קטגוריות:

בחר הכל

ברכות

כנס

מחקר

מחקר בפקולטה

פוקוס

חדשות

NEWS

מה מעניין אותך?

כל הנושאים
Advanced chemical oxidation processes
AI
Beetles
Bioelectronics
Biomedical
Biomimetics
Biomimicry
chemical oxidation
CO2 storage
Cyber Security
Deep learning
drone
environment
Environmental implications
exotic mechanics
Geophysical and environmental fluid dynamics
groundwater
Health
Hemodynamics and Biomechanics
Interfacial Phenomena
Machine Learning
materials for water
Mechanical Engineering
Metamaterials
Molecular Electronics
Nanoelectronics
nanomaterials
Nanophotonics
nanotechnologies
Nonlinear optics
numerical modelling
Numerical models
oil and natural gas
optical nanosensors
Optics
Radio Physics and Engineering
Remote sensing of waves
Self-Assembled Monolayers
Smart Biomedical Materials
Social Contagion
Terahertz optics
Topological defects
Transient Free and Submerged Impinging Jets
Viral Marketing
Water waves
סביבה
תעשייה
רחפנים
רובוט
קורס
מכנית
Big Data
מים
מדע והנדסה של חומרים
למידת מכונה
טכנולוגיה
חשמל
זרמים
הנדסה ורוח
בינה מלאכותית
ביו רפואית
אופטיקה
יאיר שוקף

מחקר

10.02.2020
טעויות בזכויות יוצרים

חוקרים מבית הספר להנדסה מכנית באוניברסיטת תל אביב, בשיתוף עם עמיתיהם בהולנד פרסמו מחקר פורץ דרך בכתב העת Nature Physics בו הדגימו כיצד ניתן לשתול פגם טופולוגי במטא-חומר ולתכנן את התנהגותו מחדש

  • exotic mechanics
  • Topological defects
  • exotic mechanics
  • Topological defects

מטא-חומרים הם חומרים חכמים שהונדסו בידי אדם, ואינם מצויים בטבע. תכונותיהם של חומרים טבעיים נקבעות על ידי הרכבם הכימי (אטומים ומולקולות), ואילו התכונות הפיזיקליות של מטא-חומרים נובעות מהמבנה המרחבי שלהם. במילים אחרות: אבני הבניין המיוחדות, והאופן בו הן משתלבות זו בזו, קובעים את תכונות המטא-חומר.

 

מה ההבדל בין נייר שטוח לנייר מקומט?

גליון נייר שטוח ונייר מקומט עשויים מאותו החומר. אולם הגליון שטוח וגמיש, והדף המקומט קשיח וכדורי: הקימוט משנה את ההתנהגות של הנייר. "הנייר המקומט הוא מה שאנו מכנים מטא-חומר מכני: אם נשנה את הצורה שלו, הוא ישנה את התכונות שלו", אומר פרופ' יאיר שוקף, אחד השותפים למחקר והעומד בראש קבוצת המחקר בבית הספר להנדסה מכנית באוניברסיטת תל אביב.

 

טעות מכוונת מראש

תובנות חדשות מגיעות משיתוף פעולה בין אוניבריסטת תל אביב, אוניברסיטת ליידן ומכון AMOLF באמסטרדם. גב' אן מואסן, ד"ר ארדל אוגוז, פרופ' יאיר שוקף ופרופ' מרטין ון-הקה תכננו במכוון טעות במטא-חומר, פגם טופולוגי, וחקרו את ההשפעה שלו. "קיבלנו השראה ממסכי LCD. הם מייצרים צבעים שונים באמצעות מערכים של גבישים נוזליים קטנטנים. כשיוצרים פגמים במערכים האלה - כמו למשל כשלוחצים עם אצבע על המסך – מפרים את הסדר ומקבלים קשת של צבעים. פגמים משנים את הפעולה של המסך שלך."

