RESEARCH

כעת, במחקר שהוביל ד"ר איתי אפשטיין, איש סגל חדש במחלקה לאלקטרוניקה פיסיקלית בבית הספר להנדסת חשמל בפקולטה להנדסה, אשר בוצע כחלק מעבודת הפוסט-דוקטורט שלו יחד עם חוקרים נוספים מספרד, פורטוגל, צרפת, ברזיל וארה"ב, הצליחו החוקרים לבנות סוג חדש של מהוד אופטי. המהוד, שמבוסס על שילוב של קוביות מתכת בגודל ננומטרי המפוזרות על גבי הגרפן, איפשר לייצר את המהוד האופטי הקטן ביותר שנבנה עד כה לקרינה אינפרא-אדומה, ואשר מבוסס על הפלזמונים בגרפן.

בניסוי, החוקרים השתמשו בקוביות מתכתיות בגודל 50 ננומטר בלבד, אשר מפוזרות באופן אקראי על שכבת הגרפן ללא דפוס או כיוון ספציפי. זה איפשר לכל קוביה, ביחד עם הגרפן, לפעול כמהוד אופטי בודד. לאחר מכן הם העבירו אור אינפרא-אדום דרך הדגם ומדדו כיצד הפלזמונים נדחסים לנפח קטן מאוד בין הגרפן והקוביות.

מבעיה לפתרון

ד"ר אפשטיין מציין כי "המכשול העיקרי בו נתקלנו בניסוי זה הוא העובדה שאורך הגל של אור אינפרא-אדום גדול מאוד והקוביות קטנות מאוד - בערך פי 200 - כך שקשה מאוד לגרום להם לבצע אינטראקציה זה עם זה". כדי להתגבר על הבעיה הם ניצלו תופעה מיוחדת - כאשר הפלזמונים נדחסו אל המהוד הם יצרו אופן תהודה הנקרא אופן תהודה מגנטי. ד"ר אפשטיין מבהיר: "תכונה ייחודית של אופן תהודה מגנטי מסוג זה היא היכולת לפעול כסוג של אנטנה המגשרת על ההבדל בין הממדים הננומטריים של הקוביה לבין המימדים הגדולים של האור האינפרא-אדום". לפיכך, אופן התהודה איפשר לדחוס את הפלזמונים לנפח הקטן פי מיליארד מהנפח של אור אינפרא-אדום רגיל, דבר שמעולם לא הושג לפני כן. בנוסף, החוקרים גילו שהמהוד משמש גם כסוג חדש של אנטנה ננומטרית שיכולה לפזר אור אינפרא-אדום ביעילות רבה.

תוצאות מחקר מבטיחות

לרוב החומרים המולקולריים קיימים מעברים אנרגטיים בספטרום האינפרא-אדום, ומכוון שגישה זו, של דחיסת האור לחללים מאד קטנים, מסוגלת לחזק את השדה האופטי בצורה ניכרת, ניתן להשתמש בה כדי לאתר חומרים מולקולריים, המגיבים לאור אינפרא-אדום. מבחינה זו תוצאות המחקר מבטיחות בתחום של גלאים חדשים לחישה מולקולרית וביולוגית, רפואה, ביוטכנולוגיה, בדיקת מזון ואפילו ביטחון. גלאים אלו יעזרו לאתר חומרים מולקולריים רעילים או מסוכנים, הנמצאים במזון או בציוד הנ"ל.

העבודה בוצעה כחלק מעבודת הפוסט-דוקטורט של ד"ר אפשטיין, במכון המחקר ICFO – The Institute of Photonic Sciences, בברצלונה, ספרד, והתפרסמה בירחון המדעי Science.

את המאמר המלא ניתן למצוא כאן.

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

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

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

ד"ר רעות נוחם, פוסט-דוקטורנטית באוניברסיטת Northwestern (במסגרת המלגה המשותפת לאוניברסיטת תל אביב ו- Northwestern), עשתה את הדוקטורט שלה במחלקה להנדסת תעשייה תחת הנחייתה של פרופ' מיכל צור, ראשת המחלקה להנדסת תעשייה. הדוקטורט שלה עסק בלוגיסטיקה וקבלת החלטות בשעת חירום והוא רלוונטי יותר מתמיד כעת במשבר הקורונה. "הראנו כי במצבי חירום כגון אסון טבע, מגיפה או מלחמה, כאשר שיתוף פעולה מצד האוכלוסיה הוא המפתח ליישום מוצלח של כל תכנית פעולה, שילוב ההיבטים ההתנהגותיים במודלי קבלת ההחלטות הוא קריטי והתעלמות מההיבט האנושי עלולה להוביל לפתרון גרוע בהרבה מהפתרון שיתקבל תחת הערכת מצב מציאותית וכנה. במילים אחרות, במקום לקוות שכל האוכלוסיה תישמע להנחיות, יש לשלב במודלים תרחישים בהם חלק מהאוכלוסיה לא משתפת פעולה ולעדכן את ההערכות של המודלים ואת ההחלטות שמשתמעות מכך בהתאם. עוד הראנו, כי ע"י זיהוי ממוקד של אוכלוסיות מפתח בהן ניתן למצוא קבוצות גדולות של "מפרי הנחיות" וע"י הקצאת תמריצים (כן, תמריצים ולאו דוקא אכיפה) לאותן אוכלוסיות ניתן לגשר על חלק גדול מהפער שקיים בין המצוי לרצוי" מסבירה ד"ר נוחם.

