מחקרים

RESEARCH

מה מעניין אותך?

כל הנושאים

חדשות המחקרים

carousle news research: 
תמונת באנר: 
בחר את סוג הלובי: 
מחקרים
דוגמת ניסוי על עצם ירך עם משתל

מחקר

14.02.2021
תוכנה המסייעת בזיהוי מוקדם של שברים ומניעתם

פרופ' יוסיבאש מהפקולטה להנדסה בשיתוף חוקרים ורופאים פיתחו מערכת ממוחשבת מותאמת אישית החוזה את הסיכון לשבר בעצמות ירך בחולי סרטן ומובילה מהפכה אמיתית בעולם הרפואה

  • מחקר
  • הנדסה מכנית

במעבדה למכניקה חישובית וביומכניקה ניסויית בבית הספר להנדסה מכנית באוניברסיטת תל אביב מושם דגש על סינרגיה בין עולם התוכן ההנדסי ויישומים קליניים, לצד מחקרים אנליטיים ופיתוח תוכנה הנדסית. פרופ' זהר יוסיבאש ראש המעבדה ומשמש נשיא האיחוד הישראלי לשיטות חישוביות במכאניקה, נחשב כמומחה בינלאומי באנליזות וניסויים בעצמות ומכניקת השבר, ומקדם שיתוף פעולה עם רופאים ליישום הידע והמחקר במעבדה לשיפור הטיפול בחולים.

 

במעבדה של פרופ' יוסיבאש פותחה תוכנה שמנתחת סריקת סיטי של מטופל ויוצרת הדמיית מחשב של התגובה המכאנית של עצמות בגוף האדם (כאמור עצמות ירך, עצמות זרוע, חוליות עמוד שדרה ועצמות כף הרגל) תוך כדי הפעלה של כוחות פיסיולוגיים. תוצאות הסימולציות אומתו ע"י ניסויים בעצמות של תורמים. מחקרים אלו בוצעו ומבוצעים ע"י סטודנטים למחקר לקראת תארים מתקדמים: דר' ניר טרבלסי, דר' רומינה פליטמן, ודר' לעתיד לבוא יקותיאל כץ וגל דהן. היכולות שפותחו נועדו לסייע לדוגמה בתכנון משתלים כתוצאה משברים (איור 1 מתאר ניסוי והדמייה ממוחשבת של עצם עם משתל).

 

אחד מתחומי המחקר המובילים במעבדה שהגיעו ליישום קליני הוא חיזוי שברים בעצמות ירך עם גרורות סרטניות. מחקר פורץ דרך במימון משרד הבריאות שבוצע במעבדה לפני עשור נועד להעריך את הסיכון לשבר בעצמות עם גרורות. בהתבסס על הצלחת המחקר יושם שימוש באלגוריתמים של אינטליגנציה מלאכותית ושיטות חישוביות במכניקה, פותחה מערכת ממוחשבת מותאמת אישית למטופל המספקת לרופא את רמת הסיכון לשבר ועוזרת למנתח האורתופדי אונקולוגי לקבל החלטה אם נדרש ניתוח מניעתי בחולים אלו. המערכת שפותחה עם דר' ניר טרבלסי ממכללת סמי שמעון, עברה ניסויים קליניים רטרוספקטיביים ויכולות החיזוי אומתה בחולים באופן מאוד מוצלח בהובלתו של דר' אמיר שטרנהיים, ראש היחידה הלאומית לאורתופדית אונקולוגית בביה"ח איכילוב.

 

כיום המערכת הממוחשבת מסייעת לחיזוי שברים עתידיים ומניעתם על רקע גרורות בעצם ומותקנת בבית החולים איכילוב ביחידה הלאומית לאורתופדיה אונקולוגית. טכנולוגיה זו מאפשרת דיוק והתאמה אישית לחיזוי סיכון לשבר ומיקומו ומובילה מהפכה אמיתית בעולם הרפואה!. המערכת קיבלה אישור רגולטורי של האיגוד האירופי CE ואמ"ר ממשרד הבריאות ומהווה פריצת דרך בעידן הרפואה המותאמת אישית.

איור 2: פרופ' יוסיבאש מכין עצם ירך לניסוי

 

לינק לכתבה ב TheMarker: https://www.themarker.com/labels/orthopedics/1.9508059

נדב כהנוביץ' מדגים את המכשיר הלביש (צילום: יונתן בירנבאום)

מחקר

02.02.2021
הרובוט שפועל מתחושה פנימית

ד"ר אבישי סינטוב פיתח מכשיר לביש היודע לזהות תבניות שונות של תנועות שרירי האמה דרך תנועות אינטואיטיביות ולחזות כוונת משתמש בעת שיתוף פעולה אדם-רובוט

  • מחקר
  • הנדסה מכנית

שיתוף פעולה אפשרי בין אדם לרובוט מחייב הבנה אינטואיטיבית ומתמשכת של תנועה אנושית במשימות משותפות. 

 

רוב הפעולות האינטואיטיביות של בני אדם הן פעולות שאדם הורגל לבצען באופן מסוים מילדות וכך גם הוא יכול לחזות תנועה של בני אדם אחרים.

 

כאשר אדם מסייע לחברו, פעולות מסוימות יכולות להתבצע אינטואיטיבית ללא תקשורת ורבאלית למשל הגשת כוס קפה תגרום לאדם מולך להושיט באופן אינטואיטיבי את ידו ולתפוס את הכוס. בעצם המסייע מתבונן בידיו של חברו ויכול לחזות את כוונתו דרך זיהוי הכלים שהוא אוחז ומסלול תנועתו – ואז לבצע פעולות תומכות. מימוש עקרון זה ע"י רובוט הוא הבסיס לעבודת רובוטים עם בני-אדם.

 

פרסום מאמר

לאחרונה, התקבל בכתב העת IEEE Robotics & Automation Letters מאמרם של נדב כהנוביץ', סטודנט לתואר שני בהנדסה מכנית וד"ר אבישי סינטוב.