 

השתלת פגמים באופן נשלט לתוך מטא-חומר אינה משימה קלה. צוות המחקר המציא חומר תיאורטי: מבנה שטוח, עשוי מאבני בניין משולשות, שהצדדים שלהן זזים בבליטות כלפי חוץ או שקעים כלפי פנים. בחומר מושלם, כל אבני הבניין משתלבות כמו בפאזל: כל בליטה ממוקמת מול שקע. אבל מה קורה אם מסובבים שורה של אבני בניין בפאזל, והחתיכות לא יכולות להשתלב יחד? "זה מה שאנו מכנים פגם גולבלי, או טופולוגי", מסביר פרופ' שוקף. "זוהי חוסר אחידות שלא ניתנת להסרה על ידי סיבוב של אבן בניין אחת בלבד".

 

תופעות מרחביות

הצוות השתמש בהדפסה תלת-ממדית על מנת לייצר את המטא-חומר הזה, שעשוי אבני פאזל מחוברות. המבנים שהודפסו איפשרו להראות איך פגם טופולוגי מייצר התנהגויות מפתיעות. החומר המושלם רך כשלוחצים עליו משני צדדים, אבל החומר הפגום שונה: צד אחד שלו מרגיש רך והשני קשיח. התופעה הזו מחליפה צדדים כשלוחצים בצד אחד ומושכים בצד השני: חלקים קשיחים הופכים רכים, וחלקים רכים הופכים קשיחים.

 

פרופ' שוקף אומר: "התנהגות לא סימטרית זו כתוצאה מפגם טופולוגי לא נראתה קודם. מצאנו דרך לייצר פגמים כאלה באופן מבוקר. בגלל שפיתחנו חוקי תיכנון כלליים, כל אחד יכול להשתמש ברעיונות שלנו. זו דרך חדשה להתבונן על מטא-חומרים מכניים: אנחנו משתמשים בעקרונות מפיזיקה של חומר מעובה וממתמטיקה על מנת לחקור מכניקה של חומרים. זה נפלא לראות איך חוקרים מתחומים שונים מקבלים השראה מהתוצאות שלנו".

 

מטא-חומרים מורכבים הנבדלים רק בכיוון של שתי אבני בניין (ירוק) מגיבים באופן מאוד שונה ללחיצה מכנית (צהוב). חצים מסמנים הזזות וצבעים מייצגים כוחות מכנים.

מטא-חומרים מורכבים הנבדלים רק בכיוון של שתי אבני בניין (ירוק) מגיבים באופן מאוד שונה ללחיצה מכנית (צהוב). חצים מסמנים הזזות וצבעים מייצגים כוחות מכנים.

 

מן העיתונות

למאמר המלא ב Nature Physics

למאמר המשך

לסרטון הסבר

לכתבה המלאה בידען

לכתבה המלאה ב New-Tech

מים מזוהמים

מחקר

27.12.2019
ננוטכנולוגיה תשמור על משאבי המים בישראל

ד"ר אינס צוקר מתבוננת על ננוטכנולוגיה דרך עדשות סביבתיות

  • chemical oxidation
  • materials for water
  • nanomaterials
  • chemical oxidation
  • materials for water
  • nanomaterials

מוצרים, תהליכים ויישומים מבוססי ננוטכנולוגיה (שם כולל לתחום המחקר והטכנולוגיות העוסקים במערכות שגודלן האופייני הוא בין ננומטרים בודדים לעשרות ננומטרים) מבטיחים יתרונות סביבתיים וברי-קיימא על-ידי חסכון בחומרים, אנרגיה ומים וכן על-ידי הפחתת פליטת גזי חממה ופסולת מסוכנת. מצד שני, התכונות יוצאות הדופן של ננו-חומרים מהונדסים שהופכים אותם לאטרקטיביים כל כך, מהווים גם סיכונים פוטנציאליים לבני אדם ולסביבה.

 

ד"ר אינס צוקר, מרצה בכירה בבית הספר להנדסה מכנית של הפקולטה להנדסה ובבית הספר פורטר ללימודי סביבה של הפקולטה למדעים מדויקים באוניברסיטת תל אביב, שהצטרפה במהלך 2019 לסגל הבכיר באוניברסיטה לאחר לימודי הפוסט דוקטורט שלה באוניברסיטת ייל, חוקרת ממשק שבין הנדסת סביבה והנדסת חומרים את היישומים וההשלכות של ננוטכנולוגיה על הסביבה.

