הידעתם? הפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון היא הוותיקה בישראל בתחום. היא נוסדה בשנת 1980 כיחידת מחקר עצמאית, על ידי מהנדסים וחוקרים מהשורה הראשונה בארץ, אשר גיבשו יחד חזון – להקים מרכז אוניברסיטאי בו משולבים תחת קורת גג אחת מכשור מתקדם ומהנדסי חומרים מובילים בתחומם לצורך אפיון מבנה חומרים והבנת הקשר שבין מבנה החומר ותכונותיו.
למעשה, כבר אז מדובר היה ברעיון מהפכני - איגום משאבים, מכשור יקר וייחודי וכוח אדם מקצועי ומיומן, כדי לשרת את קהילת חוקרי, מדעני ומהנדסי החומרים, הן מתוך האקדמיה והן מהתעשייה.
אחד ממייסדי הפקולטה הוא פרופ' דן שכטמן שהתמחה, בין היתר, בתחום מיקרוסקופית אלקטרונים חודרת, וזכה בפרס נובל בכימיה על תגלית "הסימטריה הגבישית המחומשת" (קוואזי-מחזוריים) שפיתח ומשמשת כפריצת דרך עולמית.
במתכונתה הנוכחית מתהדרת הפקולטה בעצם היותה הגדולה בארץ למדע והנדסה של חומרים, בעלת היצע תוכניות לימוד אקדמיות ומגוון רחב של תחומי מחקר, המשתרעים על פני כלל תחומי מדע והנדסת חומרים ויישומיהם.
מאז היווסדה חרטה הפקולטה על דגלה שימת דגש לימודי ומחקרי על הקשר שבין תהליך ייצור החומרים, המיקרו-מבנה שלהם, תכונותיהם והתאמתם למערכת ההנדסית בה הם נדרשים לתפקד. הפקולטה עושה זאת בהצלחה יתרה באמצעות המרכז למחקר הכולל ציוד טכנולוגי חדיש, בתוספת להון אנושי מקצועי ומיומן, הניחן בניסיון רב שנים, המסייע הלכה למעשה בייעול תהליכים ובהגעה לחקר החומרים בסטנדרטים הגבוהים ביותר. לראייה, מודל המרכז למחקר של הפקולטה הועתק לאוניברסיטאות ומוסדות אקדמיים נוספים ברחבי הארץ, כשהוא ממשיך להוכיח את עצמו גם כיום כאבן שואבת עבור חוקרים, מהנדסים וכן סטודנטים המעוניינים להעמיק בתחומי המחקר והפיתוח המדעיים.
הפקולטה מורכבת ממעבדות מחקר אישיות של חברי הסגל, ומרכז מחקר משותף, או בשמו הרשמי "המרכז למחקר בהנדסת חומרים", המאגד תחתיו את המרכז למיקרוסקופיית אלקטרונים (מיק"א), המעבדה לפיזור קרני רנטגן (קרני X), המעבדה למדידות פיזיקליות, ובית המלאכה של הפקולטה. מרכז המחקר משתלב גם בתוכניות הלימודים להכשרת מדעני ומהנדסי חומרים וסטודנטים החל מהתואר הראשון. בנוסף, כ-200 סטודנטים לתארים מתקדמים מוכשרים להפעלה עצמאית של המיקרוסקופים והמכשור המוצע במעבדות לצורך המחקר עצמו ופיתוח המיומנויות שלהם כחוקרים.
"הפקולטה להנדסת חומרים ניצבת בחזית המדע", מכריז פרופ' בעז פוקרוי, חבר סגל ומנהל המרכז למחקר בהנדסת חומרים בשלוש השנים האחרונות, המתמחה בתחום הביו-מינרליזציה (חקר מינרלים הנוצרים על ידי אורגניזמים ובעלי חיים וחומרים בהשראת הטבע והסבתם לצרכים מדעיים ותעשייתיים) ומי שהחל בעצמו את דרכו בין כתליה. "הודות ליכולות המדהימות של חברי הסגל והמדענים הפועלים בפקולטה על רבדיה השונים, המכשור הפיזי וההשקעה המקצועית בהוראה ובהדרכת סטודנטים ואנשי תעשייה, הצלחנו עד היום להוביל להישגים מדעיים מרשימים. אלו, משמשים כבסיס לשורה של מחקרים ופיתוחים בקשת רחבה של תחומים", לדבריו.
