ננוטכנולוגיה

לננו-צינוריות פחמן יציבות כימית רבה. לפיכך אני לא צופה השפעה כל שהיא לקרני השמש עליהן.

כל טוּב,

אישי טלמון

פרופ' ישעיהו טלמון
הנדסה כימית
הטכניון

יש מגוון לא קטן של מוצרי ננוטכנולוגיה המשמשים אותנו ביום יום; בדים שדוחים מים ודוחים כתמים. חומר צבע לבניינים המקנה להם יכולת ניקוי עצמי עם מעט מאוד מי גשם, כך שצבעם וניקיונם נשמר לאורך שנים. ספריי לציפוי שמשת הרכב המאפשר דחיית מים בימים שטופי גשם, ומאפשר ראות טובה יותר בזמן הנהיגה. שלושת המוצרים האחרונים מבוססים על אפקט הלוטוס. ספריי לציפוי החלק הפנימי של שמשת הרכב, שדוחה יצירת אדים על גבי השמשה. גרביים שלא מפתחות ריח רע לאחר יום שלם של לבישה, בזכות ננו חלקיקי כסף שהוכנסו לבד ומשמשים כקוטלי חיידקים. טכנולוגיות ה-LCD וה-LED שנכנסו בשנים האחרונות לשוק המסכים מבוססות על ננוטכנולוגיה. בתחום הרפואה והתרופות יש מגוון גדול של מוצרים שחלקם עדיין בפיתוח. יש פיתוחים המתבססים על שכבות דקות ננומטריות העוטפות את התרופה, ומקנות לה יכולת שחרור מבוקר ואיטי בגוף. בתחום הנדסת הרקמות יש פיתוחים בנושא הכנת רקמת עור לצורכי השתלה בתהליכי ייצור ננומטרים. בתחום הקוסמטיקה פותח קרם הגנה מפני השמש שהוא חסר צבע, הודות לשימוש בננו-חלקיקי תחמוצת האבץ. כמובן שאלו רק מעט מהמוצרים שקיימים בשוק.

פרופ' ישעיהו טלמון ודוקטורנטית סיון פרל
הנדסה כימית
הטכניון

הפחמן בטבע מצוי במס' צורות אלוטרופיות (אלוטרופיות היא תכונה של יסודות בטבע שמופיעים ביותר מצורה או סידור מבני אחד, כלומר האטומים קשורים אחד לשני באופן שונה בכל צורה אלוטרופית של היסוד). הצורות המוכרות הן גרפיט או יהלום, אך יש צורות נוספות. חודו של עפרון מכיל גרפיט (graphite). הגרפיט מורכבת מהרבה שכבות של גרפן (graphene). כל שכבת גרפן מכילה אטומי פחמן הקשורים זה לזה בצורה של משושים, כמו כוורת דבורים. למעשה, כשאנו כותבים בעפרון אנחנו מורחים על הדף מס' שכבות קטן מאוד של גרפן. אם נסגור את הגרפן על עצמו, לצורת גליל, נקבל ננו-צינוריות פחמן (carbon nanotubes). כשמגלגלים את הגרפן וסוגרים אותו לננו-צינורית (באוריינטציה מסוימת) מקבלים מוליכות חשמלית מאוד גבוהה, כמו של מתכת. קוטרם של הננו-צינוריות הוא ננומטר או שניים ואורכם מגיע עד למס' מיקרומטרים או יותר. הפיזיקאי היפני Sumio Iijima, הוא זה שמייחסים אליו את גילוי ננו-צינוריות הפחמן (ב- 1991), למרות שהדיווח הראשון של ננו-צינוריות הפחמן היה בשנת 1952 (והוא התאפשר בזכות המצאת ה- TEM ב- 1931). סביר להניח שעוד לפני כן הצליחו לייצר ננו-צינוריות פחמן, אבל לא הייתה דרך להבחין בהן.

