גרפן / צילום: Shutterstock
קחו נייר דבק ועיפרון, הניחו את נייר הדבק על חוד העיפרון, ומשכו ממנו שכבה אחת דקה של גרפיט, החומר שנמצא בקצה העיפרון. עכשיו הצמידו את חתיכת נייר הדבק לחתיכה נוספת של נייר דבק, וחיזרו על הפעולה שוב ושוב עד שתקבלו שכבה דקה מאוד של חומר. בשעה טובה, בזה הרגע ייצרתם את אחד החומרים המדהימים בעולם - גרפן.
כך בדיוק הוא יוצר לראשונה על ידי פרופ' אנדריי גיים ופרופ' קונסטנטין נובוסלוב מאוניברסיטת מנצ'סטר, שזכו ב-2010 בפרס נובל עבור הגילוי שלו. מאז, מדענים בכל העולם מנסים לפצח את הנוסחה שתאפשר להפוך את החומר הזה למסחרי, ומיד תבינו מדוע.
גרפן הוא למעשה שכבה אחת ויחידה של אטומי פחמן הקשורים זה לזה בצורת משושים. במיקרוסקופ, השכבה הזאת תיראה כמו פרוסה אחת מאוד דקה של כוורת דבורים. מדובר בחומר שהוא ככל הנראה החזק בעולם, מוליך החום הכי טוב ואחד ממוליכי החשמל היעילים שיש. הוא גם גמיש, כך שאפשר לקפל אותו ולמתוח אותו. ואלה רק חלק מהתכונות שהפכו אותו למשאת נפש של מדענים ברחבי העולם.
כשגיים ונובוסלוב קיבלו פרס נובל על הגילוי של החומר, כבר היה ברור שהוא ישנה את העולם. השימושים האפשריים שלו נחשבים אינסופיים. אבל בין ההבטחה למימוש הדרך ארוכה. קשה לייצר גרפן בכמויות גדולות, במחיר נמוך ובאיכות גבוהה.
לפני כשבועיים, התקיים בישראל כנס של מאגד הגרפן הישראלי של רשות החדשנות, שיתוף פעולה של גורמים מהאקדמיה והתעשייה, מהארץ ומחו"ל, שמעוניינים לתקוף יחד את הבעיה. בכנס השתתפו חוקרים מאוניברסיטת קיימברידג', מהמכון הלאומי למדע וטכנולוגיה בקוריאה הדרומית, מכל האוניברסיטאות הישראליות כמעט, מאוניברסיטת קליפורניה וכן מחברות כמו מלנוקס (אנבידיה), אינטל, מלנוקס ועוד. בין היתר זיהה המאגד את המעגלים המודפסים כתחום שיאפשר פריצת דרך וידחף את מחקר הגרפן קדימה.
מה מעניין בחתיכת עיפרון
לפני שנסביר מה בדיוק מעכב את השימוש בגרפן ומדוע דווקא מעגלים מודפסים יפרצו את המחסום, כדאי להבין מהו בדיוק גרפן ומדוע חתיכה של עיפרון כל כך מעניינת.
גרפן הוא דוגמה לננוטכנולוגיה בפעולה. החומר הדק הזה הוא בעל מבנה ייחודי מאוד. אם נערום אותם אטומי פחמן שמרכיבים את השכבה הדקה של החומר לכמה שכבות, הוא כבר יתנהג אחרת לגמרי.
"כבר ב-1947 פורסם מאמר שבו פוענחו התכונות האלקטרוניות של שכבה אחת של גרפיט, למרות שחומר זה לא היה קיים", מספר פרופ' דורון נווה, ראש תחום הננו-אלקטרוניקה בפקולטה להנדסה באוניברסיטת בר אילן. "כמו שקורה לעתים קרובות פריצת הדרך המשמעותית במדע הייתה קשורה בניפוץ של פרדיגמה קודמת, ובמקרה זה שורה ארוכה של מדענים סברה שלא ייתכן סדר ארוך טווח בגבישים דו-ממדיים. בשנת 1979 מדען מהטכניון בשם פרופ' משה אייזנברג דיווח לראשונה על היווצרות שכבה בודדת של גרפיט בצורה סינטטית במעבדה, אבל המאמר נשכח וכאשר הגיע הזמן להעניק פרס נובל לתחום, אף אחד אפילו לא הזכיר אותו".
