ננו צינוריות – מיישומים תעשייתיים ועד טכנולוגיות קוונטיות

שילוב של ננו חומרים בתעשיות השונות הלך והתפתח בעשורים האחרונים. לצד זה, שילובם של ננו-חומרים מבוססי Transition-metal dichalcogenides יוצר עניין בתחומי אחסון אנרגיה, קטליזה, חיישנים, אלקטרוניקה ואופטיקה וכן בתחום הטכנולוגיות הקוונטיות, עם ההתקדמות המדעית המשמעותית בתחומים אלה. אחד התחומים המרתקים הוא שילוב של ננו חומרים וביניהם ננו פולרנים, ננו משטחים וננו צינוריות בתחום הטכנולוגיות המתקדמות ובפרט טכנולוגיות אנרגיה, חשמל, אופטיקה וקוונטים.

ננו צינוריות - מיישומים תעשייתיים ועד טכנולוגיות קוונטיות. צילום: Pixabay Alethea Flowers
ננו צינוריות – מיישומים תעשייתיים ועד טכנולוגיות קוונטיות. צילום: Pixabay Alethea Flowers

כמי שהיה פעיל בתחום הננו-חומרים וכמנהל במיזם דיפ-טק העוסק בייצור פורץ דרך של ננו צינוריות לא אורגניות באצוות חומר טהור וקריסטליני מסוג זה, למגוון שימושי טכנולוגיות מתקדמות, ניכר כי ננו צינוריות לא אורגניות Inorganic NanoTubes זוכות לעניין רב. פוטנציאל רב טמון גם בשילובן בתחום הטכנולוגיות הקוונטיות לרבות פוטוניקה קוונטית, תקשורת קוונטית, חישה קוונטית ומחשוב קוונטי. וזאת בשל תכונות חשמליות ייחודיות של ננו-צינוריות לא אורגניות רב שכבתיות ובמיוחד מסוג טנגסטן די סולפיד ומוליבדנום די סולפיד Multi wall MoS2 and WS2.

ננו טכנולוגיה – מוצרים ויישומים תעשייתיים של ננו צינוריות

לננו צינוריות לא אורגניות מסוגים אלה, יכולת פיזור טובה, אדהזיה, תכונות מניעת התגבשות משקעים אורגניים, ומגוון תכונות אחרות ההופכות אותן למועמדות מתאימות לפתור את הקשיים בשימושים בננו צינוריות פחמן Carbon NanoTubes. השימושים בננו צינוריות פחמן אינם מגוונים כפי שרבים צפו בשל חסרונות של ננו חומרים מבוססי פחמן. כך שילובם של ננו צינוריות פחמן בשימושים תעשייתים שונים מוגבלת בשל קושי בפיזור החומר, שינויים נדרשים בייצור, היותם מוליך, ולא מוליך למחצה, עדויות לגבי השפעות שליליות בריאותיות של ננו צינוריות פחמן בהקשרים הנוגעים לתחלואה קרצינוגנית ועוד. לננו צינוריות לא אורגניות שימושים מגוונים אפשריים והם הולכים וקונים אחיזה. כך שילובן של ננו-צינוריות לא אורגניות Molybdenum disulfide and Tungsten disulfide ישים במגוון שימושים תעשייתיים כגון:

  1. אחסון אנרגיה: ננו-צינורות MoS2 ו-WS2 מהווים חומר יישומי באפליקציות אחסון אנרגיה. הם יכולים לשמש כחומרי אלקטרודה בסוללות ליתיום-יון, קבלי-על והתקני אחסון אנרגיה אחרים. שטח הפנים והמוליכות הגבוהים של ננו-צינורות מסוג זה, תורמים לשיפור ביצועי הסוללה, כולל קיבולת אחסון אנרגיה גבוהה יותר וקצב טעינה/פריקה מהיר יותר.
  2. קטליזה: ננו-צינורות ייחודיות אלה, משמשים כזרזים -קטליזטורים בתגובות כימיות תעשייתיות שונות. תכונות פני השטח הייחודיות שלהם והפעילות הקטליטית הגבוהה שלהם הופכים אותם למתאימים לתהליכים כמו הפקת מימן בתהליך Hydrogen Evolution Reaction, סילוק גָּפְרִית מֵימָנִית (HDS) והפחתת פחמן דו חמצני. ננו צינוריות אלה משפרות את קצבי התגובה והסלקטיביות, ומאפשרות טרנספורמציות כימיות יעילות ובנות קיימא.
  3. חיישנים: לננו-צינורות לא אורגניות אלה יש רגישות פיזיים וכימית מעולה. לכן, ניתן להשתמש בהם בחיישנים לאיתור גזים, ביומולקולות ומזהמים סביבתיים. יחס השטח לנפח הגבוה שלהם והיכולת ליצור אינטראקציה עם חומרים שונים הופכים אותם למועמדים מבטיחים לפיתוח חיישנים רגישים וסלקטיביים ביותר.
  4. אלקטרוניקה ואלקטרו אופטיקה: לננו-צינורות MoS2 ו-WS2 יש תכונות מוליכים למחצה. תכונות אלה הופכות אותן למתאימות ליישומים אלקטרוניים ואלקטרואפטיים. כך, ניתן לשלב אותם בטרנזיסטורים, גלאים, דיודות פולטות אור – לד (LED) ותאים סולאריים. המבנה האלקטרוני הייחודי של ננו-צינורות אלו מאפשר מוליכות יעילה ותהליכים נוספים המובילים לשיפור ביצועי המכשיר.