המטרה: "לבנות את הדור הבא של המיקרוסקופאים בישראל"
גולת הכותרת של המרכז לחומרים הוא המיק"א – המרכז למיקרוסקופיית אלקטרונים. את המרכז מובילים ד"ר ירון קאופמן והאחראי האקדמי פרופ' יהונדב בקנשטיין, עם צוות מהנדסים דוקטורים בעלי מוניטין בתחום. אלו, מסייעים יחד בשדרוג היכולות המדעיות, ברמת המחשוב והאנליזות, ומשמשים כהון אנושי ומקצועי המהווה מרכיב קריטי בתהליכי המחקר והפיתוח המדעיים.
על מנת לתהות על קנקנו של תחום מיקרוסקופיית האלקטרונים, ד"ר קאופמן מסביר את פריצת הדרך המדעית: היכולת להשתמש בקרן אלקטרונים לטובת הגעה לרזולוציות גבוהות במיוחד, הכוללות יכולת הפרדה של אטומים עד לרמה תת-ננומטרית. "בעוד שבמיקרוסקופ אור רגיל קיימת מגבלה לרזולוציה, מיקרוסקופ אלקטרונים מציע אפשרות סריקה או חדירה, על מנת לאפיין את החומרים השונים, ולהבין את הסידור האטומי וההרכב הכימי שלהם. המיקרוסקופ הסורק מעניק אינפורמציה מפני השטח של הדגם המיועד, בעוד שהמיקרוסקופ החודר, מספק נתונים ותובנות מהנפח וחלקו הפנימי של החומר", הוא מסביר.
ד"ר קאופמן אף מוסיף ומציין כי המחקר באמצעות המיקרוסקופים המתוארים הוא בעל תרומה מכרעת לתעשיות שונות, כדוגמת מיקרו-אלקטרוניקה, רפואה (כגון שתלים), חקר כשלים (לרבות עבור התעשיות הביטחוניות) וכזה שנעשה עם גופי המחקר והפיתוח המובילים בישראל ובשיתוף פעולה הדוק עימם, החל מרפאל דרך אלביט ועד לתעשייה האווירית ועוד רבים אחרים. "אנו גאים להימצא בשיתוף פעולה עם גופים וחברות מהמובילים בתעשייה, לצד אוניברסיטאות ומוסדות אקדמיים. כל אלו נעזרים בידע ומכשור הקיים במרכז, כולל חוקרים בכירים מחו"ל".
מהי ליבת הפעילות במרכז?
"אנחנו מחלקים את העבודה שלנו לשניים – מעבדות המספקות שירות ללקוחות המעוניינים לעבוד עם המיקרוסקופים שלנו ולקבל הדרכה אודות המכשירים ואופן ההפעלה והשימוש בהם. שירות זה מאפשר לחוקרים, למדענים וכן לסטודנטים להעמיק את הידע שלהם בתחום, ובהמשך ליהנות מיכולת עבודה עצמאית על גבי המיקרוסקופים. החלק השני מתמקד בהוראה ובהדרכה, תחום שמהווה עבורנו מרכיב חשוב במיוחד. השאיפה היא לבנות את הדור הבא של המיקרוסקופאים בישראל. זוהי הסיבה שאנחנו מעודדים הדרכה גם עבור סטודנטים, כבר בשלב הראשוני של לימודיהם, בדגש על התנסות אקטיבית במעבדות וצבירת ניסיון. אנו מארגנים גם ביקורים תכופים של תלמידים, החל מגילאי בית ספר יסודי ועד לתיכונים, בהתאמה לגילים השונים. הביקורים הללו זוכים למשוב חיובי מאוד מצוותי ההוראה בבתי הספר, ונועדו לחשוף את הצעירות והצעירים בפני תחום הנדסת החומרים שהינו עולם ומלואו".
