יונתן דובי

זוכה פרס קריל 2017

ד"ר יונתן דובי (Yonatan Dubi)

אוניברסיטת בן גוריון 

 

מעבר והמרת אנרגיה במערכות ננומטריות

 

אנרגיה–מטבע החליפין של הטבע – היא חיונית לחיים בכל קנה המידה. היא מאפשרת לאטומים להפוך למולקולות בתגובות כימיות, לתאים להתחלק, לצמחים לגדול ולבני אדם לחיות. היא מאפשרת לאנשים לחיות בנוחות, למדינות להגיע לצמיחה כלכלית, ולאנושות לשגשג. הבנה כיצד אנרגיה זורמת, כיצד לשלוט בה ואיך להמיר אותה מצורה אחת לאחרת היא מרכיב חיוני גם להבנה מדעית מעמיקה של העולם הסובב אותנו וגם לרווחת האדם. משאלות מדעיות בסיסיות, כמו "כיצד צמחים התפתחו להיות ממירים מצוינים כזה של אנרגיה, על-ידי המרת אנרגיית שמש לאנרגיה כימית עם יעילות גבוהה מאוד", לשאלות עם היבטים טכנולוגיים כגון "איך אנחנו יכולים להשתמש בתכונות של מולקולות וחומרים להמרת חום לחשמל", הבנה של הולכת אנרגיה והמרתה היא אתגר גדול לקהילה המדעית, עם מגוון רחב מאוד של עניין למתמטיקאים, פיסיקאים, כימאים, ביולוגים ומהנדסים.

 

למה בקנה מידה ננומטרי? ישנן מספר סיבות. הסיבה הראשונה היא שהצורות היסודיות ביותר של הולכת אנרגיה והמרתה, כגון העברת אנרגיה בתגובות כימיות ובפוטוסינתזה, מתרחשות בקנה מידה ננומטרי. לכן, הבנת זרימת חום בקנה מידה זה היא חיונית להבנה של תהליכים בסיסיים כאלה.

 

שנית, מסתבר כי מערכות בקנה מידה ננומטרי (כגון צמתים מולקולריים) יכולות לשמש כחלקים פעילים בהתקני המרת אנרגיה, וכי ניתן לנצל את המאפיינים ייחודיים לחומר בקנה מידה ננומטרי כדי להגביר את יעילות המרת האנרגיה. הדבר פתח נתיבים חדשים למכשירי אנרגיה מתחדשים. למעשה, בשנים האחרונות הושגה התקדמות עצומה ביכולת לייצר, לאפיין ולתפעל מערכות בקנה מידה ננומטרי, מה שהופך את השאלה של הגדלת יעילות המרת אנרגיה באמצעות אלמנטים ננומטריים לשאלה אקטואלית ורלוונטית ביותר מנקודות תיאורטית וניסיונית כאחד.

 

שלישית, עם הקיטון בגודלם של רכיבים אלקטרוניים (והחזון של הגעה לגבול הסופי של טכנולוגית ננו אלקטרונית, שהוא חוטי חשמל עשויים ממולקולות בודדות), ניהול חום ופיזור בסקאלה הננומטרית הופך לבעיה רצינית. גם היום, אחת הבעיות המרכזיות של הקטנת רכיבים אלקטרוניים היא ההצטברות של חום. לפיכך, על מנת לקחת את הננו-טכנולוגיה לשלב הבא דרושה הבנה מפורטת זרימת החום באלמנטים אלקטרוניים הננומטריים.

 

לבסוף, מערכות בקנה מידה ננומטרי מציעות אפשרויות ייחודיות למכשירים חדשניים לבקרה ומניפולציה של חום , כגוןמ תגי חום, דיודות חום, טרנזיסטורי-חום ואפילו זיכרונות מבוססי חום.

 

בקבוצה שלי אנחנו חוקרים היבטים תיאורטיים שונים של הולכת אנרגיה במערכות ננומטריות. אנו משתמשים במגוון ש לשיטות, מחישובי עט ונייר ועד למחשוב מקבילי באשכולות מחשב, על מנת לחשב את תכונות ההולכה הרלוונטיות למערכת (זרם, מוליכות והתנגדות, נצילות וכיו"ב). בנוסף, אנועוסקים בפיתוח שיטות תיאורטיות חדשות כדי לטפל בבעיות הולכת אנרגיה במערכות אלו . אנו משתפים פעולה עם קבוצות תיאורטיות שונות וגם משתפים פעולה עם קבוצות מובילות ניסיוניות בכל רחביהעולם, גם בניתוח תוצאות הניסויים וגם בהצעת ניסויים חדשים.

 

דוגמא למערכות שמעניינות אותנו היא "צמתים מולקולריים" – מערכות המורכבות משתי אלקטרודות מתכתיות שביניהן מולקולה אחת, המשמשת כ"חוט חשמל" ננומטרי. אנו חוקרים כיצד תכונות ההולכה של מערכת זו קשורות למבנה המולקולה, תכונותיה המרחביות, יכולת ההיקשרות שלה למתכת וכו'. בנוסף, אנו חוקרים את המגבלות של מערכות כאלו – כמה טוב הן יכולות לתפקד בתור מוליכים, ממירי-אנרגיה, או אפילו דיודות ("שסתומים חד-כיווניים" לזרם חשמלי). לאחרונה שיתפנו פעולה עם קבוצה ניסיונית שמדדה את תכונותיה החשמליות של מולקולת דנ"א בודדת, והסברנו מדוע רואים בניסוי התנהגות לא-טריוויאלית המאפיינת דיודה.

 

דוגמאות נוספות למערכות המעניינות אותנו הם מערכות פוטוסינטתיות, שם אנרגיה עוברת צורה מאנרגיה סולרית לאנרגיה כימית, ותאים סולריים-מולקולריים, הממירים אנרגיית שמש לאנרגיה חשמלית. אנו שואלים שאלות כגון כיצד משפיע המבנה על הנצילות וההספק, מה התכונות הקוונטיות של מערכות כאלו, ומה המגבלות על שימוש בהן.

זוכי פרס קריל

// order posts by year $posts_by_year;