המטרה - לרתום את ההישגים המדעיים בתחום הננו ליישומים תעשייתיים שיתרמו לכלכלת ישראל

המכון לננו-טכנולוגיה בטכניון ממשיך את המסורת הטכניונית בהיענות לצרכים הלאומיים ומספק תשתיות מחקר, ציוד והון אנושי לתעשייה - מצ'יפים פוטוניים, דרך ננו-תרופות ועד התקנים למחשוב קוונטי. "אנחנו מתרגמים את המצוינות המדעית במדע הבסיסי לאפליקציות בתעשייה ובכך תורמים תרומה מכרעת לכלכלה הישראלית," אומר ראש המכון, פרופ' גדי איזנשטיין

יואל צפריר, בשיתוף הטכניון
תוכן שיווקי
שתפו כתבה במיילשתפו כתבה במייל
חדר נקי - חוקרי המרכז לננו-אלקטרוניקה ליד מכונת ליתוגרפיה בקרן אלקטרונים - המשוכללת בארץצילום: דוברות הטכניון
יואל צפריר, בשיתוף הטכניון
תוכן שיווקי

מתוך ראייה מפוכחת של העתיד והבנת מקומה המרכזי של הננו-טכנולוגיה בעשורים הבאים, יזמו חוקרים בטכניון, כבר לפני 20 שנה, מהלך להקמת מכון ננו-טכנולוגי בטכניון. יוזמי המהלך, פרופ' אורי סיון (היום נשיא הטכניון) ופרופ' אפרת ליפשיץ, הפנו אז מסר ברור להנהלת הטכניון: "העולם טס קדימה. אם לא נמריא, נישאר מאחור".

כיום, כנשיא הטכניון, משוכנע פרופ' סיון בחשיבותו הלאומית והגלובלית של המכון. לדבריו, "זו לא הייתה הפעם הראשונה, ובוודאי לא האחרונה, שהטכניון הוביל מהפכה טכנולוגית במדינת ישראל. אולם צעדים גדולים מצריכים שותפים משמעותיים ; האקדמיה יודעת לפתח את התשתית האנושית, לייצר ידע ולהעבירו לחברה, אם באמצעות הקמת חברות הזנק ואם באמצעות מחקרים משותפים ורישיונות שימוש בקניין רוחני. כל אלו מצריכים קירבה בין אקדמיה, פילנטרופיה, תעשייה וגורמים ממשלתיים. המכון לננו-טכנולוגיה בטכניון ע"ש ראסל ברי (RBNI) הצליח בזכות אותה שותפות והחזון מרחיק הראות של אלו שעמדו באותה תקופה בצמתי ההחלטה. המכון טמן את הזרעים להפיכתה של ישראל למעצמת ננו-טכנולוגיה, עם השקעה לאומית מצטברת של יותר מ-350 מיליון דולר בעשר השנים הראשונות, חינוך אלפי מסטרנטים ודוקטורנטים, הקמת חברות הזנק והעברה נרחבת של טכנולוגיה לתעשייה". 

החזון של אנשי הסגל

בזירה הישראלית מתייחד מכון ראסל ברי בגודלו, בתשתיות שבו ובאופיו הבין-תחומי. איש אינו מטיל ספק בכך שהמכון שינה את פני הטכניון: חומות בין פקולטות נפלו, חוקרים שלא הכירו זה את זה נעשו שותפים בפרויקטים, עשרות חברי סגל חדשים גויסו הודות למכון וסטודנטים מצטיינים רבים לומדים במסגרתו לתארים מתקדמים. חוקרי המכון זכו במענקי מחקר רבים מישראל, מהאיחוד האירופי ומארצות הברית.

