ננו-חלקיקים תוצרת השמש

מדע הננו-טכנולוגיה נשען על יכולתם של חוקרים לעצב חומרים בקנה מידה זעיר ביותר, עד כדי גודל של ננומטרים בודדים – מיליארדיות המטר. חלקיקים כמו ננו-מתכות וננו-צינוריות פחמן תפסו כותרות בשנים האחרונות בשל תכונותיהם הייחודיות, שמבדלות אותם מחומרים דומים בקנה מידה גדול יותר, ומאפשרות לשלבם במכשירים טכנולוגיים מתקדמים ורגישים.

השליטה בהרכב האטומים וסידורם בתוך הננו-חלקיקים היא אתגר לא פשוט שדורש תנאי עבודה מורכבים ביותר. מחקר חדש עשוי לספק כעת מענה לאתגר הזה ולרתום את אנרגיית השמש לתהליך הייצור.

המחקר הוא תוצאה של שיתוף פעולה בין ג'פרי גורדון ודניאל פוירמן מאוניברסיטת בן גוריון שבנגב, ורשף טנא ממכון ויצמן למדע. הם פיתחו יחד שיטה שמשתמשת בכבשן סולרי – מכשיר שמרכז את קרני השמש בעוצמה רבה, כדי לייצר ננו-חלקיקים חדשים מאטומי עופרת וחלקיקי גליום גופרתי. במאמר בכתב העת Nano הם מתארים ייצור של ננו-חלקיקים בצורה של "כלובים מולקולריים" וננו-צינוריות שעשויות להיות בעלות תכונות אופטיות, אלקטרוניות ומכניות מעניינות ביותר.

לאחר שהתגלו לראשונה ננו-חלקיקים עשויים מפחמן, מעבדתו של טנא הייתה הראשונה שיצרה ננו-חלקיקים דומים מחומרים אנאורגניים, באמצעות קרני לייזר וטמפרטורות גבוהות, אך בכמות קטנה וביציבות מוגבלת. כעת, בשיטה החדשה, הצליחו לייצר לראשונה ננו-חלקיקים יציבים ובעלי הרכב אחיד ברובם, בעלי ליבת עופרת עטופה במוליך למחצה גליום גופרתי. ההישג התאפשר הודות לכבשן הסולרי, שייצר בתוכו חום של כ-3,000 מעלות צלזיוס הדרוש למיזוג האטומים.

התנאים המיוחדים בתוך הכבשן אפשרו ליצור מבנים זעירים בעובי ובאורך שבין עשרה ננומטרים בלבד לאלף ננומטרים. החלקיקים הללו לא היו ידועים עד כה למדע והרכבם טומן בחובו תכונות מבטיחות שלא אופיינו עדיין. במחקרים קודמים נמצא שננו-חלקיקי עופרת יכולים לפעול כמוליכי-על, תכונה שמושפעת בעיקר מגודל החלקיקים וייתכן שנמצאת גם במבנים החדשים שנוצרו במחקר הזה.

צוות החוקרים אינו בטוח עדיין איך הננו-חלקיקים הנדירים הללו נוצרים בכבשן. הם מניחים שאטומי העופרת מתאיידים בחום הרב השורר בתוך הכבשן הסולרי, ובתהליך התקררות אטי נדחסים לחלקיקים שמיוצבים כשהגליום הגופרתי מתגבש סביבם בצורת כלוב או מעטפת צינורית. התהליך יוצר מקבץ של חלקיקים בעלי תכולה שונה של עופרת, וחלקם אף חלולים לחלוטין. הם מסוגלים לספוח מגוון רב של אטומים אחרים וכך לקבל על עצמם תכונות משתנות בהתאם להרכבם.

החלקיקים הזעירים שנוצרו יוכלו בעתיד, לאחר שיאופיינו תכונותיהם, לשמש להרכבת מכשירים אלקטרוניים עדינים כגון חיישנים או זרזים של תהליכים כימיים הדורשים אור. אפשר רק לדמיין אילו טכנולוגיות חדשות הם יפתחו בפנינו. מעבר לכך, תוצאות המחקר מראות שלאור השמש יש פוטנציאל שימוש רחב בהרבה מעצם היותו תחליף לדלקי מחצבים, וריכוזו לשם הגעה לטמפרטורות שיא עשוי לסייע לנו להרחיב את הלקסיקון הכימי הקיים ברשותנו.