יצירת ננו-מבנים תלת-ממדים – הדור הבא של הננוטכנולוגיה

דר' תמר סגל-פרץ מפתחת ננוטכנולוגיה לשימור משאבים וייעול טכנולוגיות מגוונות: החל ממחשבים והתקנים אופטיים וכלה בממברנות יעילות לטיפול במים.

ינואר 2022

לאחר התואר הראשון בהנדסה ביוכימית בטכניון, תמר סגל-פרץ עבדה בתעשייה והרגישה שהיא רוצה להעמיק יותר במחקר ופנתה לתואר מתקדם. "הרגשתי שתואר מתקדם יפתח לי דלתות חדשות. על כן, החלטתי לשוב לטכניון והצטרפתי לאחד המחזורים הראשונים של התוכנית הבין-תחומית לננו-מדעים וננו-טכנולוגיה, בקבוצת המחקר של פרופ׳ גיטי פרי בהנדסת חומרים," מספרת תמר. "במהלך מחקר הדוקטורט שלי, שעסק בסידור עצמי של פולימרים ליצירת תאים סולאריים, הבנתי שאני מאוד נהנית לחקור ולגלות דברים חדשים, כמו גם ללמד קורסים ולהנחות סטודנטים במעבדה. לכן, לקראת סוף הדוקטורט, החלטתי שאני שואפת להמשיך בקריירה אקדמית. נושא התארגנות עצמית של פולימרים מאוד עניין אותי, ולכן את הפוסט-דוקטורט ביצעתי במעבדתו של פרופ׳ Paul Nealy באוניברסיטת שיקגו וב-Argonne National Laboratory בנושא זה ובשילובו בתהליכי ייצור מתקדמים של שבבי מחשב." לאחר שלוש שנים בשיקגו חזרה תמר לארץ עם משפחתה והצטרפה כחברת סגל בפקולטה להנדסה כימית בטכניון, בה פתחה את המעבדה לננו-מבנים פונקציונליים. בנוסף למעבדת המחקר ולהוראה בתחומי הננו, פולימרים, מיקרוסקופית אלקטרונים, ותהליכי הפרדה, תמר גם הקימה בפקולטה את פורום נשים בהנדסה כימית לסטודנטיות בתארים מתקדמים אשר מסייע לסטודנטיות בעתידן המקצועי.

המחקר בקבוצה של דר' סגל-פרץ עוסק בפיתוח ננוטכנולוגיה על מנת לצמצם שימוש במשאבים ולייעל טכנולוגיות שונות. "אוכלוסיית העולם המתרחבת והאחריות שלנו כלפי כדור הארץ מחייבות אותנו למצוא דרכים יעילות יותר להשתמש במשאבים הקיימים, תוך שמירה על הסביבה," מספרת תמר על המחקר בקבוצתה. "רוב רובם של התהליכים המתרחשים בטכנולוגיות שונות קורים בסקלה הננומטרית – מעבר אלקטרונים, פוטונים ומולקולות בסקלה זו מכתיבים כיצד ההתקנים יפעלו – החל ממחשבים והתקנים אופטיים, וכלה בממברנות לטיפול במים והתקנים לניהול חום. לכן, בקבוצתי אנחנו חוקרים ומפתחים מבנים ננומטרים פונקציונליים שמשפרים תהליכים בסקלת ה'ננו'. המחקר שלנו מתבסס על יצירת מבנים ננומטרים מפולימרים (לדוגמא, ע״י סידור עצמי של בלוק קו-פולימרים) ועל גידול של חומרים אי-אורגנים על גבי ובתוך פולימרים באמצעות טכניקת ADL (atomic layer deposition). גידול של חומרים אי-אורגנים בתוך פולימרים מאפשר שינוי בתכונות הפולימרים, כמו גם דרך חדשנית ליצירת מבנים ננומטרים עמידים וחזקים מתוך בסיס של פולימרים רכים וקלים ליישום." בקבוצת המחקר משתמשים באופן תדיר במיקרוסקופית אלקטרונים לאפיון מבנים ננומטרים עם מומחיות באפיון תלת ממדי של ננו-מבנים. אפיון תלת-ממדי בסקלת ה'ננו' מאפשר לחוקרים להבין בצורה טובה ומדויקת את המבנים שהם יוצרים, ומתוך כך לתכנן אותם בצורה אופטימלית.

לדוגמא, באמצעות שיטות אלו ניתן לייצר ממברנות שמשפרות דחיה של שמן, וכך מגינות על עצמן מפני זיהום, כמו גם ממברנות להפרדה מולקולרית של מזהמים ננומטרים – נושא חשוב בהפרדת שאריות של תרופות ומזהמים אחרים בטיהור מים וכן לתהליכי הפרדה בתעשייה הכימית. נושאים נוספים הנחקרים במעבדה הם יצירת סיבים קרמיים בעלי מבנה תלת-ממדי מתוך סיבים פולימרים פשוטים – דבר המאפשר שליטה מצוינת במבנה ובהרכב של הסיבים, אפיון תלת ממדי של ננו-מבנים לתעשיית השבבים (בשיתוף עם Applied Materials ו-Intel), ופיתוח של מבנים וחומרים חדשים בעלי תכונות מכניות משופרות אשר יכולים לשמש לספיגת אנרגיה ושיפור העמידות של שכבות הגנה פולימריות. פיתוחי הטכנולוגיה האלו מאפשרים יצירת ננו-מבנים תלת-ממדים חדשים עם שליטה מרחבית בהרכב הכימי שלהם, מעין ״הדפסת תלת-ממדית״ בסקלת ה'ננו'.

