תכירו: חומרים ננו מרוכבים, בעלי יכולת חישה ותיקון עצמי

"אם נוכל להבין את היכולות האמיתיות של חומרים נוכל לעשות איתם דברים מדהימים: מטוסים שיתריעו כשהם עומדים להתעייף, סוללות קלות שיכולות לאגור מספיק חשמל לכביש חוצה-ישראל, הדפסת מעגלים אלקטרוניים בשלושה מימדים ושבבים שמדמים איברי גוף" כך מסבירה ד"ר נעה לכמן-סנש, מהמחלקה למדע והנדסה של חומרים בפקולטה להנדסה של אוניברסיטת ת"א, העוסקת בעיקר בחקר חומרים מרוכבים (בדגש על ננו-צינוריות פחמן במטריצה פולימרית), כולל מדידת תכונות מכאניות וחשמליות שלהם.

חומרים מרוכבים הם חומרים המכילים לפחות שני אלמנטים, היוצרים יחדיו חומר חדש השונה בתכונותיו מהחומרים שיוצרים אותו. חומרים מרוכבים משמשים בעיקר ליישומים הנדסיים או מבניים – שם משלבים חומר בעל תפקיד ייעודי ספציפי עם חומר בעל תפקיד ייעודי אחר, וכך ניתן לייצר איתם חומר עם התכונות המבוקשות. החומרים השונים נשארים מופרדים גם לאחר יצירת החומר המרוכב וניתן להבחין בהם במוצר המוגמר.

מה הקשר בין גרביונים שחורים לחומרים ננו-מרוכבים?

חומרים ננו-מרוכבים - חומרים מרוכבים שלפחות אחד האלמנטים בהם הוא בגודל ננומטרי - הם קבוצת חומרים בעלי פוטנציאל אדיר להיות "חומרים חכמים" - בעלי יכולת חישה עצמית, תיקון עצמי, או אפילו "סתם" בעלי שטח פנים גדול במיוחד. תכונות אלה שימושיות במיוחד בתעשיות ביו-רפואיות, אנרגיה או אווירונאוטיקה. דמיינו למשל מטוס עם כנפיים מתקפלות - בלי צירים!, או תחבושת שיכולה גם לעצור את הדם וגם למנוע זיהומים.

אלא שתכנון נכון של "חומרים חכמים" כאלה דורש תשומת לב מיוחדת להבדל בין תכונות ברמת המאקרו לתכונות ברמה הננומטרית. למשל - ככל שיורדים בגודל, כח המשיכה הופך זניח, אבל מתח פנים הוא מאוד משמעותי. גם למבנה הפנימי של החומר יש השפעה -  אם ניקח גרביונים שחורים דקים ונחזיק אותם סתם ביד, הם יהיו מאוד שחורים. כדי לדעת מה יהיה הצבע האמיתי שלהם על הרגל, נמתח אותם. הסיבים קצת מתרחקים אחד מהשני, והאריג כולו פחות צפוף, כך שהצבע משתנה. בחומרים ננו-מרוכבים זה קצת יותר מסובך, כי בין הסיבים יש חומר מוצק, שלא "רוצה" לתת להם להתרחק, ואז נכנסת למשחק גם האינטראקציה בין הסיבים לחומר שמאגד אותם. עכשיו אפשר לשאול שאלות מעניינות כמו: מה קורה אם כל הסיבים באותו הכיוון? מה קורה אם לא? ואם אלה בכלל לא סיבים אלא כדורים קטנים? אם הם מסודרים בדוגמה ספציפית (פרחים?) או בדוגמה אחרת (ריבועים?)? מה יקרה אם נשנה את האינטראקציה ונשאיר את כל השאר אותו דבר?

השימושים בחומרים חכמים בהווה ובעתיד

"אנחנו מפתחים שיטות למדוד תכונות מכניות ואלקטרו-מכניות של חומרים ננו-מרוכבים ברזולוציה ננומטרית, תוך כדי שאנו בוחנים אותם במיקרוסקופ אלקטרונים חודר. השיטות האלה יאפשרו לנו לא רק למדוד כמה כח צריך להפעיל על החומר, ואיך הוא נראה, אלא גם איך המבנה שלו משתנה בתגובה לכוחות הפועלים עליו ולמה. אחר כך נוכל להשתמש בנתונים האלה כדי לתכנן ננו-מכונות, ננו-מכשירים רפואיים, ואולי אפילו חומרים חכמים בקנה מידה גדול" כך מסבירה ד"ר לכמן

הדחף המתמיד לשפר את החומרים שמסביבנו קיים בכל ענף, כולל בעולם הרפואה: חומרים זוכרי-צורה (תחום הנחקר כבר היום במעבדה של פרופ' אליעז) שפותחים סתימות בעורקים – מה אם הם יוכלו גם למנוע מפלאק להצטבר באופן אקטיבי? חומרים ביולוגיים כמו קולגן – מה אם נוכל להדפיס מהם "טלאים" לאברי גוף? (תחום הנחקר ע"י פרופ' טל דביר) כבר יש מצלמות שאפשר לבלוע – מה אם נוכל לפתח עוד מכשירים ממוזערים?

למתוח, לדחוס, לכופף ולשבור

ישנן דרכים שונות לגלות את היכולות האמיתיות של החומרים. יש מכשירים שמנסים למתוח, לדחוס, לכופף ולשבור חומר, כאלה שמעבירים זרם חשמלי ובודקים התנגדות, כאלה שמחממים ומודדים את קצב החימום ואיך הוא משתנה. במעבדה של ד"ר לכמן, למדידות ברזולוציה ננומטרית, יש מכשיר שיודע בעיקר "לדחוף אצבע" בעדינות לתוך החומר, ולבדוק כמה כח הוא צריך להפעיל כדי לזוז. "שני דברים מיוחדים במכשיר הזה: ה"אצבע" הזאת יכולה גם להוליך חשמל – מה שיאפשר לנו למדוד תגובה חשמלית לכח מכני (ולהיפך), והמכשיר כולו יכול להכנס לתוך מיקרוסקופ אלקטרונים חודר – מה שמאפשר  ממש לראות איך החומר מתכופף, נמתח או נשבר" לדברי ד"ר לכמן.

בנימה אישית - הקסם שבחומר

- "מדוע בחרת דווקא במחקר תכונות של חומרים?"

"זה קצת כמו קסם: לוקחים שני חומרים, מערבבים אותם בדרך מאוד מסוימת, ומקבלים משהו שלא היה קודם. ואז מערבבים את אותם חומרים בדרך אחרת – ומקבלים משהו בכלל לא דומה. אם אני יודעת מראש אילו חומרים לקחת ואיך לערבב אותם – אולי אני אוכל בסוף לקבל בדיוק את החומר שאני צריכה כדי לבצע משימה, שלפני שהיה החומר הזה היא הייתה בלתי אפשרית.

- פריצת דרך אמיתית בתחום הננו-מכניקה?

פרויקט המדידות ברזולוציה ננומטרית הוא ניסיון לפריצת דרך ביכולת למדוד ולכוונן צימודים של תכונות: התנהגות מכנית בתגובה לגירוי חשמלי, או אופטי. או שינוי תכונות אופטיות בתגובה לגירוי מכני – כמו מה שקורה לגרביונים, רק בננו."

הכנסו ללינק ללמוד עוד על המחקרים של ד"ר לכמן-סנש

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה הפתרון