 

במעבדתה של ד"ר צוקר, "המעבדה לננוטכנולוגיה סביבתית", מתמקדים במחקר בתחום מתפתח שנקרא "ננוטכנולוגיה סביבתית". ד"ר צוקר מסבירה כי "תחום הננוטכנולוגיה סביבתית מחבר בין העולמות בהיבט החיובי והשלילי. בהיבט החיובי אנחנו משתמשים באמצעים ננוטכנולוגיים כפתרון לבעיות סביבתיות. בהיבט השלילי, אנחנו בוחנים את רעילותם הפוטנציאלית של ננוחומרים כלפי תאים חיים בסביבה המימית".

 

ננוטכנולוגיה כפתרון לבעיות סביבתיות

זיהום מקורות מי השתיה בישראל במגוון שאריות חומרים אורגנים ואנאורגנים מעלה את הצורך במציאת טכנולוגיות טיפול מתקדמות להסרתם. כיוון שטכנולוגיות הטיפול במים הקונבנציונליות כוללות שימוש אינטנסיבי בכימיקלים ובאנרגיה ואינן יעילות בהסרת מזהמים באופן סלקטיבי, גדל העניין בשיטות טיפול מתקדמות מבוססות ננוטכנולוגיה המאופינות בראקטיביות גבוהה ויכולת תמרון ושליטה בתכונותיהן בכדי להתמודד עם חסרונות טכנולוגיים אלה. באמצעות בקרה על גודל החומר, המורפולוגיה והמבנה הכימי, ניתן להנדס את החומר להשגת תכונות ספיחה, קטליטיות ואופטיות חריגות שניתן לנצלן לטיהור מים, במיוחד עבור מערכות מבוזרות בקנה מידה קטן.

 

במימון משרד המדע במסגרת "ניצוץ קלינטק", ד"ר צוקר מפתחת למשל ננומבנים מולטיפונקציונלים מבוססי מוליבדינום דו-גופרתי (MoS2) לטיהור מים. באופן ספציפי, המעבדה לננוטכנולוגיה סביבתית מייצרת, מאפיינת, ובוחנת שכבות מוליבדינום דו-גופרתי שמסונטזות על-גבי מצעי פחמן כמדיית חמצון וספיחה להסרת מזהמים ממים, ללא צורך בשלב הפרדת החומר הפעיל מהמים המטופלים.

המעבדה של ד"ר צוקר

בתמונה: המעבדה לננוטכנולוגיה סביבתית. מימין לשמאל: כפיר שפירא, ד"ר עמית קומר, זיאן יינג, ד"ר אינס צוקר, ד"ר ינון יחזקאל

 

להעביר את הטכנולוגיה משלב המעבדה לשטח

המאמץ המחקרי בתחום של תהליכי טיהור מים המופעלים על-ידי ננוחומרים מהונדסים מאפשר לנו כיום להשיג יכולות ספיחה וחמצון מרשימים בתנאי מעבדה. עם זאת, כדי להעביר את הטכנולוגיה משלב המעבדה אל שלבי הפיילוט והמימוש בסקאלה מלאה, הנדסת תהליך חייבת להיות משולבת כבר בשלב פיתוח החומרים. בפרט, ננוחומרים מתקדמים לטיפול במים חייבים להיות מתוכננים כך שהם יתפקדו במטריצות מים מורכבות עם רלוונטיות סביבתית, לא רק בתנאים מבוקרים, וכי הם יוכלו לפעול ביעילות במחזורי התחדשות ושימוש חוזר. השחזור והשימוש החוזר הם חשובים במיוחד בהתחשב בדאגות הקיימות הקשורות לייצור המסובך והיקר של ננוחומרים.

גישה המשלבת מומחיות בננוטכנולוגיה ובמדע החומרים עם מומחיות בטיפול במים ובהנדסת תהליכים, תהיה מכרעת בהפעלת מערכות טיפול במים קומפקטיות ויעילות מבוססות-ננו. במעבדתה של ד"ר צוקר לננוטכנולוגיה סביבתית בפקולטה להנדסה אוניברסיטת תל אביב ממשיכים לפתח חומרים מתקדמים לטיפול בזיהומי מים בגישה רחבה ואינטרדיסציפלינרית זו, בדגש על יישומיות וקיימות.
 

