הסיפור המוזר של פליטת אור מחלקיק קוונטי: החוקרים הראו כיצד גלי אור משתנים כתלות בתכונות הקוונטיות של החלקיקים הפולטים אותם, וכי ניתן לפרש את פליטת האור כהתממשות של תופעה קוונטית הנוגדת לגמרי את האינטואיציה שלנו: קריסת פונקציית הגל. החוקרים הראו גם קשר ישיר בין פליטת אור ובין שזירות קוונטית – התופעה העומדת בליבן של טכנולוגיות הצפנה ומחשוב קוונטיות.

דמיינו כי אתם מתבוננים בגל מים הפוגע בשובר גלים ובו שני סדקים, כך שלאחריו נוצרים שני גלי מים חדשים הבוקעים משני סדקים אלו. אם נתבונן בצורתם, נראה מקומות שבהם הגלים גבוהים יותר – ומקומות שבהם הגלים נעשו נמוכים. תופעה זו נקראת התאבכות: שני הגלים מסתכמים יחדיו במקומות מסוימים ומבטלים זה את זה במקומות אחרים. כעת, דמיינו כי אתם מתבוננים בכדורי טניס הנזרקים לעבר קיר ובו שני סדקים. ברור כי חלק מהכדורים יעברו דרך הסדק הראשון וחלקם דרך הסדק השני. הכדורים לא “יסתכמו יחדיו” או “יבטלו” זה את זה, כמו שגלים עושים.

לעומת זאת, תורת הקוונטים – התיאוריה הפיזיקלית המתארת את התכונות של חלקיקים זעירים – גורסת כי חלקיקים אלה עשויים לעיתים להתנהג כגלים. אם נבצע את ניסוי “שני הסדקים” עם חלקיקים קוונטיים נראה כי החלקיק הקוונטי מסוגל לעבור דרך שני הסדקים שבקיר בעת ובעונה אחת. בניסוי נצפה בתבנית התאבכות המורכבת לסירוגין מפסים בהירים – עדות לפגיעת החלקיקים במסך – ופסים חשוכים המעידים על מיקומים שבהם החלקיקים לא פגעו. בהירותם של הפסים מאוד דומה לגובהם של גלי המים לאחר הפגיעה בשובר הגלים עם שני הסדקים. עם זאת, קיים הבדל מהותי בין גלי המים ובין גלי החלקיקים של תורת הקוונטים. אם נתבונן באחד הסדקים שבהם עבר החלקיק הקוונטי, תבנית הפסים על המסך תיעלם. עצם התצפית שלנו במיקום החלקיק באחד מהסדקים תגרום לו לעבור בוודאות דרך הסדק שבו התבוננו: פתאום החלקיק הקוונטי מתנהג כמו כדור הטניס. תופעה מוזרה זו נקראת “קריסת פונקציית הגל”.

למרות ההתקדמות העצומה בהבנתנו את הפיזיקה הקוונטית, עדיין ייתכנו סתירות לכאורה בינה ובין הפיזיקה הקלאסית. למשל, בפיזיקה קלאסית ניתן למצוא את מסלולו ומהירותו של חלקיק הפולט אור, ולנבא מכך את אופיו של האור הנפלט ממנו. לעומת זאת, במכניקת הקוונטים אי אפשר למדוד את מיקומו ואת מהירותו של חלקיק קוונטי בעת ובעונה אחת (זהו עיקרון אי-הוודאות המפורסם של הייזנברג). כמו כן, לחלקיקים הקוונטיים תכונות גליות, והם משנים את תכונותיהם כאשר אנו “מתבוננים” בהם (קריסת פונקציית הגל).

התאבכות גלי מים (משמאל), וניסוי שני הסדקים עם חלקיק קוונטי (מימין)

 התאבכות גלי מים (משמאל), וניסוי שני הסדקים עם חלקיק קוונטי (מימין)

סדרת מחקרים בהובלת חוקרים מאוניברסיטת תל אביב, הטכניון ו-MIT הראו איך תכונות אלו של המכניקה הקוונטית משפיעות על האופן שבו חלקיקים פולטים אור. החוקרים הראו שתופעות רבות הקשורות לפליטת אור, שהוסברו באותו האופן ב-100 השנים האחרונות, יכולות להתנהג באופן שונה מאוד מהצפוי. זאת, עקב השפעת האופי הקוונטי של חלקיקי החומר על האור הנפלט מהם.

במחקרם הראשון מ-2019 ניסו החוקרים למדוד התאבכות של גלי אור הנפלטים מאלומת אלקטרונים (חלקיקים תת-אטומיים קוונטיים הטעונים במטען חשמלי). המחקר, שנערך בהובלה משותפת של ד”ר רואי רמז והדוקטורנט אביב קרניאלי ממעבדותיהם של פרופ’ עדי אריה מאוניברסיטת תל אביב ופרופ’ עדו קמינר מהטכניון, התפרסם בכתב העת היוקרתי Physical Review Letters. במחקר השתתפו גם ד”ר סיוון טרכטנברג-מילס, המסטרנט ניב שפירא וד”ר יוסי לריאה מאוניברסיטת תל אביב. באותו מחקר הראו החוקרים כי ההתאבכות של האור הנפלט אינה מתקבלת בניסוי. כאשר השתמשו בתורת הקוונטים כדי לתאר את תוצאות הניסוי הם גילו כי התיאוריה מנבאת אפקט דומה מאוד ל”קריסת פונקציית הגל”. ברגע פליטת האור, פונקציית הגל של האלקטרון “קורסת” לנקודה מסוימת במרחב, כאילו מישהו צפה באלקטרון במיקום זה בדיוק. על כן, פליטת האור כבר אינה מתרחשת מכמה נקודות בעת ובעונה אחת, וההתאבכות של גלי האור נעלמת.

פליטת אור בפיזיקה קוונטית (מימין) לעומת פיזיקה קלאסית. בתנאים מסוימים, גל ההלם אינו נוצר במקרה הקוונטי.

 פליטת אור בפיזיקה קוונטית (מימין) לעומת פיזיקה קלאסית. בתנאים מסוימים, גל ההלם אינו נוצר במקרה הקוונטי.