 

ד"ר סינטוב עומד בראש מעבדת הרובוטיקה ROB-TAU בבית הספר להנדסה מכנית של אוניברסיטת תל אביב, בה הוא וצוותו עוסקים בחיזוי כוונת אדם בעת שיתוף פעולה עם רובוטים.

 

במאמרם הראו החוקרים כי בעזרת מכשיר לביש פשוט וזול, ניתן לזהות תבניות שונות של תנועות שרירי האמה. המכשיר מכיל 15 חיישני כוח זולים אשר נצמדים לעור האמה וחשים את התכווצות השרירים בעת אחיזה של חפצים שונים וביצוע פעולות.

בעזרת אלגוריתמי למידת מכונה, זרוע רובוטית יכולה לקבל מידע על החפץ הנאחז בזמן אמת ובדיוק גבוה, ולחזות את כוונת המשתמש. האלגוריתם כולל רשת עצבית המאומנת לסווג את המידע מהמכשיר ותהליך איטרטיבי לשיפור דיוק החיזוי עם כניסת מידע חדש בזמן אמת.

החוקרים הראו שהאלגוריתם מאפשר חסינות (רובסטיות) למיקום והידוק המכשיר על האמה. חיזוי כוונת המשתמש מאפשר תכנון תנועה של הרובוט לסיוע יעיל ומהיר לאדם. גישה זאת מאפשרת עבודה אינטואיטיבית עם רובוט ללא שימוש בתקשורת ורבאלית וללא מצלמות.

רובוט מסייע למשתמש הלובש את המכשיר לאחר זיהוי החפץ ביד

בתמונה: רובוט מסייע למשתמש הלובש את המכשיר לאחר זיהוי החפץ ביד

 

ראייה לעתיד

טכנולוגיה זאת תוכל בעתיד לאפשר סיוע לבעלי מוגבלויות בפעולות יומיומיות – לדוגמא, זרוע רובוטית תומכת המעוגנת על כיסא גלגלים, עבודה לצד פועלים במפעל ואף סיוע לרופאים בהליכים רפואיים –  רובוט שיחליף אח/ות ויסייע למנתח.

 

המחקר מתבצע במימון הקרן הישראלית למדע (ISF).

הנחת תרחיף הוירוס על משטחים שונים

מחקר

17.01.2021
מחקרה של ד"ר אינס צוקר מהפקולטה להנדסה ומדעים מדויקים, מראה כי ניתן לנטרל

המחקר נעשה בשיתוף עם חוקרים נוספים מהאקדמיה ופורסם במגזין: ​"Environmental Chemistry letters"

  • מחקר
  • הנדסת סביבה
  • הנדסה מכנית

מגפת ה- COVID-19 השפיעה קשות על בריאות הציבור ברחבי העולם. נוצרה בהלה כלל עולמית ומדינות רבות, בהן ישראל, נקטו במדיניות של בידוד, ביטול טיסות, ריבוי בדיקות לאבחון חולים וחיטוי משטחים ע"י חומרי חיטוי שונים במטרה למנוע את התפשטות הנגיף.

עדויות להעברת SARS-CoV-2 באמצעות אירוסולים ומשטחים הדגישו את הצורך ביעול שיטות החיטוי הזמינות. אחת מדרכי ההתמודדות שנצפו עוד בתחילת ההתפרצות, הייתה ריסוס של חומרי חיטוי בסביבתם הקרובה של אנשים.

 

ד"ר אינס צוקר מבית הספר להנדסה מכנית ומבית הספר פורטר ללימודי סביבה ומנהל המעבדה ZuckerLab, ד"ר ינון יחזקאל, אינם ממתינים לירידה בתחלואה ולוקחים חלק במאבק במגפת הקורונה. בימים כתיקונם, השניים מפתחים חומרים ותהליכים לטיפול בסביבה. בין השאר, הם משתמשים באוזון לפירוק מזהמים במים. "אנו מפיקים אוזון מחמצן גזי בעזרת התפרקות חשמלית, ומגיעים לריכוזי אוזון גבוהים בגז, שבדרך-כלל משמשים אותנו לחמצון של כימיקלים במים – וכעת, גם לקטילה של יצורים חיים", מסבירה ד"ר צוקר.

 

האוזון בעיקר מוזכר בהקשר של שכבת ההגנה שהוא יוצר בסטרטוספירה (השכבה האמצעית באטמוספירת כדור הארץ), המגנה עלינו מפני קרינה אולטרה סגולה - UV - מסוכנת הנמצאת באור השמש. ככלל, אוזון נחשב כגז רעיל וכשנוצר בסמוך לפני הקרקע, הוא עלול להשפיע לרעה על הבריאות ולכן נחשב כמזהם אוויר. אולם, ניתן גם להשתמש ביכולות החמצון של האוזון להסרת מזהמים בסביבה באופן בטוח לשימוש בעזרת תכנון הנדסי יעיל. כעת, ד"ר אינס צוקר וצוות המעבדה שלה הוכיחו גם את הפוטנציאל של האוזון הגזי לחיטוי חללים מנגיף הקורונה במהירות וביעילות.

 

ד"ר צוקר חברה לד"ר משה דסאו מהפקולטה לרפואה בבר אילן ויחד עם ד"ר יעל לצטר ממכללת עזריאלי בירושלים, הצליחו להראות את הפוטנציאל של אוזון גזי לחיטוי חללים מנגיף הקורונה במהירות וביעילות. ממצאי המחקר הראשוני פורסמו היום בג'ורנל Environmental Chemistry letters.

היתרון של אוזון גזי אל מול המחטאים הנפוצים (כמו אלכוהול ודומיו), הוא היכולת לפעול לחיטוי כלל החפצים והאויר בחדר ולא רק על-פני משטחים גלויים. 