"מי שעוקב אחר ההיסטוריה של הטכניון, כמוסד מחקר עם אוריינטציה יישומית, מגלה עד כמה כניסתו לתחומי מחקר חדשים עלתה בקנה אחד עם צורכי המדינה, אם בתחום הביטחון ואם בתחום הכלכלה", אומר פרופ' גדי איזנשטיין, ראש המכון לננו-טכנולוגיה בטכניון. "התשתית האקדמית והמחקרית שהניח הטכניון בתחומים רבים חוללה שינוי אדיר בכלכלה ובתעשייה בישראל, במקביל לתרומה לביטחון. זה החל בשנות ה-50' עם הקמת הפקולטה לאווירונוטיקה, שהניחה את היסודות להקמת תעשיות האוויר והחלל הישראליות, ונמשך בייסוד הפעילות במיקרו-אלקטרוניקה,  שהוקמה אחרי מלחמת יום הכיפורים כדי להתמודד עם אמברגו כלל עולמי שהוטל על רכיבים מסוימים ולאחר מכן הניחה את התשתית לתעשיית המיקרו-אלקטרוניקה הישראלית רבת ההישגים. השלב הבא היה הקמת המרכז לאופטו-אלקטרוניקה, שנתן דחיפה עצומה לתעשייה עיקרית נוספת של 'אומת הסטארט-אפ'. בשנת 2005 הוקם המכון לננו-טכנולוגיה, הראשון והגדול בישראל, שהיה תולדה של תרומה גדולה שניתנה לטכניון והניעה מהלך ממשלתי רחב היקף להקמת מרכזי ננו בכל האוניברסיטאות בישראל. לאחרונה הקים הטכניון את מרכז הקוונטום ע"ש הלן דילר, שהשפעתו העתידית על התעשייה והכלכלה תהיה עצומה. דרך הפריזמה הזו, של היענות לצרכים הלאומיים, אפשר להבין טוב יותר את התנהלותו של הטכניון לאורך השנים, למעשה מאז היווסדו.

פרופ' גדי איזנשטייןצילום: דוברות הטכניון

"מעבר לתרומות ולמימון הממשלתי, מה שהניע את המהלכים ההיסטוריים הללו היה החזון של אנשי הסגל בטכניון, שהשפיעו רבות על מדיניות המוסד", הוא מוסיף. "מפרופ' יצחק קדרון ז"ל, שפיתח את החיישנים שהיו דרושים למערכת הביטחון, ועד פרופ' אורי סיון, כיום נשיא הטכניון, שהוביל והנהיג את המהלך הגדול להקמת מכון הננו".

תשתית חיונית לתעשייה

פרופ' גדי איזנשטיין נחשב לאחד מבכירי החוקרים בעולם בתחומי הפוטוניקה והננו-פוטוניקה ולמומחה בעל שם עולמי בלייזרים מוליכים למחצה. את הדוקטורט שלו עשה באוניברסיטת מינסוטה ובילה כעשר שנים במעבדות בל, שנחשבו אז למעבדות הטובות מסוגן בעולם. ב-1989 הוא הצטרף לטכניון למחקר והוראה בתחום האופטיקה האלקטרונית ומאז הוא שם, פעיל במחקר והוראה וחבר בהנהלת מרכז הקוונטום ע"ש הלן דילר בטכניון, בנוסף לתפקידו כמנהל מכון הננו. מכון הננו שהוא עומד בראשו הוא הגדול בישראל ומהווה ארגון גג ל-17 מרכזי תשתית אוטונומיים.

"מכון הננו שלנו שונה ממרכזים אחרים בהיותו מכון מבוזר", הוא מבהיר. "הוא מנהל ומתאם בין מרכזי התשתית השונים, שכל אחד מהם עוסק בתחום ספציפי ושייך לפקולטה שבה יש את הניסיון הרב ביותר באותו שטח פעילות, ולכן זה המקום המיטבי עבורם. כך למשל, מרכז הננו-אלקטרוניקה, שהוא הגדול מסוגו בארץ, פועל בתוך הפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע"ש ויטרבי, מרכז מדעי החיים מקושר לפקולטה לביולוגיה וכן הלאה. אנחנו תומכים באותן פעילויות שכרוכות בהפעלת ציוד יקר ביותר, מסבסדים את השימוש בציוד על-ידי החוקרים ומנתבים את המשאבים ליצירת מערכת מחקר מיטבית. 

"בנוסף, אנחנו מפעילים תוכנית לימודים ייעודית לתארים גבוהים בננו-מדעים, שאינה קשורה לפקולטות ספציפיות. הרעיון הוא להפוך את הלומדים בתוכנית לאנשי רנסנאס במובן המלא של המילה. הם ירכשו ידע בתחומים שונים ויוכשרו כחוקרים רב-תחומיים, שיתייצבו בעתיד בחזית המחקר ובתעשייה". 

מהו הממשק שלכם עם התעשייה?