ננו, אבל לא בכל מחיר

ד"ר צוקר מקפידה על איזון מחקרי: על אף היתרונות הבולטים של ננוחומרים באפליקציות סביבתיות, ישנו גם מחיר סביבתי לשימוש בהם. החותם הסביבתי מתחיל כבר בשלב היצור וממשיך גם לאחר השימוש על-ידי זליגה של ננוחומרים לסביבה. המעבדה לננוטכנולוגיה סביבתית חוקרת גם את האינטרקציות של ננוחומרים עם תאים חיים ומעריכה את רעילות ננוחומרים שנמצאים בשימוש במעבדה, ומעבר לכך. כך לדוגמא ד"ר צוקר חוקרת את אחד הנושאים הסביבתיים הבוערים ביותר, רעילות מיקרו- וננופלסטיקים בסביבה. ננופלסטיקים, להבדיל מננוחומרים מהונדסים אינם מיוצרים לשימוש באפלייקציות שונות, אלא הם תוצרי לוואי של השימוש המוגבר בפלסטיק בעולם המודרני. אותם פלסטיקים עוברים תהליכי פירוק איטיים בסביבה, ומסכנים את הסביבה ובריאות האדם החשוף לה.

איזון היתרונות וסיכונים של ננוחומרים בסביבה

בתמונה: איזון היתרונות וסיכונים של ננוחומרים בסביבה

 

 

ד"ר ירון טולדו פיתח מערכת למדידת גלים וזרמים בים התיכון לזיהוי סכנות

מחקר

08.09.2019
מדידת זרמים וגלים הראשונה מסוגה באזור הים התיכון

ד"ר ירון טולדו פיתח מערכת למדידת גלים וזרמים לזיהוי סכנות

  • Remote sensing of waves
  • Water waves
  • Remote sensing of waves
  • Water waves

הים נמצא בתנועה מתמדת, שלא כמו השטח היבשתי, ומשנה את תכונותיו בזמנים קצרים יותר באופן משמעותי. התנהגות זו מובילה לצורך במאמץ מתמשך של ניטור בקנה מידה גדול במיוחד לאור תגליות הגז המשמעותיות לחופי מדינת ישראל והתוכניות הנרחבות לפיתוח התשתיות הימיות שהביאו את האזור הימי הכלכלי הבלעדי של ישראל למרכז תשומת לב.

 

ניטור סכנות מהים

מערכת רדאר בתדר גבוה הינה המיכשור היחיד היכול לנטר על פני שטח גדול ובאופן רציף את זרמי השטח והגלים. מערכת כזו מהווה תשתית לאומית ואזורית הן בפן המחקרי של הבנת משטר הזרמים האגני ומשטר הגלים בים העמוק אל מול חופי ישראל, והן בפן האופרטיבי למשל הנצלה של מלחים, התראות צונאמי, זיהוי תנודות של חולות בחופים או התמודדות עם שפכי נפט כתוצאה מהיבקעות מיכלית, המערכת תדע לקבוע מראש לאן הנפט יזרום, לאשדוד או לנהריה.

 

הקמתן של מערכות ניטור

ד"ר ירון טולדו, ראש המעבדה להנדסה ימית ופיזיקה מבית הספר להנדסה מכנית אוניברסיטת תל אביב הקים מערכות ניטור בחופי ישראל - אשקלון ואשדוד. במעבדה הוא וצוותו מנסים לשלב נגזרות תיאורטיות בסיסיות, מודלים מספריים ותצפיות שדה כדי להשיג הבנה מעמיקה של יסודות הפיזיקה של גלי שטח והופעתם בים התיכון. "הקמתן הינה משימה עצומה, הדורשת מציאת מיקומים מתאימים, רצועות חוף זמינות אף באורך של עד כ - 300 מ', הקמת תשתית, מציאת תדרים מתאימים וקבלת אישורים" מסביר ד"ר טולדו. "מטרות המחקר היו להגיע להקמת תשתית לאומית זו, לבצע בחינה ראשונית של הדאטה המתקבל ממנה ולבחון את היכולת לשלב אותה במודלי חיזוי הזרמים. לאחר התגברות על קשיים בירוקרטיים וטכניים רבים, הפרויקט בוצע בהצלחה ואפשר מדידות ראשונות מסוגן באזורינו. העבודה על קידום תשתית חשובה זו עדיין נמשכת"