 

מימין: אביב קרניאלי, ד"ר רואי רמז, פרופ' עדי אריה, פרופ' עדו קמינר וניקולס ריוורה

מימין: אביב קרניאלי, ד”ר רואי רמז, פרופ’ עדי אריה, פרופ’ עדו קמינר וניקולס ריוורה

מחקר המשך שהתפרסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי Science Advances הראה כי יכולת ההתאבכות של גלי האור בזמן, האחראית ליצירתם של גלי אור קצרים וחזקים (פולסים), יכולה להיעלם גם היא עקב עיקרון אי הוודאות של הייזנברג. המחקר החדש נערך בהובלת הדוקטורנט אביב קרניאלי ממעבדותיהם של פרופ’ אריה ופרופ’ קמינר ובשיתוף פעולה עם הדוקטורנט ניקולס ריוורה מ-MIT שבארה”ב. החוקרים הדגימו באופן תאורטי את היעלמות ההתאבכות של האור באמצעות אפקט אחר, הנקרא קרינת צ’רנקוב. נהוג להסביר את קרינת צ’רנקוב באנלוגיה למטוס סילון העוקף במהירותו את מהירות הקול ויוצר “בום על-קולי” הנקרא גם בשם גל הלם. באופן דומה, באפקט צ’רנקוב חלקיק העוקף את מהירות האור בתוך חומר שקוף אמור ליצור גל הלם – “בום על-אורי”. התגלית החדשה של החוקרים מפתיעה כי מתברר שקרינת צ’רנקוב כלל אינה גל הלם, כפי שחשבו מדענים מאז גילוי האפקט ב1934. האנלוגיה בין מטוס הסילון לחלקיק הקוונטי איננה נכונה. רק בתנאים מיוחדים – התלויים בתכונות אי-הוודאות של החלקיק הקוונטי הפולט – הקרינה תיפלט בצורה של גל הלם.

לבסוף, במחקר נוסף שהתפרסם לאחרונה אף הוא ב-Physical Review Letters, בהובלת הדוקטורנט אביב קרניאלי, פרופ’ אריה, פרופ’ קמינר והדוקטורנט ניקולס ריוורה, הצליחו החוקרים להראות כי כאשר אור נפלט בו זמנית משני אלקטרונים, תיתכן השפעה דרמטית של התכונות הקוונטיות של האלקטרונים על האור הנפלט. למשל, כאשר זוג אלקטרונים הם “שזורים קוונטית” – בעלי קשר הסתברותי קוונטי העומד בליבן של טכנולוגיות כגון הצפנה ומחשוב קוונטיים – ייפלטו, תחת תנאים מתאימים, גלי אור משני האלקטרונים יחדיו ונקבל התאבכות של אור התלויה באופן ישיר באופן שבו שני האלקטרונים היו “שזורים”. בצורה זאת, טוענים החוקרים, התבוננות באור הנפלט מחלקיקים שזורים יכולה לתת אינדיקציה למידת השזירות שלהם מבלי למדוד אותם ישירות: אפשרות שיכולה להיות חשובה לשימושים עתידיים באלקטרונים כנושאי מידע קוונטי.

פרופ’ עדי אריה מופקד על הקתדרה לננו-פוטוניקה ע”ש מרקו ולוסי שאול באוניברסיטת תל אביב. אביב קרניאלי הוא זוכה מלגת אדמס של האקדמיה הלאומית למדעים.

פרופ’ עדו קמינר הוא חבר סגל בפקולטה לפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע”ש ויטרבי וחבר במכון לננוטכנולוגיה ע”ש ראסל ברי (RBNI) ובמרכז הקוונטום ע”ש הלן דילר.

פליטת אור מזוג אלקטרונים שזורים קוונטית יכולה להעיד על מידת השזירות ביניהם

 פליטת אור מזוג אלקטרונים שזורים קוונטית יכולה להעיד על מידת השזירות ביניהם

 

הטכניון סיים את השלב הראשון בשדרוג המרכז למחשוב-על (High Performance Computing – HPC) בקמפוס. תהליך השדרוג, הצפוי להסתיים עוד השנה, יוביל לשיפור דרמטי ביכולתו האנרגטית של המרכז ויהפוך אותו לאשכול המחשוב החזק ביותר באקדמיה הישראלית ולמרכז מצוינות בכל הקשור למחקר מבוסס חישובים בארץ ובעולם.

את המהלך הוביל המשנה לנשיא ומנכ”ל הטכניון פרופ’ בועז גולני, שאמר כי “פרויקט השדרוג של המרכז למחשוב-על יצא לדרך בעקבות החלטה אסטרטגית של הנהלת הטכניון להכפיל לפחות פי 10 את יכולות חישוב-העל של הטכניון בשנים הקרובות. זאת מתוך הכרה שכוח חישוב זמין וזול הוא תנאי הכרחי לקיומה של פעילות מחקרית איכותית במציאות הגלובלית התחרותית. כך הוחלט לשדרג את המרכז הקיים בהשקעה כוללת של כ-14 מיליון שקלים, ובנוסף גויסה תרומה של 8 מיליון דולר להקמת מבנה חדש ברמת הגנה גבוהה ובו מרכז חישוב חדשני.”

במסגרת הפרויקט הוקם בטכניון אשכול ה-HPC החזק ביותר באקדמיה הישראלית – אשכול חישובי המבוסס על שרתי DGX-A100 של חברת Nvidia הכולל עשרות שרתים וכמות גדולה של מאיצים גרפיים מסוג A100, המחוברים ברשת מהירה מסוג Infiniband של Nvidia (מלאנוקס). האשכול הוקם בהובלת מהנדסי אגף המחשוב בטכניון ובעזרת חברת הראל ונציגי Nvidia.

לדברי פרופ’ רועי פרידמן, סגן המשנה לנשיא ומנכ”ל למערכות מידע ומחשוב, “מרכז ה-HPC החדש כבר מאפשר שיתופי פעולה עם התעשייה – לדוגמה, שיתוף הפעולה עם חברת PTC שעליו הוכרז לאחרונה. פעילויות אלה יועצמו ככל שיתקדם המשך השיפוץ של מרכז המידע הנוכחי וככל שתתקדם בנייתו של המרכז החדש. בנוסף, כבר עתה ערוך הטכניון לאפשר גם לחוקרים מהאקדמיה הישראלית בכללותה להריץ משימות חישוביות מורכבות על מערך חישוב-העל הטכניוני, וגם כאן הצפי הוא לגידול מהותי בפעילות.” 

באגף מחשוב ומערכות מידע בטכניון מתכננים הגדלה ניכרת נוספת של יכולות מרכז החישוב אף מעבר לכך, זאת לאור החשיבות הרבה של בינה מלאכותית (AI) בכלל ולמידת מכונה בפרט בכל תחומי המחקר כיום. ראוי לציין כי כבר כיום מפעיל האגף אשכולות חישוביים עם יותר מ-10,000 ליבות CPU, וגם כאן הכוונה להגדיל את היכולות בשנים הקרובות בסדר גודל נוסף. זאת מאחר שתחומים רבים זקוקים לכוח חישוב רב לביצוע סימולציות נומריות כגון Computational Fluid Dynamics, ועבורם שרתים בארכיטקטורת CPU עדיין מספקים ביצועים הרבה יותר טובים מ-GPU. חלק מהותי בתהליכים אלה הוא בניית תשתיות חשמל ומיזוג המסוגלות לתמוך בעוצמות חישוב כאלה.

