המייזמים הננו-טכנולוגיים המובילים

לקראת כנס Nano 2012 ב 26-27 במרץ, מערכת ישראל דיפנס טק חושפת חלק מההיישגים של תעשיית הננוטכנולוגיה בארץ

ד"ר דן פאר (צילום:יח"צ)

"ננוטכנולוגיה" היתה מאז ומתמיד נושא סקסי. תחום הננו כולו מבוסס על היכולת לבצע מניפולציות במולקולות ובאטומים בודדים. תחומים בהם ניתן יהיה למצוא את השפעת המחקרים של היום על ההבטים הטכנולוגים והמדעיים של חיי המחר כוללים את איכות הסביבה, טיפולים ודיאגנוסטיקה רפואית, שימור אנרגיה, בניית ספינות חלל זעירות לטובת מחקר וניצול חלל, יצור חיישנים ביולוגים לגילוי מחלות מדבקות ואיומים ביולוגים ופיתוח יישומים בתחומי האלקטרוניקה, האנרגיה והביטחון הלאומי.

על התפר הזה שבין חזון למציאות, ניתן למצוא מגוון רחב של חברות ומדענים ישראליים שהקימו מיזמים תעשייתיים בתחומים המחוברים בטבור לעולם הננומטרי. ורק כדי שתרגישו גאווה לקראת כנס הננוטכנולוגיה Nano 2012 בשבוע הבא, הבאנו לכם מספר דוגמאות של סיפורי הצלחה כחול – לבן.

תרופות ממוקדות מטרה

מגמה בולטת במחקר הרפואי כיום כוללת פיתוח תרופות ממוקדות מטרה, המכילות מלבד החומר הפעיל, נשאים ייחודיים אשר מגנים על החומר הפעיל מחד, ומאפשרים הכוונה שלו אל אתר/איבר המטרה, מאידך. דר' דן פאר, שביצע את הדוקטורט שלו במעבדתה של פרופסור רמונה מרגלית, מומחית עולמית בתחום התרופות הממוקדות, פתח לפני כשלוש שנים את המעבדה לננו-רפואה בפקולטה למדעי החיים ובמרכז לננו-מדע וטכנולוגיה באוניברסיטת ת"א.

במהלך עבודת המחקר פיתחו פאר ומרגלית טכנולוגיה חדשנית של ננו-נשאים כולאי תרופות המכונים GAGOMERS. ננו-נשאים אלו עשויים מחומרים ביולוגים אשר הגוף לא מפתח התנגדות או תגובה חיסונית כלפיהם ולכן מאפשרים הכוונה אל תאים סרטניים מסוגים שונים. בנוסף, מתאימים ה-GAGOMERS לנשיאה של תרופות מסיסות במים וגם כאלו שאינן מסיסות. חוקר ננוטכנולוגיה

דבקים לתעשיית החלל

פיתוח משותף ל"שנקר הנדסה" ולמכון ויצמן למדע צפוי לחולל מהפיכה בתעשיית החלל: חוקרים שהעשירו דבקים אפוקסיים בחלקיקי טונגסטן-סולפיד הצליחו להביא לשינוי המבנה הפנימי של הדבק האפוקסי ולייצר דבק שחוזקו כפול ולמעשה למהפיכה בתעשיית הדבקים. מאחורי הפיתוח עומדים סטודנט המחקר מרק שניידר, בהנחיית פרופ' חנה דודיוק ופרופ' שמואל קניג, מהמחלקה להנדסת פלסטיקה ופולימרים ב"שנקר הנדסה", שהשתמש בננו-חלקיקים שפיתח פרופ' רשף טנא ממכון ויצמן, מבכירי המדענים בתחום (ויו"ר הועדה המדעית של כנס ננו-ישראל 2012).