"יש לנו שיתוף פעולה בלתי רגיל עם התעשייה. בחמש השנים האחרונות עברו כאן 180 חברות - מסטארט-אפים, שאין להם דרך אחרת לממש רעיון, ועד חברות ענק כמו אינטל, אנבידיה, טאואר, רפאל, התקני מצב מוצק ונובה. יש אצלנו מומחיות בלתי רגילה - הן של אנשי הסגל והן של הצוות הטכני - וציוד יקר ערך, והצירוף הזה הוא תשתית חיונית מבחינת התעשייה. אנו גם מיישמים פרויקטים ספציפיים, למשל בתחומי הננו והמיקרו-אלקטרוניקה. אנחנו חשופים וקשובים לצרכים האמיתיים של התעשייה - זה צרוב באופיו של הטכניון".

ספק לנו הצצה לציוד שלכם. 

"כל מרכזי התשתית הטכניוניים מצוידים במכשור המתקדם ביותר שקיים. לדוגמה, המרכז לננו-אלקטרוניקה כולל מכונת ליתוגרפיה בקרן אלקטרונים שאין בעולם טובה ממנה. בדומה לכך קיימת מערכת ייחודית לקריסטלוגרפיה של מקרו-מולקולות על ידי דיפרקציה של קרני  X בפקולטה לביולוגיה. בשטח המיקרוסקופיה האלקטרונית יש לטכניון שני מרכזים מצוינים. בפקולטה למדע והנדסה של חומרים יש כמה מיקרוסקופים שאנחנו גאים בהם במיוחד, ובהם המיקרוסקופ החודר (TEM) הגדול בארץ. בנוסף, יש במרכז מיקרוסקופ חודר ייחודי בו קרן האלקטרונים ממותגת (UTEM). הוא היחיד מסוגו בארץ ויש פחות מעשרה כאלה בעולם. בפקולטה להנדסה כימית ע"ש וולפסון יש גם מיקרוסקופים סורקים וחודרים, שכולם מיועדים למיקרוסוקפיה קריוגנית שבה הדגם הנבדק מוקפא. הטכניון נחשב למרכז מיקרוסקופיה חשוב בקהילה הבין-לאומית".

המרכז לננו-אלקטרוניקה ע"ש שרה ומשה זיסאפל 

"המרכז לננו-אלקטרוניקה מוגדר כמרכז תשתית לאומי", אומרים פרופ' ניר טסלר, פרופסור להנדסת חשמל ומחשבים ויו"ר המרכז, ואיה כהן, מהנדסת ראשית. "המרכז משתתף במחקר בסיסי מתקדם ובמקביל הוא פתוח לתעשייה, לחוקרים מחוץ לטכניון ולכל מי שיש לו רעיון, אפילו משוגע, שרוצה לבצע כאן פיילוט. אנחנו משמשים כחממה לחברות הזנק שמתחילות אצלנו ואחר כך פורצות החוצה. גם חברות גדולות שמעוניינות להשקיע במיזמים שונים עורכות את הפיילוט אצלנו כדי לבחון טכנולוגיות חדשות". 

פרופ' ניר טסלרצילום: דוברות הטכניון

מה הסוד?

"החלטה אסטרטגית של הטכניון להשקיע בציוד מתקדם ובאחזקת צוות של 15 מהנדסים, שלרובם יש ניסיון תעשייתי עשיר. הצירוף של אנשים ואקלים שמעודד חדשנות ויזמות מהווה כר נוח לבחינת רעיונות חדשים. אנחנו מדברים בשפה של התעשייה, מבינים את המנטליות ופועלים על-פי הסטנדרטים המקובלים בה. זה מקל על העבודה איתנו.

"אבל ההצלחה שלנו אינה רק יישומית. יותר ויותר מאמרים שמתפרסמים בכתבי עת מקצועיים מציינים את תרומת המרכז למחקר בסיסי. למשל, המאמר הראשון בעולם בתחום המטא-חומרים והמטא-משטחים פורסם על-ידי פרופ' ארז חסמן. המשטחים יוצרו אצלנו".

במה אתם ממוקדים כיום?

"אנחנו ממוקדים במצוינות ולא בתחום מסוים. אנחנו תומכים באלקטרוניקה, אופטיקה, חיישנים וגלאים, אנרגיה, ביולוגיה והנדסה ויישומים רפואיים. אבני הבניין למחשוב קוונטי מיוצרות כאן". 

מה יהיה הטרנד הבא?

