמש גם במחקר מדעי (במיקרוסקופ אלקטרונים) ובאופטיקה (מערכות ראיית-לילה, למשל). אחד מצווארי הבקבוק בתהליך הסינטילציה הוא מיעוט הפוטונים שפולטים סינטילטורים כתוצאה מהפיזור שלהם לכלל הזוויות (נקרא פליטה איזוטרופית). בשל תופעה זו, חלק ניכר מפוטונים אלה אינם מגיעים ללוח הצילום והתוצאה היא רזולוציה נמוכה יחסית של התמונה המתקבלת. עקרונית אפשר לחפות על כך בהגברה משמעותית של קרינת הרנטגן, אולם נהוג להימנע מכך מסיבות ברורות – קרינה חזקה מסוכנת לתאי האדם, והיא מסוכנת במיוחד לילדים ואנשים העוברים סריקות אלה כדבר שבשיגרה.

עד כה, עיקר המאמץ בשיפור סינטילטורים התמקד בניסיון לבנות סינטילטורים מחומרים חדשים, אתגר שההתקדמויות בו הן מעטות ונדירות. קבוצת המחקר מMIT והטכניון נקטה גישה שונה: במקום לפתח חומרי סינטילציה חדשים, היא שינתה את פני השטח של החומרים הקיימים באופן המשפר את יעילותם. החוקרים מעריכים במאמר כי מדובר בשיפור של פי 10 ברזולוציה זו, אולם יתכן שזוהי הערכת חסר והשיפור הממשי קרוב יותר לפי 100.

את ההשראה לרעיון לשיפור הטכנולוגי האמור הגה יניב קורמן, דוקטורנט בפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע"ש ויטרבי העורך את מחקר הדוקטורט בהנחיית פרופ' עדו קמינר. במאמר שהתפרסם בקיץ 2020 ב-Physical Review Letters (ראו סיקור נוסף ב-Physics Today) הציגו השניים גישה חדשה בגילוי קרינת רנטגן – על ידי שיפורם של סינטילטורים מחומרים קיימים על ידי עיבוד החומרים בסקלה ננומטרית, המתואמת במיוחד לאורך הגל של אור הסינטילציה הנפלט מהם. באותו מאמר הדגישו השניים כי הצגה יישומית של המערכת עשויה לארוך זמן רב; בדיעבד מתברר כעת שתוך פחות משנתיים נבנתה המערכת הראשונה בשיתוף פעולה עם חוקרי MIT ובהובלתם.

אף שיידרשו עוד מחקרי המשך ומאמץ יישומי כדי להטמיע את הסינטילטורים המשופרים במערכות רפואיות של ממש, פרופ' קמינר מאמין כי השיטה שפיתח עם עמיתיו "תוביל לשיפור דרמטי באיכות התמונה המתקבלת תוך הפחתה משמעותית בחשיפת המטופל לקרינה – שתי מטרות מרכזיות בפיתוחן של טכנולוגיות אבחון חדשות מבוססות רנטגן. השיטה החדשה תשפר גם טכנולוגיות לא רפואיות המבוססות על יצירה וגילוי של קרינת רנטגן."

שני מדענים בעלי שם עולמי, שלא השתתפו במחקר האמור, התייחסו בהתלהבות לפרסום. "המאמר מציג הישג משמעותי מאוד," אמר פרופ' רג'יב גופטה, נוירו-רדיולוג ב-MGH (בית החולים הכללי במסצ'וסטס) ופרופסור בבית הספר לרפואה בהרווארד. "הוא מדגים את העובדה שהטכנולוגיה משפרת סריקות רנטגן פי 10, וגם אילו שיפרה אותן 'רק' פי שניים זו הייתה מהפכה של ממש בתחום זה." לדברי פרופ' אלי יבלונוביץ', מהנדס חשמל ומחשבים באוניברסיטת קליפורניה ברקלי, "אף שעוד צריך להדגים את יישומה של הגישה ביישומים רפואיים, מדובר כאן בעבודה מקורית ואיכותית מאוד בנושא שלא זכה לתשומת הלב הראויה: סינטילטורים המבוססים על גבישים פוטוניים."

במחקר שותפים חוקרי MIT פרופ' מרין סוליאצ'יץ', ניקולס ריברה, ושארל רוק-קארם.

למאמר ב- Science לחצו כאן

הפוסט טכנולוגיה שפיתחו חוקרים ב-MIT ובטכניון צפויה להוביל לקפיצת מדרגה ביעילותם של מכשירי רנטגן ומערכות CT הופיע לראשונה ב-Chiportal.

כנס בינלאומי מקוון בהשתתפות בכירי התעשייה והאקדמיה עסק בקידום טכנולוגיות פורצות דרך המשלבות את החומר גרפן (Graphene), העומד בבסיס אחת התגליות המשמעותיות עד כה במאה ה-21

 

הכנס הבינלאומי בהובלת מאגד הגרפן הישראלי של רשות החדשנות (The Israeli Graphene Consortium) נערך באופן מקוון ועסק בחומר העומד בבסיס אחת התגליות המשמעותיות ביותר עד כה במאה ה-21 ובעל השפעה רבה בפיזור חום במעגלים חשמליים ובהשגת ביצועים גבוהים גם בתחום תדר גבוה.

