פריצת דרך מדעית:
האנרגיה הירוקה החדשה שתחליף את הפחם, גז והדלק
ותילחם בהתחממות הגלובלית.
פרסום
מאמר בנושא של פרופ' אלה זאק מ-HIT עם שותפים ממכון וייצמן
התפרסם ב- NATURE המגזין המדעי בין המובילים בעולם.
לקישור למאמר ב- NATURE
האם ב HIT מכון טכנולוגי חולון ומכון ויצמן גילו מקור לאנרגיה חלופית לפחם, גז ולשאר המזהמים, אשר ימנעו את ההתחממות הגלובלית? מחקר חדש שהינו תוצאה של עבודה ארוכת שנים גילה כי ננו-צינוריות שהן גבישונים זעירים (שקוטרם פי 1000 קטן משיער בן אדם) מסוגלים להמיר אנרגית שמש לזרם חשמלי באפקטיביות רבה, ולהחליף חומרים מזהמים כדוגמת הפחם וגז, המשפיעים לרעה גם על תופעת ההתחממות הגלובלית.
בשנים האחרונות, חוקרים רבים מנסים לאתר חומרים ואפקטים חדשים שיוכלו לייצר אנרגיה נקיה. כידוע, אחד מהמקורות הנגישים והזולים ביותר לייצור חשמל הם קרני השמש. אחד הפתרונות בהם נעשה שימוש הולך וגובר הוא בתאי שמש – אשר קולטים את אנרגית השמש והופכים אותה לחשמל. אך לדברי החוקרים מ HIT ומכון ויצמן, האפקטיביות של החומרים הקיימים בהפיכת אנרגיית שמש לחשמל בעזרת אפקט פוטו וולטאי (תאי שמש) הידוע, אמנם השתפרה בשנים האחרונות באופן דרמטי, אך הגיעה כמעט למקסימום היכולת שלה.
פרופ' אלה זאק, אחת המדעניות הראשיות מ HIT שחתומה על הגילוי החדש, מסבירה : "העולם מחפש היום אפשרויות חדשות לייצור אנרגיה בצורה אפקטיבית יותר ולא מזהמת. המחקר מראה שקיים אפקט פוטו וולטאי מסוג אחר המאפשר המרת אנרגית אור לחשמל ביעילות גדולה– בעזרת הננו צינוריות וזאת פריצת הדרך המדעית בעבודתנו".
זאק מוסיפה כי: "בין החומרים החדשים שיכולים להחליף את החומרים המזהמים, ננו צינוריות הראו את היעילות הרבה ביותר. הם מייצרים את הזרם החשמלי גדול יותר בכמה סדרי גודל מחומרים אחרים שחוקרים היום. לתגלית הזו יש פוטנציאל רב לעתיד בסוגיות הקשורות לאיכות הסביבה והיא גם בעלת השלכות כלכליות מרחיקות לכת. המחקר עדיין בראשיתו אך מבחינתנו מדובר בפריצת דרך. פרסומו של המאמר ב NATURE – העיתון המדעי היוקרתי ביותר, מצביעה על חשיבותה הרבה של התגלית המדעית בעולם".
קבוצת המדענים כוללת מלבד פרופ' זאק, גם את פרופ' טנא ממכון וייצמן, את Prof. Iwasa מיפן ואת Dr. Zhang מגרמניה.
רקע מקצועי נוסף אודות התגלית:
מאמר של פרופ' זאק עם שותפים מתפרסם NATURE
"קבלתו של המאמר לפרסום ב NATURE (העיתון המדעי היוקרתי ביותר) מצביעה על חשיבותה הרבה של התגלית המדעית" – אומרת פרופ' אלה זאק.
הממצאים שהתפרסמו הם תוצאה של שנות מחקר מאומצות של קבוצת המדענים בראשות פרופ' אלה זאק מHIT -מכון טכנולוגי חולון, פרופ' רשף טנא ממכון ויצמן, פרופ' איוואסה Iwasa) ) מיפן וד"ר זהאנג מגרמניה (Dr. Zhang) .
