בהמשך לכתבה "מה זה ננוטכנולוגיה?" אנו ממשיכים בסדרת כתבות שמציגות לראווה את הפוטנציאל העצום של החומרים הננומטריים במגוון תחומים. והפעם נתמקד בפיתוחים ננוטכנולוגיים בתחום הטקסטיל.

השילוב של ננוטכנולוגיה וטקסטיל הוא כיום אחד הנושאים החמים ביותר בעולם – ולא רק מבחינה מדעית. בשנת 2000 הוערך השוק של "בדים חכמים", או "טקסטיל טכנולוגי", בכ-93 מיליארד דולר ואנליסטים צופים שעד לשנת 2020 הוא כמעט יכפיל את גודלו, עד לרמה של כ-175 מיליארד דולר בשנה. אך מה בשילוב הזה של ננוטכנולוגיה וטקסטיל גורם התעניינות כל כך גדולה? מה כבר מיוחד כל כך בבד?

התשובה לשאלה ברורה: כולנו לובשים בדים, כל הזמן. בבית, בטיולים, בעבודות מסוכנות ובעבודות יומיומיות, בספורט, בלחימה באש ובמלחמה בבני אדם. לעתים הבד הוא הדבר היחיד שיש לנו – הפריט הטכנולוגי היחיד שנמצא ברשותנו. להתאמת הבד לצרכי האדם במשימות שונות יש חשיבות עצומה, וזה נכון באותה מידה הן לבגד ים שלגופו של שחיין במקצה גמר אולימפי, הן לאפוד המגן שעוטה חייל מסתער והן לעוד פרטי לבוש רבים.

העולם הננומטרי הקפיץ בכמה רמות את היכולת שלנו לשלוט בתכונות הבד וליצור בדים עם יכולות ספציפיות. הבדים החכמים יכולים לנו להתקיים גם בסביבות עוינות לבני אדם בגלל טמפרטורה גבוהה או נמוכה מדי או הרכב כימי רעיל של האוויר כסף רב ומאמצים אדירים מושקעים בכל רחבי העולם בפיתוח בדים חכמים, ואנו נציץ כאן על כמה מהמעניינים ביותר.

בדים עמידים

התכונה הראשונה שחיפשו מפתחי הבדים החכמים היתה עמידות, ובמיוחד עמידות בפני לחצים מכניים וטמפרטורות קיצוניות. ההשראה נבעה מגילוים של חומרים ננומטריים ששילבו בהצלחה כמה אלמנטים חשובים, ובהם גמישות, חוזק ומשקל.

אחד החומרים הנפוצים היום לפיתוחים מן הסוג הזה הוא צינורית הפחמן, שכבר הזכרנו במאמר המוזכר בתחילת הכתבה. החומר חזק פי 300 מפלדה ומסוגל לשמור בעת ובעונה אחת על גמישות ועל משקל קטן, כך שאין פלא שמשתמשים בו בין השאר לפיתוח בדים עמידים. סיבים העשויים מננו-צינוריות פחמן חזקים פי 17 מסיבי קוולר (החומר שמשמש כיום לייצור אפודי מגן נגד כדורים), והם קלים יותר וגמישים יותר, כך שבדים שעשויים מסיבים של ננו צינוריות פחמן הפכו להיות האריגים העמידים והחסינים של המחר. החזון הוא להגיע בסופו של דבר לפיתוח חליפה בעובי של בגד גוף סטנדרטי שיהיה עמיד בפני כדורים ופגיעות מכניות אחרות.

אם אנו יכולים לתכנן את הבדים כרצוננו, למה לא ליצור בדים עמידים למים, לשומנים ולכתמים אחרים? בכל המקרים לא מדובר במדע בדיוני, אלא במוצרים שנמצאים בשלבי פיתוח מתקדמים מאוד. למעשה התהליך שבו בגד נרטב או שנוצר עליו כתם הוא זהה בשני המקרים – מדובר בהיקשרות של מולקולות הנוזל או החומר המכתים עם המולקולות של סיבי הבד. פיתוח ננוטככנולוגי מדהים יוצר שכבה מגינה בין הבד לחומר הנוסף ומונע את ההיקשרות ההדדית ביניהם.