בקבוצת המחקר של תמר עוסקים בתחומים מאוד מגוונים, כל אחד מהם נמצא בחזית המדע. עד לפני מספר שנים, מדענים כלל לא חשבו שחומרים אי-אורגנים יכולים לגדול בתוך פולימרים בטכנולוגיה של ALD (atomic layer deposition) , אך המחקר בקבוצה של תמר ובקבוצות אחרות ברחבי בעולם פתח שלל של אפשרויות חדשות ליצירת חומרים היברידים בעלתי תכונות משופרות. "בעוד חמש עד עשר שנים, אני מצפה שנוכל לבצע זאת עם מגוון רחב של חומרים ובתהליכים ישירים על גבי גלילים פולימרים ( roll-to-roll) שיתנו מענה לייצור יעיל. ייצור שבבי מחשב הולך ונעשה יותר מורכב ויש צורך בהבנה תלת ממדית של החומר, וקיים צורך רב בפיתוח טכנולוגיות חדשות שיספקו מענה לתעשייה זו." תחום חדש שקבוצת המחקר נכנסת אליו כעת הוא פולימרים וחומרים היברידים ״ירוקים״ ומתכלים אשר ימנעו את החמרת בעיית זיהום הפלסטיק העולמית, אך גם יהיו עמידים מספיק על מנת לתפקד בצורה מיטבית.

"אני מאמינה גדולה בשיתופי פעולה כי המחקר של ימינו הוא מאוד מולטי-דיסציפלינרי ולכן חשוב לעבוד עם מומחים מתחומים שונים ולתרום את המומחיות שלנו לקבוצות אחרות. זה גם מאוד מהנה ומלמד, הן אותי והן את הסטודנטים," מספרת תמר. קבוצת המחקר משתפת פעולה עם פרופ׳ גיא רמון (הנדסה אזרחית וסביבתית), פרופ׳ אייל זוסמן (הנדסת מכונות), פרופ׳ נוי כהן ( מדע והנדסת חומרים), ופרופ׳ שאדי פרח ופרופ׳ סלבה פרגר מהפקולטה להנדסה כימית בטכניון. ברמה הארצית קיימים שיתופי פעולה בתחום הסוללות עם פרופ׳ דניאל שרון מהאוניברסיטה העברית. כמו כן יש לקבוצה שיתופי פעולה בינלאומיים רבים (בגרמניה ובארה״ב). "כיף לעבוד עם אנשים טובים בחזית המחקר העולמית. בנוסף, אנחנו משתפים פעולה עם מגוון חברות מהתעשייה הישראלית – שמיר אופטיקה, Applied Materials, אינטל ואלביט."

השיטות העיקריות שבהן משתמשים בקבוצה הן שילוב של שיטות להנדסת פולימרים (סידור עצמי של בלוק קו-פולימרים ליצירת מבנים ננומטרים בשכבות דקות ובחלקיקים, electrospinning, הדפסה תלת-ממדית, ועבודה עם ממברנות פולימריות) יחד עם שיטות של גידול חומרים אי-אורגנים על גבי ובתוך פולימרים בתהליך שמבוסס על ALD. זהו תהליך גידול מפאזה גזית אשר מאפשר עבודה ללא ממסים מזיקים לסביבה, ומאפשר שליטה מדויקת (תת-ננומטרית) בעובי גידול החומר ובאופיו. "בנוסף, אנחנו מבצעים אפיונים רבים במיקרוסקופית אלקטרונית: מיקרוסקופ אלקטרוני סורק (SEM), מיקרוסקופ אלקטרוני חודר (TEM), וגם מיקרוסקופ המסוגל גם לבצע חיתוך מדויק בדגמים (FIB)."

בקבוצת המחקר של דר' סגל-פרץ יש סטודנטים עם רקעים מגוונים, בעיקר מהנדסה כימית ומהנדסת חומרים. קורסים בנושאי פולימרים, מצב מוצק ומיקרוסקופיה מהווים הכנה טובה לעבודה בקבוצה, אך גם מי שמגיע ללא ידע בנושאים אלו בהחלו יכול ללמוד ולהעמיק תוך כדי העבודה במעבדה. "אני מאמינה שתואר מתקדם (תואר שני ודוקטורט) הוא הזדמנות נהדרת לרכוש מיומנויות חדשות וללמוד נושאים חדשים. זו עבודה קשה כיוון שאת/ה 'מגדל/ת' את המחקר האישי שלך, אבל זו תחושה נפלאה כשמצליחים ליצור ידע מדעי חדש או מפתחים טכנולוגיה חדשה. הפקולטה להנדסה כימית היא בית נהדר שנעים לעבוד בו תוך כדי היותנו בחזית המדע העולמית. ולכן – אני מזמינה אתכם להצטרף אלינו!"

תמר מייעצת לסטודנטים שמתלבטים בין מספר נושאים: "חשוב לבחור נושא מחקר שמעניין אותך ויש בו משמעות עבורך, כמו גם לבחור קבוצה ומנחה שיהיה נעים לך לעבוד איתם במשך תקופת המחקר."