תמונות השרתים במרכז למחשוב-על המשודרג בטכניון:

קרדיט תמונה: רינה אנגדאו, Always be Yourself, ציור דיגיטלי 2021

קרדיט תמונה: רינה אנגדאו, Always be Yourself, ציור דיגיטלי 2021

תערוכת האומנות נוצרה במסגרת תוכנית “נגיעות תרבות” של שותפות חיפה-בוסטון – מפגשים להכרת תרבות יוצאי אתיופיה. התערוכה הופיעה לראשונה במרץ 2021 על 100 לוחות מודעות עירוניים ברחבי העיר חיפה וכעת היא מוצגת בטכניון. בתערוכה משתתפים 12 אומניות ואומנים מרחבי הארץ העוסקים בנושאים חברתיים באמצעות מגוון טכניקות אומנותיות.

נשיא הטכניון פרופ’ אורי סיון אמר כי “נפלא לראות אומנות בקמפוס, צורת ביטוי עמוקה וצורך אנושי. בין מדע ואומנות מחברים קווים משותפים של חקר ויצירתיות, ואני סבור שחשוב לחשוף את הסטודנטים שלנו לכך. הטכניון מורכב מפסיפס אנושי של הבאים בשעריו ואני שמח שהתערוכה הראשונה שמוצגת כאן בגלריה פותחת צוהר לתרבות פחות מוכרת של יוצאי אתיופיה.”

“התגובות של סטודנטים, חברי סגל ועובדים למראה התמונות מרגשות אותי מאוד,” ציינה דיקנית הסטודנטים פרופ’ אילת פישמן. “הם רגילים לראות כרזות מדעיות ותוצרי מחקרים שנעשים בטכניון, והאפשרות להיחשף לתמונות יפהפיות, ולשמוע הסברים של האומנים עצמם, גורמת לרגשות מסוג אחר לצוף אל פני השטח ואל השיח.”

בטכניון מוצגת התערוכה כחלק מ”תקווה ישראלית באקדמיה”, יוזמה מטעם בית הנשיא שנועדה להגביר את הגיוון ואת הייצוג של קבוצות האוכלוסייה השונות באקדמיה וליצור בקמפוס מרחב משותף תוך שמירה על הזהות הייחודית של כל קבוצה. לדברי אפי ברקאי גורל, המובילה את פרויקט תקווה ישראלית בטכניון, “התוכנית נועדה לקדם עשייה רב-תרבותית בקמפוס ולהגביר את המודעות לגיוון ולכשירות תרבותית. התערוכה עצמה מזמינה אותנו להתבונן בדברים דרך המשקפיים של האחר. לשם כך, ובמסגרת הכשרות הסגל המנהלי והאקדמי בנושא כשירות תרבותית, נערכים בתקופת תצוגת התערוכה מפגשים בין אומנים לבין חברי סגל מנהלי ואקדמי כדי לעורר חשיבה ולקיים שיח על מקומם של האחרים בתוכנו, כארגון וכפרטים בו.”

“זאת תערוכה שנולדה ברחוב והיא מבטאת את השפעתה של האומנות במרחב,” אמרה אוצרת התערוכה, ולריה גסלב. “זה לא מובן מאליו שמוסד אקדמי בוחר להעלות תערוכה כזו. בכך אתם מעניקים במה לנרטיבים שלא קיבלו את המקום הראוי להם.”

התערוכה פתוחה לקהל הרחב בגלריית המסדרון בבניין אולמן, קומה 4.

האמניות והאמנים המשתתפים בתערוכה: רינה אנגדאו, רחל אניו, שמעון וונדה, אפרים ווסה, טל מגוס, מורן יוגב, ג’נט בלאי, אלעזר טמנו, אור יוגב, קבוצת קוראטה, אלדד תרקה ועדן ילמה.

מאה זריחות ביממה – הזמנה

מביאים את המציאות למציאות הרבודה – פרויקט של הסטודנטים אלמוג ברנד, דני גינסברג וליאור ונדל.

בעולם המציאות הרבודה (שילוב עולם וירטואלי בעולם האמיתי), אחת הבעיות המרכזיות היא חוסר התאמה בין התאורה והצל של האלמנטים הווירטואליים לאלה המציאותיים. בעיה זו מבליטה את החלקים הווירטואלים בעיניי המשתמש ומתורגמת לסצנה שאינה “מרגישה אמיתית”, מה שפוגע בחוויית המשתמש.

ברנד, ונדל וגינסברג תכננו ובנו מכשיר ראשון מסוגו הדוגם את האור בחדר, בונה מודל תאורה על סמך המדידות ושולח בזמן אמת את המידע לפלטפורמה שמריצה את המציאות הרבודה. התוצאה – החלקים הווירטואליים מגיבים בכל רגע נתון לכל שינוי המתרחש במציאות. הגופים הווירטואליים והמציאותיים מוארים באותה צורה ומטילים צל בכיוונים זהים ובעוצמות זהות – בעקבות הצלחת הפרויקט, המשתמש זוכה לחוויה מציאותית ומהנה בהרבה.

הפרויקט נערך בהנחיית בועז שטרנפלד, ירון חונן ובוריס ון-סוסין במעבדות: GIP (מעבדה לעיבוד גיאומטרי של תמונות), AVRL (מעבדת מציאות רבודה ומדומה) ו-CGGC(המרכז לגרפיקה ממוחשבת)

שחזור תמונה באיכות ויזואלית גבוהה – פרויקט של הסטודנטים גיא אוחיון ותיאו אדראי, בהנחיית הדוקטורנט גריגורי וקסמן ופרופסור מיכאל אלעד ממעבדת GIP. הבעיה של ניקוי תמונה מהפרעות (רעש) נחקרת כבר עשרות שנים ועדיין נחשבת לאחד האתגרים המורכבים ביותר בתחום הראייה הממוחשבת. בכל מצלמה ובכל חיישן שמייצר תמונה מתקבל מידע רועש, כלומר הגוונים שמתקבלים “מופרעים” על ידי רעש אלקטרוני, תאורה פגומה ועוד. ללא ניקוי רעש זה אין כמעט ערך לצילום ואיכות התמונות נפגעת קשות. המשימה אם כך היא לשחזר מתוך התמונה הרועשת את התמונה המקורית והנקייה. לאורך השנים פותח מגוון רחב של שיטות ניקוי לפתרון בעיה זו, והתפיסה המקובלת היא לייצר מהתמונה הרועשת, באמצעות חישוב מורכב, תמונה נקייה שמתיימרת להיות קרובה במידה מסוימת לתמונת המקור. הבעיה, לדברי הסטודנטים, היא שאנו רוצים שהתמונה הסופית לא תהיה רק נקייה אלא גם טבעית ומשכנעת. הבעיה היא שיש סתירה מסוימת בין הקירבה לתמונת המקור לאותה איכות ויזואלית – בעיה שנחשפה בעבודת הדוקטורט של יוחאי בלאו בהנחייתו של פרופ’ תומר מיכאלי מהטכניון. בעיה נוספת היא שאם התמונה רועשת מאוד, ברור שיש יותר מתמונה אחת שיכולה להסביר אותה כתמונת מקור. לכן נכון יותר לתת אוסף של פתרונות אפשריים שיחשפו את מידת אי-הודאות בתהליך הניקוי.  שתי השאלות הנ”ל זכו למענה מקורי וחדשני בעבודתם של אוחיון ואדראי, שהתבססו על אלגוריתם מבוסס בינה מלאכותית התוקף את בעיית ניקוי התמונה מזווית חדשה לחלוטין. פיתוח זה מציג שורה של רעיונות חדשניים בדרך הטיפול בתמונות בעזרת רשתות נוירונים עמוקות, ופותח דרך לשורה של רעיונות חדשים במגוון בעיות אחרות בעיבוד תמונה.