בתמונה מימין לשמאל: ד"ר יואל אלטר, ד"ר משה דסאו, ד"ר ינון יחזקאל, וד"ר אינס צוקר

 

בין השאר, החוקרים הצליחו למצוא מודל לוירוס שהוא בטוח לשימוש ואינו מדבק, שיכול לשמש להמשך עבודתם על קטילת הוירוס בעזרת אוזון. "הדרך לפיתוח מתקן נוח לחיטוי חללים בעזרת אוזון נסללה, וכעת אנו ממשיכים את עבודתינו כדי לבחון את התנאים האופטימליים לחיטוי משטחים ואירוסולים בעזרת אוזון", מסכמת ד"ר צוקר.

אולטרה סגול

מחקר

29.12.2020
קטילה של וירוס הקורונה בעזרת נורות של לדים בתחום האולטרה-סגול

מאמרה של פרופ' הדס ממן, ראשת התכנית להנדסת סביבה בשיתוף עם פרופ' יורם גרשמן ביוכימאי ממכללת אורנים, ד"ר מיכל מנדלבוים מנהלת המרכז הלאומי לשפעת ונגיפי נשימה בתל השומר ונחמיה פרידמן מתל השומר התקבל ופורסם ב - Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology

 

  • מחקר
  • הנדסת סביבה
  • הנדסה מכנית

עם העליה העולמית במגפת הקורונה (COVID-19) הנובעת מוירוס הקורונה עולה גם הצורך לפתח ולהדגים טכנולוגיות חיטוי חדשניות לצורך קטילה של נגיפים אלה.

 

איך נדבקים בוירוס? 

הוירוס שמהווה הגורם הסיבתי של המחלה COVID-19 (SARS-CoV-2) מדבק לא רק באמצעות טיפות נשימתיות (אירוסולים), אלא יכול להתפשט גם דרך משטחים מזוהמים מריריות האף, הפה והעיניים. יתר על כן, לאחרונה הוצע כי יתכן פיזור אווירני של SARS-CoV-2, אם כי טרם הובאו ראיות ברורות להעברה כזו. לאחרונה הודגמה גם יכולתו של הוירוס לשרוד באירוסולים במשך 3 שעות לפחות ועד 72 שעות על משטחי פלסטיק, דבר המצביע על סיכון לזיהום ארוך טווח.

 

פיתוח מהפכני לקטילת הוירוס

הקרנה באור אולטרה-סגול ultraviolet היא שיטה נפוצה לקטילה של מיקרואורגניזמים פתוגניים (גורמי מחלות), כולל וירוסים. קטילה על ידי אור אולטרה-סגול עלולה להתרחש באמצעות כמה מנגנונים, ביניהם פגיעה בחומצות גרעין, חלבונים או ייצור פנימי של רדיקלים של חמצן.

 

"במחקר שביצענו נמצא ששילובי UV-LED באורכי גל שונים משפרים את יעילות הקטילה ומונעים התאוששות של מחוללי מחלות במים על ידי הפעלת מספר רב של מנגנוני נזק. שיטת חיטוי זו נמצאה יעילה עבור נגיפים וחיידקים רבים כגון: אדנווירוס, פוליו-וירוס, איקולי כולל SARS-COV-1" מסבירה פרופ' ממן. 

 

מנורות ה- UV הסטנדרטיות מכילות כספית, ולכן מנסים לחפש אלטרנטיבות. נורות לדים (דיודות פולטות אור אוlight emitting diodes), מהוות מקור אור חדש עם יתרונות רבים.

בשל גודלן הקטן, זמן תפעול מידי ודרישת מתח נמוכה נורות הלד מאפשרות  הפעלה באמצעות סוללה או פאנל סולארי. עם זאת לנורות אלה שטף פוטונים נמוך וככל שיורדים באורך הגל  מחיר הנורות עולה. מגבלות אלה הופכות את השימוש בנורות באורכי גל גבוהים יותר אטרקטיביות יותר. עד כה אף מחקר לא בדק את יעילות נורות לדים באורכי גל שונים על קטילה של נגיפי קורונה אנושיים. קבוצת המחקר השתמשה בווירוס הקורונה האנושי  (HCoV-OC43)לבחירת האורך גל האפקטיבי ביותר.

 

ממצאי המחקר והמשך פיתוח

קבוצת המחקר מצאה כי לאורך גל של 280 ננומטר יעילות קטילה יחסית דומה ל- 260 ננומטר, כאשר מנת קרינה של 10 mJ/cm2 מושגת בפחות מחצי דקה ומתקבל מעל 99.9 אחוז קטילה. התוצאות הללו משמעותיות כי העלות של לדים ב- 280 ננומטר נמוכה בהרבה משל כאלו באורכי גל נמוכים יותר, והן יותר זמינות בשוק, ולכן מתאפשר שילוב של נורות כאלה לצורך חיטוי מים, משטחים, שילוב עם מזגנים לחיטוי אוויר וכד'. בנוסף, החוקרים יתחילו בקרוב מחקר עם פרופ' קלארק מאוניברסיטת נורת ווסטרן בארה"ב לפיתוח של משטחי מגע high touch screen עם קטליסט שקוף משופעל בנורות לדים בתחום האור הנראה לקבלת משטחים עם יכולת חיטוי עצמי.

התמונה מראה את היעילות של נורות לדים לחיטוי וירוס הקורונה האנושי

התמונה מראה את היעילות של נורות לדים לחיטוי וירוס הקורונה האנושי

 

צוות החוקרים מאחורי הפיתוח

המחקר בוצע במשותף עם פרופ' יורם גרשמן ביוכימאי ממכללת אורנים, ד"ר מיכל מנדלבוים מנהלת המרכז הלאומי לשפעת ונגיפי נשימה בתל השומר, נחמיה פרידמן מתל השומר, ופרופ' הדס ממן, ראשת התוכנית להנדסת סביבה בבית הספר להנדסה מכנית, אוניברסיטת תל אביב. המאמר התקבל ב Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology.