מאגד הגרפן הישראלי מקדם את השימוש בגרפן כחומר ייחודי וחדשני בתעשיית האלקטרוניקה, תוך מתן דגש על יישום גרפן במוצרים ותהליכי ייצור בתעשייה הישראלית.  בעשור האחרון גרפן מסתמן כאחד מהחומרים אשר צפויים להשפיע על ההתפתחות הטכנולוגית העולמית. גרפן הינה בעל פוטנציאל טכנולוגי משמעותי הודות לתכונותיו הייחודיות – יכולת הולכת חום והעברת מידע בקצב גבוה. יכולות אלו המתאימות ליישומים בתחום האלקטרוניקה.

הידע הייחודי שפותח באקדמיה הישראלית בתחום, מאפשר לממש את הפוטנציאל של גרפן לטובת פיתוח טכנולוגיות ומוצרים עתידיים – כאשר היישום של גרפן יאפשר להתגבר על המחסומים הקיימים בתעשייה, מעמידים את ישראל בחזית הטכנולוגיה ומהווים פריצת דרך עולמית ביכולת הניצול של תכונותיו הייחודיות של הגרפן בתעשיית האלקטרוניקה.

מניעת התחממות של רכיבים אלקטרוניים

פעילות המאגד מתמקדת בשני תחומים עיקריים: התחום הראשון הוא פיזור חום במעגלים חשמליים – אלמנט זה מונע התחממות יתר ומאפשר להקטין את מידת ההתחממות של נקודות קריטיות, כגון מעבדים ושבבים עתירי אנרגיה. התחום השני הוא העברת מידע בקצבים גבוהים – תחום זה צפוי לאפשר העברת מידע בקצב מהירים בהרבה מקיים ובכך להאיץ משמעותית את יכולות התקשורת במחשבים וחוות שרתים. פעילות הפיתוח צפויה לתרום למגוון רחב של שימושים טכנולוגיים המתבססים על מעגלים מודפסים, דוגמת: שימוש במציאות מדומה ורבודה בבית, מתן יכולת לשחק במשחקי מחשב בקצב מהיר וברזולוציה גבוהה, שימושי רובוטיקה ושימושי בינה מלאכותית מבוססת רשת.

המדען הראשי מטעם משרד הכלכלה ויו"ר דירקטוריון רשות החדשנות, ד"ר עמי אפלבאום, אמר: "מאגד הגרפן הוא אחד הדרכים של הרשות לקידום טכנולוגיה גנרית. אנו משלבים תעשייה, אקדמיה ומוסדות מחקר שונים, ובמקרים רבים אנו מחברים בין חברות מתחרות שבנסיבות אחרות לא היו משתפות פעולה. מה שאנו מנסים לעשות הוא קידום מחקר גדול יותר ומשמעותי יותר עבור כולם, ולהצליח יותר מאשר כל חברה הייתה עושה בנפרד שיתוף הפעולה הזה לא מובן מאליו. הגרפן הוא אחד החומרים המבטיחים וברגע שניקח אותו מהמעבדה לתעשייה, הוא ישפיע משמעותית על התעשיות האלקטרוניות. אני שמח שברקע הזמנים הקשים בעולם ובישראל עם הקורונה, המאגד מציג התקדמות ומקיים את האירוע החשוב הזה".

פעילות המאגד החלה בינואר 2020

מתאם הפעילות של מאגד הגרפן הישראלי, ענר שהם, אמר: "המאגד החל לאחר POC ב-2019 ואת פעילות המאגד התחלנו בינואר 2020. מטרתו העיקרית הוא הכנסת גרפן לשיפור מעגלים אלקטרוניים מודפסים. ישנם מחקרים רבים בעולם בתחום הגרפן ומדובר בנושא חם, ישנם תחומי מחקר רבים בתחום ופוטנציאל גבוה בתחומים רבים של הנדסה ומחקר ופיתוח. אנו מאמינים כי לגרפן ב-PCB תהיה השפעה נרחבת בתעשייה, ומאחר ובישראל יש ידע מחקרי רב בנושא, חשבנו שיהיה נכון ליישם ידע זה בתעשייה האלקטרוניקה הישראלית. אנו מתמקדים ב-3 תחומי פעילות: ניהול חום באמצעות שילוב שכבות גרפן דקות ועבות ב-PCB ושימוש בגרפן לציפוי מעגלים מודפסים, תמיכה במהירות גבוהה ותהליך תעשייתי".

גרפן חד שכבתי בקצב גידול גבוה

פרופ' רודני רואוף מהמכון הלאומי למדע וטכנולוגיה באולסן,  קוריאה הדרומית (UNIST), וחוקר בעל שם עולמי בתחום הגרפן שהיה הראשון לגדל את החומר בשיטת ה-CVD, פירט על המחקר שהוא מוביל בייצור גרפן ועל ייצור סגסוגות של נחושת וניקל עבור גידול גרפן. הוא ציין כי בתחום רחב של תנאים, ניתן להשיג גרפן חד שכבתי ללא תוספת שכבות וכי קצב הגדילה יכול להיות מהיר מאד. הוא חידד את הקשר שבין תכונות השטח לגידול גרפן. הוא תיאר כיצד גרפן דו שכבתי שגדל ב-CVD הפך לחומר יהלום חד שכבתי.