לינק למאמר שהתפרסם במסגרת הפרויקט: https://arxiv.org/abs/2103.04192

סימולטור די-אן-איי – פרויקט של הסטודנטים גדי חייקין ונילי פורמן.

אחסון מידע על די-אן-איי הוא אתגר המעסיק קבוצות מחקר רבות בעולם, זאת משום שלדי-אן-איי יתרונות עצומים על פני אחסון אלקטרוני: הוא מצריך נפח מזערי לכמות מידע נתונה, הוא אינו מצריך השקעה אנרגטית וכלכלית רבה, והוא נשמר לאורך זמן. הבעיה היא שאחסנה של מידע על די-אן-איי וקריאתו ממולקולות אלה עדיין יקרה מאוד.

כתשובה לבעיה זו פיתחו חייקין ופורמן סימולטור המאפשר למדענים ולמהנדסים העוסקים בתחום זה לבחון את יעילות התהליכים שלהם ולפתח טכנולוגיות חדשות לאחסון מידע על די-אן-איי ולשליפתו. השניים הראו כי הסימולטור שבנו אמין ומדויק ומאמינים כי הוא יתרום רבות לתחום האחסון על די-אן-איי.

הפרויקט בוצע בהנחיית עומר צברי ופרופ’ איתן יעקובי, במעבדה לאחסון מידע וזיכרונות (ISM).

פרופ' חוסאם חאיק

פרופ’ חוסאם חאיק

מערכת חישה גמישה, קטנה וזולה שפותחה בטכניון מוצגת לראשונה בכתב העת Advanced Materials, שבחר להציג אותה גם על שער הגיליון. המערכת עשויה לסייע באבחון מוקדם של מחלות ובהאצת שיקום של פגיעות מוטוריות.

המערכת היא יריעה של עור מלאכותי (E-Skin) המתפקדת כחיישן תנועה לביש המזהה בדיוק רב (חצי מעלה) תנועות של כיפוף ופיתול. זוהי יריעה נושמת עמידה וקלה – תכונות המקלות את לבישתה לאורך זמן. היא פותחה בהובלת פרופ’ חוסאם חאיק, ראש המעבדה להתקנים מבוססי ננו-חומרים בפקולטה להנדסה כימית ע”ש וולפסון וחבר במכון ראסל ברי לננוטכנולוגיה.

פרופ’ חאיק חוקר ומפתח כבר שנים רבות התקנים לבישים המכילים מערכות חישה חכמות. כיום אומנם קיימים חיישנים לבישים המזהים תנועת כיפוף, אבל לא פיתול; אלה המזהים פיתול בלבד הם גדולים ומסורבלים. “לחיישן החדש יש הרבה יישומים פוטנציאליים,” מסביר פרופ’ חאיק. “אפשר להשתמש בו לזיהוי מוקדם של מחלות, למשל זיהוי שינויי נשימה והפרעות מוטוריות האופייניים למחלת פרקינסון. אפשר להשתמש בו כדי להאיץ את השיקום של נפגעי תאונות ולשלבו בגפיים תותבות (פרוטזות) כרקמת שריר או עור. ברובוטיקה הוא יכול לתת משוב מדויק על התנועה, ובתעשיות שונות הוא יסייע בניטור מערכות ובשיפור תפקודן.”

ד"ר יהוא דוד חורב

ד”ר יהוא דוד חורב

ד"ר ארנב מייטי

ד”ר ארנב מייטי

ההישג של חוקרי הטכניון מבוסס על עבודתם של ד”ר יהוא דוד חורב, שיצר את החומרים המיוחדים ומערכת החישה, והפוסט-דוקטורנט ד”ר ארנב מייטי, שפתר את המתמטיקה של ניתוח האות המתקבל ויצר אלגוריתם הממפה תנועות של כיפוף ופיתול לרבות זווית התנועה, מהירותה וצורתה. לדברי ד״ר חורב, “פולימרים מוליכים המשמשים לייצור חיישנים הם בדרך כלל שבירים ולכן אינם מתאימים לניטור לביש. כדי לפתור בעיה זאת יצרנו חומר מרוכב הדומה ליריעת בד, העומד בעומסים רציניים ובמתיחות משמעותיות בלי להיקרע. מעבר לכך, הצלחנו לייצר את הבד כהתקן אלקטרוני שמספק מידע, ותכונותיו האלקטרוניות אינן נפגעות בעת מתיחה.”

פרופ’ חאיק מוסיף כי החומרים שפיתחו החוקרים זולים מאוד, ופירוש הדבר הוא שגם החיישן כולו אינו יקר. “המחיר הוא פקטור חשוב מאוד אם אנחנו רוצים להועיל למיליוני אנשים ברחבי העולם בלי קשר למצבם הכלכלי, בין אם הם חיים בעולם המפותח ובין אם בעולם המתפתח.”

במחקר תמכו משרד המדע והטכנולוגיה וקרן אילן רמון במתן מלגת דוקטורט לד״ר חורב. לצד פרופ’ חאיק, ד”ר חורב וד”ר ארנב מייטי השתתפו במחקר יובין דז’נג, יאנה מיליוטין, ד”ר מוחמד ח’טיב וד”ר נינג טאנג, כולם מהטכניון, וכן מיאומיאו יואן מבית החולים השמיני המסופח לאונבירסיטת סון יאט-סן בסין, ד”ר רן סוצקוורין מהמחלקה להנדסת מים במכללה האקדמית כנרת ופרופ’ ווייוי וו מאוניברסיטת שידיאן, סין.