תרשים של הפעולה

מחקר

02.12.2020
מטא-חומרים טופולוגים מכנים פורצים את מגבלות החוק השלישי של ניוטון

המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי:
​"Physical Review Letters"

  • מחקר
  • הנדסה מכנית

 

מאמרם של ד"ר לאה ביילקין-סירוטה ופרופ' יאיר שוקף מבית הספר להנדסה מכנית בשיתוף עם ד"ר רוני אילן וד"ר יואב לחיני מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה פורסם בכתב העת היוקרתי Physical Review Letters

​שינוי נקודת מבט יכול לחולל פלאים. זה נכון במיוחד כאשר מדובר בהבנת תכונות של חומרים באמצעות טופולוגיה, "רעיונות המחוללים מהפכה בפיזיקה של חומר מעובה", לדבריה של ד"ר רוני אילן מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב. טופולגיה והשפעתה על תכונות פיזיקליות של חומר הוא תחום מחקר, אשר צבר תאוצה בפיזיקה של חומר מעובה. לאחרונה רעיונות אלו התפשטו לתחומים נוספים, כולל אופטיקה ופוטוניקה, כמו גם אקוסטיקה ומערכות מכניות אחרות, בהן קיימות עוד מורכבויות.

 

גלים במערכות מכניות יכולים לספק תובנות לגבי הפעולה של מערכות קוונטיות, כולל תופעות טופולוגיות. אולם, בנסיון לממש חלק מתופעות אלו חוקרים נתקלו במחסום בדמות החוק השלישי של ניוטון, אשר קובע שכל פעולה חייבת לגרור תגובה נגדית שווה בגודלה ומנוגדת בכיוונה. קיימות תופעות קוונטיות שיישום שלהן באנלוגיה מכנית דורש שבירה של ההופכיות הזו. כעת, חוקרים מאוניברסיטת תל אביב מצאו דרך ליישם התנהגות לא ניוטונית במערכות מכניות, ובכך לפתח אנלוג מכני לתופעות טופולוגיות קוונטיות מורכבות. הישג זה עשוי לספק תובנות חדשניות גם לגבי מערכות מכניות וגם לגבי מערכות קוונטיות, אשר הטופולוגיה מכתיבה את התנהגותן.

 

צוות החוקרים שילב מומחיות ממספר תחומים שונים – המומחיות של ד"ר רוני אילן בתיאוריה של מצב מוצק, של פרופ' יאיר שוקף – מבית הספר להנדסה מכנית - בחומר מעובה רך, של ד"ר יואב לחיני - מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה - בפוטוניקה טופולוגית ומערכות מורכבות, ולבסוף, החוליה החסרה שאיחדה הכל, הרקע של ד"ר לאה ביילקין-סירוטה - מבית הספר להנדסה מכנית - בתורת הבקרה. "איכשהו כולנו התכנסנו כשלאה הגיעה, והתחלנו לדבר על הדברים האלה", אומר לחיני.

 

שבירת סימטריות

הקשיים המופיעים כשמנסים לתכנן אנלוגיות מכניות למערכות קוונטיות קשורים לשבירת סימטריה. במערכות ששוברות סימטריה מרחבית, הדבר יכול לבוא לידי ביטוי בכך שכוחות האינטראקציה בין רכיבי המערכת הם שונים עבור כיוונים שונים, בדומה למה שקורה למשל באפקט הול הקוונטי. יישום תופעות כאלה במערכות מכניות הוא די טבעי, מכיוון שכדי לשבור סימטריה מרחבית אפשר פשוט לשחק עם הגיאומטריה. אבל שבירת סימטריה בזמן, הדרושה למימוש תופעות טופולוגיות מסוימות, מתבררת כסיפור הרבה יותר מורכב.

 

ברמה המיקרוסקופית, מכניקה היא הפיכה בזמן - אם נצלם שני חלקיקים שנעים זה לקראת זה ומתנגשים, ואז נריץ את הסרט אחורה, עדיין נקבל התנהגות שנראית הגיונית מבחינה פיזיקלית של שני חלקיקים שנעים זה לקראת זה ומתנגשים. אולם, התופעות הקוונטיות שמופיעות למשל כתוצאה מאינטראקציה עם שדה מגנטי, שוברות את הסימטריה הזו. עכשיו, אם נריץ את הסרט אחורה, נקבל משהו שמתאר דינמיקה אשר אינה סימטרית להיפוך בזמן. תרגום של תופעות כאלה למערכת מכנית דורש חוסר הופכיות, שמשמעה שכבר אין תגובה שווה לכל פעולה, וזה משהו שמערכות מכניות פשוט לא עושות באופן טבעי.

 

"אנשים עקפו את המחסום הזה בדרכים מורכבות, כמו למשל על ידי ייצור זרימות סיבוביות, שילוב סביבונים מסתובבים, או מורכבויות אחרות שבסופו של דבר מדמות ספינים במערכות קוונטיות", מסביר שוקף. הבעיה היא שהוספת סביבונים או כל דבר מסתובב אחר למשהו שאין בו סיבוב במערכת הקוונטית מוסיפה דרגות חופש שלא קיימות במערכת אותה אנו רוצים לדמות. כך שלמרות שמבחינות מסוימות המערכת מגיבה כמו המערכת הקוונטית הלא הופכית, קשה להימנע מתופעות לוואי לא רצויות הנובעות מדרגות החופש הנוספות האלה. כאן, למומחיות של ד"ר ביילקין-סירוטה בתורת הבקרה היתה יתרון עצום.