ננו חומרים לחיזוק פולימרים

היישומים הללו הם רק דוגמאות חלקיות ליישומים האפשריים של ננו צינוריות בתעשייה. שילובם של ננו צינוריות לא אורגניות בתעשייה לא התפתח בשל העדר זמינותן. הקושי בזמינות רכישת חומר זה באופן מסחרי לשילוב ביישומים התעשתיים השונים האט מאד את השתלבותם בענפים השונים. עם זאת מחקר ופיתוח לייצורן באופן תעשייתי הגביר בשנים האחרונות את זמינות הננו צינוריות הלא אורגניות בעלות הפוטנציאל הרב כפי שנעשה במיזם בו ייחודי זה בו אנו מובילים תהליכי ייצור ופיתוח מתקדמים והפקת ננו צינוריות מסוגים אלה בייצור תעשייתי.

המאפיינים הייחודיים של הננו צינוריות מסוג זה, התאמתם לשילוב בפולימרים לחיזוק, תכונות קטליטיות, מאפיינים חשמליים, תגובתיות פני השטח והמבנים הייחודיים שלהם הופכים אותם למועמדים מבטיחים למגוון רחב של יישומים תעשייתיים. כך, ניתן להשתמש בננו-צינורות MoS2 ו-WS2 גם כדי לשפר את החוזק המכני ולחזק פולימרים. כאשר הם משולבים במטריצות פולימריות, ננו-צינורות אלה יכולים לספק מספר יתרונות כמו חוזק מוגבר, קשיחות משופר, שיפור יכולת מתיחה, עמידות משופרת לבלאי, יציבות תרמית ועוד. הוספת ננו-צינורות אלה לפולימרים יכולה להיות מושגת באמצעות שיטות שונות. החומרים המרוכבים המתקבלים מפגינים חוזק משופר, קשיחות, עמידות בפני שחיקה ויציבות תרמית, ולכן הינם בעלי פוטנציאל רב גם ביישומים שלהם בתעשיות כגון תעופה וחלל, רכב, ביו-רפואה ועוד.

ננו צינוריות לא אורגניות בטכנולוגיה קוונטית

בנוסף ליישומים בפולימרים, לננו צינוריות מסוג MoS2 ו-WS2 מאפיינים ייחודיים שאינם קיימים בננו חומרים אחרים או בננו צינוריות מסוג ננו צינוריות פחמן או ננו פולרנים. מאפיינים אלה הופכים אותן למועמדים מצוינים לשילוב במגוון אפליקציות כאמור בתחומי התאים הסולריים, קטליזה, חיישנים, אלקטרוניקה ועוד. לצד זה, לננו צינוריות אלה כגון מוליבדנום די סולפיד שימושים שונים גם בטכנולוגיות קוונטיות:

1. מחשוב קוונטי: מחשוב קוונטי מטרתו לנצל תופעות קוונטיות לביצוע חישובים מורכבים שהם מעבר ליכולות של מחשבים קלאסיים. ננו-צינורות העשויים מ-WS2 ו-MoS2 יכולים לשמש כאבני בניין להתקני מחשוב קוונטי. התכונות האלקטרוניות הייחודיות שלהם, כמו תיחום האלקטרונים והחורים בתוך מבנה הננו-צינוריות, הופכות אותם למועמדים פוטנציאליים לבניית קיוביטים (סיביות קוונטיות) ולאפשר עיבוד מידע קוונטי.

2. חישה קוונטית: ננו-צינורות אלה מפגינים רגישות יוצאת דופן לסביבתם. ניתן להשתמש בהם כחיישנים קוונטיים רגישים כדי לזהות איכויות פיזיקליות שונות, כגון טמפרטורה, לחץ, מתח או שדות מגנטיים, ברמת הננו. טבעם הקוונטי ותכונותיהם הניתנות לכוונון הופכים אותם למועמדים מבטיחים ליישומים בחישה קוונטית ובמטרולוגיה.

