חוקרים בבית הספר לכימיה מפתחים מצברים ננו-מטריים לשימושים חדשניים

חוקרים בכל העולם מנסים היום לפתח מענה מקיף לצורך במצברים זעירים: מיקרו-מצברים שמפיקים זרם גבוה וגם פועלים לאורך זמן. “המצברים המקובלים בנויים ממספר שכבות: קטודה, אנודה, אלקטרוליט ואוסף זרם, שיוצרים ביניהם תגובה אלקטרוכימית המפיקה חשמל", מסבירה ד"ר' גולודניצקי. "כשמקטינים את כמות החומר כדי לבנות סוללה זעירה, פוחתת גם כמות האנרגיה, והסוללה אינה יעילה. בנוסף, האלקטרוליט הוא נוזל רעיל שעלול לדלוף, ולכן סוללות מסוג זה אינן מתאימות לשימושים רפואיים, בתוך גוף האדם. כמו כן, מצברים קטנים עם שכבות דקות של אלקטרוליט מוצק, שפותחו לפני כ-15 שנה, זקוקים לטעינות תכופות מדי. פרופ' מנחם נתן מהפקולטה להנדסה הציע פתרון מבריק: שבב סיליקון מחורר, המכיל מספר גדול של מצברים בממדי ננו. קבוצת המחקר שלנו מפתחת מצברים זעירים המתבססים על הרעיון של פרופ' נתן".

לספק את המתח הנכון

המצברים הזעירים בנויים לתוך שבב סיליקון תלת-ממדי, ששטחו 1 סמ"ר ועוביו 500 מיקרון, ובו 20,000 עד 30,000 חורים דקים, בקוטר מיקרון, ובמרחק 10 מיקרון זה מזה. בעזרת שיטות חכמות של ‘כימיה רטובה' - תהליכי ציפוי שונים בתוך תמיסות - מצליחים החוקרים למקם בכל אחד מהחורים שכבות דקות המרכיבות ננו-מצבר עצמאי. בסך הכל מציע השבב פי 10 עד 40 יותר חומר פעיל לייצור חשמל, והספק גבוה פי 10 ליחידת שטח, בהשוואה למיקרו-מצברים אחרים. "אנו מפתחים מגוון מצברים העשויים מננו-חומרים שונים, כדי לספק מתח נכון לצרכים ולשימושים שונים", אומרת ד"ר' גולודניצקי. “לדוגמה, תאים סולאריים זקוקים למתח נמוך של 5 וולט, ומצברים המשמשים למטרות רפואיות פועלים בדרך כלל על מתח של 3 וולט ומעלה".

לבריאות ולביטחון

היישומים הפוטנציאליים של המצברים הזעירים רבים מאוד, ובהם: שתלים שמשחררים תרופות בגוף באופן מבוקר; קפסולות לבליעה הנושאות מיקרו-מצלמות להדמיה פנימית של מערכת העיכול (אנדוסקופיה); שתלים באוזן המסייעים לשמיעה; קוצבי לב; חיישנים למדידת לחץ דם או רמת האינסולין בדם; אגירת אנרגיה המופקת מהשמש על-ידי תאים סולאריים קטנים; חיישנים לניתור סביבתי ומדידת לחץ אטמוספרי; וחיישנים הפזורים בשטח למטרות ביטחוניות.

תאי דלק ירוקים

במחקרים אחרים נעזרו החוקרים בשיטות של ננוטכנולוגיה כדי לקדם יישומים מתחום האנרגיה, ובעיקר תאי דלק ‘ירוקים' ונקיים. "תא דלק הוא מתקן אלקטרוכימי שממיר באופן רציף אנרגיה כימית של דלק (כמו מימן) וחומר מחמצן (כמו חמצן או אוויר) לאנרגיה חשמלית", מסביר פרופ' פלד. "תאי הדלק הירוקים ידידותיים לסביבה, מכיוון שהם פולטים רק מים וחום לאטמוספרה, ובעשור האחרון הם מעוררים עניין רב ברחבי העולם כאמצעי לייצור ולאגירת אנרגיה בכלל ואנרגיה נקייה בפרט. הם יכולים לשמש לאגירת חשמל המיוצר מאנרגיית הרוח או השמש, ולאספקת חשמל לרשת או לבתים בודדים (בשילוב עם מיזוג אוויר), וכמובן גם למכשירים ניידים. אולם היישום המבטיח ביותר היום הוא הנעת כלי רכב חשמליים".

מרכיב חשוב בתאי הדלק הם הזרזים - חלקיקים ננומטריים שמאפשרים את תהליכי החמצון-חיזור המתרחשים בתא הדלק. הזרזים הקיימים היום עשויים בדרך כלל מננו–חלקיקים של פלטינה - מתכת יקרה במיוחד, שעלותה מגבילה מאוד את השימוש בתאי דלק. למעשה, מחיר הזרזים כיום הוא כמחצית ממחירו של תא הדלק כולו. כדי לייעל ולהוזיל את היישומים, פיתח הצוות של פרופ' פלד זרזים מסוג חדש: גרעין ננומטרי העשוי ממתכת אחרת, יקרה פחות, עטוף בקליפה דקה או בתת–קליפה של פלטינה או סגסוגת פלטינה. זרזים אלה מיוצרים בטכניקה נוחה של שיקוע אל-חשמלי, בטמפרטורת החדר. הם מפחיתים משמעותית את עלות תא הדלק, ובה בעת אינם פוגעים בביצועיו, ולעתים אף משפרים אותם.

מתוך החוברת "המהפכה הזעירה" בעריכת דוברת האוניברסיטה >>