יו"ר מאגד הגרפן הישראלי וראש קבוצת פיתוח חומרה (Advanced Development Group) ב-NVIDIA, ד"ר אלעד מנטוביץ': "אנחנו חיים כיום בעידן בו צריכת המידע שצומחת בקצב אקספוננציאלי בכל מקום. ככל שאנו מנתחים יותר מידע, ניתן להפיק ממנו יותר תובנות שיכולות לשמש למגוון נרחב של שימושים ומוצרים. כאשר אנו בוחנים את האתגרים טכנולוגיים הקיימים בטכנולוגיות העברת המידע, ניתן לזהות שאחד האתגרים המשמעותיים הוא הפסדים במעגלים מודפסים בתדר גבוה. אחד הפתרונות המובילים עבור מתן מענה לאתגר זה הינו שימוש בגרפן. גרפן מהווה מעין 'גביע קדוש' שיוצר מרחב חדש של פתרונות המאפשרים לשמור על רמת ביצועים גבוהה תוך כדי הגדלת רוחב הפס של הכרטיסים האלקטרוניים – בהתאם לכך אחד הצירים הראשיים במאגד מתמקד בהעברת מידע בקצב גבוה. במסגרת פעילות המאגד אנו מכוונים לספק פתרון כולל אשר מאפשר התייחסות לכלל שרשרת האספקה הנחוצים. מתכנון, לייצור ובדיקת איכות המוצר המוגמר. מתן התייחסות לכלל שרשרת הייצור, מקצה לקצה, יאפשר אינטגרציה פשוטה של הנושא בעתיד לתוך הסביבה הטכנולוגית-עסקית והגעה מהירה לאינטגרציה מלאה של החומר מתקדם זה בתעשייה. אנו שמחים על תמיכתה המתמשכת של רשות החדשנות במאגד הגרפן אשר מאפשרת לקדם בצורה איכותית ומהירה את הטכנולוגיות החדשניות המפותחות במסגרת המאגד".

פתרונות הולכת חום

ה-CTO של חברת PCB Technologies, יעד אליה, דיבר על פתרונות הולכת חום עם גרפן ושילובו במעגלים מודפסים: "שני יתרונות משמעותיים ניתן להשיג בשימוש בגרפן בעיצוב מעגלים מודפסים. גרפן רב שכבתי הוא בעל מנגנון פיזור חום שיכול להוריד טמפרטורת רכיבים שמגיעה לרמה קריטית, וגרפן בשימוש מהיר ביישומים דיגיטליים יכול להפחית אובדן". עוד אמר אליה: "חברת PCB Technologies המתמחה בתכנון וייצור מעגלים מודפסים מתוחכמים, מרובי טכנולוגיות וזיוודם ברכיבים, לוקחת חלק פעיל במאגד גרפן של רשות החדשנות. הטמעת גרפן במעגלים מודפסים, תיתן מענה ייחודי למעגלים מהירים, HSD, ולמעגלי הספק לצורך פינוי ופיזור חום, בשל תכונותיו הייחודיות". אליה הציג סקירה רחבה לצורך הבנת האפליקציות, התהליכים וחומרי הגלם המיוחדים, בכדי לתת מענה לאותן מגבלות: פינוי חום ותדר גבוה. הסקירה כללה פתרונות ייחודיים לתעשיית התעופה והמכ"'מים   "PCB Technologies רואה חשיבות בהטמעת הגרפן במעגלי HSD, בכדי לשפר ביצועים, ולהפחית מגברים במעגלים ומערכות מורכבות", אמר אליה.

עוד במושב הראשון של הכנס, פרופ' אריאל ישמח מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב דיבר על המעבר של עבודה עם גרפן מהמעבדה לתעשייה.

במושב השני שנערך, פרופ' אנדריאה פרארי, מומחה עולמי ממרכז הגרפן של אוניברסיטת קיימברידג', דיבר על גרפן וחומרים שכבתיים בתחומי פוטוניקה ואופטו-אלקטרוניקה. הוא דיבר על צרכי תקשורת עתידיים, אפשרויות אופטיות, מודולטורים, חיישנים ועוד. פרופ' פרארי ציין כי עד 2025 טכנולוגיית 5G תהווה 45% מכלל הדאטה הניידת ו-74% מהמנויים הסלולאריים בצפון אמריקה. תנועה צפויה לגדול ב-31% בכל שנה בין 2019 ל-2025. הוא ציין כי לאחר ה—5G ה-6G ישלב בין 5G, בינה מלאכותית, ניתוח דאטה ו-IOT. הוא דיבר על התגברות מרכזי דאטה וצווארי בקבוק של אנטנות 5G על האתגרים ועל התפקיד של גרפן שיוכל להציג מגוון שיפורי ביצוע.