רקמה ננומטרית לשיקום הלב

התקף לב הוא גורם התמותה מספר אחת בעולם המערבי ועל פי מחקרים, 50% מהאנשים שעברו התקף לב ימותו תוך חמש שנים מההתקף הראשון. מחקר חדש הדגים כיצד ניתן להנדס במעבדה רקמה פועמת המכילה סיבי זהב בגודל ננו-מטר שאותה ניתן להשתיל על האזור הפגוע בלב כחלופה להשתלה. בשילוב בין שיטות של ננו-טכנולוגיה והנדסת רקמות פיתחו החוקרים בראשות ד"ר טל דביר מאוניברסיטת ת"א ומהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) רקמת שריר לב פועמת מתאים שאותם זרעו על ביו-חומרים. אך מאחר שהביו-חומרים אינם מוליכים והתאים לא פעמו בו-זמנית, מצאו החוקרים פתרון מקורי – הם יצרו סיבים בגודל ננו-מטרי של זהב הידוע כחומר מוליך.

החוקרים הופתעו לראות שהתאים שהם גידלו למטרות יצירת הרקמה, פועמים טוב יותר ובו-זמנית ברגע שמוסיפים להם את סיבי הזהב. התוצאה היא רקמה פועמת שניתן להשתיל בלב הפגוע ומאפשרת לו לתפקד טוב יותר.

הגברת יעילות תאים סולאריים

באמצעות גבישים ננומטרים חוקרי הטכניון מהמרכז לננו-אלקטרוניקה ע"ש שרה ומשה זיסאפל הצליחו לקטב גביש ננומטרי על ידי שינוי הרכבן של המולקולות המקיפות אותו. הדוקטורנט ניר יעקבי-גרוס, בהנחיית ראש מרכז זיסאפל, פרופ' ניר טסלר, החליף חלק מהמולקולות המחוברות לפני השטח של גביש נומטרי, במולקולות מסוג אחר שהקבוצה הכימית או האטום המקשר אותן לפני השטח של הגביש – שונה. החוקרים גילו שחוסר אחידות בכיסוי המולקולרי גורמת לגביש להיות מקוטב חלקית. להבנת תהליך קישור המולקולה לגביש תרמה קבוצתו של פרופ' אשר שמידט מהפקולטה לכימיה ע"ש שוליך בטכניון.

לגילוי עשויות להיות השלכות מרחיקות לכת בשיפור ניכר של יעילותו של התא הסולארי. מדובר בדור השלישי של תאים סולאריים הנמצאים כיום בפיתוח אינטנסיבי ברחבי העולם, בגלל עלותם הנמוכה יחסית (ולכן יש אפשרות לייצורם ההמוני). התאים הסולאריים אשר נמצאים בשימוש כיום הם ברובם על בסיס סיליקון, והם יקרים הן מבחינת עלותם והן מבחינת האנרגיה הדרושה לייצורם. הגילוי של חוקרי הטכניון משנה את יכולת הגביש הננומטרי לקבל או לתת אלקטרונים לחומר הנמצא בסביבתו ומדובר, למעשה, בשינוי תכונות הגביש.

ננו חוטים כמוליכים למחצה

פרופ' ארנסטו יוסלביץ וחברי קבוצת המחקר שלו במכון ויצמן למדע, גילו דרך לגדל ננו-חוטים של חומר מוליך למחצה באופן אופקי על משטח, והצליחו לראשונה לכוון אותם לגדול במבנים מסודרים באורך מילימטר – ארוכים פי 100 מננו-חוטים המתקבלים בשיטות אחרות. מוליכים-למחצה בעלי מבנים מסודרים עומדים בבסיס מרבית הטכנולוגיות המתקדמות, והמחקר עשוי להוביל לפיתוח מוליכים למחצה בעלי תכונות חשמליות ואופטיות משופרות, המתאימים למיגוון רחב של שימושים, כמו טרנזיסטורים, התקני LED, לייזרים ותאים פוטו-וולטאריים.

פרופ' יוסלביץ, תלמיד המחקר דוד צביון והחוקר הבתר-דוקטוריאלי מרק שוורצמן מהמחלקה לחומרים ופני שטח שבפקולטה לכימיה, לקחו גביש של ספיר – החומר המשמש מצע לגידול המוליך למחצה – וחתכו אותו בזוויות שונות ביחס למישור הגביש. באופן זה נוצרו על פני השטח מספר תבניות: חלקה, מדורגת, או מחורצת כמו אקורדיון. לאחר מכן הם גידלו על משטחים אלה – במאוזן – ננו-חוטים של מוליך למחצה הקרוי גליום ניטריד, כשהם משתמשים בשיטה המשמשת בדרך כלל לגידול ננו-חוטים במאונך למשטח.