איך זה נעשה? פיתוח של חיל האוויר האמריקאי מאפשר לשלב חלקיקי חומר פלסטי עם ננו-חלקיקים דוחי מים המורכבים מפחמן, פלואור, צורן וחמצן. השילוב של כל החומרים הללו יוצר מבנה מיוחדים עם המון חללים קטנטנים, כך ש-97 אחוז ממנו הם כיסי אוויר. כשחומר מרטיב או מכתים בא במגע עם שכבת המגן, הוא נוגע למעשה רק באוויר ולכן לא נקשר, לא מכתים ולא מרטיב את הבד המוגן. לא מאמינים? ראו בעצמכם.

סרטון זה הופק בידי חברת Ross nanotechnology

כבר כיום נעשה שימוש בבדים כאלה בכיסויים של רהיטים ובבגדים מיוחדים והציפייה היא שהשימוש בהם ילך ויתרחב ככל שהטכנולוגיה תתפתח.

בגד ים של אלופים

לעיתים הבדים החכמים מעוררים ויכוחים ומחלוקות – למשל בשאלה אם הוגן לאפשר לספורטאים להשתמש בהם.

אחד המקרים המפורסמים בא מעולם השחייה התחרותית. באולימפיאדת בייג'ין היה מבול חסר תקדים של שיאים בבריכת השחייה. השחייi האמריקאי מייקל פלפס לבדו זכה אז בשמונה מדליות זהב שונות, כשבדרך שבר שבעה שיאי עולם. ההישג היה יחיד במינו. אולם כבר בעיצומה של אותה אולימפיאדה החלו לעלות טענות שהתוצאות האלה אינן טבעיות, משום שפלפס ורוב האלופים האחרים הגיעו להישג הזה בזכות בגד ים חכם דוחה מים שעזר להקטין את החיכוך של גופן עם המים בתחרויות השחייה. בסופו של דבר הוחלט שבגד הים המתקדם העניק יתרון לא הוגן למשתמשים בו והשימוש בבגדי הים הללו נאסר בתחרויות מקצועניות.

הגנה ננוטכנולוגית

בתכנון בדי העתיד יש צורך להכן לא רק מפני פגיעות מכניות וכתמים, אלא גם מסכנות ביולוגיות וכימיות. האתגר מתחלק לשניים: הבדים צריכים להתמודד בהצלחה עם אויבים ביולוגיים כמו חיידקים, ובה בעת להתריע על בעיה כשהמדדים השונים של הגוף מאותתים על מצב פיזיולוגי שאינו כשיר.

בכתבה "ננוטכנולוגיה בשירות הרפואה" עסקנו בין היתר בשילוב של ננו-חלקיקים בבדים לצורך יצירת "בדים אנטי-בקטריאליים", כלומר בדים שהורגים חיידקים ולא מאפשרים להם לחדור לגופנו ולגרום לנו נזק. התפתחות נוספת בתחום הזה יכולה בסופו של דבר להביא לידי כך שבעתיד כל תעשיית הטקסטיל תהיה במהותה תעשייה אנטי-בקטריאלית ותייצר בגדים חסינים לחיידקים לשימוש היומיומי של כולנו.

כדי להתמודד עם סכנות ביולוגיות וכימיות הבדים החכמים צריכים להיות מסוגלים לזהות מצבים בעייתים ולהעביר את המידע הלאה. עליהם לדעת להתריע על סביבה מסוכנת מבחינה ביולוגית או כימית, וגם להזהיר אותנו ממצבים גופניים בעייתיים כמו לחץ דם נמוך או חום גוף גבוה מדי. התחום שנקרא אלקטרוניקה לבישה עוסק בין היתר גם באתגרים הללו.

השימוש בננו-חומרים בשילוב עם חומרים אורגניים הוביל ליצירת מערכות אלקטרוניות קטנטנות וגמישות שמאפשרות לשלב אלקטרוניקה בבדים. בדרך זו אפשר למקם גלאים קטנטנים במקומות אסטרטגיים בלבוש כדי שיתנו לנו מידע בזמן אמת על המדדים החיוניים של הגוף – חום הגוף, מהירות הדופק ולחץ הדם. נראה כי בעתיד המידע בזמן אמת יכלול גם נתונים על רמות הסוכר בדם אצל אנשים הסובלים מסוכרת ועוד.