ד"ר משה בן-שלום מביה"ס לפיזיקה באוניברסיטת תל אביב דיבר במושב על מערכת פרו-אלקטרית המבוססת על החומר השכבתי בורון-ניטריד; ראש אגף PCB ב-NVIDIA, בועז אטיאס, דיבר על אתגרי עיצוב בורדים עם גרפן במעגלים מודפסים ופרופ' ארנסטו יוסלביץ' ממכון ויצמן למדע דיבר על אלקטרו-מכניקה של ננו-צינוריות פחמן.

ייצור המוני של גרפן למעגלים מודפסים

פרופ' דורון נוה מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת בר-אילן נעל את המושב ודיבר על ייצור המוני של גרפן עבור יישומי מעגלים מודפסים: "מאגד הגרפן הישראלי הציג את הכניסה של התעשייה הישראלית לטכנולוגיה המתקדמת המבוססת על גרפן, בתחום המעגלים המודפסים לתדר גבוהה". ההרצאה של פרופ׳ נוה סקרה את התקדמות המאגד בתחומים של פיתוח יכולת ייצור תעשייתית מקומית של גרפן באיכות גבוהה ואת השילוב של גרפן במעגלים מודפסים: "הגרפן מיועד להגביר את המוליכות החשמלית בתדר גבוהה של מעגלים וכן, את המוליכות התרמית – כדי לייעל את פינוי החום ואת פעולת המעגלים המודפסים. לשם כך, המאגד מפתח טכנולוגיות המבוססות על ציפוי בעובי גרפן חד-אטומי על נחושת וגם שכבות עבות של גרפן".

במושב השלישי, המנהלת המדעית של חברת Graphenea – מהחברות המובילות בתחום הגרפן בעולם ופועלת מספרד ומבוסטון, ד"ר אמאיה זורוטוזה, שדיברה על ייצור גרפן והשימוש בו בגלאים. בנוגע למעבר של ייצור גרפן מהמעבדה לתעשייה, אמרה: "תהליך ייצור בקנה מידה מדרגי הוא קריטי לשילוב המסחרי של גרפן. על הזרז שמזרז את ייצורו להיות בעל תכונות של מסיסות בפחמן, טהור, שטוח, חד-קריסטלי, ובעל אוריינטציה מועדפת". היא סקרה את שיטות ייצור הגרפן בהן נעשה שימוש בחברה, שיטות הניקוי בהן נעשה שימוש ועוד. בנוסף סקרה את השימוש בגרפן בטכנולוגיית חיישנים והאופן בו הוא מבוצע בחברה בין השאר ב-MEMS, פוטו-סנסורים, ביו-סנסורים ועוד. היא ציינה כי לגרפן יש פוטנציאל אדיר בתחומי הטלקומוניקציה, בריאות, מצלמות לילה ועוד.

פרופ' קוסטב בנרג'י מהמחלקה להנדסת חשמל באוניברסיטת קליפורניה, מומחה עולמי בהתקני ננו-אלקטרוניקה דיבר על הדור הבא של אינטגרציית חומרים שכבתיים באלקטרוניקה: "מאד חשוב, בכל משפחה חדשה של חומרים, למצוא שימושים. זה נכון גם לחומרים דו-ממדיים". פרופ' בנרג'י דיבר על התפתחות המהפכה התעשייתית הרביעית המתמקדת ב-IOT, וציין כי יצירת אנרגיה יעילה בעתיד תתבסס על חומרים דו-ממדיים. הוא סקר את מקומו של הגרפן במשפחת החומרים בזו כפי שעשה במחקרו מ-2016 וציין כי מדובר בחומר שמעורר התרגשות רבה. הוא ציין כי חומרים מוליכים למחצה דו-ממדיים מציעים מראש ערוצים דקים, עם מסה אפקטיבית, פער אנרגטי אסור יחסית גדול ועוד. הוא דימה חומרים תלת ממדיים לתפוחי אדמה וחומרים דו-ממדיים לבצל שמבחינת מבנה הם יותר שכבתיים, ותיאר את יתרונותיהם מבחינת מבנה, אלקטרוסטטיקה ווריאציות.

פרופ' ארן רגב מהמחלקה להנדסה כימית באוניברסיטת בן-גוריון בנגב דיבר על פתירת בעיות של נקודות חמות במעגלים ע"י שילוב ציפויים מבוססי גרפן; פרופ' אלעד קורן מהפקולטה להנדסת חומרים בטכניון דיבר על ננו-מניפולציה של מגעי גרפן דו-שכבתיים; פרופ' עילם ילון מהפקולטה להנדסת חשמל בטכניון דיבר על היבטים תרמיים של ננו-חומרים שכבתיים ופרופ' אלכסנדר באלנדין מהפקולטה להנדסת חשמל וחומרים באוניברסיטת קליפורניה ומומחה עולמי בהולכת חום בננו-חומרים דיבר על תכונות הולכת חום ייחודיות בגרפן לתרמיקה.