לדברי נווה, גם מי שהאמין שניתן לייצר גרפן "חשב שזה יהיה חומר כל כך נדיף, כל כך שביר, שהוא יוכל להיווצר במעבדה לכמה שניות ואז ייעלם. זו הייתה הפתעה לגלות שאפשר להפיק ולמדוד את תכונות החומר בתנאי החדר, ושהוא חומר חזק ויציב מאוד, שיכול לשאת עליו משקל, אפילו כשהוא בעובי של שכבת אטומים אחת".
ב-2009, הדגים לראשונה פרופ' רודני רואוף, אז מאוניברסיטת אוסטין, טקסס, והיום חוקר במכון הלאומי למדע וטכנולוגיה בקוריאה הדרומית, שיטה לייצר שכבות אטומיות של גרפן באופן זול ופשוט יחסית, אשר ניתן בקלות יחסית לממש באופן תעשייתי בסקאלות גדולות.
נוכל להביא מחצבים מהירח
"כבר היום ישנו שימוש בתכונות המכניות של גרפן", אומר ד"ר אלעד מנטוביץ', יו"ר מאגד הגרפן הישראלי וראש תחום פיתוח מתקדם בחברת NVIDIA. "הוא מאוד קל, ומקבלים יחס מאוד מוצלח בין משקל לחוזק. זה הסיפור של מחבט הטניס או הבגדים המשוריינים, מוצרים שכבר קיימים בעולם. מייצרים אותם תוך העשרה של חומרים אחרים בפתיתי גרפן חד-שכבתיים. בעתיד, אולי ייבנו כך בניינים קלים שניתן להזיז או להעביר בקלות ממקום למקום. מוצרים נוספים שקיימים כבר בשוק, הם ממברנות גרפן לאודיו. הממברנה דקה מאוד, ולכן גלי הקול מזיזים אותה באופן מדויק מאוד".
מה אפשר לעשות עם החומר בעתיד? "לפני גילוי הגרפן, נעשתה עבודה רבה עם יריעות גרפן מקופלות לצורת גליל, אז זה נקרא ננו צינוריות פחמן, עם אתגר לבנות מהצינוריות הללו מבנים קלים וחזקים. כל כך קלים וחזקים - כך הייתה המחשבה - שאפשר אפילו ליצור מעלית שתגיע לחלל. ברמת העיקרון, אם זה אכן יעבוד, אפשר להביא כך בקלות מחצבים מהירח".
תכונה נוספת של הגרפן היא הגמישות שלו. "תארי לך קינדל שלא נראה כמו לוח אלא כמו יריעת נייר שאפשר לקפל. גרפן הוא חומר גם מוליך וגם גמיש. אפשר לצפות יריעה של פלסטיק גמיש בגרפן, ואז להקרין עליו מידע".
יריעה אחת של גרפן יכולה להחזיק כדוררגל בלי שייפול. זה די מדהים, אבל מוגבל למעבדה. ייצור של גרפן אחיד בצורתו עד כדי כך שיחזיק את הכדור הוא תהליך מסובך. רק אם הוא ייוצר באופן מושלם הוא יעמוד במשימה. כל טעות תוביל לכך שיהיו בחומר אזורים שבריריים. עדיין ניתן יהיה להחזיק בעזרתו כדור טניס, וזה לא רע בכלל, אבל לא השינוי שהבטיחה הזכייה בפרס נובל.
אתגר יריעת הגרפן המושלמת חוזר בתחומים נוספים. לדוגמה, בתחומי האופטיקה, יריעת גרפן מושלמת מאפשרת ביצועים מרהיבים. יריעה שהיא פחות ממושלמת נותנת ביצועים טובים יותר מאלה שיש היום אבל לא כאלה שמצדיקים את מחיר הייצור היום.
