משטחים סופר הידרופוביים יכולים לחולל מהפיכה בתחומים רבים. פרויקט מגנ"ט בשיתוף חברות רבות בתעשייה הוקם על מנת לפתח פתרון ייחודי לבעיה זו. הטכנולוגיה שפותחה משמשת גם לתחומים נוספים בתחום ההדברה הביולוגית וחיישנים בזמן אמת לגז האתילן.
ד"ר גיא מחרז סיים את לימודי הדוקטורט בטכניון במסלול ישיר בהנחיית פרופ' משה נרקיס, מוותיקי האקדמיים הקשור בקשר ישיר לתעשייה הישראלית. פרופ' נרקיס העמיד בוגרים רבים הממלאים כיום תפקידי מפתח בחברות השונות בתעשייה. "הפרופ' מהווה בית ספר ישראלי ללימודי פולימרים, ויש לי את הכבוד להיות אחד מהם" מעיד גיא על עצמו, בצניעות.
לאחר סיום הדוקטורט הצטרף ד"ר מחרז לשמיר אופטיקה. בשמיר עבד ד"ר מחרז כמנהל הפיתוח של קבוצת ציפויים וחומרים של החברה. החברה מחזיקה 12 אתרים ברחבי העולם. "מדובר בחברה מיוחדת הנמצאת במקום מיוחד" מספר ד"ר מחרז. "הפעילות הייתה מורכבת ומאתגרת, גם פיתוח מתקדם מתחום מדע הפולימרים הבסיסי וגם מענה הנדסי לאתרי החברה" מעיד ד"ר מחרז.
לאחר מכן הצטרף ד"ר מחרז למכון וולקני והקים מעבדה העוסקת בחקר פולימרים וננוטכנולוגיה עם יישומים בתעשיית הפלסטיקה המזון והחקלאות. "במשך שנה אינטנסיבית ומורכבת הקמנו מעבדה בעלות של מאות אלפי דולרים. העבודה הצריכה רכש, תכנון מערכות מורכבות, גיוס צוות, גיוס מענקים ועוד". למרות האתגר המעבדה עמדה על רגליה במהירות ומסוף 2017 היא עובדת בצורה מלאה. המעבדה מכילה צוות מרשים הכולל 11 שותפים: 2 חוקרות ממכון ויצמן, 3 פוסט דוקטורנטים (מגרמניה והודו), 2 סטודנטיות לתואר שני, מהנדס מחקר בתחום החומרים, מהנדס חיישנים ו-2 סטודנטים לתואר ראשון העורכים פרויקטי גמר.
בנוסף ד"ר מחרז היה שותף בהקמת מרכז בין יחידתי של חברי סגל ממכון וולקני במטרה ליישם כלים מעולם הננו-טכנולוגיה ביישומי חקלאות. "המרכז עדיין בשלביו ההתחלתיים אך אנו צופים לו עשייה משמעותית. זו הפעם הראשונה שיש מיקוד של ננו-טכנולוגיה ביישומי חקלאות באופן שכזה", מסביר ד"ר מחרז.
החיבור לתעשייה
ד"ר מחרז לוקח חלק בפרויקט מגנ"ט בנושא פיתוח משטחים סופר הידרופוביים לתעשיית הפלסטיק (SHAP). בתוכנית זו שותפים חברות רבות מהתעשייה ואנשי סגל רבים. מבין החברות מהתעשייה ניתן למצוא רבות שעובדות בשיתוף פעולה עם מעבדתו של ד"ר מחרז: פלזית (שגם מרכזת את הפרויקט), תוסף, כפרית, מפל פלסטיק, פלרם, פוליגל, העוגן פלסט, חניתה ציפויים, פולג, ארז ורפא"ל.
מטרת הפרויקט היא לייצר משטח סופר הידרופובי פולימרי בעל עמידות טובה בתנאי סביבה, עם מינימום תהליכי משנה נוספים. המטרה בהחלט חשובה ומאתגרת אך על מנת להסביר כיצד ניתן לממשה מתחיל ד"ר מחרז להסביר מההתחלה על הכלים הבסיסים המאפשרים בניה של משטחים שכאלו.
חלקיקי ג'נוס, Janus
חלקיקי ג'נוס הנם חלקיקים אמפיפילים, בעלי שני צדדים מנוגדים, צד פולרי וצד א-פולרי. חלקיקים אלו הוצגו לראשונה ב-1991 ע"י זוכה פרס הנובל הצרפתי, פייר גילס דה ג'נס. שמם של החלקיקים מגיע משמו של האל היווני ג'נוס, בעל שני הפרצופים. לא ניתן להפיק חלקיקים אלו מהטבע ויש לסנתזם במעבדה.
