מאיה בר סדן
פרס קריל 2016
אוניברסיטת בן גוריון בנגב
ד"ר מאיה בר סדן (Maya Bar Sadan)
שימוש במיקרוסקופיה אלקטרונית חודרת על מנת לחקור תגובות כימיות בסקאלה אטומית
כבר ב- 1960, בהרצאה שנחשבת להרצאת היסוד של מדע הננו, אמר פרופ' ריצ'רד פיינמן כי כדי להבין חומרים כימיים מורכבים, נצטרך רק לדעת איפה עומדים האטומים מהם הם מורכבים, רק שהמיקרוסקופ האלקטרוני עדיין איננו טוב מספיק. מאז חלה מהפכה בתחום המיקרוסקופיה האלקטרונית החודרת, ופותחו רכיבי חומרה חדשים המאפשרים לדמות(לראות) אטומים, וכמו כן פותחו טכניקות חדשות לנתח את המידע המתקבל על מנת לקבל מידע כמותי ואיכותי בקנה המידה של האטומים עצמם, באפון שלא היה אפשרית קודם לכן. בשעת 2011 ניתן פרס וולף בתחום זה לקנוט אורבן, מקסימיליאן היידר והארלד רוזה, על פיתוח מיקרוסקופ אלקטרוני מתוקן אברציות, על תרומתם למדע החומרים.
בתחום מדע הננו, בשל מספר האטומים הקטן בכל חלקיק (כמה אלפים), מיקומו וזהותו של כל אטום משמעותיים לקביעת התכונות של החלקיק כולו. היכולת לדעת היכן נמצאים האטומים מאפשרת לעשות מידול נכון של החלקיקולהבין את התכונות האופטיות, החשמליות והמגנטיות שלו. באופן מפתיע, למרות מספר עשורים שבהם שוכללו תהליכי הסינתזה של ננו חלקיקים, עדיין קיימים נושאים שלא נפתרו עד תום. בעיקר,חסרה הבנה ישירה של הקשר בין התהליך במעבדה,כפי שרואה אותו החוקר בזמן הסינתזה, לבין הסידורהאטומי המתקבל. במחקרה, המשיכה ד"ר בר סדן את עבודתם של אורבן, היידר ורוזה והיתה בין הראשונים שיישמו את טכניקות המיקרוסקופיה מתוקנת האברציות לחלקיקי ננו. ד"ר בר סדן מתרכזת בהבנה של התהליכים הכימיים המתרחשים בזמן הגידול של ננו חלקיקים, ושל התגובות המתרחשות על פניהם של חלקיקי הננו בזמן הפעילות שלהם. אחת המערכות הנחקרות ביותר בתחום הננו היא סינתזה לקבלת חלקיקים של קדמיום סלניד, אשר בשל הפליטה הפלאורסנטית שלהם משמשים לסימון מערכות ביולוגיות. אחת הבעיות העיקריות, הנחקרת מזה שנים רבות, היא שינוי עוצמת הפליטה עם הזמן, כך שהחלקיקים נראים כמהבהבים. הבהוב זה נובע מפגמים בגביש, אשר משמשים כמרכזים שבהם מתרחשת ריקומבינציה של אקסיטונים (זוג של אלקטרון וחור). ד"ר בר סדן חקרה את תהליך ההיווצרות של הפגמים בזמן הגידול של החלקיק, בעזרת מיקרוסקופיה אלקטרונית. מכיוון שכיוון הגידול ידוע, ניתן היה לחקור חלקיקים בסוף תהליך הגידול ולהבין, על פי מיקום הפגמים, באיזה שלב בגידול הם נוצרו. כך ניתן יהיה לפתח שיטות סינתזה חדשות המפחיתות את מספר הפגמים ויוצרות חלקיקים איכותיים יותר.
לאחר מכן, ניתן היה ליישם את הידע שנרכש לגבי גידול של ננו חלקיקי קדמיום סלניד כדוריים על מנת להבין את מנגנון הגידול של יריעות דו-מימדיות של קדמיום סלניד. האופן שבו צברים של אטומים מתלכדים ומתמזגים ליצירת היריעה, שעוביה כארבע או חמש שכבות אטומיות ואורכה מגיע עד לכמה מיקרונים, משפיע על מבנה פני השטח של היריעות וקובע, במידה רבה, את יעילות הפליטה שלהם. המנגנון שבו מתמזגים הצברים נקרא צירוף מכוון(oriented attachment)וכאשר כופים על הצברים להתמזג בנפח המוגבל על ידי תבנית של מולקולות אורגניות, הצברים מתמזגים זה לצד זה ליצירת המבנה הדו מימדי. מימד העובי, שהוא בעובי של כ- 1.4-1.8 ננומטר, נותן ליריעות אלה תכונות קוונטיות. יריעות דו מימדיות נמצאות כיום בחזית המחקר בשל היכולת להכין מהם צמתים והתקנים בקלות יחסית, ולשלב אותם בטכנולוגיות קיימות של מיקרואלקטרוניקה.
מכיוון שהפעילות של חלקיקי ננו מוכתבת על ידי המבנה שלהם, לידע על מיקום וזהות האטומים יש יתרון גם בתכנון של ננוחלקיקיםפוטוקטליטיים, המשמשים להפקת מימן ממים בעזרת אנרגיה סולארית. חלקיקים אלה הם חלקיקים מורכבים, המכילים מספר איברים, ובין השאר – צבר של מתכת כגון פלטינה, פלדיום או זהב, אשר על פניו מתרחשת התגובה הכימית ויצירת מולקולות גז המימן. החלקיקים הפוטוקטליטיים צריכים להיות יעילים ויציבים, על מנת להיות פרקטיים ליישומים שבהם יפיקו מימן כמקור לאנרגיה חלופית באופן רציף ולאורך זמן. ד"ר בר סדן מצאה כי ניתן לקשר בין היעילות של הפקת המימן, היציבות של החלקיקים והסידור האטומי. כך, ניתן לקשר בין תזוזה של אטומים על פני החלקיק בזמן התגובה ובין כמות המימן המופקת, ויתרה על כך – ניתן לנסח עקרונות מתאימים לתכנון של חלקיקים שהם גם יציבים יותר וגם יעילים יותר. במקרה שנחקר, שבו המתכת היתה מורכבת מפלדיום ומזהב, נמצא כי ליבה של זהב ומעטפת של סגסוגת (תערובת) של פלדיום וזהב היתה גם היציבה ביותר וגם היעילה ביותר, לעומת מורפולוגיות אחרות של שתי המתכות.
בכל אחד מן המחקרים המתוארים, הידע לגבי המבנה בסקאלה האטומית מאפשר הבנה של תהליכים המתרחשים ברמה המאקרוסקופית. כיום, כאשר שיטות הסינתזה שוכללו וניתן להכין מבנים מורכבים, בעלי איברים רבים וצורות ספציפיות, יש רצון לתכנן באופן מושכל את המבנים האופטימליים ליישומים שונים ולהפעיל את הידע הסינתטי על מנת לקבל, בדיוק אטומי, את המבנים הנדרשים לכל יישום בנפרד. הקישור בין המבנה לתכונות, הוא זה שמאפשר את התכנון המושכל ובכך חשיבותו למדע הננו.