 

אינטראקציות וירטואליות

כפי שד"ר ביילקין-סירוטה מסבירה, תורת הבקרה הוא תחום בהנדסה מכנית, שמשתמש בכלים מתמטים בשביל לתכנן אלגוריתמים שייצרו התנהגות דינמית של מערכות בתגובה לעירור חיצוני. תורת הבקרה מאפשרת לממש התערבויות שקיימות לדוגמא במכוניות חכמות או אוטונומיות. באופן מסורתי כאשר מכוניות מתנגשות, הפגושים של המכוניות סופגים את המכה באופן סימטרי, אולם במכונית חכמה, מצלמה אומדת את המרחק למכונית שלפנינו ומתערבת על ידי הפעלת הבלמים כשאנחנו קרובים מדי. כמו שפרופ' שוקף מסביר, זו כבר דוגמא לאינטראקציה לא הדדית בגלל שאין כאן תגובה שווה והפוכה של המכונית שלפנינו, כפי שהיה קורה אילו הפגוש היה עוצר אותנו. החוקרים הצליחו ליישם עקרונות דומים מתורת הבקרה כדי לתכנן מטא-חומר מכני אקטיבי עם אינטראקציות לא הדדיות בין רכיביו.

 

כדי לממש עקרונות אלו, ד"ר ביילקין-סירוטה וצוות המחקר תכננו מטא-חומר מכני המורכב ממערך מחזורי של משקולות מחוברות הנעות רק למעלה ולמטה, כך שיש רק דרגת חופש אחת לכל משקולת. אולם, במקום שהדינמיקה של המערכת תיקבע על ידי חוקי התנועה של ניוטון, היא נקבעת על ידי בקר הממוקם מעל לכל משקולת. הבקר מודד את המיקום של המשקולות השכנות, מחשב כיצד המשקולת הזו היתה מגיבה אילו היתה ביניהן אינטראקצייה לא הדדית, ואז מפעיל את המשוב החוזר הדרוש בשביל לייצר את התגובה הזו באופן מכני. "החלפנו את האינטראקציות הטבעיות של קפיצים בין המשקולות עם אינטראקציות וירטואליות אם תרצו", אומר ד"ר לחיני, ״ובכך יצרנו תווך אקטיבי לא רגיל המשפיע על גלים מכנים במערכת".

 

סימולציות שהחוקרים ביצעו של מטא-חומר עם בקרה אקטיבית הראו שניתן לדמות באמצעותו את מודל הלדיין, שמתאר את אפקט הול הקוונטי בהיעדר שדה מגנטי, מודל שהיה בלתי אפשרי לממש באמצעות רכיבים מכנים פסיבים. בנוסף, הדבר נעשה "ללא חלקים מסתובבים" כמו שד"ר ביילקין-סירוטה מדגישה, ומוסיפה: "ניתן לממש ככה תופעות טופולוגיות שונות על אותה הפלטפורמה". ואכן, החוקרים הצליחו לממש כמה מודלים קוונטיים שונים עם אתה חומרה, רק באמצעות שינוי של אלגוריתם הבקרה.

בתמונה: תרשים של הפעולה

 

אמנם היו כבר הצלחות במימוש מטא-חומרים אקטיבים במימד אחד, אבל העבודה הנוכחית פורצת דרך במימוש של מטא-חומרים דו-ממדיים עם בקרה אקטיבית. כעת ד"ר ביילקין-סירוטה עובדת על מימוש של מטא-חומר כזה באמצעות גלים אקוסטים, אשר קל יותר לשלוט עליהם, והם עשויים לספק תובנות אינטואיטיביות לגבי מכניקת הקוונטים. במקרה זה, גל קול נע בתווך שבין שני לוחות מקבילים, עליהם ממוקמים מיקרופונים, בקרים ורמקולים, אשר יחד מייצרים אינטראקציות לא הדדיות. למערכת יכולות יישומיות, כמו בידוד אקוסטי או הסתרה אקוסטית. אבל החוקרים מקווים כי האנלוגיה המכנית שלהם תתרום להבנה של מצבים טופולוגיים באופן כללי. "אם דברים מתמפים בדיוק אחד לאחר, זה לא מעניין", אומר פרופ' שוקף. "ברגע שהמיפוי לא מושלם, תופעות חדשות ומענינות מופיעות". ד"ר לחיני מוסיף כי "המערכת המכנית יכולה לשלב באופן נשלט רכיבים רבים שקשה או בלתי אפשרי להשיג אותם במצב מוצק – אינטראקציות, אי-לניאריות, פוטנציאלים דינמים, תנאי שפה שונים, ועוד. מערכות כאלו יאפשרו לנו ללמוד איך טופולוגיה מיתרגמת למצבים חדשים, ולהעמיק את ההבנה של תופעות טופולוגיות".

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

ד"ר אינס צוקר והמסטרנט כפיר שפירא

מחקר

01.11.2020
טיפול מבוסס ננו להסרת מזהמים במים

מאמרה של ד"ר אינס צוקר פורסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי ACS Applied Materials and Interfaces

 

  • מחקר
  • הנדסה מכנית
  • טיפול במים

ד"ר אינס צוקר פרסמה לאחרונה מחקר פורץ דרך בנושא טיפול מבוסס ננו להסרת מזהמים במים בכתב העת היוקרתי ACS Applied Materials and Interfaces.

 

ד"ר צוקר החלה את מחקרה על שימושים וסיכונים של חומרים ננומטרים דו-מימדיים בהיבט סביבתי במסגרת פוסט הדוקטרט שלה באוניברסיטת ייל. כחוקרת חדשה בבית הספר להנדסה מכנית בפקולטה להנדסה של אוניברסיטת תל אביב, היא מובילה את המעבדה לננוטכנולוגיה סביבתית שבראשותה בפיתוח חומרים מתקדמים לטיפול במים ובחינת הסיכונים הסביבתים הכרוכים בכך הן בשלב ביצור והן לאחר שימוש בהם. 