למאמר בכתב העת Advanced Materials  לחצו כאן

הדגמה של ההתקן שפותח בטכניון

הדגמה של ההתקן שפותח בטכניון

מימין לשמאל: נעם ברוך, יונתן שולמן ועלי זלצר

מימין לשמאל: נעם ברוך, יונתן שולמן ועלי זלצר

הסטודנטים, שכולם לומדים בפקולטה למתמטיקה, התכוננו לתחרות במסגרת קורס “חידות ומתמטיקה 2”. פרופ’ רום פנחסי, המעביר את הקורס, מסביר כי “הקורס חושף את משתתפיו לחידות במגוון נושאים מתמטיים. שלושת הסטודנטים שהשתתפו בתחרות הפגינו יכולות גבוהות, וגם בדירוג הקבוצתי הם דורגו במקום נאה – מקום 41 מתוך 112 נבחרות, עם 97.33 נקודות. זהו הישג יפה מאוד משום שהסטודנטים בנבחרת הטכניון התכוננו לתחרות במשך סמסטר אחד בלבד ולכל אחד מהם זוהי השתתפות ראשונה בתחרויות מסוג זה. אני מקווה מאוד שזאת תחילתה של מסורת ושלפנינו עוד שנים רבות של נציגות טכניונית בתחרות. זה גם המקום להזמין סטודנטיות מצטיינות וסטודנטים מצטיינים לבוא לקורסים חידות ומתמטיקה 1+2 ואולי גם להצטרף לנבחרת ולהשתתף בתחרות.”

שלושת הסטודנטים הזוכים לומדים במסלולים שונים בפקולטה למתמטיקה:

יונתן שולמן, בן 17, סטודנט בשנה השלישית ללימודי התואר הראשון. לומד במסלול למתמטיקה עיונית במסגרת תוכנית “מתיכון לטכניון” ומשתתף בתוכנית אודיסאה של מרכז מדעני העתיד.

עלי זלצר. גדל בקיבוץ בית אלפא, למד באקדמיה לאומנויות ומדעים בירושלים ואחרי שירותו הצבאי החל ללמוד בטכניון במסלול מתמטיקה-פיזיקה במסגרת תוכנית רוטשילד-טכניון למצוינים.

נעם ברוך, בן 19, סטודנט בשנה השנייה במסלול מתמטיקה ומדעי המחשב. למד בכפר הנוער ויצו ניר העמק שבעפולה במהלך שנות התיכון, וכעת נמצא במסלול העתודה האקדמית טרם שירותו הצבאי.

הפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון קיימה לאחרונה את כנס הפרויקטים השנתי, שבו הוצגו עבודות הגמר של הסטודנטים הלומדים בשנה הרביעית בפקולטה. הפרויקטים הזוכים זיכו את הסטודנטים בפרסים בחסות ד”ר דורון וליאת אדלר. במקום הראשון, ובפרס של 1,500 שקלים, זכו הסטודנטיות סיון ברש ושחר זיגרון, שפיתחו טכנולוגיה לשיפור המעקב אחר תאים במערכת החיסון – תאי מקרופאז’ המעורבים בזיהוי חיידקים ובהשמדתם. הטכנולוגיה שפיתחו השתיים מאפשרת למפות את התאים האלה ב-MRI. למיפוי כזה השלכות משמעותיות על הבנה של מחלות רבות, ובהן מחלות לב, ועל הטיפול בהן. המחקר נעשה במעבדתה של ד”ר קתרין ונדורנה מהפקולטה להנדסה ביו-רפואית.

באירוע השתתפו 90 סטודנטים שהציגו 38 פוסטרים לעיניהם של 32 שופטים – חברי סגל ו-13 בוגרי הפקולטה מהתעשייה הביו-רפואית. הסטודנטים עבדו על הפרויקטים במהלך השנה האחרונה, שהייתה מאתגרת למדי בשל מגפת הקורונה, בליווי נציגי חברות מהתעשייה הביו-רפואית ובתמיכתם של מומחים קליניים מהמרכזים הרפואיים רמב”ם ואיכילוב. את קורס הפרויקטים מנחה פרופ’ נתנאל קורין והמתרגלת היא מרב בלנקוביץ.

דיקן הפקולטה פרופ’ חיים אזהרי אמר כי העבודות המוצגות מבטאות את הפתגם “אין חכם כבעל ניסיון” משום שבפיתוח הפרויקטים נדרשו הסטודנטים לעבור את כל השלבים הדרושים כדי להגשים את רעיונותיהם – פתרונות לבעיות רפואיות ספציפיות. “הם נדרשו לאמץ את דמיונם ולחשוב מחוץ לקופסה כדי להגיע לפתרון חדש ובר ביצוע, ואז לשלב את הידע שצברו במהלך הלימודים. ידע זה מקיף את כל ההיבטים של הנדסה ביו-רפואית ומשלב רקע רפואי עם מיומנויות הנדסיות וידע מדעי. את כל החבילה הזו היה צריך ליישם כדי לספק פתרון של עולם אמיתי, ואנו מאמינים כי ניסיון מעשי זה חשף והכין את בוגרינו לתעשיית הביו-רפואה ולמגוון רחב של מחקרים בתחום.”

במקום השני זכו עמית פריזט ורותם שפירא על מערכת מבוססת בינה מלאכותית לניהול לידה בהנחיית פרופ’ יעל יניב, ד”ר יואכים בהר ונועם קידר. במקום השלישי – אוראל שהאדי ואור לוי על מודל לסימולציה של חדירת תרופות לגידולים מוצקים בהנחיית מיטל אברשמי, ד”ר חגית ששון-באוור, ד”ר ארבל ארצי-שנירמן וד”ר יוסי שמאי. במקום הרביעי – דניאל צ’רניאבסקי ויונתן בלישה על קונספט חדש לזיהוי מרחוק של הפרעות קצב בלב בהנחיית מורן דוודי, ד”ר יואכים בהר ופרופ’ יעל יניב. במקום החמישי – מור ונטורה ועומרי מגן על סיווג חצי אוטומטי של מחלת קורונה על סמך אולטרסאונד של הריאה בהנחיית אהוד טל, נוי מרק, ד”ר ליאור לופו ופרופ’ דן אדם. לקטגוריית “חביב הקהל” נבחר פרויקט של אסתי גיטמן וכרמל גשרי, בהנחיית ניקולאי טיראן, ד”ר מיכל זיוון וד”ר ציפי הורוביץ-קראוס: ראיות לגמישות הנוירונלית על סמך דימות fMRI. בפרס פרויקט היזמות זכו זינאת עוואד ואסף ליכט על פרויקט לניטור מותאם, רציף ולא פולשני של רמות ההורמונים של נשים העוברות תהליך של הפריה חוץ גופית, בהנחיית פרופ’ חוסאם חאיק.