 

ימין: מפת זרמים רדיאליים המתקבלים מתחנת אשקלון, מרכז: מפת זרמים רדיאליים המתקבלים מתחנת אשדוד. שמאל: מפת זרמים באזור החיתוך בין התחנות ללא מגבלת דיוק גאומטרית. שטח הכיסוי יורחב לרוב המים הכלכליים של הים התיכון עם הפעלת שתי תחנות צפוניות לטווח קצר (חיפה ועכו), שהוקמו לאחרונה וכן תחנה לטווח ארוך שממתינה לאישור תקציבי (עתלית).

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

 

המהנדס שקורא בלב

מחקר

13.08.2019
המהנדס שקורא בלב

ד"ר גיל מרום פיתח סימולציות ממוחשבות המאפשרות להבין טוב יותר את הביומכניקה של הטיפול בחולי לב ולהעריך את הסיכויים לסיבוכים.

  • Hemodynamics and Biomechanics
  • Numerical models
  • Hemodynamics and Biomechanics
  • Numerical models

מחלות לב וכלי דם הן גורם המוות המוביל בעולם המפותח המהוות כמעט 30% מכלל מקרי המוות מדי שנה. בלב קיימים ארבעה מסתמים האחראים לזרימה חד-כיוונית של הדם בתוך חללי הלב ומהם לכל איברי הגוף. כל אחד מהמסתמים אחראי על הכוונת הדם בין מדורי הלב השונים בכיוון אחד, בעת כיווץ העליות והחדרים, כדי שיגיע אל העורקים הגדולים ומשם לריאות ולשאר הגוף. לעיתים המחלות במסתמים נגרמות בשל שינויים במבנה הרקמות שלהם ובמרכיביהם, שמובילים להפרעה במעבר הדם ללב ולשאר איברי הגוף. ד"ר גיל מרום, מבית הספר להנדסה מכנית של הפקולטה להנדסה אוניברסיטת תל אביב עושה שימוש במודלים חישוביים שפיתח כדי לחזות את הפיזיקה של מערכת הלב וכלי הדם (המערכת הקרדיווסקולרית) וכך לשפר את הטיפול בחולה לב.

 

יתרונות המודלים החישוביים במתן הטיפול הנכון לחולה

מורכבות מערכת הלב, המשלבת סיבוכיות פיזיקלית בסדרי גודל שונים, היא סיבה מרכזית לצורך בשימוש במודלים חישוביים הנקראים גם סימולציות. פעולת שאיבת הדם בלב נגרמת על ידי התכווצות שריר הלב, כיוון זרימת הדם נקבע על ידי מסתמי הלב, בעוד התכווצות השריר נשלטת על ידי מערכת ההולכה החשמלית של הלב. מורכבות זו יחד עם המגבלות של ניסויים קליניים וניסויי מעבדה מסבירות בבירור את יתרונות המודלים החישוביים. סימולציות ממוחשבות מאפשרות לערוך ניסויים וירטואליים ולבחון אפשרויות שונות לטיפול באותו חולה. היכולת להשוות מקרים זהים, בניגוד להשוואת מקרים ממספר חולים שונים, מאפשרת ללמוד את ההשפעה של פרמטר מסוים על התפקוד, תוך בידוד השפעה זו מגורמים אחרים, וכך למצוא מגמות המאפיינות את התופעה. נוסף להשלכות הרפואיות החשובות של מחקר זה, המחקר מרתק גם מבחינה הנדסית. בניגוד למקרים הנדסיים "רגילים" בהם מאפייני הבעיה ידועים, כמו גאומטרית הגוף ותכונות החומר ממנו הוא מורכב, במקרים הביולוגים יש שונות גדולה במחלות ובאוכלוסייה ולמעשה המודלים מתבססים פעמים רבות על תהליך הנדסה הפוכה והנחות הנדסיות שונות.