אף חכם לגילוי מחלות

חוקרי הטכניון גילו כי "האף האלקטרוני" שפיתחו יודע להבחין בין מולקולות שנמצאו בהבל פיהם של חולי סרטן הראש והצוואר לבין מולקולות הנמצאות בנשימתם של אנשים בריאים. החוקרים אספו דגימות נשימה מ-82 אנשים משלוש קבוצות: חולי סרטן הראש והצוואר, חולי סרטן ריאות ונבדקים בריאים. הם בחנו את ההבדלים בין המולקולות הנמצאות בהבל הפה בקרב שלוש הקבוצות באמצעות ציוד בדיקה ייחודי שפותח במעבדות המחקר של פרופ' חוסאם חאיק בפקולטה להנדסה כימית בטכניון. "האף האלקטרוני" הצליח להבחין בין מולקולות הנמצאות בנשימתם של חולי סרטן הראש והצוואר לבין מולקולות שנמצאו בדגימות נשימה של נבדקים בריאים. ה"אף" הבחין גם בין חולי סרטן ריאות לבין נבדקים בריאים, ובין חולי סרטן ריאות לבין חולי סרטן הראש והצוואר.

הפקת חשמל מחיידקים

פרופ' חנוך כרמלי יחד עם צוות חוקרים בינתחומי מאוניברסיטת ת"א פיתחו טכנולוגיה חדשה להפיכת אנרגיית השמש לחשמל המבוססת על שימוש בחומרים ביולוגים כחלופה לפנלים סולאריים. הטכנולוגיה החדשנית מאפשרת להשתמש בתהליך הפוטוסינתזה המשמש בצמחים להפקת אנרגיה מאור השמש. במהלך המחקר של תהליך הפוטוסינתזה המתבצע בצמח, נמצאה הנקודה בה אפשר לעצור את התהליך ול"שעבד" אותו לצורך הפקת חשמל.

כדי לעשות זאת, יש צורך בבידוד והפקה של החלבון אשר אחראי לתהליך ולחבר אותו למעגל החשמלי באמצעות הנדסה גנטית וננו טכנולוגיה. חלבון זה עשוי להחליף בעתיד את החומר הפעיל בשימוש היום, שהוא לרוב מוליך למחצה. מקור החלבון אותו מפיק פרופ' כרמלי הינו חיידקים פוטוסינתטים הגדלים בעזרת אנרגית השמש. כך מרוויחים טכנולוגיה שהיא עשויה להיות גם זולה יותר וגם ידידותית יותר לסביבה.

החוקרים במעבדה הצליחו עד עתה לבנות דגמים קטנים של התקנים כאלו וכעת מנסים להגדיל את גודל התא המבצע את הפקת החשמל. החברה שתצליח לפתח את הטכנולוגיה למוצר, תוכל להציע ללקוחותיה פנלים סולאריים, ידידותיים לסביבה העובדים ביעילות לא פחות טובה מאלו הקיימים היום ובמחירים זולים משמעותית.

שיפור עמידות של משטחים

חוקרי הטכניון הצליחו לגלות את השכבה הננומטרית הנמצאת בין חומרים שונים ומצאו כי היא בעלת אופי מוצק וגם נוזל. בכך הוסיפו נדבך חיוני לתיאוריה של גיבס משנת 1878, אשר הסבירה חלקית מה מתרחש במגע בין חומרים שונים. ההבנה הזו מאפשרת לשפר את עמידות החיבור בין חומרים קרמיים לבין מתכות, שני סוגי חומרים ש"לא אוהבים" להיות במגע זה עם זה. כמו למשל – בכיפת טיל. ננוטכנולוגיה

בעבודת הדוקטוראט שלה הוכיחה ד"ר מור ברעם, בהנחיית פרופסור קפלן ובשיתוף עם ד"ר דומיניק שטאן ממכון המחקר הצרפתי ‪CNRS‬ שהשכבה קיימת במפגש בין מתכות לבין חומרים קרמיים וכנראה גם בין מתכות לבין מוליכים למחצה. "תופעה זו מאפשרת לנו להחליק על הקרח, פוגעת בתכונות מיכניות של חומרים קרמיים בטמפרטורות גבוהות (החוזק שלהן יורד), אך כנראה דווקא תורמת ליציבות של התקנים חדישים במיקרו-אלקטרוניקה", אומר פרופ' וויין קפלן, דיקן הפקולטה להנדסת חומרים בטכניון. "הצלחנו למדוד את האנרגיה האצורה בין הזהב לבין הספיר בנוכחות השכבה הדקיקה והוכחנו בזאת שנוכחות השכבה הזו מורידה את האנרגיה של משטח הביניים ולכן משפרת את עמידותו", הוא מבהיר.