סמנכ"ל תשתית טכנולוגית ברשות החדשנות, אביב זאבי: "מאגד הגרפן נתמך על ידי רשות החדשנות כחלק מאסטרטגיית הרשות לתמיכה במו"פ בסיכון גבוה של טכנולוגיות עתידיות פורצות דרך. הפיתוח המשותף של האקדמיה הישראלית והתעשייה תקדמנה את תעשיית השבבים, המעגלים המודפסים והרכיבים החכמים הישראלית, לעבר העשור הבא, עם מוצרים טכנולוגיים מתקדמים שיוכלו להתחרות באיכותם בשוק העולמי".

הכנס בהובלת מאגד הגרפן הישראלי של רשות החדשנות התקיים בשיתוף PCB Technologies, NVIDIA, אלביט מערכות, אלישרא, סימטל, אוניברסיטת בר-אילן, הטכניון, אוניברסיטת בן-גוריון בנגב ואוניברסיטת תל אביב. המאגד הוקם ב-2019 בתמיכת רשות החדשנות וכחלק מתכנית "מגנ"ט" בהובלתה. המאגד פועל לקדם טכנולוגיות חדשניות ופורצות דרך המשלבות את החומר גרפן, שעל גילויו וגילוי התכונות המשויכות לו זכו החוקרים אנדריי גיים וקונסטנסטין נובוסלוב בפרס נובל לפיזיקה ב-2010. המאגד מבצע מחקר בחומרים ובתהליכים תעשייתיים חדשניים לטובת ייצור, העברה ושימוש בגרפן, בייצור תעשייתי בר קיימא. במאגד הגרפן הישראלי שותפות מובילות מהתעשייה והאקדמיה בישראל, הפועלות ביחד על מנת לפתח ולבחון טכנולוגיות מבוססות גרפן.

הפוסט "גרפן הוא הגביע הקדוש שיאפשר המשך החדשנות בענף השבבים" הופיע לראשונה ב-Chiportal.

[תרגום מאת ד"ר משה נחמני]

תמונת מיקרוסקופ מנהור סורק של ננו-רצועת גרפן מתכתית בפס-צר. הכתמים הלבנים מתייחסים לאורביטלות המאוכלסות באלקטרון יחיד שאורגנו באופן מוקפד לשם ייצור מצבים מוליכים ארוכי טווח. הרוחב של רצועה זו הוא 1.6 ננומטרים בלבד. [באדיבות: Daniel Rizzo מאוניברסיטת ברקלי]

צוות כימאים ופיזיקאים מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי הצליח לפתח את הכלי המתקדם ביותר בתחום הטרנזיסטורים – תיל מתכתי העשוי כול כולו מפחמן. "פעילות עם אותו החומר, כלומר חומרים מבוססי פחמן, הוא המאפשר לפתח את הטכנולוגיה הזו כעת", מסביר פליקס פישר, פרופסור לכימיה מאוניברסיטת ברקלי, תוך שהוא מוסיף ומסביר כי הייצור של כל רכיבי המעגל החשמלי מאותו חומר הופך את תהליך הייצור לפשוט וקל יותר.

תילים מתכתיים – בדומה לחוטים המתכתיים המשמשים לחיבור טרנזיסטורים בשבב מחשב – מעבירים זרם חשמלי מהתקן אחד להתקן שני וכן מחברים את הרכיבים המוליכים למחצה בתוך הטרנזיסטורים, אותם אבני בניין של מחשבים.

קבוצת המחקר מאוניברסיטת ברקלי חוקרת מזה שנים אחדות כיצד לייצר מוליכים למחצה ומבודדים מננו-רצועות גרפן, שהן פסים צרים וחד-ממדיים העשויים מגרפן חד-אטומי, מבנה המורכב כול כולו מאטומי פחמן בלבד המאורגנים בדפוס של משושים מחוברים, בדומה לגדר של לול תרנגולים.

המתכת החדשנית, המבוססת על פחמן בלבד, היא גם ננו-רצועת גרפן, אולם היא תוכננה כך שתוכל לשמש בעיקר עבור הזרמת אלקטרונים בין ננו-רצועות מוליכות למחצה בטרנזיסטורים העשויים מפחמן בלבד. ננו-רצועות המתכת נבנו על ידי צירופם יחדיו של אבני בניין קטנים יותר וזהים – בגישה של 'עיצוב מטה-מעלה', מציין אחד מהחוקרים. כל אחד מאבני הבניין תורם אלקטרון יחיד המסוגל לנוע באופן חופשי לאורך הננו-רצועה.