 

הסרת זיהומי כספית ממים

במחקר הנוכחי, צוקר פיתחה שיטות לגידול מוליבדינום גופרתי (MoS2, molybdenum disulfide) על-גבי מצע של סיבי פחמן, ובחנה את יכולת החומר המרוכב להסיר זיהומי כספית ממים. זיהומי כספית (בעיקר ממקורות תעשייתים) מסוכנים לבריאות האדם והאקוססטמה ויש עניין רב בהסרה סלקטיבית ויעילה שלהם. שיטות הגידול שנבחנו אפשרו קבלת ציפויי MoS2 בצורות, מבנים ועומסים שונים על-גבי הסיבים. לאחר בחירה בשיטה שמאפשרת הסרה מהירה ובטוחה של כספית, הציפויים גם עברו מודיפיקציות כדי למקסם את היכולות ספיחת הכספית על-ידי השתלת 'הפרעות' בזמן גידול שכבת ה MoS2. החומר שפותח יכול לשמש להסרת מזהמים ממים במתקני טיפול בסקאלה נרחבת, משום שהוא בטוח ונוח לשימוש בתצורה המעוגנת שלו על גבי מצע סיבי או אחר. ד"ר צוקר הנחתה את הדוקטורנטית קמרין פאזי באוניברסיטת ייל במחקר זה, והשתיים המשיכו את עבודתן בשלט רחוק לאחר חזרתה של צוקר לישראל.

 

ד"ר צוקר זכתה לאחרונה במימון המשך המחקר במסגרת "ניצוץ קלינטק" של משרד המדע והטכנולוגיה, ויחד עם המסטרנט כפיר שפירא מפתחת כיום מתקן טיפול מולטיפונקציונלי להסרת מזהמים אורגנים ואנאורגנים ממים על בסיס שכבות מוליבדינום דיסולפיד.

 

לינק למאמר 

לינק לכתבה ב Ynet

לינק לציוץ בנושא המאמר

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

פיתוח מכונת הנשמה

מחקר

29.10.2020
קוד לאוויר לנשימה

צוות חוקרים מהפקולטה להנדסה אוניברסיטת תל אביב פיתחו כלי תוכנה, עם קוד פתוח למפתחים שיאפשרו לנבא ביצועים של מכונות הנשמה שמחוברות למטופלים במצבים שונים.

  • מחקר
  • נשימה
  • הנדסת חשמל
  • הנדסה מכנית

 

עם פרוץ מגיפת הקורונה התארגנה קבוצה של חוקרים מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב במטרה לעזור במאמץ המלחמתי. פרופ' אלכס ליברזון מבית הספר להנדסה מכנית וד"ר גדעון שגב מבית הספר להנדסת חשמל מובילים צוות לפיתוח של כלי תוכנה עם קוד פתוח למפתחים שיאפשרו לנבא ביצועים של מכונות הנשמה שמחוברות למטופלים במצבים שונים. מטרת הפרויקט היא לאפשר לקבוצות שמפתחות מכונות הנשמה "ביתיות" לבדוק כיצד המכונה שלהם תעבוד עם חולים ובנוסף לאפשר פיתוח מהיר של מערכות שליטה ובקרה למכונות הנשמה.

 

בקרת זרימת האוויר

כיום מדברים הרבה על ייצור של מכונות הנשמה "פשוטות" או ביתיות. הבעיה העיקרית עם מכונות כאלו היא שאין להן את כל מערכות הבקרה המתוחכמות שיש במכונות ההנשמה הרגילות. לדוגמא, במכונות הנשמה יש מספר חיישנים המאפשרים לשלוט בנפח האוויר שנכנס למטופל בכל נשימה ובלחץ האוויר המינימלי והמקסימלי בריאות שלו. עם זאת, העלות של חיישנים למדידת כמות האוויר שנכנס היא גבוהה וגם קשה להשיג כאלו היום. כתוצאה מכך, במכונות ההנשמה הפשוטות שמציעים לבנות היום, קשה לדעת כמה אוויר המטופל מקבל. "כאן הכלים שאנחנו מפתחים נכנסים. התוכנה שאנחנו פיתחנו מדמה את זרימת האוויר במכונה ובמטופל. היא לוקחת בחשבון פרמטרים כמו המצב הרפואי של המטופל ואת מספר הנשימות שלו בדקה והיא מחשבת את זרימת האוויר והלחץ בכל נקודה במכונה ובריאות של המטופל" מספר ד"ר שגב.

 

מבעיה לפתרון

בעזרת כלי כזה, מפתחים יכולים לתכנן טוב יותר את המערכות שלהם ולהתייחס לבעיות כמו: איך המכונה תעבוד עם מטופלים שונים? כיצד מוודאים שהמכונה מסונכרנת עם הנשימות של המטופל? או האם ניתן להציב חיישנים פשוטים במקומות שונים בשביל להעריך כמה אוויר המטופל מקבל?

 

בשלב הראשון, בנינו תוכנה שמדמה את הפעולה של מערכת המנשמה. מערכת הנמצאת בפיתוח ע"י צוות הכולל מהנדס מערכת, רופא, מהנדס חשמל, מתכנת ומתנדבים נוספים שעוזרים בכל הנדרש: מרדכי חלפון, ד"ר אלעד גרוזובסקי, רונן זילברמן, גיל בכר, עברי שפירא, רועי דרנל, סתיו בר-ששת. המנשמה מיועדת להקל על חולים מונשמים שאינם מורדמים. "יחד עם צוות הפיתוח של המנשמה, ערכנו סידרה של ניסויים שאפשרו לנו לכייל את החישובים שלנו ועל ידי כך לאפשר לתוכנה לנבא כיצד המכונה תעבוד עם מטופלים במצבים שונים. השלב הבא יהיה להתאים את החישובים למערכות שמבוססות על מנשם מסוג אמבו (מין בלון שלוחצים עליו כדי להכניס אוויר לריאות). יש הרבה מאוד אנשים בעולם שעובדים על מכונות מהסוג הזה כך שאנחנו חושבים שתוכנה כזו תוכל לעזור להם בצורה משמעותית" מסביר ד"ר שגב

 

על ה Software

התוכנה שלנו מבוססת על כלי תוכנה סטנדרטיים לתכנון מערכות לזרימת אוויר. היא פותרת את משוואות הזרימה בהינתן המצב של המטופל והפרמטרים של בקרת הנשימה שאנחנו בוחרים. התוצאה של החישוב היא איך הלחץ וזרימת האוויר משתנה  בריאות (או בכל נקודה אחרת במערכת) עם הזמן. ערכנו ניסויים עם ריאה מלאכותית והשווינו את תוצאות הניסוי לחישובים במצבים שונים. היה מאוד יפה לראות שאחת שמכוונים את החישוב, הוא מסוגל לתאר את ביצועי המערכת במגוון רחב של מצבים. מאחר ואנחנו עוסקים רק בחישובי הזרימה, החישוב לא מסוגל לתת מידע על התפתחות המחלה עצמה. עם זאת, חישובים כאלו יאפשרו למפתחים לכוון את מערכות ההנשמה שלהם כך שייצרו את הפרמטרים האופטימאליים עבור כל מטופל ועל ידי כך לשפר את המצב שלו.

