המטרה - לאפשר יכולות מו"פ, ייצור ואיפיון מתקדמות ביותר עבור החוקרים, תוך שת"פ עם התעשייה

עם כ-120 חוקרי ננו-טכנולוגיה וצוותיהם, מארבע פקולטות, מרכז הננו-טכנולוגיה של אוניברסיטת תל-אביב, מנהל כיום תשתית מחקר מהגדולות בארץ. עם הקמת הבניין חדש ע"ש רומן אברמוביץ, שצפוי להיפתח בקיץ 2023, היכולות הללו רק יתרחבו

אסף לבנון, בשיתוף מרכז הננו-טכנולוגיה של אוניברסיטת תל-אביב
תוכן שיווקי
שתפו כתבה במיילשתפו כתבה במייל
מרכז ננו מדע וננוטכנולוגיה על שם רומן אברמוביץ | הדמיה: Architects: Atelier MR&A – Michel Remon & Alexis Peyer
אסף לבנון, בשיתוף מרכז הננו-טכנולוגיה של אוניברסיטת תל-אביב
תוכן שיווקי

מדע וטכנולוגיה בקנה מידה ננומטרי מתהווים כחזית המחקר והפיתוח בתחומי מדעי הטבע המדויקים וההנדסה כיום. תחום זה מקיף את האמנות והחוכמה של יצירת מבנים בגודל ננומטרי מלאכותי בדיוק אטומי. יישומם הוא בחקר תופעות חדשות ובהמצאת מכשירים ומערכות חדשניות אליהם לא ניתן להגיע בעזרת טכנולוגיות קונבנציונליות. דברים כאלו נעשים יום יום במרכז הננו-טכנולוגיה של אוניברסיטת תל-אביב, שהוא מהגדולים בארץ בתחומו והוותיק ביותר ביניהם. המרכז הוקם בשנת 2000 - שנה לפני השקת היוזמה הלאומית הישראלית לננו-טכנולוגיה - ומאגד כיום פעילות מחקרית ענפה של כ-120 חוקרי ננו וצוותיהם, מארבע פקולטות בקמפוס: הנדסה,  מדעים מדויקים, מדעי החיים ורפואה. מחקר הננו במרכז התל-אביבי מתאפיין ברב-תחומיות ומשלב תחומי מדע מתקדמים כמו ננו-רפואה, ננו-פוטוניקה, קוונטום, אנרגיה ואקולוגיה, וננו-חיישים אלקטרוניים.

אליס פולקסי-שגב צילום: יעל צור

פתרון כולל ללקוח

"מעצם טבעו, מחקר בננו-מדע וננו-טכנולוגיה דורש מאמצים בין-תחומיים, תוך ניצול מדעי הפיזיקה, הכימיה, הביולוגיה והרפואה, יחד עם מומחיות הנדסית עדכנית. כל הדיסציפלינות המסורתיות הללו משנות למעשה את זהותן כאשר עוסקים במערכות ננומטריות", אומרת מנהלת המרכז, אליס פולקסי-שגב. "המרכז מנהל כיום תשתית מחקר מהגדולות בארץ. יש לנו כ-70 מערכות פבריקציה (ייצור) וקרקטריזציה (איפיון) וכן צוות של כ-20 מומחי תוכן טכנולוגי. יש לנו למעשה פתרון כולל - משלב פיתוח התהליך והתאמתו להתקן הספציפי של הלקוח, ייצור אב-טיפוס באמצעות מגוון תהליכי גידול שכבות, דרך תהליכים תרמיים, ליטוגרפיה (פוטו, קרן אלקטרונים, קרן יונים, כתיבה ישירה באמצעות לייזר) כתיבת המסכה, תהליכי עיכול, כולל מטרולוגיה לאורך כל התהליך, ולבסוףאיפיון בשיטות מתקדמות של מיקרוסקופים אלקטרוניים סורקים וחודרים, המסוגלים להגדיל רזולוציה עד לפי 10,000,000 מגודלו המקורי, תוך ניצול טכנולוגיות של קרן האלקטרונים. זוהי , שיטת ספקטרוסקופיה הרגישה לפני שטח של חומרים שיכולה לספק מידע על ההרכב הכימי שלהם ועל המצבים הכימיים והאלקטרוניים של היסודות השונים, קריסטלוגרפיה בקרני רנטגן ועוד".