 

לפרטי כל הפרויקטים בחוברת התקצירים

פרופ’ אמריטוס אבישי צדר

כולנו מודעים לנזקיה של התחבורה הפרטית במצבה כיום, אולם מאמר חדש שהתפרסם  לאחרונה בכתב העת Scientific Reports מקבוצת Nature מציג תמונה מדאיגה אף יותר, ובעקבותיה פתרונות ברי-קיימא. הכותב, פרופ’ אמריטוס אבישי צדר מהפקולטה להנדסת אזרחית וסביבתית בטכניון, מראה עד כמה העולם מבולבל כיום בתוכניות הפיתוח והיישום של רכבים אוטונומיים. הוא מציג ארבעה חלקים במאמרו: גזירת ממדי הנזק התחבורתי בעולם; השוואה, בזמני נסיעה, בין הרכב הפרטי לציבורי; יצירת דוגמה, הנגזרת משני החלקים הראשונים, של תחבורה אוטונומית ומשמעותה; ודיון המלווה בחזון על קבלת החלטות נדרשת.

בחלק הראשון, פיתח פרופ’ צדר מדדים להצגת בעיות התחבורה בעולם במרחב ארבע-ממדי עם נתונים מ-19 מדינות ידועות בעולם המשתרעות על חמשת היבשות, עם חלוקה למדינות מפותחות ומתפתחות. נזקי התחבורה העולמיים בממוצע הם:

מוות ישיר: מקרי המוות בתאונות דרכים מהווים 35.6% ממקרי המוות של סך כל התאונות בכלל.

מוות עקיף: התחבורה “תורמת” לאטמוספרה אחוז ניכר מהזיהום שמקורו במעשי אדם ו-25% מפליטות האנרגיה, עם 14.4% לפליטות החלקיק PM2.5 שהוכח כגורם מסרטן. בכך היא זוכה במקום הלא מכובד של אלופת התרומה להתחממות הגלובלית ולתמותה שמקורה בזיהום.

בזבוז זמן: על פי הניתוח של פרופ’ צדר, 22.5% מהזמן שאנו מעבירים בנסיעות, בשעות עומס, הוא זמן מבוזבז (עמידה בפקקים).

ציור 2 מהמאמר מציג בכחול אזורים שבהם התחבורה הציבורית מהירה יותר מהרכב הפרטי, בוורוד אזורים שבהם הרכב הפרטי מהיר יותר מהציבורי, ובירוק אזורים שווי-זמנים. האזורים מתוחמים בניו יורק ובייג'ין ברדיוסים של 30, 45 ו-60 דקות נסיעה ממרכז העיר ובשאר הערים ברדיוס של 30 דקות. אפשר לראות שהתחבורה הציבורית בערים שיקגו וטוקיו טובה הרבה יותר מאשר בסידני וסינגפור.

ציור 2 מהמאמר מציג בכחול אזורים שבהם התחבורה הציבורית מהירה יותר מהרכב הפרטי, בוורוד אזורים שבהם הרכב הפרטי מהיר יותר מהציבורי, ובירוק אזורים שווי-זמנים. האזורים מתוחמים בניו יורק ובייג’ין ברדיוסים של 30, 45 ו-60 דקות נסיעה ממרכז העיר ובשאר הערים ברדיוס של 30 דקות. אפשר לראות שהתחבורה הציבורית בערים שיקגו וטוקיו טובה הרבה יותר מאשר בסידני וסינגפור.

בזבוז שטח: כלי רכב ממוצע נמצא בתנועה רק 5.3% משעות היממה. במילים אחרות, במשך 94.7% מהזמן הוא עומד – תופס שטח יקר ואינו משמש לתכלית שלשמה נבנה או נקנה. שטחי הענק האלה, למותר לציין, יכולים לשמש לצרכים רבים אחרים.

בחלק השני מציג פרופ’ צדר שיטה שמשווה בין זמני הנסיעה של רכב פרטי מול רכב ציבורי על סוגיו (רכבת, אוטובוס, מונית, מעבורת נוסעים, רכבל) ב-17 ערים ידועות ומגה-ערים בעולם. ההשוואה קשורה לנסיעה ממרכז הערים ליעדים בתוככי רדיוסים היקפיים של 60,45,30 ו-90 דקות נסיעה. למרבה ההפתעה ובניגוד לאינטואיציה, התוצאות של ניתוח הנתונים מראות שהתחבורה ציבורית מביאה את הנוסע ליעדו בזמן קצר יותר מרכב פרטי ב-94% מהמקרים (ציורים 2, 3 של המאמר).

בחלק השלישי מתוארת מערכת של רכבי תחבורה ציבורית אוטונומיים, מהפרברים למרכז של 17 הערים שנותחו בחלק השני. שתי אפשרויות קיימות: תנועה אישית מהמוצא ליעד ברכב אוטונומי מוזמן, או תנועה אישית מהמוצא לנקודת יציאה של אוטובוס אוטונומי ומשם ליעד (בעלויות שונות, לשתי האפשרויות). ניתוח הנתונים מראה שבממוצע סה”כ כלי הרכב שינועו על הכבישים יקטן בכשני שלישים (ציור 5 של המאמר). אלו הן חדשות טובות לתהליך של צמצום דרמטי בכמויות כלי הרכב.

בחלק האחרון של המאמר קיים דיון, עם חזון המוצג ויזואלית (ציור 6 של המאמר), כיצד ינועו כלי הרכב בעתיד בערים חכמות. לדברי פרופ’ צדר, מומחה עולמי בתחום התחבורה, שהיה המדען הראשי במשרד התחבורה, הגישה של מעבר מרכב פרטי לכל סוג של רכב ציבורי (גם מעליות ותנועת נוסעים באויר) צריכה להיות מבוססת על החלטה אישית-אינדיבידואלית של העדפת הרכב הציבורי על הפרטי, כי הרכב הציבורי העתידי צריך להיות יותר טוב ונוח, פשוטו כמשמעו, גם לפרט, וגם לחברה.