 

"מספר המונשמים בארץ הוא די נמוך בהשוואה למדינות רבות בעולם. על כן, לשמחתנו, נראה שלא יהיה בארץ צורך במכונות הנשמה פשוטות. עם זאת, זה ממש לא המצב במקומות רבים בעולם. יש מדינות רבות בעולם השלישי שבכל המדינה יש פחות מעשר מכונות הנשמה. במדינות כאלו יש חוסר קיצוני במכונות הנשמה גם בימים שבשגרה ועל אחת כמה וכמה עכשיו עם התפרצות מגפת הקורונה. אנחנו מקווים שהפעילות שלנו תוכל לעזור במשהו בכל המקומות האלו" מסכם ד"ר שגב

 

לינק קישור לתוכנהhttps://osf.io/befqm/

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

יאיר שוקף

מחקר

24.09.2020
לגזור את הקרח

תופעות פיזיקליות לרוב מתנהגות באופן שונה במימדים שונים. אולם, האם ניתן לגרום למערכת דו-ממדית להתנהג כמו בשלושה מימדים? 

  • מחקר
  • הנדסה מכנית
  • קרח קולואידי
  • קרח מלאכותי
  • עיוות קרח מלאכותי דו-ממדי

פרופ' יאיר שוקף מבית הספר להנדסה מכנית יחד עם שותפיו מאוניברסיטת תל אביב ואוניברסיטת ברצלונה מסבירים במאמר שהתפרסם בכתב העת המדעי Physical Review Letters​ כיצד ניתן לגרום למערכת דו-ממדית להתנהג כמו בשלושה מימדים. 

 

חוקרים מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב יחד עם חוקרים מאוניברסיטת ברצלונה הציגו לאחרונה דרך לעוות קרח מלאכותי דו-ממדי, אשר מעניקה לו חלק מהתכונות של קרח טבעי תלת-ממדי. לקרח תלת-ממדי העשוי ממים קפואים יש הרבה סידורים מרחביים של המולקולות המרכיבות אותו, אשר לכולם אותה רמת אנרגיה, לכן המערכת מנוונת, ותמיד תהיה קיימת בה רמה מסוימת של אי-סדר. למקבילה הדו-ממדית שלו, קרח ריבועי, אין ניוון כזה. החוקרים שילבו ניסויים, תיאוריה וסימולציות נומריות על מנת לייצר קרח מלאכותי דו-ממדי העשוי מחלקיקים קולואידים בגודל של כמיקרומטר. כאשר מעוותים את הגיאומטריה שלו בצורה של גזירה, לקרח הקולואידי הזה יש שני סידורים מרחביים שונים של החלקיקים, אשר להם אנרגיות דומות מאוד, דבר זה מייצר באופן אפקטיבי ניוון במערכת.

 

אולם ניוון זה מגיע עם מחיר: שני הסידורים האלה הקרובים מאוד באנרגיה לא יכולים להתקיים ביחד, אלא אם כן הם מחוברים זה לזה באמצעות פגמים טופולוגים, להם אנרגיה גבוהה יותר, ואשר דורשים שינויים מבניים ארוכי-טווח על מנת שיהיה אפשר למחוק אותם.

 

בתמונה: ניסוי (שמאל) ותיאוריה (ימין) של חלקיקים מיקרומטריים במערך של מלכודות מוארכות המסודרות על סריג ריבועי גזור (מקור: האגודה האמריקאית לפיזיקה).

 

המחקר התפרסם בכתב העת Physical Review Letters ב-12 ביוני 2020 והוא תוצאה של עבודתם של:

- הדס שם-טוב וד"ר ארדל אוגוז בקבוצה של פרופ' יאיר שוקף  מבית הספר להנדסה מכנית באוניברסיטת תל אביב 
- אריק בביה-סולר וד"ר אנטוניו אורטיז-אמבריז בקבוצה של פרופ' פייטרו טיירנו במחלקה לפיזיקה של חומר מעובה באוניברסיטת ברצלונה.

 

הקליקו למאמר המלא

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

יצור אתנול רפואי מפסולת חקלאית לחיטוי וירוס הקורונה

מחקר

25.05.2020
ייצור אתנול רפואי מפסולת חקלאית לחיטוי

פרופ' ממן מהפקולטה להנדסה אוניברסיטת תל אביב, יחד עם הדוקטורנט רועי פרץ ופרופ' גרשמן מאוניברסיטת חיפה-מכללת אורנים, הצליחו לייצר אתנול מפסולות מגוונות בתהליך חדשני על מנת שמדינת ישראל תוכל לייצר בעצמה אלכוהול ללא חשש ממחסור   

  • מחקר
  • הנדסה מכנית

המאבק נגד נגיף הקורונה מתחיל בשמירה על היגיינה וחיטוי, לכן עם התפרצות וירוס הקורונה עלתה הדרישה לאלכוהול לצורך חיטוי. אלכוהול (אתנול) הוא חומר החיטוי הנפוץ ביותר ומשמש לייצור אלכוג'ל, ספטול ודומיהם. נכון להיום, בישראל אין ייצור מקומי של אתנול וב-2018 ייבאה ישראל 23,000 טונות של אתנול, כאשר מרביתו מיוצר ממקורות מזון ראויים לבני אדם כגון תירס. נכון להיום, מדינת ישראל תלויה לחלוטין ביבוא של אתנול, והבעייתיות הופכת למשמעותית יותר בעת מגפות כאשר יש הסגרים כללים, ומגבלות ייבוא גדולות. 