זירוז תהליך הניקוי של דלקים מאובנים

קרינת שמש, הנחשבת למקור אין-סופי של אנרגיה, יכולה גם לספק הצצה נדירה לעולמם של הננו-חומרים. במחקר חדש, שביצעו מדענים ממכון ויצמן למדע ומאוניברסיטת בן-גוריון שבנגב, התגלתה צורתם של ננו-חלקיקים אי-אורגניים מסוימים באמצעות שימוש באור שמש מרוכז. צוות החוקרים הבין-לאומי עבד עם ננו-חלקיקים שגודלם אינו עולה על מספר מיליוניות המטר של חומר הקרוי מוליבדנום דו-גופרתי (MoS2). המטרה הראשונה הייתה ליצור אדים אטומיים של מוליבדנום דו-גופרתי.

במחקרים שבוצעו בעבר, בהם השתמשו באור לייזר לצורך מטרה זו, נוצרו תמניונים קטנים בלבד העשויים מכ-20,000 אטומים. כדי ליצור תמניונים גדולים יותר בנו המדענים מאוניברסיטת בן-גוריון בראשותו של פרופ' ג'פרי גורדון התקן סולארי חדשני המורכב ממערכת מראות המרכזת את קרני השמש ומייצרת קרן אינטנסיבית במיוחד שעוצמתה חזקה בערך פי 15,000 מקרני השמש. המדענים השתמשו בהתקן זה כדי לחמם מוליבדנום דו-גופרתי לטמפרטורה של 2,500 מעלות צלסיוס ולהפוך אותו לענן חם של אטומים בודדים.

מכיוון שקרן השמש המרוכזת רחבה הרבה יותר מהלייזרים שבהם השתמשו במחקרים קודמים, נוצרו בהתקן תנאים ייחודיים שאיפשרו לאטומים המתקררים ליצור צברים גדולים בהרבה מאלה שנוצרו בעקבות השימוש בלייזר. תוצאות המחקר עשויות להוביל ליישומים מעשיים. מוליבדנום דו-גופרתי משמש כזרז בתהליך הניקוי של דלקים מאובנים. בתהליך זה מסולקת הגופרית במטרה למנוע היווצרות של דו-תחמוצת הגפרית אשר תורמת לגשם חומצי.

מלחמה במחלת הסרטן

ישום החברה למחקר ופיתוח של האוניברסיטה העברית דיווחה על ניסוי פרה-קליני מוצלח במתן בבליעה של דוסטקסל (טקסוטר), תרופה לטיפול בסרטן, על ידי שימוש בפלטפורמה ננוטכנולוגית חדשה. הטכנולוגיה, שפותחה על ידי פרופ' שמעון בניטה, ראש בית הספר לרוקחות באוניברסיטה העברית, מאפשרת שחרור מבוקר של תרופות וזמינות מוגברת של תרופות שאינן מסיסות היטב במים לאחר מתן בבליעה. השיטה החדשנית למתן התרופה כרוכה ביצירת ננו-קפסולות של דוסטקסל הנארזות במיקרו-חלקיקים מעט יותר גדולים בצורה המונעת פירוק של התרופה וסילוקה מן המעי.

 כתוצאה מכך עולה הזמינות הביולוגית של התרופה לאחר מתן בבליעה וכן מתאפשר שחרור מתמשך של התרופה לאחר שהיא מגיעה אל מחזור הדם. תוצאות הניסויים הקדם-קליניים שנערכו על מכרסמים הראו שהזמינות הביולוגית של התרופה לאחר מתן בבליעה של המיקרו-חלקיקים החדשים הייתה גבוהה פי 10-20 יותר מאשר שיטות אחרות למתן בבליעה. למרות הרמות הגבוהות שהושגו, החולדות לא סבלו מתופעות לוואי מיידיות, עדות לכך שהתרופה לא השפיעה לרעה על דפנות המעי. הפעילות נוגדת הסרטן של הפורמולוציה החדשה הודגמה על תרביות תאים.

