מאת פֶּסַח בֶּנְסוֹן • 8 באוקטובר 2025
ירושלים, 8 באוקטובר 2025 (TPS-IL) — מדענים בגרמניה וישראל מצאו דרך חדשה לחקור כמה מהחומרים הזעירים והמבטיחים ביותר על פני כדור הארץ—פריצת דרך שעשויה לסייע ביצירת סוללות טובות יותר, אלקטרוניקה גמישה ומכשירי אנרגיה נקייה.
החומרים, הידועים כ-MXenes, מורכבים משכבות בעובי של אטומים בודדים בלבד. הם יכולים להוליך חשמל, לאגור אנרגיה, ואף לקיים אינטראקציה עם אור בדרכים שיכולות להפוך טכנולוגיות עתידיות למהירות יותר, קטנות יותר ויעילות יותר. אך עד כה, חוקרים יכלו לחקור MXenes רק בערימות גדולות של שכבות חופפות. הדבר הקשה על הבנת מה כל שכבה בודדת יכולה לעשות בפועל בפני עצמה.
MXenes מעוררים התרגשות במשך שנים בשל הפוטנציאל שלהם בטכנולוגיות מהדור הבא — מסוללות טעינה מהירה במיוחד ותאי שמש ועד מסכים גמישים וממברנות לטיהור מים. אך כדי להפוך רעיונות אלו למציאות, מדענים צריכים תחילה להבין בדיוק כיצד חומרים אלו מתנהגים בקנה המידה הקטן ביותר.
צוות מחקר בראשות ד"ר אנדראס פורכנר מ-Helmholtz-Zentrum Berlin וד"ר רלפי קנאז מהאוניברסיטה העברית בירושלים פתר את הבעיה. הם השתמשו בשיטה אופטית חדשה הנקראת מיקרו-אלפטירומטריה ספקטרוסקופית (SME) כדי לבחון פתיתי MXene בודדים, אחד אחד. הממצאים פורסמו בכתב העת המדעי ACS Nano, העובר ביקורת עמיתים.
הטכניקה פועלת על ידי הארת דגימות מיקרוסקופיות באור מבוקר בקפידה ומדידת האופן שבו האור מוחזר. מההחזרה הזו, מדענים יכולים לדעת עד כמה החומר מוליך חשמל וכיצד מבנהו משפיע על הביצועים. בניגוד לשיטות ישנות יותר, SME אינה פוגעת בדגימה ויכולה להשלים ניתוח מלא בפחות מדקה.
"מה שמדהים באמת בעבודה זו הוא שבפחות מדקה, אנו יכולים למדוד ישירות את התכונות האופטיות, המבניות והחשמליות של פתיתי MXene בודדים — הכל בצורה לא הרסנית," אמר קנאז, שהיה ממציא השיטה. "בדרך כלל, מדידות אלו דורשות שלושה מכשירים שונים והרבה יותר זמן."
פורכנר אמר שהגישה החדשה מעניקה למדענים תמונה ברורה של אופן התנהגותו של כל פתית. "מדידת האופן שבו פתיתי MXene בודדים מקיימים אינטראקציה עם אור אפשרה לנו לזהות שינויים זעירים בעובי ובהולכה," הוא אמר. "התרגשנו לראות עד כמה התוצאות תאמו טכניקות איטיות והרסניות הרבה יותר."
הצוות מצא שכאשר שכבות MXene נעשות דקות יותר, ההתנגדות החשמלית שלהן גוברת — פרט קריטי לתכנון רכיבים אלקטרוניים אמינים ויעילים. הטכניקה החדשה הצליחה גם להתאים את הדיוק של כלי הדמיה חזקים כמו מיקרוסקופים אלקטרוניים, מה שאישר את דיוקה.
"עבודה זו מספקת מפת דרכים לשילוב MXenes בטכנולוגיות אמיתיות על ידי הצעת מבט ישיר על תכונותיהם הפנימיות ללא הפרעה של שכבות מוערמות או זיהומים," אמר פרופ' רונן רפפורט מהאוניברסיטה העברית. "על ידי שיפור האופן שבו אנו חוקרים חומרים אלו, אנו סוללים את הדרך לשימושם במכשירי אנרגיה ואופטואלקטרוניקה."
לדברי ד"ר טריסטן פטיט מ-Helmholtz-Zentrum Berlin, לטכניקה החדשה עשויה להיות השפעה רחבה אף יותר. "זה פותח שדות מחקר חדשים שהיו אפשריים בעבר רק עם מתקני רנטגן גדולים ויקרים," הוא אמר. "עכשיו אנחנו יכולים לעשות עבודה דומה במעבדה רגילה, הרבה יותר מהר."
MXenes יכולים לאגור ולשחרר אנרגיה חשמלית ביעילות רבה, מה שהופך אותם למבטיחים עבור סוללות ליתיום-יון ומוליכים-מוצקים מהדור הבא. מכיוון שהם דקים וגמישים, MXenes יכולים להפעיל מכשירים לבישים, בגדים חכמים או אלקטרוניקה מתקפלת. זה גם הופך את MXenes לאידיאליים לשימוש בסופרקבלים — מכשירים המספקים פרצי אנרגיה מהירים ונטענים הרבה יותר מהר מסוללות רגילות.
יכולתם לקיים אינטראקציה עם אור ולהוליך חשמל הופכת את MXenes שימושיים גם עבור תאי שמש ומערכות פוטואלקטרוכימיות הממירות אור שמש לאנרגיה נקייה. בפרט, MXenes עשויים לשפר את ייצור המימן על ידי פעולה כזרזים בתגובות פיצול מים.
מכיוון ש-MXenes יכולים לסנן מתכות כבדות ומלחים ממים, מדענים בוחנים אותם עבור ממברנות התפלה וטכנולוגיות לניקוי סביבתי. חוקרים גם בוחנים MXenes לשימוש פוטנציאלי בחיישנים ביולוגיים, מערכות להעברת תרופות ואבחון רפואי.
כפי שד"ר פטיט ניסח זאת: "זוהי הדגמה עוצמתית של כיצד שיתוף פעולה ופיזיקה מתקדמת יכולים להאיץ את מדעי החומרים. MXenes הם רק ההתחלה.