מדובר על תכונה אופטו–אלקטרונית מיוחדת החשובה לפיתוח מקורות אנרגיה מתחדשים, שהתגלתה בגביש שצורתו – צינורית וקוטרו קטן פי 1000 מקוטר השערה של אדם. קוטרה של הצינורית נמדד בכמה עשרות ננו-מטרים (1nm = 10-9 m). הגביש נקרא ננו-צינורית אי-אורגנית.
"התברר שהודות לגודלן הזעיר וצורתן הייחודית, ננו-צינוריות אלה, אותן אנו מייצרים ב-HIT, מגלות את היכולת לקלוט אנרגיית שמש ולהפוך אותה לאנרגיה חשמלית באפקטיביות רבה מאוד" – אומרת פרופ' זאק.
הננו-צינוריות עשויות מתרכובת בשם טונגסטן דיסולפיד (WS2) בעלת מבנה הגבישי -"שכבתי " (הגביש מורכב משכבות מולקולריות כמו ספר מדפים). המבנה השכבתי גורם לגביש להיות גמיש ומאפשר לשכבות להתכופף ולהיסגר לננו-צינוריות המורכבות מהרבה שכבות . הננו-צינוריות התנהגו כמו מוליכים למחצה והפגינו חוזק מכני מרשים במיוחד.
ננו-צינוריות וננו-כדורים אי-אורגניים נתגלו לראשונה במכון ויצמן למדע, במעבדה של פרופ' רשף טנא מהמחלקה לחומרים ופני שטח לפני כ-27 שנים. "במשך השנים הללו, הוכיח פרופ' טנא שניתן לייצר ננו-צינוריות וננו-כדורים מעשרות חומרים שונים השייכים למשפחת "החומרים השכבתיים". תגלית זו פתחה שטח חדש בכימיה אי–אורגנית וגרמה להרבה קבוצות מחקר בעולם להצטרף לתחום הזה" – אומרת פרופ' זאק.
פרופ' אלה זאק, העומדת בראש המעבדה לסינתזה וחקר ננו-חומרים ב- HIT, הצטרפה לתחום הזה לפני יותר משני עשורים. פרופ' זאק הייתה בין המקימים של החברה )"NanoMaterials, Ltd."( שקמה ליצור ננו-כדורים מהחומר WS2. כמדענית ראשית של החברה פרופי זאק הקימה מעבדות מחקר ומאוחר יותר – מפעל ליצור תעשייתי של ננו-כדורים אלה. "הרעיון איך ליצר ננו-צינוריות נולד כבר בתקופה הזו" – היא אומרת.
בעוד שמחקרו החלוצי של פרופ' טנא לפני כמעט שלושה עשורים הוביל את הדרך להבנה חדשה של מבנה ננו-כדורים וננו-צינוריות, הוא מציין כי "לקח כ-20 שנה להבין איך מייצרים אותם במצב טהור, בגודל ובכמויות הנדרשים למחקרים רבים".
"אכן אחד הדברים שחקרה פרופ' אלה זאק במהלך הקריירה הארוכה שלה, הינו מנגנון הגידול של ננו-צינוריות אלה, והיא הייתה הראשונה להציע דרך לייצרן במצב טהור ובכמויות נדיבות. מחקר זה אפשר לראשונה מחקר בעל מסקנות מרחיקות לכת על תכונותיהן הייחודיות של ננו-צינוריות מ- WS2 ויישומיהם העתידיים" – מדגיש פרופ' טנא.
פרסום
בשנים האחרונות פרופ' טנא ופרופ' זאק משתפים פעולה עם צוותו של פרופ' Yoshihiro Iwasa מאוניברסיטת טוקיו וממכון RIKEN ביפן, ותלמידו לשעבר ד"ר Yijin Zhang העובד כעת בגרמניה ב- Max Planck Institute. חוקרים אלו מתעניינים בתכונות הפיזיקליות של הננו-צינוריות, תוך ציפייה לגלות תכונות חדשניות בחומר המיוחד הזה.