הערכות לאסון

המחקר התמקד בהערכות לאסון טבע כגון רעידת אדמה, ובהחלטות כגון מיקום מרכזי סיוע לאוכלוסיה והקצאת "ערכות הישרדות" לנפגעי האסון. המודלים המוצעים נבחנו באמצעות תרחישים שהתקבלו מועדת ההיגוי הארצי להערכות לרעידות אדמה והמכון הגיאופיזי לישראל. עם זאת, העקרונות המוצגים במחקר רלוונטים ביותר גם לתרחיש של מגיפה כמו מגיפת הקורונה. בעת קבלת החלטות אודות הגבלות תנועה, צמצום שוק העבודה וריחוק חברתי, יש לקחת בחשבון את מידת שיתוף הפעולה של האוכלוסיה עם הרשויות. חשוב לזהות אוכלוסיות "בעייתיות" אשר יתקשו לציית להנחיות כלשהן כבר בעת שגרה וכחלק מתכניות ההערכות לחירום, ולגבש אסטרטגיות פעולה מבעוד מועד. למשל בעדה החרדית כדאי היה לפנות לרבנים המנהיגים עוד בטרם התפרסמו ההנחיות, וביחד איתם למקד את מאמצי ההסברה והפרסום באופן שיהיה אפקטיבי עבור פלח אוכלוסיה זה. דוגמה נוספת היא סיוע בהכשרה והטמעה של פתרונות טכנולוגיים ללימוד תורה וקיום תפילות, ומתן פתרונות לאנשים שצריכים להיות בבידוד ולא יכולים לקיים את ההנחיה לאור תנאי המגורים הנוכחיים שלהם. עבור האוכלוסיה המבוגרת, הקמת מערך מסודר של נציגים שידאגו לספק את כל צרכיהם בזמן הסגר ועבור צעירים הנמצאים בסיכון נמוך ומתקשים לעצור את שגרת חייהם, אפשר להציע סיבסוד שירותים בהם יוכלו להשתמש בזמן או בתום המשבר כל עוד יוכיחו כי נשמעו להנחיות. כל הפתרונות הללו דורשים השקעה כספית וחשיבה מחוץ לקופסה אך סביר להניח כי התועלת מהשקעה זו תשתלם.

"ובנימה אישית – תישמעו להנחיות. ככל שאוכלוסית הצייתנים תהיה גדולה (כפי שראינו במדינות כמו קוריאה הדרומית וסינגפור), כך פחות משאבים יושקעו באותם אלו שלא נשמעים להנחיות והחברה כולה תרוויח מכך. זו אומנות הציות" מסכמת ד"ר רעות נוחם.

קישור למאמר

במעבדתו של ד״ר אלון באב״ד מבית הספר להנדסת חשמל באוניברסיטת תל אביב הצליחו כעת להדגים את התופעה עם אור. הרעיון הבסיסי במרכז המחקר הוא שגם אור הוא תופעה גלית, וכמו החלקיק קוונטי, יכול להיות מורכב מאוסף של גלים הנעים לכיוון מסוים.

​

בניסוי במעבדה של ד"ר באב"ד The Physical Optics group השתמשו החוקרים ותלמידי המחקר יניב אליעזר, שנמצא כיום בפוסט דוקטורט באוניברסיטת ייל, ותומאס זכריאס, באלומת לייזר אשר פוצלה והורכבה מחדש כאוסף של גלים הנעים כולם בזוית חיובית יחסית לציר שנקבע מראש. אסופת הגלים הזו חושבה מראש כך שתוכל לייצר את תופעת ה״זרימה לאחור״. כעת בהזזת חריץ קטן לרוחב אלומת האור נעשית המדידה המקומית של כיוון זרימת האור. ברוב המיקומים בהם הושם החריץ, האור אשר יצא ממנו המשיך לנוע בכיוון המאופיין עם זוית חיובית, אך במספר מקומות מוגדרים – האור אשר בקע מהחריץ נע בכיוון המאופיין עם זוית שלילית, מאשש בכך את התופעה המדוברת. למחקר זה יכולות להיות השלכות בתחומים הדורשים שליטה מדויקת בפילוג המרחבי של עוצמת אור בנפחים קטנים, כמו מיקרוסקופיה, חישה והנעה של חלקיקים זעירים. 

*עוד ניתן לקרוא על המחקר של ד"ר באב"ד במגזין היוקרתי Optica שהתפרסם חודש שעבר - למאמר המלא במגזין Optica

*לכתבה המלאה בעיתון הארץ

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.

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.

בתמונה: איזון היתרונות וסיכונים של ננוחומרים בסביבה