מהן מטרות וחזון המרכז?

"בראש ובראשונה, מטרתנו היא לאפשר יכולת מחקר ופיתוח וטכנולוגיות מתקדמות ביותר עבור חוקרי אוניברסיטת תל-אביב. בנוסף, המרכז מחויב לקידום התעשייה הישראלית באמצעות תשתית הננו-טכנולוגיה המתקדמת של פבריקציה וקרקטריזציה. התשתיות שלנו זמינות לשימוש כלל חוקרי האקדמיה בארץ והתעשייה הישראלית. מיקומנו המרכזי מהווה יתרון תחרותי, וכך גם המכוונות ללקוח והמחויבות ללוחות זמנים ולאיכות התוצר. הערך הייחודי במרכז הננו-טכנולוגיה באוניברסיטת תל-אביב הוא מקור הידע המחקרי העצום של קהיליית החוקרים שלנו, ידע טכנולוגי שאפשר להעביר לפיתוח בתעשייה".  

במרכז ישנן שתי דיסציפלינות - ייצור ואיפיון. מה מאפיין את עבודתה של כל אחת מהן?

"חטיבת הייצור, הקרויה The Chaoul Center for Nanoscale Systems מפתחת תהליכים ומבצעת פבריקציה, תוך שימוש בתשתית המאפשרת ביצוע תהליכים מקצה לקצה. כלומר, מפיתוח תהליך דרך כל סבב הייצור של ההתקן עד האריזה,בדיקות האיכות שלו ופעולותיו החשמליות. ייצור התקנים בגודל ננומטרי אינו ייצור רגיל מהסוג הנעשה במפעל ייצור. דרוש סט אחר לגמרי של מכונות וטכנולוגיות, המותאמות לייצור התקנים בגדלים זעירים של ננומטר. הטכנולוגיות בהן עושה חטיבת הייצור שימושלמטרות אלו הן ליטוגרפיה בשיטות שונות, כגון פוטו-ליטוגרפיה, ליטוגרפיית קרן אלקטרונים, ליטוגרפיה בכתיבה ישירה באמצעות לייזר וכן גידול שכבות, תהליכי עיכול ומגוון שיטות מטרולוגיה לבדיקת איכות ההתקן. 

חדר נקי 3צילום: יעל צור

חטיבת האיפיון, הקרויהThe Wolfson Applied Materials Research Center", עוסקת באנליזה וקרקטריזציה. מטרת האיפיון היא לקחת התקן העשוי מחומר כלשהו ולקבל עליו מידע: להבין, מאילו יסודות כימיים הוא עשוי, באיזה אופן היסודות קשורים זה לזה, מהו המבנה המולקולרי והגבישי של החומר - כל המידע על החומר ועל התנהגותו. תהליך איפיון מאתגר בעולם ננו הואייצור תמונה באמצעות מיקרוסקופים אלקטרוניים ברזולוציה גבוהה במיוחד. 

כדוגמאות לתוצרי מחקר מוצלחים של מרכז הננו-טכנולוגיה נותנת פולקסי-שגב את עבודתו של פרופ' טל דביר, המכהן בשנתיים האחרונות כראש האקדמי של המרכז (ראה מסגרת). עבודתו עוסקת בשילוב רכיבים אלקטרוניים ברקמות מהונדסות, דוגמת רקמת שריר לב. "הרעיון הוא לערוך מעקב און-ליין אחר פעילות הלב בעזרת הננו-אלקטרוניקה, וכשצריך, לקצוב את פעילות הרקמה המהונדסת, ואפילו לשחרר תרופות בלחיצת כפתור", היא מסבירה. "למשל, אם הרקמה מאותתת שיש דלקת - ניתן לשחרר תרופה אנטי-דלקתית. אם הרקמה מדווחת שקיים מחסור בחמצן, ניתן לשחרר ביו-פקטורים שמושכים תאי גזע לבניית כלי דם נוספים. כל זה בזמן אמת. יושב לו החולה בבית ולא מרגיש טוב. הרופא מקבל הודעה, נכנס למחשב ורואה את מצב הלב. משם הוא מחליט על טיפול מרחוק. מהמחקר החדשני הזה קמה חברת הסטארט-אפ מטריסלף".