"לנסות ולנחש מה יהיה הטרנד הבא זו אולי המשימה הקשה ביותר. הרי מדובר בסקאלות זמן של 20-15 שנות פיתוח וצריך לרכוש היום את הציוד שיתאים לפיתוחים העתידיים. לכן, אנחנו מאוד קשובים לשטח כדי ללמוד במה משקיעים ומה מפתחים. אנחנו מעריכים, כי בנוסף למחשוב הקוונטי והיישומים הביולוגים נראה שילוב הדוק יותר של אלקטרוניקה וכימיה, שיחולל שינוי גדול". 

שרימפסים, פילים ובינה מלאכותית

אחד מתחומי הננו-טכנולוגיה המשמעותיים שפותחו בטכניון הוא ננו-תרופות, שגודלן כגודל אלפית השערה והן יודעות להתביית על איברים או גידולים, ולשחרר את החומר הפעיל באיבר המטרה בלי לפגוע ברקמות אחרות ובכך גם להגביר את יעילות הטיפול וגם למנוע תופעות לוואי. "הודות לפיתוח טכנולוגיית הננו-תרופות - בטכניון ובמוסדות מחקר נוספים - ישראל הפכה למעצמה בתחום והיא נמצאת בחזית הטכנולוגיה העולמית", אומר פרופ' אבי שרודר מהפקולטה להנדסה כימית והפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון.

פרופ' אבי שרודרצילום: דוברות הטכניון

"היישומים הם אדירים והעיקריים שבהם הם טיפול משופר בסרטן, בעיקר גרורתי, וטיפול בפרקינסון ובמחלות מוח נוספות, מחלות שהיקפן גדל לאור התבגרות האוכלוסייה בעולם", הוא מוסיף. "יש כיום מחסור בתרופות שיודעות להתגבר על מנגנוני ההגנה של המוח ולכן אנו מצפים את הננו-חלקיקים במולקולות ייחודיות שמערימות על המוח ויודעות לחצות אותו ולחדור לנוירונים".

המעבדה של פרופ' שרודר הייתה שותפה בהקמת חברת "ויאקווה תרפויטיקה", שמטפלת במחלות ויראליות בחקלאות ימית, תוך פיתוח מזון ייחודי המכיל מולקולות רנ"א שמונעות מנגיפים להתרבות בשרימפס. כמו כן, שרודר ועמיתיו בטכניון חברו לאוניברסיטת יוטה בארה"ב והקימו את חברת PEEL Therapeutics, שמתרגמת תכונות של העולם הביולוגי-אבולוציוני לתרופות חדשות. הסיפור המרתק בהקשר זה שייך לפיתוח של תרופה לטיפול ומניעה של מחלת הסרטן, שמבוססת על התגלית שפילים כמעט אינם חולים בסרטן, ועל המנגנון הגנטי שמגן עליהם ממחלה זו. "אנו משתמשים בננו-חלקיקים כדי להוביל את הגֶּן של הפילים לתאי סרטן בגוף האדם", מספר שרודר. 

מיזם נוסף שבו לוקחת חלק המעבדה של שרודר הוא חברת "מאנא.ביו", שהוקמה יחד עם פרופ' קירה רדינסקי מהטכניון, יוגב דבי ורועי נבו, ומשלבת בין בינה מלאכותית לפיתוח תרופות מבוססות ננו-טכנולוגיה. "השילוב של בינה מלאכותית מאפשר לפתח תרופות טובות יותר, עם פחות תופעות לוואי ובזמן קצר יותר", מדגיש פרופ' שרודר. "היכולת לשלב עולמות תוכן שונים מהווה מכפיל כוח משמעותי בבניית ערך ובפיתוח תרופות בזמן קצר וביעילות גבוהה יותר. בעתיד נרצה לשלב גם רובוטיקה בתהליכי הפיתוח של ננו-תרופות". 

מהם כיווני המחקר והפיתוח העתידיים בתחום של ננו-תרופות?

"לפתח תרופות בשחרור מושהה כך שהן יוכלו לזהות אירועים רפואיים, כגון שבץ, ולשחרר תרופה בהתאמה למצב הפיזיולוגי. זה כבר קורה במעבדות. בעתיד זה גם יתחבר לפרופיל הגנטי האישי".