עם זאת, מדגיש פרופ’ צדר במאמרו, השינויים לא יבואו מעצמם, ולפיכך נדרשות פעולות ממשלתיות ‘חוצות-יבשות’ יזומות ונחושות בשני כוונים עקריים: החלטה על פיתוח רכבים אוטונומיים רק לרכבי תחבורה ציבורית (על כל סוגיה, כולל אלו שיפותחו בעתיד), וקביעת תקנים להתחברויות אוטומטיות של הרכבים השונים. הוא מאמין כי מגפת הקורונה, ששינתה דפוסים רבים באורחות החיים שלנו, עשויה לשמש מנוף לשינוי עולם התחבורה תוך התייחסות לארבעה פרמטרים הכרחיים:

איור 6 מהמאמר מציג חזון ויזואלי של תנועת רכבים אוטונומיים-ציבוריים בעתיד בערים חכמות. הרעיון הוא "תנועה ללא תפר" המבוססת על ארבעת הפרמטרים גלובליזציה-פרסונליזציה-תיעדוף-סטנדרטיזציה, כך שהרכב הציבורי יועדף על פני הרכב הפרטי, והרכב הפרטי ייעלם מהעולם. אותה "תנועה ללא תפר" תתקיים בשלושה ממדים כולל מעליות (עם אפשרות לתנועה אווירית ובאלכסון), ובציור רואים תשעה מצבים ממוספרים של מעברים (בשני הכוונים) ללא תפר: (1) מעבר אורכי בין רכב אינדיבידואלי למיניבוס; (2) מעבר רוחבי בין שני מיניבוסים; (3) מעבר אורכי בין מיניבוס לבין אוטובוס (עם האפשרות שיהיה מודולרי); (4) מעבר מרכבת מהירה למיניבוס; (5) מעבר רוחבי בין רכבת עירונית לרכבת בין-עירונית מהירה; (6) מעבר אורכי בין מעלית למיניבוס; (7) מעבר אורכי בין מעלית לרכב אינדיבידואלי; (8) תנועת רכב אינדיבידואלי מחוץ לעיר (לדוגמא, לפיקניק); ו-(9) האפשרות של שימוש במיניבוס/אוטובוס להעברת חבילות/משלוחים.

איור 6 מהמאמר מציג חזון ויזואלי של תנועת רכבים אוטונומיים-ציבוריים בעתיד בערים חכמות. הרעיון הוא “תנועה ללא תפר” המבוססת על ארבעת הפרמטרים גלובליזציה-פרסונליזציה-תיעדוף-סטנדרטיזציה, כך שהרכב הציבורי יועדף על פני הרכב הפרטי, והרכב הפרטי ייעלם מהעולם. אותה “תנועה ללא תפר” תתקיים בשלושה ממדים כולל מעליות (עם אפשרות לתנועה אווירית ובאלכסון), ובציור רואים תשעה מצבים ממוספרים של מעברים (בשני הכוונים) ללא תפר: (1) מעבר אורכי בין רכב אינדיבידואלי למיניבוס; (2) מעבר רוחבי בין שני מיניבוסים; (3) מעבר אורכי בין מיניבוס לבין אוטובוס (עם האפשרות שיהיה מודולרי); (4) מעבר מרכבת מהירה למיניבוס; (5) מעבר רוחבי בין רכבת עירונית לרכבת בין-עירונית מהירה; (6) מעבר אורכי בין מעלית למיניבוס; (7) מעבר אורכי בין מעלית לרכב אינדיבידואלי; (8) תנועת רכב אינדיבידואלי מחוץ לעיר (לדוגמא, לפיקניק); ו-(9) האפשרות של שימוש במיניבוס/אוטובוס להעברת חבילות/משלוחים.

גלובליזציה – התאמה בין הדינמיקה העירונית, הארצית והבין-לאומית של כלכלת תנועה חכמה.

פרסונליזציה – התאמת המערכת לצורכי הפרט ולהעדפותיו עם אפליקציות טלפון ייעודיות.

תיעדוף – מתן עדיפות לרכבי חירום, ולצרכים מועדפים שונים.

סטנדרטיזציה – חיבוריות סטנדרטית בין כלי הרכב הציבוריים, כלומר, המעבר מאוטובוס למשנהו, או לרכבת וכיו”ב, יהיה פשוט, מהיר ונוח, ובעגה המקצועית מעבר ללא-תפר. דהיינו, בדומה להתאמת המפגש בין שתי חלליות בחלל. זה בכדי למנוע פיתוחים עצמאיים בכל מדינה, כמו שקעים חשמליים שונים שפותחו בעולם.

“הרגלי הנהיגה חייבים להשתנות,” אומר פרופ’ צדר. “ההתמכרות לנהיגה דומה להתמכרות לעישון, וגם כאן דרושה גמילה של ממש. אני מאמין שהטלטלה שחוללה המגפה פותחת אותנו לדרכי חשיבה אחרות. אסור להחמיץ את המומנטום הזה.”

 

למאמר בכתב העת Scientific Reports לחצו כאן

מפגש ראשון מסוגו, בהשתתפות חברי ההנהלה, דיקנים ועשרות חברי סגל משש פקולטות, התקיים לאחרונה בטכניון. בהמשכו הותנע תהליך חשיבה ועבודה, שמטרתו גיבוש חזון הטכניון לשנים הבאות ועיצוב אבני הדרך המעשיות שיובילו להגשמתו. נשיא הטכניון פרופ׳ אורי סיון אמר כי ״אני מאמין שיחד נוכל לגבש חזון משותף ודרך משותפת שימצבו את הטכניון כמוסד מוביל בתחומי מדעי החיים, הרפואה הכימיה והנדסתם – מרכז אקדמי בעל צבעים טכניוניים יחודיים, כזה ששום אוניברסיטה בישראל ורק אוניברסיטאות מעטות בעולם יכולות ליצור, מרכז שנבנה על שילוב חוזקות הליבה שלנו והיתרונות היחודיים לנו, ואלה רבים ונרחבים.״

לקריאת הניוזלטר – לחצו כאן

כתב העת Energy & Environment Science מדווח על פריצת דרך מדעית בחקר ההמטייט – חומר חשוב ומבטיח בתחום של המרת אנרגיה סולרית למימן על ידי פיצול פוטואלקטרוכימי של מים. את המחקר הובילו פרופ’ אבנר רוטשילד מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון ויפעת פיקנר, דוקטורנטית בתוכנית האנרגיה ע”ש גרנד בטכניון (GTEP).

תמונה קבוצתית מימין לשמאל: ד"ר דויד אליס, פרופ' אבנר רוטשילד, ד"ר דניאל גרוה ויפעת פיקנר

תמונה קבוצתית מימין לשמאל: ד”ר דויד אליס, פרופ’ אבנר רוטשילד, ד”ר דניאל גרוה ויפעת פיקנר

חשיבותה של האנרגיה הסולרית לחיינו ברורה לכול. השמש משגרת אל כדור הארץ אנרגיה בלתי פוסקת, שאם נדע לרתום אותה כראוי לצרכינו נוכל לוותר על השימוש בדלקים פוסיליים מזהמים כגון נפט וגז. האתגר המרכזי במעבר לאנרגיה סולרית קשור בזמינות המשתנה של קרינת השמש במשך שעות היממה ולאורך עונות השנה המתחלפות. כל מקום על כדור הארץ מקבל קרינת שמש למשך זמן קצוב במשך היום, ובלילה אותה קרינה נעלמת. מאחר שרשת החשמל זקוקה לזרם מתמיד ויציב בכל שעות היממה, השימוש באנרגיה סולרית מותנה ביכולתנו לאגור אותה באופן שיאפשר לנו לנצל אותה בשעות הלילה ובימים מעוננים. הבעיה היא שהצורה המוכרת לנו לאגירת חשמל – סוללות ומצברים – אינה ישימה כאשר מדובר באספקת חשמל לעיר, לשכונה, למפעל וכדומה. יתר על כן, אגירת אנרגיה בסוללות ובמצברים מתאימה לטווח של שעות ואין ביכולתה לתת מענה לאגירה ארוכת טווח בין עונות השנה.