פרופ' ישעיהו טלמון ודוקטורנטית סיון פרל
הנדסה כימית
הטכניון

טבעת זהב היא צהובה ומבריקה, ניתכת ב- C°1063 ומוליכה חשמל. אם נחתוך את הטבעת לשתי חתיכות אז הן יתנהגו כמו זהב רגיל. אם נחתוך להרבה חתיכות, הזהב עדיין יתנהג רגיל. אפילו כשהוא בגודל של גרגר חול תכונותיו המוכרות עדיין יישמרו. אך אם החתיכה הקטנה של הזהב תיחתך לעוד הרבה חתיכות קטנות עד שגודלם יהיה מתחת ל-100 ננומטר, תכונות הזהב יחלו להשתנות. צבעו של זהב בגודל של 20~ ננומטר הוא אדום. הצבע יכול להשתנות כתלות בגודל ובצורה. ננו-חלקיקי זהב יכולים להיות בעלי צבע כחול, סגול, ורוד, אדום, ירוק ועוד. השינוי בצבע נגרם מכיוון שהחומר מגיב עם אור בצורה שונה בסקלה ננומטרית לעומת סקלה מאקרוסקופית (כאשר החומר הוא בגודל שנראה לעין בלתי מצויידת). השינוי בצבע נובע מתופעה הנקראת Plasmon resonance תהודה פלסמונית. כשיורדים לגדלים ננומטרים האינטראקציה של מתכת עם אור משתנה בהשוואה למתכת בגודל שניתן לראותו בעין לא מצוידת. בחתיכת מתכת גדולה חלק מהאלקטרונים חופשיים לנוע ולא קשורים לגרעין אחד או לאטום אחד. מנקודת מבט אלקטרונית, הגוש מתכת נראה כ"ים של אלקטרונים". כשמקטינים את המתכת לגודל ננומטרי, החופשיות של האלקטרונים יורדת והם נעים בתנועה מסונכרנת קדימה ואחורה בשטח הפנים של הננו-חלקיק המתכתי. בתנועה שכזו הם יוצרים בחומר דיפול זמני הגורם לאינטראקציה מיוחדת עם האור.חלק מקרני האור מתקדמות לצידי המשטח המתכתי הננומטרי, ומעוררות את הפלסמון כך שהוא נמצא בתהודה עם האור. תהליך זה מתרחש כשתדירות התנודות של הפלסמון (השיעור שבו האלקטרונים זזים קדימה ואחורה) שווה לתדירות האור שגורמת לתנודות אלו. האלקטרונים שמתנודדים פולטים אור באותה התדירות, ומייצרים את הצבע שאנו רואים.

פרופ' ישעיהו טלמון ודוקטורנטית סיון פרל
הנדסה כימית
הטכניון

זהו מכשיר המסוגל לבצע הדמיית משטחים בעזרת סריקת המשטח עם גשש המכיל קצה חד מאוד (טיפ) בגודל ננומטרי בקצהו. קרן לייזר הפוגעת בחלק שמעל הטיפ מוחזרת לגלאי, ומשנה את מיקומה על גבי הגלאי בהתאם לתנועת הטיפ על גבי המשטח הנסרק. בליטה או בור במשטח יגרמו לקרן הלייזר לשנות את מיקומה, ובהתאם לכך ניתן יהיה לדעת מהי הטופוגרפיה של המשטח ברזולוציה ננומטרית. ניתן לסרוק את המשטח במספר שיטות. שיטה נפוצה היא ע"י שמירת כוח קבוע בין המשטח לטיפ. כשהטיפ מתקרב מספיק למשטח, יש משיכה או דחייה ביניהם (בהתאם לחומר הנסרק). אם סורקים את פני השטח ושומרים על כוח קבוע הפועל בין המשטח לטיפ, אז יתקבל מרחק קבוע שנשמר בין המשטח לטיפ, כך שקרן הלייזר תישמר במקום קבוע על הגלאי. לכן המשטח יזוז מעלה או מטה בהתאם לבליטות או לבורות. לפי תזוזת המשטח ניתן יהיה לדעת איך נראים פני השטח.

פרופ' ישעיהו טלמון ודוקטורנטית סיון פרל
הנדסה כימית
הטכניון

ננוטכנולוגיה אינה תחום חדש במדע ובטבע. הכלים החדשים והטכנולוגיות החדשות כגון מיקרוסקופים מאוד מתוחכמים, מאפשרים לחוקרים "לראות" מה קורה בסקלה ננומטרית ולחקור תופעות שעד כה היו נסתרות מעיננו. תכונות החומרים משתנות באופן משמעותי כשמקטינים את החומר לגודל ננומטרי. במערכות ננומטריות, אפקטים קוונטים הם אלו שקובעים את התנהגות ותכונות המערכת והחומר. תכונות רבות יכולות להשתנות במערכות ננומטריות לעומת מקבילותיהן המאקרוסקופיות (מערכות שניתן למדוד ולראות בעין). למשל, התכונות האופטיות (צבע החומר, פלורסנציה), התכונות החשמליות (מוליכות החומר), התכונות המכניות (חוזק, פריכות), התכונות הפיזיקליות והכימיות (נקודת ההתכה, מגנטיות, ראקטיביות) ועוד...

פרופ' ישעיהו טלמון ודוקטורנטית סיון פרל
הנדסה כימית
הטכניון

ננוטכנולוגיה וננו-מדעים הם האופן והשליטה בקבוצת אטומים או מולקולות קטנה לבניית חומר חדש עם תכונות ייחודיות ובעל שימושים חדשניים. הננוטכנולוגיה מהווה בסיס להמצאות חשובות וחדשות בתחומים כמו אלקטרוניקה, אנרגיה, רפואה, אופטיקה, צבא ועוד. בננוטכנולוגיה משתמשים באבני הבניין הקטנות ביותר בעולם החומרים - האטומים והמולקולות. בעשורים האחרונים פותחו שיטות ומכשירים שונים שבעזרתם ניתן "לראות", להזיז, ולבנות ננו-מבנים. היכולת לראות חומרים בגודל ננומטרי פתחה עולם שטומן בתוכו אפשרויות רבות.