 

המכניקה של מחלות מסתמי לב והטיפול בהן

מסתמי הלב הם שסתומים הבנויים מעלים גמישים. כאשר פעילותם תקינה הם מאפשרים זרימה חד כיוונית ומונעים זרימה חוזרת. בניגוד לשסתומים מכניים בשימושים הנדסיים, העלים הגמישים צריכים לעבור עיוותים גדולים בכל מחזור לב, לעמוד בלחצים גבוהים ביחס לחוזקם המכני, ולעבוד במשך הרבה מאוד מחזורי לב (כמחזור לשנייה במשך כל שנות החיים). מחלות מסתמי הלב הנפוצות ביותר הן היצרות של המסתם האאורטלי (אבי העורקים) ודליפה של המסתם המיטרלי. טיפולים אפשריים הם תיקונים או החלפת המסתם בניתוחי לב פתוח ובשנים האחרונות נוספה גם אפשרות זעיר פולשנית של השתלת מסתם בצנתור. אך לכל סוגי הטיפולים הללו ישנם סיבוכים אפשריים שכמובן עדיף להימנע מהם.

 

המודלים החישוביים שאנחנו מפתחים מאפשרים להבין טוב יותר את הביומכניקה של הטיפול ולהעריך את הסיכויים לסיבוכים שונים. לדוגמה, תוצאות המודלים הקודמים שלנו עוזרות למנתחים לבחור את הקוטר הרצוי שאליו יש להקטין את קוטר המסתם החולה על מנת להביא אותו לתפקוד תקין. גם במסתמים המושתלים בצנתור לטיפול בהיצרות המסתם אבי העורקים אנחנו יכולים, על פי תוצאות הסימולציות, להמליץ על גודל המסתם המתאים, מיקום ההשתלה האופטימלי, ודרכי ההשתלה כדי להפחית את הסיכוי לדליפות, תזוזה של המסתם המושתל בגלל התכווצות הלב, ופגיעה בהולכת החשמל בלב בגלל לחצי מגע שהשתל מפעיל על הלב. אותן מסקנות יכולות לעזור גם בתכנון מסתמים תותבים חדשים עם תפקוד טוב יותר וסיכוי מופחת להתפתחות הסיבוכים לאחר ההשתלה.

 

במחקרים שנערכים עכשיו בקבוצה של ד"ר מרום, מנסים להבין את מנגנוני קרישת הדם על עלי המסתמים המושתלים. המודלים בהם אנו נעזרים בנושא זה, מבוססים על הידע שקרישת הדם נגרמת בגלל מאפיינים מכניים של זרימת הדם, כגון חשיפת טסיות הדם למאמצי גזירה, משך זמן החשיפה, או משך הזמן שהטסית נעצרת במקום בגלל מערבולות. כמו כן, מאפייני הזרימה קובעים גם את סוג קרישי הדם שעלולים להיווצר, תסחיפים או דווקא קרישה על עלי המסתם אשר גורמים להם להתעבות ולהפסיק לתפקד. שיטות דומות עוזרות לנו להבין טוב יותר את אי-ספיקת, או דליפת, המסתם המיטרלי עם מטרה שידע זה יעזור לתת מענה למרבית החולים שכיום אינם מקבלים טיפול בגלל סיכון ניתוחי גבוה. "אחת הסיבות העיקריות שעדיין לא הצליחו לפתח פתרון התערבותי לחולים אלו היא שלמסתם זה יש אנטומיה ופעולה מכנית מסובכים הרבה יותר מאשר במסתם אבי העורקים. הבנה טובה יותר של תפקודו תעזור לשפר טיפולים קיימים ולפתח שתלים חדשים שיצליחו לעמוד בעומסים המכניים הפועלים במסתם זה ולשפר את איכות חיי החולים" מסביר ד"ר מרום.

 

דוגמא למודלים של פעילות הלב במצב מכווץ ורפוי (צד ימין) ושל זרימת הדם דרך מסתם תותב (צד שמאל)

 

לאתר קבוצת המחקר

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

 

 
אוניברסיטת תל-אביב, ת.ד. 39040, תל-אביב 6997801
UI/UX Basch_Interactive