הגם שחומרים מבוססי פחמן אחרים – כגון יריעות דו-ממדיות נרחבות מגרפן וננו-צינורות פחמן – יכולים להיות מתכתיים, יש להם את החסרונות שלהם. עיצוב יריעה דו-ממדית לרצועות ננומטריות, לדוגמה, הופכת אותה באופן ספונטני לחומר מוליך למחצה, או אפילו, במקרים מסוימים, לחומר מבודד. ננו-צינורות פחמן, המהווים מוליכים מצוינים, לא ניתנים לייצור באותן רמות דיוק והדירות בכמויות גדולות. "ננו-רצועות מאפשרות לנו גישה כימית לטווח נרחב של מבנים המיוצרים בגישת מטה-מעלה, דבר שאינו אפשרי עדיין עם ננו-צינורות", מסביר החוקר. "עובדה זו אפשרה לנו למעשה לחבר אלקטרונים יחדיו לשם הייצור של ננו-רצועה מתכתית, דבר שלא נעשה בעבר. זהו אחד מהאתגרים הגדולים ביותר בתחום הטכנולוגיה של ננו-רצועת גרפן, והעובדה שאנו כה נרגשים באשר לממצאים שלנו".

"אנו סבורים כי התילים המתכתיים אכן מהווים פריצת דרך; זוהי הפעם הראשונה אי-פעם שאנו מסוגלים ליצור מוליך מתכתי צר במיוחד המתפקד בתור מוליך מעולה, וכל זאת מתוך חומרים המבוססים על פחמן בלבד, מבלי הצורך באילוח חיצוני", מסביר החוקר הראשי.

ממצאי המחקר פורסמו בכתב העת המדעי היוקרתי Science.

להודעה של אוניברסיטת קליפורניה בברקלי

הפוסט מעגלים חשמליים מפחמן מתכתי לשם פיתוח טרנזיסטורים מהירים ויעילים יותר הופיע לראשונה ב-Chiportal.

חוקרים בטכניון פיתחו שיטה חדשנית, בעלת דיוק גבוה, לאבחון קורונה ללא צורך בהגברת PCR. בשיטה זו מזוהה נוכחותו של נגיף SARS-CoV-2 בדגימה על סמך ספירה וכימות של מולקולות אר-אן-איי בודדות.

את המחקר שהתפרסם בכתב העת ACS Nano הובילו פרופ' עמית מלר והפוסט-דוקטורנטית ד"ר יאנה רוזבסקי והשתתפו בו ד"ר טל גלבוע, ד"ר קסנדר ון קוטן וד"ר דיאנה הוטנר – כולם חוקרים בפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון – ופרופ' אולריקה שטיין ממרכז מקס דלברוק לרפואה מולקולרית ומבית החולים שריטה בברלין.

בדיקת RT-qPCR, שהיא הבדיקה הנהוגה כיום באבחון Covid-19, מבוססת על שורה של שלבי הכנה ובהם איסוף הדגימה מהנבדק באמצעות מטוש, "פתיחה" של הנגיף כדי לחשוף את החומר הגנטי שבתוכו ומיצוי החומר הגנטי של האר-אן-איי. לאחר מכן מגיע שלב ה-RT, ובעברית "שעתוק לאחור", שבו מתורגמים רצפי האר-אן-איי לרצפי די-אן-איי, ואחריו שלב ה-PCR ("הגברה מעריכית") שמכפיל שוב ושוב את מולקולות הדי-אן-איי כדי להגיע לכמות המאפשרת דגימה שלהן בתמיסה וקביעה אם אכן מדובר בדי-אן-איי של SARS-CoV-2.

בדיקת RT-qPCR היא תהליך ממושך המצריך חומרים מיוחדים (ריאגנטים), ציוד מעבדה יקר ואנשי מקצוע מנוסים. יתר על כן, מחקרים שנערכו לאחרונה מעידים כי תוצאות הבדיקה עשויות להשתנות מיום ליום וכי בתהליך ההגברה המאסיבי עלולות להיווצר טעויות משמעותיות. זה הרקע למאמץ הכלל עולמי לפיתוח שיטות מהירות, זולות ומדויקות יותר. זהו אתגר מורכב מאוד כשלעצמו, והוא מורכב במיוחד כאשר מולקולות הנגיף מועטות ואינן תופסות חלק משמעותי בדגימה.

שיטת האבחון  שמציגה קבוצת המחקר של פרופ' מלר במאמר מבוססת על טכנולוגיה מקורית שהוא מפתח בעשור האחרון, טכנולוגיה שיעילותה כבר הודגמה בהקשרים רבים אחרים. מטרתה: single-molecule sensing, כלומר אבחון קליני על סמך אנליזה של מולקולות ביולוגיות בודדות, ללא צורך בדגימות גדולות המכילות העתקים רבים של אותה מולקולה. טכנולוגיה זו, שפותחה בין השאר לצורך אבחון תאי סרטן על סמך סמנים ביולוגיים, מבוססת על משיכת מולקולות ביולוגיות כגון די-אן-איי, באמצעות שדה חשמלי, לתוך חור ננומטרי המכיל חיישנים חשמליים או אופטיים. הפלט האלקטרוני עובר ניתוח חישובי המאפשר זיהוי וספירה ישירה ומיידית של המולקולות. גישה זו פותחת אפשרות למזעור מערכות החישה המולקולריות תוך שיפור הדיוק והאמינות של הבדיקות והרחבתן למקרים שבהם הגברת ה-PCR אינה יעילה או שהיא פוגעת במהימנות הבדיקה.