שיטה ייחודית זו, פותחה במעבדתו של ד"ר מחרז. עיקרה, קיבוע ננו חלקיקים מבוססי סיליקה על פני מיקרו חלקיקים של PC. הקיבוע מתבצע על ידי שיקוע תמיסת פוליקרבונט (PC) המכילה חלקיקים אנאורגניים מורחפים. במהלך השיקוע נוצרים משקעי PC שכמעט אינם מכילים סיליקה בתוכם אך על פני השטח מתאספים חלקיקים בשכבה אחידה. קיבוע הפולימר נעשה כך שחצי מהחלקיק מקובע ל-PC ואילו החצי השני חופשי בפני השטח ופנוי לתגובה כימית.
טיפול פני שטח על המשקע מטפל רק בהמיספרה הפנויה של החלקיק ואילו החלק המקובע ל-PC לא מטופל כלל. הטיפול יכול להתבצע עם מגוון מולקולות להציג מגוון רחב של קבוצות פונקציונאליות על פני השטח, לדוגמא קבוצה קרבוקסילית, ההופכת את החלקיק לאמפיפילי וכך נוצרים חלקיקי הג'נוס (איור 1).
חלקיקי הג'נוס שנוצרו יכולים לעבור שחרור מה-PC ע"י ממס וכך ניתן לקבל את החלקיקים בצורתם החופשית. בשלב זה ניתן לטפל בצד שהיה חסום עד כה ולקבל את התכונה האמפיפילית. אחד היישומים המעניינים לחלקיקים אלו הוא Pickering Emulsions, אמולסיות המיוצבות על ידי חלקיקים מוצקים ובמקרה שלנו, חלקיקי הג'נוס. בהמשך הכתבה נחזור לאמולסיות אלו שהיישום שלהם בתעשייה מעניין לא פחות.
משטחים סופר הידרופוביים
למשטחים בעלי יכולות ניקוי עצמיות (self-cleaning) יישומים רבים בתעשייה, החל מחיפויי חממות מ-PC השומרות על ניקיון, יישומים שונים לתעשיית הרכב, יישומים בתחום הבניה ויישומים רפואיים המונעים הצטברות פילם ביולוגי. במשטחים שכאלו נוצרת זווית הרטבה הגדולה מ-150 מעלות עם המשטח יחד עם זווית גלגול נמוכה, וכך מזהמים לא רצויים לא נאחזים בו.
משטחים סופר הידרופוביים מיוצרים כיום על ידי תהליכי של ציפוי המציגים עמידות נמוכה בשחיקה ואורך חיים נמוך. נכון להיום לא קיים תהליך ייצור של משטח סופר הידרופובי בתהליך בודד, ישר מהאקסטרודר. ד"ר מחרז מסביר שמדובר ב"ניפוץ תקרה זכוכית גבוהה במיוחד".
משטח סופר הידרופובי מבוסס על שני מנגנונים: חספוס פני השטח במבנה ננוטמרי ומיקרוני וטבע כימי הידרופובי של החומר ממנו עשוי המשטח. חלקיקי הג'נוס וחלקיקים נוספים שנוצרו במעבדתו של ד"ר מחרז יכולים לענות על שתי מטרות אלו גם יחד. החלקיקים עצמם יוצרים חספוס פיזי של פני השטח. שילוב מוצלח של חלקיקי ג'נוס במהלך האקסטרוזיה של הלוח יכול להוות פתרון לייצור משטח סופר הידרופובי בתהליך אחד.
חלקיקי הג'נוס, בניגוד למולקולות אמפיפיליות המוכרות לנו (תוספי סליפ, אנטי-פוג, אנטי-סטטי), גדולים במיוחד ולכן הם חסרי יכולת לנוע בתוך הפולימר לאחר התמצקותו. המאמץ להביאם לפני השטח חייב להתבצע רק במהלך העיבוד, כאשר החומר הפלסטי עדיין במצב היתך. זאת ניתן להשיג על ידי סינטוז חלקיקי ג'נוס מיוחדים. צד אחד בחלקיק קומפטבילי למטריצה הפולירית ואילו הצד האחר בעל קבוצות פלואור (F) היוצרות אפיניות גדולה למתכת.