3. פוטוניקה קוונטית: לננו-צינוריות WS2 ו-MoS2 יש תכונות אופטיות ייחודיות. הללו כוללות אינטראקציות חזקות של אור-חומר ויכולת לפלוט ולספוג אור במשטר הקוונטי. מאפיינים אלו הופכים אותם למועמדים פוטנציאליים לפיתוח התקני פוטוניקה קוונטית, כגון מקורות פוטון בודדים, פולטים קוונטיים וגלאי אור קוונטיים. שילוב של ננו-צינורות בפלטפורמות פוטוניקה קוונטיות יכול לאפשר מניפולציה ובקרה של מצבי אור קוונטיים.

4. חומרים קוונטיים: המבנה השכבתי של ננו-צינורות WS2 ו-MoS2, בשילוב עם התכונות הקוונטיות שלהם, יכולים לתרום לפיתוח חומרים קוונטיים חדשים. על ידי הנדסה ומניפולציה של המאפיינים של ננו-צינורות אלה, ניתן לחקור תופעות חדשות וליצור חומרים עם התנהגות קוונטית מותאמת. חומרים אלה עשויים להפגין תכונות כגון התנהגות מבודד טופולוגי או השפעות קוונטיות אחרות שניתן להשתמש בהן ביישומים קוונטיים שונים.

5. תקשורת קוונטית: שילוב של ננו צינוריות אלה במגוון יישומים הקשורים בתקשורת קוונטית:

א. פולטים קוונטיים: ננו-צינורות WS2 ו-MoS2 מהווים בסיס לנקודות קוונטיות Quantom Dots. ננו-צינורות אלה יכולים לשמש פלטפורמה ליצירה ולתמרון של נקודות קוונטיות, החיוניות ליצירה והעברת פוטונים בודדים – דרישה בסיסית לפרוטוקולי תקשורת קוונטיים.
ב. מניפולציה של פוטון: היכולת לתמרן פוטונים היא חיונית במערכות תקשורת קוונטית. לננו-צינורות ייחודיות אלה יש פוטנציאל לשלוט ולתפעל את המאפיינים של פוטונים, כגון הקיטוב ואורך הגל שלהם, החשובים לעיבוד והעברת מידע קוונטי. על ידי אינטראקציה עם ננו-צינורות אלה, ניתן להשפיע ביעילות על פוטונים, ולשפר את הביצועים הכוללים של מערכות תקשורת קוונטיות.
ג. אינטראקציית אור-חומר משופרת: לננו-צינוריות WS2 ו-MoS2 יש אינטראקציה חזקה עם אור בשל התכונות האלקטרוניות הייחודיות שלהן. אינטראקציה זו מאפשרת צימוד יעיל בין פוטונים לפולטים קוונטיים, מה שמוביל לאינטראקציה מוגברת של אור-חומר ולשיפור העברת מידע קוונטי. תכונה זו חיונית להשגת תקשורת קוונטית ומאפשרת יצירת זוגות פוטונים סבוכים, החיוניים לפרוטוקולי הפצת מפתחות קוונטיים.
ד. מזעור ואינטגרציה: ננו-צינורות מציעים את היתרון של מזעור ושילוב בהתקנים שונים. ניתן לשלב ננו-צינורות אלה  במערכות תקשורת קוונטיות קומפקטיות . הממדים הננומטריים שלהם מאפשרים פיתוח של התקנים קוונטיים על-שבב, כגון מקורות פוטון בודדים, מובילי גל וגלאים. מזעור ואינטגרציה אלה מקלים על יישום מעשי של טכנולוגיות תקשורת קוונטית.

תחום הטכנולוגיה הקוונטית מתפתח במהירות, והיישומים הספציפיים של ננו-צינוריות WS2 ו-MoS2 בתעשיית הקוונטים הם תחום של מחקר פעיל ומרתק. עם זאת, תחום זה עדיין לא כולל הרבה יישומים פורצי דרך בשל העדר הזמינות של ננו-צינורות ייחודיות הללו. ואולם, כאמור, כיום הזמינות של החומר גברה בשל שיפורים ביכולת הייצור התעשייתי של חומר ייחודי ומרתק זה. בכך, נפתח הצוהר לפיתוחים טכנולוגיים פורצי דרך בתחומים אלה, באמצעות ננו-טיובס אלה.

מאת: ד”ר לביא סיגמן. ד”ר לביא סיגמן הינו דירקטור ויועץ בחברות בתחומי דיפטק; ננו-חומרים, אגריטק וביו-מד.