המרכז למחקר בהנדסת חומרים משתלב גם בקורסי מעבדה במהלך התואר ראשון. "המטרה היא שכל סטודנט שלומד בפקולטה, יכיר באופן מעמיק את הציוד והמיקרוסקופים השונים, לטובת השתלבות מיטבית בעתיד בתעשייה. רבים מהם חוזרים בהמשך מתוקף תפקידם בתעשייה להשתמש בשירותי המעבדות, יחד עם אנשי הפקולטות השונות מתוך הטכניון, לרבות מחלקות הנדסת חשמל, הנדסת מכונות, הנדסה כימית, כימיה, פיזיקה או ביולוגיה. זה כשלעצמו מעורר גאווה", מוסיף ד"ר קאופמן.
איזה ערך מוסף מעניקה המעבדה בהשוואה למעבדות אחרות?
"אנחנו מגדירים את מיק"א, יחד עם המעבדות השונות המרכיבות את המרכז, בתור 'העיניים של מהנדסי החומרים'. המכשור המתקדם שאנו מציעים כאן מסוגל לעבוד הן בוואקום גבוה והן בלחץ אטמוספרי. בנוסף, הוא בעל יכולות אנליטיות גבוהות, לרבות כאלו המאפשרות לקבל תמונה רחבה ולבצע אנליזה כימית במקביל. זה מאפשר לנו גם לבחון את החומר ברזולוציות הגבוהות והעמוקות ביותר, כולל ביצוע של ניסויים בתוך המיקרוסקופים, החל מתהליכי חימום, דרך מדידות חשמליות, ועד להפעלת מאמץ מכאני על הדגמים. במילים אחרות, המיקרוסקופ מעבר להיותו כלי אפיון, משמש גם כמיקרו-מעבדה באמצעותה ניתן לאפיין תהליכים שונים".
הפקולטה אינה קופאת על שמריה ועוסקת בשדרוג המכשור על בסיס קבוע, כחלק ממגמת פיתוח מתמדת. בימים אלה אף נרכש ציוד מתקדם בתחום הטומוגרפיה האטומית מסוג APT, בהיקף השקעה כספי גבוה מאוד, ובתמיכת משרד האנרגיה, במסגרת הקמת המכון הלאומי לאגירת אנרגיה בראשות פרופ' יאיר עין - אלי מהטכניון ופרופ' דורון אורבך מאוניברסיטת בר אילן. למעשה, אין עוד מכשיר כזה בישראל, שביכולתו לבצע אנליזות ברזולוציה אטומית באיכות גבוהה. יש בכך בכדי לשדרג לאין ערוך את היכולות של הטכניון בפרט ושל כלל החוקרים בארץ בכלל. באמצעות רכישה של מכשור שובר שוויון בתחום.
"ניצבים בחזית המדע - בארץ ובעולם"
מקור גאווה נוסף מבית הפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון היא המעבדה למדידות פיזיקליות, המספקת תמיכה במחקרים אקדמיים ותעשייתיים. המעבדה מצוידת בכלים החדשים והמתקדמים ביותר בישראל ומסייעת באפיון פיזיקלי של מנעד רחב של חומרים. המשמעות: מתן מענה לחוקרים ולמהנדסים בפקולטה ומחוצה לה, כמו גם עבור מהנדסים וחברות בתעשייה. המטרה: אפיון מדויק של תכונות החומרים המבוקשים, שהינם בעלי חשיבות מכרעת לתהליכים מגוונים, כדוגמת שיטות ייצור, אגירת אנרגיה, פיתוח מכשור רפואי ועוד.
ד"ר לואי חורי, המשמש כאחראי האקדמי על המעבדה למדידות פיזיקליות, מציג את האופי הייחודי והיקף הפעילות המאפיין אותה. "הפקולטה משקיעה מאמצים רבים בשדרוג המכשור הקיים, המותאם למדידות פיזיקליות איכותיות, המשמשות לטובת אפיון חומרים, ניתוח תוצאות והובלת מחקרים שונים, הכל תחת השגחה והדרכה של צוות רב-מקצועי של מהנדסי חומרים מנוסים. יש ברשותנו מכשירים ייחודיים מסוגם, כדוגמת מכשירי מדידת נקבוביות, קלורמטריה סורקת דפירנציאלית (DSC), מכשיר אנליזה טרמו-גרבימטרית (TGA), מכשירים מיקרוסקופיים בשיטת אינפרא אדום (FTIR) וכן ריאומטר מתקדם, שבעזרתו ניתן למדוד את התכונות המכאניות של החומרים, כדוגמת צמיגיות ואלסטיות. זה האחרון גם חיוני למשל עבור תחליפי מזון שונים, שכן הוא מאפשר להגיע לטקסטורות ומרקמים בהתאמה שבין החומר המעובד לחומר המקורי".