השילוב של מערכות אלקטרוניות קטנות עם אף מלאכותי מאפשר לכל בגד להפוך לגלאי של חומרים כימיים וביולוגיים מסוכנים ולהתריע מפני חדירה לאזור רעיל. האף המלאכותי הוא מבנה של מולקולות שנקשר באופן ספציפי לחומרים מסוכנים שהוגדרו מראש. ברגע שהחומר המסוכן נקשר אליו, הבגד מעביר אות שמתריע מפני הנוכחות של חומר מסוכן בסביבתו.

לעתים לא מספיק להתריע על הימצאות חומרים מסוכנים בסביבה, אלא יש למצוא דרך לתפקד בסביבה עוינת. תמרונים צבאיים, למשל, דורשים לא פעם מהחייל להילחם באזור נגוע בחומרי לחימה כימיים או ביולוגיים. הפתרון שנמצא לכך הוא חליפה חכמה שמצופה בשכבה המשלבת חומר אטום למים ולגזים עם ננו-צינוריות פחמן שמופעלות על ידי אף מלאכותי. במצב רגיל, כשאין באוויר חומר כימי מסוכן, ננו-צינוריות הפחמן פתוחות ומאפשרות מעבר חופשי של גזים ומולקולות מים דרכן. אולם ברגע שהאף המלאכותי בא במגע עם חומר כימי מסוכן, הוא אוטם את פתח הצינורית ואוטם כך את החליפה לחלוטין לגזים עד ליציאה מהאזור המסוכן.

שימושים אחרים

אם כן, בדים אנטי-בקטריאליים המשולבים עם אלקטרוניקה לבישה מאפשרים לנו התמודדות יעילה עם סכנות ביולוגיות וכימיות. אך לא צריך להיכנס לאזור נגוע בחומרים כימיים מסוכנים כדי להשתמש בטכנולוגיה המדהימה של האלקטרוניקה הלבישה. יש פיתוחים שמנסים לרתום את הפוטנציאל הטכנולוגי לטובתנו גם ביומיום.

אחד המאמצים המתמשכים בימינו הוא הניסיון לנצל תכונות של חומרים ננומטריים שישתלבו עם האלקטרוניקה הלבישה. חומר פיאזו-אלקטרי, לדוגמה, הוא חומר שבו לחץ מכני על החומר יוצר בו מתח חשמלי, כך שבכל פעם שאנו מושכים, מותחים או לוחצים את החומר הוא מפיק עבורנו בתמורה מתח חשמלי קטן. מכיוון שהבדים לגופנו נעים ונמתחים כל הזמן, שילוב של חומרים פיאזו-אלקטריים בבגדים יוכל להפוך כל חולצה וכל מכנסיים לבטריה שנטענת כתוצאה מתנועת גופנו. תארו לעצמכם שתצאו לריצה עם סמארטפון ותוך כדי כך תטענו את הבטריה שלו.

קצרה היריעה מלהכיל את כל הפיתוחים הנוספים שקיימים בעולם הבדים החכמים, אבל כבר כיום אפשר לראות שימוש גובר והולך בבדים מהסוג הזה ונראה בלתי נמנע שהבדים שלגופנו יהנו בעתיד מכל אותן תכונות נפלאות שהננוטכנולוגיה הצליחה להקנות לבדים. אולי לא רחוק היום שבו הבגד שלכם יישאר תמיד קל, נקי, ללא קמטים וללא קרעים. הוא יגן עליכם ממחלות, ימנע פגיעה מיריית אקדח או תאונת דרכים ואף יטען את כל המכשירים הניידים שאתם נושאים עמכם. מדע בדיוני? כבר לא!

איתן אוקסנברג
מאסטרנט, המחלקה לחומרים ופני שטח
מכון ויצמן למדע



הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.

0 תגובות