פרויקטים משותפים עם התעשייה

המרכז מרבה לשתף פעולה עם התעשייה ורשימת החברות עימן מתבצעים תהליכי פיתוח, ייצור אבות-טיפוס ואיפיון היא ארוכה ומגוונת. לצד סטארט-אפים דוגמת טריאיי, סטורדוט, ויזיק, דאסטפוטוניקס וננו-רטינה ניתן למצוא גם חברות ענק בין-לאומיות כקוואלקום, אינבידיה, טאוור ג'ז ואפלייד מטרילייד וחברות ביטחוניות כאלביט, רפא"ל והתעשייה האווירית. בשנים האחרונות פנו חברות שונות למרכז בבקשה למצוא עבורן פתרונות טכנולוגיים לתהליכי ייצור. כך, למשל, חברה בתחום ההדפסות חיפשה דרך לייצר ראש דיו בגודל מיקרומטרי, המורכב ממטריצה של תאים להדפסה צבעונית כשכל תא מכיל דיו צבעוני. "בתהליך הפבריקציה אצלנו יצרנו התקן כזה, כשמנגנון ההפעלה הוא תרמי - כלומר בנינו נגד שמתחמם וגורם להתפשטות של נוזל הדיו בתוך התא - מה שמביא ליציאת הדיו למשטח המודפס", מספרת פולקסי-שגב. "פרויקט נוסף התבצע עם יצרן מצלמות ששאף להקטין את הגודל, עלות וצריכת החשמל של מצלמותיו. הפתרון שסיפקנו הוא זיווד אלקטרוני תלת-מימדי בשיטת פבריקציה, שהותאמה בהמשך לייצור המוני. במקרה הזה פיתחנו תהליך ובנינו מבנה על גבי המצלמה שמאפשרת גישה חשמלית ישירה ומבטלת צורך בחיבור על-ידי חיבור קונבנציונלי של חוטים. 

"בתחום המצלמות אנחנו מספקים פתרון גם לצורך עולה ברגישות, וזאת על ידי הוספת שכבות מחומרים מיוחדים בעוביים ננומטרים. מספר סטארט-אפים פנו אלינו לייצור אב-טיפוס של ביו-סנסורים. אנחנו בונים עבורם טרנזיסטור אפקט שדה שמגודר על-ידי שינויים בפוטנציאל פני השטח המושרה. זה נעשה על-ידי קישור של מולקולות שהן למעשה ביו-מולקולות - אותו אלמנט הזיהוי הביולוגי - שיכולות לשנות את התפלגות המטען של החומר המוליך למחצה וכתוצאה מכך לשינוי המוליכות".

ומה קורה בתחום התעשיות הביטחוניות?

"אני יכולה לתת כדוגמה חברה מהתחום שחיפשה פתרון חלופי לציפוי מחזיר קרינה קונבנציונלי. חומרי ציפוי אלו נשחקים עם הזמן או בתנאים קיצוניים. פיתחנו טיפול פני שטח ברמה ננומטרית באמצעות תהליכי פבריקציה, שדימה תכונות אופטיות של החומרי ציפוי המקוריים".

אתם משתפים פעולה גם עם גורמים בחו"ל?

"בהחלט. למרכז שיתופי פעולה בין-לאומיים עם מספר מוסדות מעבר לים. בין השאר עם אוניברסיטת נורת'ווסטרן שבארה"ב ואוניברסיטת צ'ינגואה בבייג'ין. אנחנו תומכים בביקורים הדדיים של סטודנטים וחוקרים ומעניקים מלגות לדוקטורנטים ופוסט-דוקטורנטים. אנו מאמינים שכשתסתיים הקמתו של הבניין החדש נוכל להרחיב את שיתופי הפעולה האלו".