ד"ר חורי מוסיף ומציין כי "המעבדה ניצבת בחזית המדע בארץ ובעולם, עוקבת אחר הפיתוחים החדשים ביותר בתחום הנדסת החומרים, ומבצעת בכפוף אליהם את ההתאמות הנדרשות. היא ביססה את מעמדה כחוליה מרכזית בשרשרת אפיון החומרים התורמת רבות לתהליכי פיתוח ואופטימיזציה של חומרים קיימים או חדשים, תוך יכולת לימוד מעמיקה על התכונות הפיזיקליות המאפיינות אותם. יש בכך תרומה משמעותית לתעשיות שונות, כמו תעשיית האנרגיה, הביו-מד, הרכבים ועוד".
בניסיון לתאר את חשיבות עבודת המעבדה והשימוש ברזולוציות גבוהות כאבן יסוד בתהליך המחקר, מעניק פרופ' פוקרוי דוגמה המפשטת את התהליך. "חשוב להבין שישנו קשר ישיר בין הסידור האטומי לבין התכונות הפיזיקליות של החומר. ניקח למשל את הפחמן, שבהרכב סידור אטומי מסוים יוצר גרפיט, אותו חומר מוליך ורך אותו אנו מכירים בעיפרון. את ההרכב האטומי הזה ניתן לראות במיקרוסקופים היורדים לרזולוציות המעמיקות ביותר. עם זאת, אותו פחמן בתהליך ייצור אחר ובסידור אטומי, מוביל ליצירה של יהלום, תוצר סופי עם תכונות שונות לחלוטין, שכן הוא חומר מבודד וקשה מאוד. מכאן שסידור האטומים הינו בעל השפעה אדירה על תכונות החומר ותצורתו הסופית, ולהשפעתו על התכונות הפיזיקליות של החומר".
הסוד שבקרני האיקס
מעבדה חשובה נוספת הפועלת במסגרת המרכז למחקר הינה המעבדה לפיזור קרני רנטגן (קרני X) באחריותו האקדמית של ד"ר יואב קלכהיים. המעבדה מצוידת אף היא במכשור חדיש ומודרני הנועד לצורך אפיון מתקדם של מערכות חומרים גבישיים שונים ומגוונים.
אחת מהן כוללת את מערכת SmartLab 9kW Rigaku בעלת רזולוציה גבוהה המצוידת בשפופרת קרני רנטגן מסתובבת המשמשת לאנליזת פאזות, לחקר כיווניות מועדפת של מישורים גבישיים וכלה בחומרים רב-גבישיים ושכבות רב-גבישיות דקות. מכשיר זה ואחרים מבוססים על תופעת פיזור קרני איקס בעלי אורך גל בקנה מידה של עשירית הננומטר (סדר הגודל של המרחק הבין אטומי) המאפשר ללמוד על הסידור האטומי של החומר.
פרופ' פוקרוי מציין כי המעבדה גם מאפשרת מדידת חספוס פני השטח של חומרים ברזולוציה גבוהה, לרבות חקר שכבות דקות במיוחד. "המעבדה מציגה יכולות מחקר וביצוע ניסויים שונים תוך כדי המדידה. למשל, ניתן לחשוף את החומר הנמדד לגזים שונים, טמפרטורת שונות ו/או מתחים חשמליים שונים, כל זאת בתוך המכשיר ובזמן המדידה".
יתרה מכך, לאורך השנה האחרונה סיפקה המעבדה מענה איכותי עבור אנשי התעשייה הצבאית, לטובת מתן מענה לטכנולוגיות הנדרשות כחלק מהמאמץ המלחמתי של צה"ל וכוחות הביטחון.
materials.technion.ac.il
בשיתוף הטכניון