פתרון אפשרי לבעיית האגירה הוא המרת אנרגיית השמש למימן באמצעות תאים סולריים פוטו-אלקטרוכימיים. תאים אלה דומים לתאים סולריים פוטו-וולטאים הממירים את אנרגיית השמש לחשמל, אך במקום חשמל הם מייצרים מימן בעזרת הזרם החשמלי הנוצר בהם. זרם זה מתועל לפיצול פוטו-אלקטרוכימי של מולקולות מים למימן וחמצן.

יתרונו של המימן על פני החשמל הוא בכך שקל לאגור אותו ולהשתמש בו בעת הצורך לייצור חשמל או לצרכים אחרים כגון הנעה של כלי רכב חשמליים בעלי תא דלק המחליף את הסוללות הכבדות והיקרות ברכבים החשמליים של טסלה ודומיהם, חימום ביתי ותעשייתי, הפקת אמוניה וחומרי גלם אחרים. יתרונו של המימן כדלק הוא שהפקתו והשימוש בו אינם מלווים בפליטת גזי חממה או כל דבר אחר מלבד חמצן ומים.

עובדים על המחקר במעבדה. מימין לשמאל: יפעת פיקנר, ד"ר דניאל גרוה וד"ר דויד אליס

עובדים על המחקר במעבדה. מימין לשמאל: יפעת פיקנר, ד”ר דניאל גרוה וד”ר דויד אליס

 

אחד האתגרים העיקריים בתאים פוטו-אלקטרוכימיים הוא פיתוח פוטו-אלקטרודות יעילות ויציבות באלקטרוליט בסיסי או חומצי, שהוא הסביבה הכימית שבה אפשר לפצל מים למימן וחמצן ביעילות גבוהה. הפוטו-אלקטרודות בולעות את הפוטונים המגיעים מהשמש, ובאנרגיה שהן מקבלות מהם הן מייצרות זרם של מטענים חשמליים (הנקראים אלקטרונים וחורים) המשמשים ליצירת מימן וחמצן, בהתאמה. סיליקון, החומר המשמש בתאים סולריים פוטו-וולטאיים, אינו יכול לשמש כפוטואלקטרודה שכזו מאחר והוא לא יציב באלקטרוליט.

זה הרקע לפיתוחם של תאים פוטו-אלקטרוכימיים המבוססים על פוטואלקטרודות מהמטייט (Hematite) – תחמוצת ברזל בעלת הרכב כימי דומה לחלודה. ההמטייט הוא חומר זול, יציב ובלתי רעיל בעל תכונות המתאימות לפיצול מים. אולם גם ההמטייט אינו חף מחסרונות. אחד מהם הוא הפער בין הניצולת האנרגטית התאורטית שלו לבין הניצולת המעשית שהושגה בהתקנים ממשיים. מסיבות שלא התחוורו עד היום, למרות עשרות שנים של מחקר, יעילות ההמרה של הפוטונים למימן בהתקנים מבוססי המטייט אינה מגיעה אפילו למחצית הגבול התיאורטי לחומר זה. לשם השוואה, יעילות ההמרה של הפוטונים בתאים סולריים מסיליקון קרובה מאוד לגבול התיאורטי.

ד"ר דניאל גרוה

ד”ר דניאל גרוה

במחקר הנוכחי, שממשיך ומרחיב ממצאים שהתפרסמו לאחרונה בכתב העת  Nature Materials, מציגה קבוצת המחקר בראשותו של פרופ’ רוטשילד הסבר לתעלומה: מסתבר שחלק ניכר מהפוטונים הנבלעים בהמטייט יוצרים מעברים אלקטרוניים ה”כבולים” לאתר אטומי ספציפי בגביש ואין באפשרותם להתקדם באופן שיוצר זרם חשמלי המשמש לפיצול המים למימן וחמצן.

וכעת, לחדשות הטובות: באמצעות שיטת אנליזה חדשה שפיתחה יפעת פיקנר בעזרת עמיתיה למחקר ד”ר דויד אליס מהטכניון וד”ר דניאל גרוה, מרצה בכיר באוניברסיטת בן-גוריון בנגב, נמדדו לראשונה הנתונים הבאים:

  • היעילות הקוונטית ליצירת מטענים חשמליים ניידים בחומר כתוצאה מבליעת פוטונים באורכי גל שונים,
  • יעילות ההפרדה של המטענים החשמליים המנוגדים, אלקטרונים וחורים, והפיכתם לזרם חשמלי המפצל את מולקולות המים למימן וחמצן.

זו הפעם הראשונה ששתי התכונות הללו, הראשונה אופטית במהותה והשנייה חשמלית, נמדדו בנפרד זו מזו, שכן מחקרים קודמים מדדו את האפקט הכולל של שתיהן יחד. ההפרדה ביניהן מאפשרת להתחקות טוב יותר אחר הגורמים המשפיעים על היעילות האנרגטית של חומרים להמרת אנרגיה סולרית למימן או לחשמל.

מעבר להישג היישומי מהווה המאמר פריצת דרך מדעית הסוללת דרך חדשה לחקר האינטראקציה בין אור לחומר בחומרים בעלי אלקטרונים מקושרים (Correlated Electron Materials).

במחקר תמכו מוקד המחקר בנושא פוטוקטליזטורים ופוטואלקטרודות לייצור מימן בתוכנית לתחליפי נפט לתחבורה של הקרן הלאומית למדע (ISF), מרכז האנרגיה ע”ש גרנד בטכניון (GTEP) ומכון ראסל ברי למחקר בננוטכנולוגיה (RBNI).

למאמר בכתב העת  Energy & Environment Science לחצו כאן

אנליזה של הפוטונים בשכבת המטייט בעובי 32 ננומטר. ליצירת המימן תורמים רק הפוטונים שבירוק; הפוטונים המיוצגים בשאר הצבעים אינם תורמים לתהליך, וזאת כתוצאה מתהליכים אופטיים ופיזיקליים שונים המונעים יצירת מטענים ניידים בחומר.

אנליזה של הפוטונים בשכבת המטייט בעובי 32 ננומטר. ליצירת המימן תורמים רק הפוטונים שבירוק; הפוטונים המיוצגים בשאר הצבעים אינם תורמים לתהליך, וזאת כתוצאה מתהליכים אופטיים ופיזיקליים שונים המונעים יצירת מטענים ניידים בחומר.