לייצר חוכמת המונים בטכנולוגית יוצאת דופן

אותו בניין חדש - מרכז ננו-טכנולוגיה על שם רומן אברמוביץ - צפוי להיפתח בקיץ 2023 והוא הדבר שכיום מרגש יותר מכל את קבוצת החוקרים במקום. 7,000 מ"ר, חדר נקי בסטנדרטים המתקדמים ביותר של תעשיית הסמיקונדקטור ומעבדות חדישות של חוקרי קהילת הננו מדיסציפלינות שונות, עם הציוד המתקדם ביותר נמצאים בהכנה. "הבניין החדש יהיה אייקוני ויהווה קפיצת מדרגה משמעותית מאוד. זה עומד להיות מרכז המחקר המתקדם והגדול ביותר במזרח התיכון", מבטיחה פולקסי-שגב. "הוא יאגד מעל ל-100 מומחים בתחומם והידע הנצבר הזה הוא פוטנציאל אדיר שיתורגם לפיתוח טכנולוגיות חדשות בתעשייה הקיימת ולהקמת סטארט-אפים. לקחת את כל המוחות הללו ואת המומחיות שלהם ולעשות להם יישום הלכה למעשה במקום אחד, זה לייצר חוכמת המונים טכנולוגית יוצאת דופן.  החדר הנקי והמעבדות יאפשרו לנו לממש חזון של השקת תוכנית אקדמית ייעודית למהנדסים בתעשייה למטרת רכישת מיומנויות פרקטיות. שם יוגשם החזון שלנו להמשיך ולקדם פעילויות מחקר רב-תחומיות, לנהל ולהרחיב את משאבי תשתיות המחקר בקמפוס, לתמוך בגיוס חוקרים מצטיינים ולקדם את הבינלאומיות במחקר. זה יהיה הבית החדש של קהילת הננו-טכנולוגיה".

תוצרי מחקר בולטים של חוקרי מרכז הננו-מדע וננו-טכנולוגיה 

פרופ' טל דביר, המחלקה למיקרוביולוגיה מולקולרית וביוטכנולוגיה בפקולטה למדעי החיים 

פרופ' טל דביר צילום: יעל צור

שילוב של רכיבים אלקטרוניים ברקמות המהונדסות, דוגמת רקמת שריר הלב. הרעיון הוא לערוך מעקב און-ליין אחר פעילות הלב בעזרת הננו-אלקטרוניקה, וכשצריך, לקצוב את פעילות הרקמה המהונדסת ואפילו לשחרר תרופות בלחיצת כפתור בעת הצורך (למשל כשהרקמה מאותתת שיש דלקת - ניתן לשחרר תרופה אנטי-דלקתית. אם הרקמה מדווחת שקיים מחסור בחמצן - ניתן לשחרר ביו-פקטורים שמושכים תאי גזע לבניית כלי דם נוספים). הכל מתבצע בזמן אמת, כשהחולה יושב בביתו ולא מרגיש טוב. הרופא מקבל הודעה, נכנס למחשב, רואה את מצב הלב ומחליט על טיפול מרחוק. ממחקר זה קמה חברת הזנק בשם מטריסלף.

תמונת מיקרוסקופ אלקטרוני סורק של חלקיקי זהב ננומטרים, דגם ממחקרו של פרופ' טל דביר | אנאליזה: דר' גל רדובסקי

פרופ' עדי אריה, ביה"ס להנדסת חשמל 

שיפור רזולוציית מיקרוסקופים אלקטרוניים על-ידי תיקון עיוותים בעדשה בעזרת הוספת ממברנה דקה שעובייה משתנה כך שיבטל את העיוותים. הוכח שיפור של כ-50% ברזולוציה של מיקרוסקופ אלקטרוני מסחרי.

פרופ' טל אלנבוגן, ביה"ס להנדסת חשמל

מחקר מרתק בתחום האופטיקה של עדשות מציאות רבודה. במרכז מפתחים ומייצרים מטא-משטחים רב שכבתיים שיכולים להפוך כל משקפיים למשקפי מציאות רבודה. 

ד"ר גדעון שגב, ביה"ס להנדסת חשמל 

פיתוח תאיים היברידיים פוטו-וולטאיים ופוטו-אלקטרוכימיים המסוגלים לייצר חשמל מהשמש ולפרק מים למטרת ייצור מימן (דלק ירוק) בו-זמנית. ניתן להשתמש בעודפי אנרגיה שאינם מנוצלים עבור פירוק מים לטובת ייצור חשמל ועל-ידי כך להעלות באופן משמעותי את היעילות הכוללת של המערכת.

ד"ר אינס צוקר,  ביה"ס להנדסה מכנית;

החוג ללימודי הסביבה מפתחים חומרים בסקאלה ננומטרית לצורך טיפול במים ומהנדסים אותם כך שיהיו יעילים, ברי-קיימא, ובטוחים לשימוש בהשוואה לטכנולוגיות הקיימות כיום.

בשיתוף מרכז הננו-טכנולוגיה של אוניברסיטת תל-אביב