חוקרים יצרו ננו-יריעות טונגסטן חצי קרביד שמתרחבות כנגד כיוון המתיחה, ומשיגות גידול של 40% בגודל. פריצת דרך זו, שהושגה באמצעות פיזיקת פלזמה, מבטיחה יישומים חדשים בטכנולוגיות רגישות למתח ואלקטרוניקה ניתנת למתיחה. (קונספט האמן). קרדיט: twoday.co.il.com
זוהי פריצה נפוצה למתוח בלון החוצה כדי להקל על ניפוחו. כאשר הבלון נמתח, הרוחב צולב מתכווץ לגודל של חוט. נח סטוצק, דוקטורנט המשתף פעולה עם הפיזיקאי של אוניברסיטת ווסטרן ג'ובאני פנצ'יני, פיתח ננו-חומר חדש המדגים את מול של תופעה זו.
בעבודה ב-Interface Science Western, ביתם של מתקן ההאצה של טנדטרון, סטוק ופנצ'יני, גיבשו ננו-שפיות דו-ממדיות של טונגסטן חצי קרביד (או W2C, תרכובת כימית המכילה חלקים שווים של טונגסטן ואטומי פחמן) שכאשר נמתחים בכיוון אחד, להתרחב בניצב לכוח המופעל. עיצוב מבני זה ידוע בשם auxetics.
מכשיר לשקיעת אדי פלזמה מרחוק שתוכנן על ידי Fanchini Lab. קרדיט: מיטש צימר/מדע המערבי
החוכמה היא שהמבנה של הננו-גיליון עצמו אינו שטוח. האטומים בסדין עשויים מיחידות חוזרות המורכבות משני אטומי טונגסטן לכל פחמן אָטוֹם, המסודרים בצורה מטפורית כמו פני השטח החצובים של קרטון ביצים. כאשר מתח מופעל על פני יריעת הננו האלסטית בכיוון אחד, הוא מתרחב החוצה בממד השני כאשר הגומות משתטחות.
לפני החידוש הזה, דווח רק על חומר אחד שיכול להתרחב ב-10 אחוזים ליחידת אורך בדרך המנוגדת לאינטואיציה הזו. יריעת הננו של טונגסטן חצי קרביד מהונדסת מערבית יכולה להתרחב ל-40 אחוז, שיא עולמי חדש.
"חיפשנו במיוחד ליצור ננו-חומר דו מימדי מחצי קרביד טונגסטן", אמר סטוצ'ק. "בשנת 2018, תיאורטיקנים חזו שהיא עשויה להפגין התנהגות זו ברמה מצוינת, אבל אף אחד לא הצליח לפתח אותה, למרות ניסיונות נרחבים של קבוצות מחקר בכל העולם".
לא ניתן היה לבנות את הננו-חומר החדש של טונגסטן חצי קרביד באמצעים כימיים, אז סטוצ'ק ופנצ'יני הסתמכו על פְּלַסמָה פיזיקה כדי ליצור את שכבות האטום הבודד. עשויה מחלקיקים טעונים של אטומים, פלזמה היא המצב הרביעי של החומר (עם מוצק, נוזל וגז). ניתן לצפות בפלזמה בעולם הטבע באורות הצפון, או באורורה בוריאליס, ובעטרה של השמש במהלך ליקוי החמה האחרון. הוא משמש גם בתאורת ניאון, צינורות פלורסנט וטלוויזיות בעלות מסך שטוח.
ג'ובאני פנצ'יני ונואה סטוק. קרדיט: מיטש צימר/מדע המערבי
בדרך כלל, המכשור המשמש לייצור ננו-חומרים דו-ממדיים הם תנורים מיוחדים שבהם גזים מחוממים בטמפרטורה גבוהה מספיק כדי להגיב כימית וליצור את החומר הרצוי. גישה זו פשוט לא עבדה כי כל תגובה כימית, התהליך הנפוץ ביותר, תוביל למוצר שונה מהננו-חומר הרצוי.
"שם נתקעו רוב החוקרים שניסו להשיג את החומר הזה לפנינו, אז היינו צריכים להסתובב", אמר פנצ'יני.
במקום לחמם גז עשוי טונגסטן ואטומי פחמן בתנורים, שייצר חלקיקים ניטרליים כפי שהיית מקבל עבור מוצקים, נוזלים או גזים, סטוק ופנצ'יני תכננו מכשור מותאם אישית חדש המייצר פלזמה, המורכבת ממטען חשמלי חלקיקים.
סטודנט לדוקטורט באוניברסיטת מערב, נח סטוק, עם המכשור המותאם אישית שעיצב עם ג'ובאני פנצ'יני, המייצר ננו-חומר דו-ממדי חדש הקובע שיא. קרדיט: מיטש צימר/מדע המערבי
למתוח מטרות
ישנם אינספור יישומים אפשריים עבור גיליונות ננו אלה של W2C, המתחילים בסוג חדש של מד מתח. מדדים זמינים מסחריים אלה הם דרך סטנדרטית למדידת התרחבות ומתיחה בכל דבר, החל מכנפי מטוס ועד צנרת ביתית.
"תאר לעצמך אם אתה רוצה לדעת אם צינור בבית שלך מתעוות ומסתכן בהתפוצצות בשלב מסוים. אתה יכול להדביק חיישן על הצינור העשוי מננו-חומר דו-ממדי זה, ולאחר מכן להשתמש במחשב כדי לנטר את הזרם העובר דרכו. אם הזרם עולה, זה אומר שהצינור מתרחב ומסתכן בהתפוצצות", אמר סטוק.
הננו-חומר החדש, למעשה, הופך ליותר מוליך חשמלית וזה פותח את הדלת לאפשרויות אינסופיות לשימוש בדברים כמו חיישנים, או כל מכשיר שמזהה אירועים או שינויים בסביבה ושולח את המידע לאלקטרוניקה אחרת. יישום נוסף הוא הטמעת החומר ישירות באלקטרוניקה ניתנת למתיחה, כמו טכנולוגיה לבישה, כך שתהיה להם יותר מוליכות.
"בדרך כלל, מדי מתח יסתמכו על העובדה שכאשר אתה מותח חומר, הוא נעשה דק יותר ואתה משנה את המוליכות של חומר כדי לשאת זרם", אמר פנצ'יני. "עם הננו-חומר החדש הזה, זה כבר לא יהיה המקרה."
מימון: NSERC DG, מלגת בוגר אונטריו, מענק שותפות אסטרטגית של NSERC, NSERC RTI, קרן קנדה לחדשנות, מועצת המחקר למדעי הטבע וההנדסה של קנדה