פרופ' ישעיהו טלמון ודוקטורנטית סיון פרל
הנדסה כימית
הטכניון

בטבע יש אינספור חומרים ננומטרים. בכל תא בגופנו יש מבנים ננומטרים. לדוגמה: ממברנת התא המקיפה את התאים היא בעלת עובי ננומטרי. המולקולות המכילות את המידע התורשתי, מולקולות הדנ"א, בעלות קוטר של בערך 2 ננומטר. חלבוני התא יוצרים מבנים ננומטרים. יש לא מעט חיות ויצורים בטבע משתמשים בטכנולוגיות ננומטריות על מנת להתקיים. למשל, רגלה של השממית מורכבת מהמון שעריות ננומטריות, שמעניקות לה את היכולת להלך על התקרה מבלי ליפול. כנפי הפרפר בוהקות בצבעים מרהיבים עקב מבנה מיוחד המכיל שקערוריות בקוטר מיקרומטרי. אזורים ננומטרים בשקערוריות אלו יוצרים אינטראקציה מיוחדת עם האור ולכן נוצרים הצבעים המרהיבים הללו. עלי פרח הלוטוס הנקיים, הגדלים בסביבה ביצתית, הם דוגמה נוספת לכך. העלים מכוסים בשכבת וקס המכילה מבנים קונוסים ננומטרים הפרוסים על פני העלים, ומאפשרים את דחיית המים ויכולת הניקוי העצמי של הפרח. יש עוד דוגמאות נוספות ורבות של ננוטכנולוגיה מהטבע.

פרופ' ישעיהו טלמון ודוקטורנטית סיון פרל
הנדסה כימית
הטכניון

ננומטר זוהי יחידת אורך השווה למיליארדית המטר או מיליונית המילימטר. הקידומת "ננו" מקורה במילה היוונית "ננוס" שפירושה בעברית "ננס" או קטן מאד. קוטרה של שערת אדם הוא בערך 50,000 ננומטר. אורכם של 6 אטומי פחמן, המחוברים זה לזה בשורה, הוא 1 ננומטר. קוטרם של תאי דם אדומים הוא בערך 8000 ננומטר. בעזרת יחידת אורך זו אפשר לציין את גודלם של עצמים קטנים מאוד.

פרופ' ישעיהו טלמון ודוקטורנטית סיון פרל
הנדסה כימית
הטכניון

שלום נאוה,

כן בהחלט, המחלה העיקרית שהמחקר רלוונטי לגביה היא Retinitis Pigmentosa  או RP, שהיא אחת המחלות הניווניות של הרשתית החיצונית.  אני מבקש להדגיש שהמערכת שלנו עדיין בשלב מוקדם של ניסויים בחיות קטנות וקשה מאוד להעריך מתי יהיה רלוונטי לבני אדם עיוורים.

בברכה, שי שהם

פרופ' שי שהם

הטכניון

שלום רב,

הנך מעלה בעיה חשובה בתעשיה מתחום הקורוזיה הבקטריאלית.

משטחים שונים נתקפים בקורוזיה כזו אם באופן ישיר ע"י החיידקים או אם באופן עקיף ע"י תוצרי לוואי שפולטים החיידים (כמו הפרשות חומציות) שגורמים לקורוזיה.

לפני שמתחילים להשיב על שאלה זו צריך לבדוק מה גורם לחיידקים להתיישב על המשטח ולהעדיף מצע זה או אחר. לעיתים מדובר על יחסי גומלין ביוטיים עם גורם שלישי. יכול להיות אפילו סמביוזה. למשל- עובש שגדל על המשטח ועליו מתיישבים החיידקים. בכל אופן, ישנן שתי צורות של גידול - (1) חיידקים אשר משתמשים במצע רק כבית גידול וניזונים ממקורות חיצוניים (כמו יסודות שבאוויר), או (2) חיידקים שניזונים ממנראלים המצויים במצע עצמו.

בכל אופן, פלסטיק ועץ נחשבים לחומרים בעלי מרכיבים אורגניים (לכן גם משוייכים לכימיה האורגנית) המרכיבים של עץ או פלסטיק הם בעיקר פחמן-מימן-חמצן וכו'. מרכיבים אורגניים. לעומת זאת מתכת, במיוחד נירוסטה, האחוז האורני הינו מזערי. נירוסטה מכילה, בדרך כלל, פחות מ- 0.08% פחמן....

לגבי משטח קוואזי-קריסטליני (ובהחלט ניתן ליצור כיום משטח כזה) - זה דומה לחומר לא אורגני כמו מתכת. למרות שמדובר על תרכובות מבוססות מתכת.

אולם, לדעתי, העניין קשור יותר לטיב פני השטח, כמו דרגת החיספוס וניקיון פני השטח יותר מאשר סוג החומר המתכתי.

בברכה

ד"ר עוז גולן

מכללת אפקה להנדסה בתל-אביב

שלום

פתרון יכול לבוא לאו דווקא מננוטכנולוגיה. ההדבקה תלויה באינטרקציית האבקה עם פני השטח. בדרך כלל הפיכת המשטח להידרופובי יכולה לעזור. לדוגמא, להשתמש בכלי עשוי טלפון

כל טוב

שלמה מגדסי

פרופ' שלמה מגדסי
המכון לכימיה - המרכז לננוטכנולוגיה
האוניברסיטה העברית