רגיש וספונטני

מימין לשמאל: נועם ובר, סשה חלפין וד”ר יהונדב בקנשטיין. קרדיט: רמי שלוש, דוברות הטכניון

כאשר אנחנו נשרטים או נפצעים באופן שטחי, גופנו יודע לרפא את הפצע בעצמו, או לכל היותר עם עזרה מינימלית של פלסטר או חומר חיטוי. קבוצות מחקר רבות ברחבי העולם פועלות לפיתוחם של חומרים בעלי תכונות דומות, שיידעו לתקן את עצמם ללא עזרה חיצונית. כולנו יודעים כמה מתסכל לגלות שמסך הטלפון נשבר ועלינו להחליפו, ויש כמובן צרות גדולות יותר – למשל תקלה בלוחות סולאריים המניעים לוויין בחלל. כעת תארו לעצמכם שהמסך שלכם והלוח הסולארי בחלל יידעו לתקן את עצמם ולשוב לתפקוד מלא. באתגר הזה עוסקות קבוצות מחקר רבות ברחבי העולם: פיתוח חומרים בעלי יכולת ריפוי עצמי (Self-Healing Materials).

בשורה חיובית בהקשר זה מגיעה כעת מקבוצת המחקר של ד”ר יהונדב בקנשטיין מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים ומהמכון למצב מוצק בטכניון. ד”ר בקנשטיין והדוקטורנטים סשה חלפין ונועם בר פיתחו גבישים ננומטריים מוליכים למחצה, ידידותיים לסביבה, היודעים לרפא את עצמם. במאמר בכתב העת Advanced Functional Materials הם מראים כיצד חומרים המכונים “פרובסקיטים כפולים” מתקנים פגמים הנוצרים בהם בעקבות חשיפה לקרינת אלקטרונים חודרת.

חומרים פרובסקיטים מוכרים למדע כבר יותר ממאה שנה, אך רק בשנים האחרונות התברר כי קבוצת פרובסקטים האלידיים מבוססי עופרת מאופיינים בתכונות אלקטרואופטיות ייחודיות המקנות להם יתרון עצום על פני סיליקון, למשל נצילות גבוהה בהמרת אנרגיית שמש לחשמל. הפרובסקיט זול לייצור משום שהוא מיוצר ומעובד בטמפרטורות נמוכות יחסית לסיליקון, ואפשר ליצור ממנו יריעות גמישות שסוללות דרך למגוון רחב של יישומים. לפרובסקיטים כפולים יתרון סביבתי, שכן הם עשויים לייתר את השימוש בעופרת, שהיא מתכת רעילה מאוד, המשולבת כיום בהתקנים פרובסקיטים להמרת אנרגיה.

קבוצת המחקר של ד”ר בקנשטיין מתמחה בגידול גבישי פרובסקיט ננומטריים וביצירה של משטחי פרובסקיט בעלי תכונות פיזיקליות מיוחדות. במחקר המתואר ב- Advanced Functional Materials ייצרו חוקרי הטכניון גבישים ננומטריים בתהליך קצר ופשוט באוויר הפתוח, תוך חימום החומר ל-100 מעלות צלזיוס. החוקרים עקבו באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים חודר אחר הגבישים וגילו כי קרן האלקטרונים העוצמתית של המיקרוסקופ יצרה בהם פגמים בדמות חללים פנימיים זעירים.

היווצרות החור על פני השטח של החלקיק ותנועתו פנימה לתוך החלקיק. התמונה והסרטון מבוססים על עיבוד ממוחשב של צילומים שנעשו במיקרוסקופ אלקטרונים חודר.(Bekenstein lab)

החוקרים ראו כי החללים האמורים נעים בסביבות מרכז החלקיק אך נמנעים מלנטוש את המרכז לעבר קצותיו, כאילו חומה נסתרת חוסמת את דרכם החוצה. על סמך צילום עשרות סרטוני וידאו וניתוחם הממוחשב הצליחו החוקרים לייצר תמונה של הדינמיקה המתקיימת בגביש בזמן אמת. הם גילו כי החללים האמורים נוצרים על פני השטח של הגביש, כאשר קרן האלקטרונים מעיפה אטומים מהחומר, אולם לאחר היווצרותם הם נודדים אל נקודות שיווי משקל בתוך הגביש. נדידה זו, מסבירים החוקרים, נובעת מסיבות אנרגטיות הקשורות בנוכחותן של מולקולות אורגניות המכסות את פני השטח של הגביש. כאשר הם סילקו את אותן מולקולות נדדו החללים אל פני השטח של הגביש, והאזור הפנימי של הגביש התגבש חזרה באופן ספונטני למצבו הראשוני, נטול הפגמים.

במילים אחרות: הגביש ריפא את עצמו.

תגלית זו מהווה צעד חשוב בהבנת המנגנונים המאפשרים לננו-חלקיקים פרובסקיטים לרפא את עצמם וסוללת את הדרך לשילובם של חומרים אלה בתאים סולאריים ובהתקנים אלקטרונים אחרים.

המחקר נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע, רשות החדשנות הישראלית, ות”ת (מלגת אלון), מכון ראסל ברי לננוטכנולוגיה בטכניון ומרכז הקוונטום ע”ש הלן דילר בטכניון.

למאמר בכתב העת Advanced Functional Materials לחצו כאן