המאמר הנוכחי מציג יישומים של שיטה זו בשני הקשרים: איתור מולקולות אר-אן-איי המדווחות על היווצרות סרטן גרורתי ואבחון קורונה. בשני המקרים פיתחו החוקרים תהליך לפירוק אנזימטי של כל מולקולות הרקע מלבד מולקולות המטרה הרלוונטיות.  בהקשר הראשון הדגימו החוקרים את פוטנציאל השיטה לטובת גילוי מוקדם של סרטן גרורתי, וזאת על ידי כימות עוצמת ההתבטאות של MACC1 – אחד הגנים החיוניים למעבר למצב גרורתי. הודות לרגישותה הרבה הצליחה הטכניקה החדשה לכמת את התבטאות הגן במדויק בתאים סרטניים מתחילת המחלה – אתגר שטכנולוגיות מבוססות PCR  כשלו בו. למותר לציין שככל שהסמנים הגנטיים של מחלת הסרטן מתגלים בשלב מוקדם יותר, סיכויי הצלחת הטיפול גדלים מאוד.

בהקשר השני החוקרים כימתו באותה שיטה את מולקולות האר-אן-איי של נגיף SARS-CoV-2. השיטה המוצגת במאמר, RT-qNP, אינה השיטה הראשונה לאנליזה של מולקולה בודדת, אולם בניגוד לקודמותיה היא מייתרת תהליכים מקדימים המכניסים "רעש" וחוסר דיוק למערכת. שניים מתהליכים "מרעישים" אלה הם טיהור הדגימה, המוביל לאובדן של רוב הסמנים הביולוגיים המשמעותיים, והגברה של מולקולות הדי-אן-איי המובילה כאמור לשגיאות ולאבחון שגוי.

לדברי פרופ' מלר, "השיטה שלנו מאפשרת חישה כמותית של הביטוי הגנטי של המולקולה באמצעות התקן מבוסס ננו-חיישנים פשוט יחסית, ללא צורך בטיהור הדגימה וללא צורך בהגברה – תהליכים הפוגעים ברגישות הבדיקה ובמהימנותה. כפי שהראינו, הטכנולוגיה שלנו משמרת במשך כל התהליך את רמת הביטוי הגנטי של מולקולות האר-אן-איי המקוריות. כך מושגת אנליזה מדויקת יותר, החיונית בשני ההקשרים הנדונים – סרטן גרורתי ונגיף SARS-CoV-2."

עבור קבוצת המחקר של פרופ' מלר, המאמר הנוכחי הוא ציון דרך חשוב מאוד אולם אינו סוף פסוק. מערכת החישה המבוססת ננו-חרירים עתידה להפוך להתקן נייד ולייתר את השימוש בציוד מעבדתי מסורבל. המחקר ממשיך לאפיקים טכנולוגיים וקליניים בפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון תוך שיתוף פעולה עם בנק הדגימות (biobank) בקריה הרפואית רמב"ם. בה בעת נעשים צעדים למסחור הטכנולוגיה כדי להביאה בהקדם האפשרי לשימוש רחב.

המחקר נתמך על ידי האיחוד האירופי (מענק ERC במסגרת תוכנית Horizon 2020 של הנציבות האירופית למחקר באיחוד האירופי), קרן המדע הלאומית (ISF) ותוכנית SignGene התומכת במשתלמים לדוקטורט.

למאמר במגזין ACS NANO  לחצו כאן

הפוסט חוקרים בפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון פיתחו בדיקה מהירה ומדויקת לנוכחות נגיף Covid-19, המייתרת את השימוש בהגברת PCR הופיע לראשונה ב-Chiportal.

דוקטורנט בטכניון פיתח פולימר רך, גמיש ועמיד למים, שיודע לרפא את עצמו במקרה של "פציעות" כגון שריטה, חיתוך ופיתול. הדוקטורנט, מוחמד ח'טיב, השתמש בפולימר החדש לפיתוח פלטפורמות חישה מתקדמות המנטרות טמפרטורה, לחץ ורמת חומציות ועשויות להתאים למגוון יישומים בתחומים של רובוטיקה, פרוטזות והתקנים לבישים. הפלטפורמה החדשנית יודעת לתקן את עצמה לא רק ברמה המכנית – תיקון החתך ביריעת הפולימר – אלא גם בהיבטים פיזיקליים וכימיים כגון הולכת חשמל וחישה כימית.
ח'טיב, העורך את המחקר בפקולטה להנדסה כימית ע"ש וולפסון בהנחייתו של פרופ' חוסאם חאיק, הציג את הפיתוחים החדשניים בשני מאמרים בכתבי העת Advanced Materials ו-Advanced Functional Materials.