במהלך המחקר גילו המדענים שהחומר השכבתי 2WS המכופף כספירלות בצורת הצינוריות ובגודל ננו, משנה את המבנה הגבישי שלו. השינויים שהתרחשו גרמו לגביש לאבד סימטריה ולהיות פולארי, ולכן לגלות תכונות חדשות.
בסדרת הניסויים הראשונה, שממצאיה התפרסמו לפני כשנתיים ב- Nature Communications (כשלעצמו מגזין ידוע), גילה צוות החוקרים שבטמפרטורה נמוכה הננו-צינוריות יכולות להפוך למוליכי-על, כאשר האלקטרונים מייצרים זרם חשמלי ואינם נתקלים בהתנגדות. אך תופעת המוליכות-על בננו-צינוריות היא הודות לתנועת האלקטרונים במסלול ספירלי סביב השכבות החיצוניות של הננו-צינוריות, כלומר הודות לשינוי במבנה הגבישי וגודל הננו שלהן. וכמובן ה-supercurrent הזה אינו קיים בגבישים רגילים של 2WS שגודלם מיקרונים ויותר מכך או בחומרים אחרים.
השאלה הבאה הייתה: האם הננו-צינוריות המתנהגות כמוליכים למחצה יכולות לקלוט אור ולהפיק חשמל? זוהי פעולתו הבסיסית של תא סולארי המבוססת על מוליכים למחצה רגילים, ומשמעותה היא קליטת אור ויצירת נושאי מטען חשמלי חופשיים – אלקטרונים ו"חורים" , היכולים לנוע ולייצר זרם חשמלי.
כדי לבדוק רעיון זה השתמשה קבוצת המחקר בקרן לייזר וכיוונה אותה אל מרכזה של ננו-צינורית בודדת כאשר הקצוות שלה מחוברים למד זרם דרך ננו-מגעים חשמליים מזהב.
באופן מפתיע, הננו-צינוריות האי-אורגניות של 2WS הפגינו אפקט פוטו-וולטאי אנומלי המכונה–(BPVE) Bulk Photovoltaic Effect. הזרם שנוצר היה חזק במספר סדרי גודל בהשוואה לחומרים פולאריים אחרים המפגינים מופע דומה.
“בדרך כלל האלקטרונים שנוצרים מקליטת האור נמשכים על ידי שדה חשמלי שנוצר בגבול בין 2 מוליכים למחצה (צומת p-n) או במגע בין מתכת ומוליך למחצה (Schottky barrier) וכך נוצר זרם חשמלי. בננו-צינוריות שלנו זרם חשמלי התקיים ללא שדה של צומת p-n או Schottky barrier , אלא נגרם על ידי תופעה קוונטית פנימית המהותית לגביש "פולרי" כמו ננו-צינורית – וזו היא – bulk photovoltaic effect " – אומרת זאק.
פרופ' זאק ופרופ' טנא מתכוונים להמשיך ולחקור תופעה מפתיעה זו בכמה כיוונים. מצד אחד הם רוצים לחקור סוגים אחרים של ננו-צינוריות אי-אורגניות שיצרו, כדי לראות אם למי מהן יש תכונות פוטו-וולאטיות דומות ואולי חזקות יותר. לדוגמה, פרופ' זאק הצליחה לאחרונה לסנתז ננו-צינוריות מחומר שכבתי דומה – MoS2 שעשויות להראות תכונות מפתיעות גם כן.
מצד שני, אומר פרופ' טנא, אנו נמשיך לחקור ננו-צינוריות WS2 כדי לראות אם אפשר להגביר את יכולת קליטת קרני השמש שלהן, למשל על ידי הכנסת פגמים מכוונים ("doping") המסייעים לתנועת האלקטרונים.