בד שנלחם בחיידקים

יריעות בד קוטלות חיידקים לשימושים שונים עוברות בימים אלה בדיקות היתכנות ונמצאו פעילות גם אחרי 65 כביסות בטמפרטורה של 92 מעלות. פרופ' אהרון גדנקן מהמחלקה לכימיה בבר-אילן פיתח שיטה המאפשרת לצפות בדים כמו כלי מיטה או חלקיקי מתכת כמו צנתרים ולמנוע בכך פעילות חיידקים בבתי חולים ועל מכשירים המוחדרים לגוף. אך זהו רק קצה הקרחון. בימים אלה פרסם גדנקן מאמר ובו יישום נוסף לשיטתו: ציפוי נייר בחלקיקי ננו אנטי בקטריאליים שישמשו בין השאר לשימור והארכת חיי המדף של מוצרי מזון.

"כאשר מפציצים תמיסה נוזלית בגלי קול בתדרים גבוהים, מה שקרוי בז'רגון המדעי אולטרה סוניקציה, קורה משהו", מסביר גדנקן. "התמיסה הנוזלית מתערבלת במהירות ונוצרות בה המוני בועיות מיקרוסקופיות שקורסות לתוך עצמן. כשתהליך הקריסה מתרחש ליד משטח מוצק כמו משטח חלק של זכוכית,מתכת או אפילו גרגיר מילימטרי של חומר, נעים זרמי נוזל במהירות גבוהה מאד אל פני המוצק ומשליכים אליו את החלקיקים מהתמיסה במהירויות עצומות. החלקיקים מוטבעים במוצק ולא ניתן להסירם בשטיפה. בצורה זו ניתן להקנות למוצק תכונות שונות שלא היו בו מלכתחילה. למשל תכונות אנטי בקטריאליות, מגנטיות, חשמליות ועוד. כך ניתן למשל להטביע בבדים או בכל חומר אחר, חומרים אנטי חיידקיים".


ריפוי פצעים כרוניים

רבע מ200 מיליון חולי הסוכרת בעולם ומ-400 אלף חולי הסוכרת בישראל צפויים לפתח במהלך חייהם פצעים כרוניים. פצעי הסוכרת, הנגרמים בשל הפרעות בזרימת דם אינם נרפאים לחלוטין וגורמים לחולה כאב מתמשך וחושפים אותו לסכנת זיהום תמידית ולכריתת איברים. מדענים מהאוניברסיטה העברית ומאוניברסיטת הרווארד פיתחו תרופה חדשנית, זעירה וזולה לריפוי פצעים כרוניים אלו. מחקרים שנערכו בעבר מצאו כי חלבונים המכונים 'גורמי גדילה' עשויים לסייע בריפוי, אך עד כה תהליך הפקתם היה יקר במיוחד, והם לא החזיקו מעמד זמן רב באזור הפצע.

המחקר הנוכחי, שנערך על-ידי ראש המרכז לביו-הנדסה בשירות האנושות והחברה באוניברסיטה העברית ד"ר יעקב נחמיאס בשיתוף מדענים מחו"ל, הצליח ליצור באמצעות הנדסה גנטית 'גורמי גדילה רובוטיים' זעירים שהוכחו יעילים לטיפול בפצעים כרוניים. החוקרים מצאו כי חשיפת גורמי הגדילה לטמפרטורה גבוהה גורמת לכך שהחלבונים יתקפלו יחדיו לכדי חלקיק ננומטרי הקטן פי 200 מעובייה של שערה. פעילות זו נחשבת לרובוטית שכן מדובר בתגובה אוטומטית לגירוי בלתי מותנה. הקטנת גודלם של גורמי הגדילה מפשט את תהליך הפקתם ומאריך את משך הפעילות של החלבון באזור הפצע לצורך ריפויו המלא. בניסויים שנערכו על תאים אנושיים נמצא כי התרופה החדשנית מזרזת את תהליך ההחלמה של פצעים כרוניים בעכברים סוכרתיים.