במשך מיליוני שנות אבולוציה התפתח עורם של היונקים לכדי פלטפורמת חישה המאופיינת מצד אחד ברגישות גבוהה לגירויים סביבתיים ומצד שני בעמידות רבה לתנאים עוינים ובהם לחות, מליחות, חום, מתיחה וקיפול. בהשראת העור הטבעי מושקעים מאמצים רבים בפיתוחם של חומרים והתקנים אלקטרוניים מלאכותיים בעלי תכונות דומות, וזאת בגלל הפוטנציאל היישומי העצום שלהם בתחומים כגון רובוטיקה רכה וממשקי אדם-מכונה.
מערכות כאלה מצריכות פיתוח של חומרים רכים שתפקודם אינם נפגע כתוצאה מעיוותים וחתכים. הבעיה היא שחומרים רכים נוטים להיפגע, גם מבחינה תפקודית, לאורך זמן. מכאן נובעת המוטיבציה המחקרית לפיתוחם של חומרים חדשים ושל מערכות חדשות שיודעים לרפא את עצמם, ממש כמו עור האדם לאחר פציעה.

הפרויקט הראשון של ח'טיב, המוצג בכתב העת Advanced Functional Materials, מתאר את התכנון, הבנייה והיישום של אלסטומר – פולימר גמיש ובר מתיחה – בעל תכונות ייחודיות. האלסטומר החדש הוא חומר הידרופובי (דוחה מים) חזק וגמיש מאוד, שיכול להימתח ל-1,000% מאורכו הראשוני בלי להיקרע. אחת מתכונותיו הייחודיות היא האיחוי העצמי – יכולת הנשמרת גם כשהוא מושרה במי ברז, במי ים ובמים עם ערכי חומציות שונות. לאלסטומר זה פוטנציאל יישומי רב בפיתוח התקנים אלקטרוניים רכים ודינמיים הבאים במגע עם מים. במקרה שהפגיעה המכנית בפולימר מתרחשת כשהוא טבול במים, הוא יודע לתקן את עצמו ולמנוע זרמי זליגה, כלומר אובדן זרם מההתקן למים.

ח'טיב ניצל את התכונות המבטיחות של הפולימר החדש לפיתוחו של עור אלקטרוני מלאכותי – פרויקט שהוא מציג בכתב העת Advanced Materials. במבנה זהו משולבות תכונות ויכולות רבות ובהן חישה סלקטיבית, עמידות למים, ניטור עצמי ותיקון עצמי. העור המלאכותי מכיל מערך חישה המורכב מחומרים ננומטריים ומנטר בצורה סלקטיבית ובו-זמנית משתנים סביבתיים שונים ובהם לחץ, טמפרטורה וחומציות. לבסוף, בהשראת ריפוי הפצעים בעור האדם, שילב ח'טיב בעור המלאכותי מערכת חדשנית לריפוי עצמי אוטונומי. מערכת זאת מורכבת מרכיבים דמויי-נוירונים, המנטרים נזקים בחלקים האלקטרוניים במערכת, ומרכיבים אחרים המזרזים את הריפוי העצמי במקומות הפגועים. מנגנון זה של תיקון עצמי יאפשר למערכות אלקטרוניות חכמות לבצע ניטור-עצמי של פעילותן ולתקן תקלות תפקודיות הנגרמות מנזקים מכניים.

לדברי ח'טיב, "פלטפורמת החישה החדשה היא מערכת אוניברסלית המפגינה תפקוד יציב בסביבה יבשה או מימית, והיא יכולה להכיל סוגים נוספים של חיישנים כימיים ופיזיקליים (חשמליים). שני הפרויקטים שפרסמנו סוללים דרכים חדשות ואסטרטגיות חדשות לפיתוח אלקטרוניקה בהשראת העור, שתוכל להשתלב בהתקנים לבישים ובהתקני עור אלקטרוני בהקשרים כגון רובוטים מתקדמים ואיברים מלאכותיים."

במחקר שותפים מנהל המעבדה ולאא סליבא, החוקר אור זוהר שעבד על פיתוח החיישנים ואפיונם ופרופ' שמחה סרבניק שעבדה על סימולציות מולקולריות המדגימות את יכולותיו של הפולימר החדש.

המחקר נערך בתמיכת קרן ביל ומלינדה גייטס ובסיוע מענק לפרויקט A-Patch (במסגרת תוכנית Horizon 2020).

מוחמד ח'טיב השלים בטכניון תואר ראשון בהנדסה ביוכימית והמשיך לדוקטורט במסלול מיוחד שבו הוא התמחה בפיתוח חומרים והתקני חישה מתקדמים המדמים עור. בשבועות הקרובים הוא יסיים את הדוקטורט בפקולטה להנדסה כימית ע"ש וולפסון, ובכוונתו לעבור בקרוב לאוניברסיטת סטנפורד לפוסט-דוקטורט.

מנהל קבוצת המחקר פרופ' חוסאם חאיק, מומחה בניטור רפואי מבוסס חיישנים, הוא ראש המעבדה להתקנים מבוססי ננו-חומרים בפקולטה להנדסה כימית ע"ש וולפסון, חבר במכון ראסל ברי לננוטכנולוגיה, סגן המשנה הבכיר לשוויון הזדמנויות ודיקן לימודי הסמכה בטכניון.

למאמר ב- Advanced Materials

למאמר ב- Advanced Functional Materials

הפוסט דוקטורנט בטכניון פיתח עור אלקטרוני מלאכותי המנטר בדיוק רב משתנים פיזיקליים וכימיים שונים הופיע לראשונה ב-Chiportal.