מקור אור בנפח של גרגר חול

אם יש דוגמה כיצד מחקר בסיסי הופך ליישום תעשייתי בעל חשיבות עולמית אפשר למצוא אותה במכון למצב מוצק, שאף הוא מהווה חלק ממכון הננו של הטכניון, בראשו עומד פרופ'-מחקר מוטי שגב, מהפקולטות לפיזיקה ולהנדסת חשמל ומחשבים, מחשובי המדענים בישראל וחוקר עתיר פרסים, חבר האקדמיות הלאומיות בישראל בארה"ב וחתן פרס ישראל לחקר הכימיה וחקר הפיזיקה לשנת 2014. 

פרופ'-מחקר מוטי שגבצילום: דוברות הטכניון

יחד עם חוקרים ישראליים וגרמנים פיתחו פרופ' שגב ועמיתיו מערך המורכב מלייזרים רבים, שפולטים אור בניצב למצע שעליו הם גודלו, אך פועלים כמקור אור אחד, וכל זאת בנפח של גרגר חול. פריצת דרך זו של חוקרי הטכניון וחוקרי אוניברסיטת וירצבורג פורסמה לאחרונה במאמר משותף בכתב העת היוקרתי Science. 

"ויקסלים (VCSELs) הם התקני לייזר זעירים הממלאים תפקיד חיוני במגוון רחב של טכנולוגיות ובהן טלפונים סלולריים, חיישני רכב ורשתות של סיבים אופטיים לתעבורת נתונים", מסביר פרופ' שגב. "ממדיהם הזעירים, שהם כמובן בגדר יתרון עצום ביישומים אלה ואחרים, מציבים מגבלה על עוצמת האור הנפלט מהם. במשך שנים מנסים מדענים להגביר הספק זה באמצעות חיבור של ויקסלים רבים ואילוצם לפעול כלייזר קוהרנטי בודד, אך עד כה לא הושגה הצלחה משמעותית בכך. מכאן חשיבותה של פריצת הדרך שהתפרסמה ב-Science: לייזר קוהרנטי המורכב מוויקסלים רבים. המפתח להישג זה טמון בסידור גיאומטרי ייחודי של הוויקסלים על השבב הפוטוני. סידור זה, המאלץ את האור לנוע ולזרום במסלול ספציפי, מבוסס על פלטפורמה של מבודד טופולוגי פוטוני".

קבוצת המחקר של פרופ' שגב יישמה רעיונות חדשניים אלה בתחום הפוטוניקה כבר לפני כמה שנים כשהציעה והדגימה את המבודד הטופולוגי הפוטוני הראשון. במערכת זו נע האור סביב שוליו של מערך דו-ממדי של מוליכי-גל, כאשר תנועה זו אינה מושפעת מנוכחות של פגמים או אי-סדר. מחקר זה פתח תחום מחקר חדש המכונה כיום "פוטוניקה טופולוגית" ומעסיק מאות קבוצות מחקר ברחבי העולם. בשנת 2018 פיתחה קבוצת המחקר של פרופ' שגב, לראשונה בעולם, דרך להשתמש בתכונות של מבודדים טופולוגיים פוטוניים כדי לגרום ללייזרים רבים להינעל יחד ולפעול באופן קוהרנטי כלייזר בודד. 

"מרתק לראות כיצד המדע מתפתח", מציין פרופ' שגב. "מעקרונות חדשניים בפיזיקה בסיסית עברנו לשינויים יסודיים בפיזיקה הטופולוגית וכעת יצרנו טכנולוגיה אמיתית שחברות מסחריות כבר מגלות בה עניין. בשנת 2015, כשהתחלנו לעבוד על לייזרים מבודדים טופולוגית, איש לא האמין שזה אפשרי מפני שהידע על פיזיקה טופולוגית באותו זמן היה מוגבל למערכות שאינן מכילות הֶגְבֵּר - ויותר מכך, אינן יכולות להכיל הגבר. היינו כמו חבורה של הזויים המחפשת משהו שנחשב לבלתי אפשרי. לאחר דרך ארוכה עשינו עכשיו צעד גדול לקראת טכנולוגיה אמיתית שיש לה יישומים רבים".

רבים מגדירים את הטכניון כ"נכס אסטרטגי" של ישראל. ואכן, מי שעוקב אחר ההיסטוריה מגלה שהגדרה זו נשענת על אדנים של עובדות מוצקות. במכון לננו-טכנולוגיה ובטכניון בכלל קיימת מחויבות עמוקה להמשיך ולמלא את התפקיד הלאומי הזה.

בשיתוף  הטכניון