 

מחסור בחומרי חיטוי בישראל

כחלק מעבודת המחקר של פרופ' ממן יחד עם הדוקטורנט שלה רועי פרץ ושאר צוות החוקרים במעבדה, עוסקים בטיפול בפסולות המהוות מטרד לאדם ולסביבה, והפיכתה לאלכוהול, מוצר שימושי כתחליף דלק למשל. עם התפרצות המגפה, ניכר כי יש מחסור גדול של חומרי חיטוי בארץ. "הופעתנו לגלות כי מדינת ישראל, נכון להיום, תלויה לחלוטין בייבוא אלכוהול לצורך חיטוי. מכאן ועד בחירת הנושא למחקר לטובת ייצור אלכוהול כחומר חיטוי למען המאבק בקורונה היה קצר.

 

במחקר משותף שמומן בימים אלה ע"י משרד המדע, הצוות של פרופ' ממן מבית הספר להנדסה מכנית באוניברסיטת תל אביב ופרופ' גרשמן באוניברסיטת חיפה-מכללת אורנים, הדגימו ייצור אתנול מפסולות מגוונות כגון גזם עירוני, בעזרת טיפול קדם באוזון והמרתה לאלכוהול בתהליך חדשני. בכך מדינת ישראל תוכל לייצר בעצמה אלכוהול ללא חשש ממחסור היות וזה מיוצר מפסולת. 

תמונה ממפעל נייר חדרה

תמונה ממפעל נייר חדרה

 

ייצור אתנול מפסולות מגוונות

פרופ' ממן, ראשת התוכנית ללימודי הנדסת סביבה לתארים מתקדמים בפקולטה להנדסה מסבירה כי "פריצת הדרך שלנו בכך שהצלחנו לייצר אתנול בצורה אפקטיבית מפסולות מגוונות כגון גזם עירוני וחקלאי, קש, פסולת נייר ובוצת נייר וכד', בעזרת טיפול קדם בגז אוזון. שימוש באוזון מציג שיטת טיפול קדם פשוטה וזולה להקמה והפעלה שכמעט ואינה מזהמת ואינה דורשת שימוש בחומרים מסוכנים וניתנת לביצוע בקנה מידה מקומי ועולמי. בימים אלו אנחנו מקימים באוניברסיטת תל-אביב פיילוט יישומי לייצור אלכוהול לחומר חיטוי מפסולת במדינת ישראל. אך ישנם אתגרים במחקר מכיוון שכחלק מתהליך הגמלון, והמעבר מסקאלה מעבדתית לפיילוט יישומי, האתגר יהיה להעלות את רמת יעילות תהליך יצירת אלכוהול מפסולות רבות". 

 

עוד אומרת פרופ' ממן כי "למחקר פוטנציאל רב מכיוון שבישראל מיוצרים מדי שנה כ-620,000 טונות של פסולות צמחיות ודומות שאין להן שימוש. במחקר זה, גם נטפל בבעיית הפסולות וגם נייצר מוצר בעל ערך רב שיאפשר עצמאות למדינת ישראל בייצור אתנול. יתרון נוסף של התהליך שלנו שמדובר על תהליך שיכול לעבוד עם כמויות פסולות שונות ומגוון של פסולות, וגם להשתלב עם הטיפול קדם החדשני שלנו יחד עם חברות שיש להם תהליכי התססה וזיקוק. פיתחנו גם שיטה חדשנית לייצור אתנול מפסולת מיחזור נייר וקרטון. התהליך שפותח מבוסס גם על טכנולוגית אוזונציה חדשנית אשר מאפשרת חמצון ופירוק של מרכיב הליגנין בפסולת, הידוע כמעכב את תהליך המרת הפסולת לאתנול. על בסיס תהליך זה נרשם לאחרונה פטנט בארה"ב. בישראל בלבד בכל שנה נוצרים כ-35,000 טונות של פסולות תהליך מיחזור נייר, אשר בלא פתרון אחר משונעות להטמנה". 

 

בנימה אישית

"המגפה האחרונה לקחה מאיתנו את הדבר היקר לנו מכל- קרבה אנושית. המאבק במגפה מאלץ אותנו להיות בריחוק כדי לשמור את היקרים לנו. אין ראוי מלהצטרף למאבק בקורונה ולתרום לבריאות הציבור. לא רק זה, בעת שהותי בשבתון בהודו נחשפתי להשפעה הסביבתית של שריפת פסולות חקלאיות במעבר בין הגידולים שונים וההשפעה על זיהום האוויר ועל ההחמרה במצב עקב שינויים האקלימיים שהשפיעו משך ועוצמת המונסונים. זה חיזק אצלי את החשיבות של המחקר שלנו על ניצול הפסולות החקלאיות ליצירת תהליך מבוזר, שיוכל לאפשר לחקלאים למשל להרוויח מאי-שריפת הפסולות החקלאיות, הרווח הסביבתי והחברתי וגם נכון להיות עוד יותר, שמירה על בריאות הצבור בשל מגפות עולמיות"  מסכמת פרופ' ממן.  

 

לכתבה ב YNET

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

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

  • מחקר
  • הנדסה מכנית

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

  • מדע והנדסה של חומרים
  • הנדסה מכנית

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

 

 

אוניברסיטת תל אביב עושה כל מאמץ לכבד זכויות יוצרים. אם בבעלותך זכויות יוצרים בתכנים שנמצאים פה ו/או השימוש שנעשה בתכנים אלה לדעתך מפר זכויות, נא לפנות בהקדם לכתובת שכאן >>
אוניברסיטת תל-אביב, ת.ד. 39040, תל-אביב 6997801
UI/UX Basch_Interactive