עמק המוות הטכנולוגי של הגרפן
וזה כנראה כשל השוק: כדי לפתח את שיטות הייצור של יריעות הגרפן המושלמות במחיר סביר, יש להשקיע בפיתוח תהליכי ייצור חדשניים. וכדי שיהיה טעם לפתח את תהליכי היצור, צריך להיות שוק למוצר הסופי. אלא שקשה ליצור שוק למוצר הסופי משום שהגרפן עדיין לא מושלם ולא הצליח עדיין להבטיח ביצועים מדהימים ביחס למחיר.
"הגרפן תקוע בעמק המוות הטכנולוגי, בשאלה איך לייצר מספיק בזול ולהביא מוצר שהוא כל כך הרבה יותר טוב, שהוא יהיה שווה את חינוך השוק", אומר מנטוביץ'. "כדי לייצר את הגרפן בכמויות גדולות צריך לשלוט באופן מלא בייצור החומר, כדי שהתכונות שלו ומבנה המשושים המושלמים זה אחר זה יישמרו לאורך כל היריעה. צריך לבנות מכונות ייצור שיתאימו לסקאלה תעשייתית, וכדאי לבנות את המכונות האלה רק אם יש מוצר שיצדיק את ההשקעה".
ייתכן שהכדאיות תגיע מעולם המחשוב, בזכות תכונותיו המוליכות של הגרפן. "תחום הביג דאטה מתחיל היום לאתגר את השימוש שלנו בכבלי נחושת", אומר מנטוביץ'. "הם לא מצליחים להעביר מספיק מידע. גם השבבים בעולם מתחילים להגיע לקצה גבול היכולת שלהם. הם נורא מתחממים. אז כרגע הפתרון הוא לעבור לאופטיקה במרכזי נתונים, כלומר, לסיבים בתוך שרתים, כי כבלי הנחושת אינם מוליכים מספיק.
"גרפן הוא גם מוליך חשמל וגם מוליך חום מעולה ולכן פחות מתחמם בעצמו. אם אני מעביר מידע דרך חוט נחושת, בסופו של החוט המידע נפרק לחומרי קצה, שהיום הם כל מיני פלסטיקים מיוחדים. אנחנו יודעים שאם היה שם גרפן, פחות סיגנל היה נאבד, בגלל הדרך המיוחדת שבה האות החשמלי עובר דרכו. ככל שנאבד פחות סיגנל במפגש הזה, נצטרך להגביר את הסיגנל פחות ואז גם השבב לא יתחמם, וינצל פחות אנרגיה. על פי אותו עיקרון, אפשר ליצור אנטנה באיכות מאוד גבוהה, שתקלוט תקשורת WiFi ותקשורת סלולרית בלי לאבד הרבה מהסיגנל".
יתרון המעגל המודפס על השבב
הבעיה היא ששבבים דורשים דיוק רב. שבב שיש בו פגם זעיר נזרק לפח. "לכן החלטנו לעבוד על מעגלים מודפסים עם גרפן. המעגל המודפס, לעומת הצ'יפ, יכול לסבול יריעת גרפן לא מושלמת, כי גם כך התכונות הממוצעות של היריעה משופרות מספיק כדי להצדיק את ההשקעה", אומר מנטוביץ'.
"במאגד שותפים חוקרים מאוניברסיטת בר אילן, שעובדים על תהליך שיאפשר ליצור יריעות מאוד ארוכות של גרפן. אם זה יצליח, אנחנו ואלביט נייצר את זה. אנחנו מנסים להבין איך אנחנו מכניסים את המוצר הזה לתעשיית המעגלים המודפסים".
לדברי נווה, הכוונה היא ליצור חומר המורכב משכבות של נחושת וגרפן. "אפשר כך לקבל מעגלים שמעבירים מידע בקצב גבוה יותר, תוך ייצור של פחות חום, בזבוז של פחות אנרגיה, והחום שכן נוצר עובר הלאה לצלעות קירור בצורה הרבה יותר טובה. כך המעגלים פחות מתחממים".
איך בעצם הגרפן מעביר חשמל טוב יותר?
נווה: "האלקטרון שעובר דרך הגרפן לא יכול לברוח למעלה או למטה. יש שם רק שכבה אחת, מאוד מדויקת, אז יש לו האפשרות לטוס בתנועה בליסטית בלי הפרעות למרחקים יחסית גדולים. זה גם סוד הולכת החום שלו.
"אנחנו חושבים שקל יותר לעשות את זה במעגל מודפס מאשר בשבב שבו הגודל של רכיב הגרפן הוא בעצמו כמה ננומטרים, כי אנחנו רוצים למנוע פיזור. תתארי לעצמך שאת הולכת במסדרון כמעט ברוחב הכתפיים שלך. את כל הזמן תיתקלי בקירות וזה יאט אותך. זה מה שקורה כשמעבירים את האלקטרונים דרך שכבת גרפן שהיא רצועה צרה, ברוחב של כמה ננומטרים בודדים. דווקא במעגל מודפס שהוא קצת יותר גדול, אפשר להגיע לשכבה דקה אבל רחבה, ושם האלקטרונים רצים במהירות, ואפשר לנצל את היתרונות של הגרפן. אנחנו מאמינים שבעתיד ניתן יהיה לפתור גם את בעיית הפיזור בקצוות, כי השבבים הם המקום שבו הגרפן יכול ליצור שינוי אמיתי. שם בעצם נמצא סיר הבשר".
לפני כמה שנים נחגג גילוי נוסף, תכונות שמתקבלות כששמים את שכבות הגרפן בזווית מסוימת זו מול זו.
מנטוביץ': "כן, יש דרך להציב את השכבות זו ביחס לזו, באופן שמאפשר לממשק ביניהן להיות בעל תכונות של מוליכות-על, שלא חשבו עד כה שיש בחומר הזה".
עולם שלם של חומרים חדשים
ומה בעתיד הרחוק?
מנטוביץ': "כשמייצרים שכבה דקה של אטומי פחמן, זה גרפן. אבל אולי אפשר לפי אותו עיקרון לייצר שכבות דקות גם של חומרים אחרים? כן, זה אפשרי, וזה עולם חדש לגמרי בהנדסת חומרים. כל הזמן יוצרים עוד חומר ועוד חומר חדש, בקצב מטורף. אפשר לייצר חומרים תוך שליטה מלאה במידת המוליכות או הבידוד שלהם, לחלקם יש תכונות מגנטיות, ואז אפשר להשתמש בהם כדי לשמור מידע. אפשר גם לחשוב על שילוב בין חומרים. נחושת בעובי של 10 ננומטרים לא תוליך. אבל מה יקרה אם נשים אותה בין שכבות של גרפן? אנחנו לא יודעים. כל האירוע הזה ממש החיה את עולם הנדסת החומרים. יש לנו עכשיו כר פורה חדש לשחק בו".
פרס נובל ופרס המחקר המיותר לאותו חוקר
פרופ' אנדריי גיים, חוקר מאוניברסיטת מנצ'סטר, שזכה בפרס הנובל על מחקר הגרפן שלו, יחד עם עמיתו פרופ' קונסטנטין סרגייביץ' נובוסלוב, הוא האדם היחיד עד היום שזכה בפרס נובל וגם בפרס ה-Ig Nobel, שניתן לאנשים שערכו מחקר שנראה מיותר או מצחיק.
גיים קיבל את ה-Ig Nobel בשנת 2000, לאחר שהצליח להרים צפרדע באמצעות מגנט. ולא, הוא לא נתן לצפרדע לבלוע מגנט אחר או חתיכת ברזל קודם לכן, אלא ניצל את המגנטיות הטבעית של המולקולות שמרכיבות את הצפרדע, שלטענתו כלל לא נפגעה מהאירוע.
עשור אחרי, הגיע הנובל האמיתי, הפעם על חומר שעשוי לשנות את חיינו.