בשיתוף פעולה עם חברת "תוסף" שולבו חלקיקי ג'נוס וחלקיקים פונקציונאלים נוספים במטריצת LDPE. התוצאה שהתקבלה עמדה בציפיות: משטח שנוצר מקומפאונד זה, ועבר כבישה חוזרת להגברת חספוס פני השטח, הגיע לזווית הרטבה של 150 מעלות וזווית גילגול של 4 מעלות, זאת בניגוד לזווית הרטבה של 115 מעלות הקיימת במשטח LDPE רגיל. הכוונה הסופית היא לאחד את הייצור לתהליך אחד בו לאחר האקסטרוזיה מבצעים הטבעה (Embossing) סטנדרטית להשגת המטרה הרצויה. יתרון שיטה זו ברור, השגת המטרה בתהליך אחד, עמידות מכאנית ועמידות לשריטות לעומת ציפוי. כך, במידה והמשטח נפגע או נשרט, חלקיקי הג'נוס הפונקציונליים הנמצאים פנימית בתוך החומר נחשפים ויכולים לתפקד.
יישומים נוספים:
בחלקיקי הג'נוס שנוצרו ניתן להשתמש גם למטרות נוספות שאינן בתחום העיסוק של פרויקט המגנ"ט.
כליאת גורמי הדברה ביולוגיים (ביופסטיצידים)
אחת השיטות הבטוחות להדברה של תוצרת חקלאית היא שימוש בהדברה ביולוגית כנגד מזיקים. הדברה זו משתמשת בנבגי פטריה התוקפת בצורה יעילה וממוקדת כנגד זחלים של מזיקים לא רצויים. על מנת להגן על נגבי הפטרייה מתנאי הסביבה יש לעטוף אותם בתוך קפסולה עד לרגע בו הם מפוזרים על הצמח ונכנסים לפעולה.
שיטה זו קיימת באופן מסחרי בשוק אך יש לה מספר חסרונות. נבגי הפטרייה כלואים בקפסולות ענק, בדומה לאופן בו תרופות כלואות במעטפת החיצונית שלהם. כך, רק הנבגים הנמצאים בפני השטח אכן משתתפים במלחמה כנגד הזחלים המזיקים ואילו התאים הפנימיים אינם חשופים לסביבה ואינם תורמים כלל ל"מאמץ המלחמתי". קפסולות ענק אלו מתפרקות בקצב איטי וכאשר זה קורה התאים המאוחסנים בחלק הפנימי של הקפסולה אומנם משתחררים אך הם איבדו כבר את יעילותם.
בעזרת חלקיקי הג'נוס וחלקיקים פונקציונליים נוספים אותם פיתח ד"ר מחרז וצוותו ניתן לעטוף באמצעות אמולסיה באופן נפרד נבג בודד במקום צברים של נבגים (איור 2). בשפה המקצועית נקרא התהליך מיקרו-אינקפסולציה אינדיבידואלית של תאים. ניתן גם לשלב תוספים שונים כמו תוספי הגנה מ-UV. כך, כל תא זוכה למעטפת הגנה אישית משלו, ונכנס לפעילות בהגנה על הצמח. פיזור הנבגים בשיטה זו אחיד ויעילות ההדברה גבוהה (איור 3). לקפסולציה האינדיבידואלית יתרון נוסף והוא זמן פעילות ארוך יותר של חומר ההדברה הביולוגית. עבודה זו נעשתה בשיתוף פעולה עם ד"ר דנה מנט במכון וולקני האחראית על הצדדים הביולוגים של הפרויקט.
חיישן חדש לגז אתילן
עבור הפלסטיקאי אתילן זה בסיס החיים, או לפחות בסיס הפלסטיק. עבור החקלאי לעומת זאת, אתילן הוא הורמון המהווה מדד לריקבון הפירות והירקות. לכן לזיהוי גז אתילן יש חשיבות גדולה וניתן בעזרתו לקבל תמונת מצב על התוצרת החקלאית בזמן אחסונה. נכוחות הגז נבדקת כיום באמצעות מכשיר ה-GC-MS. מכשיר זה עובד נהדר אך הוא מצריך איסוף דוגמאות ואחר כך ניתוח התוצאה ואין הוא מספק אינדיקציה בזמן אמת.
במעבדה של גיא החליטו לתקוף את הבעיה מכיוון חדש ולהשתמש במודיפיקציה על אמולסיות המיוצבות על ידי ננו-חלקיקים על מנת לייצר חיישן המגיב בזמן אמת לאתילן. אל האמולסיה הוסיפו צינוריות פחמן ננומטריות (CNT) בעלות יכולת הולכה חשמלית. האמולסיה עם צינוריות הפחמן הושמה על שבב סיליקון המכיל מעגל חשמלי. לאחר נידוף ממס האמולסיה נשארו מבנים פורוזיביים הירכיים מסודרים על גבי השבב. בעזרת מבנים אלו נבנה למעשה נגד חשמלי כאשר התנגדותו של נגד זה משתנה עם קשירת גז האתילן אליו.
ניטור ההתנגדות מאפשר בזמן אמת לקבל מידע על רמת גז האתילן שבסביבה. הקמת המעבדה לפיתוח חיישנים כימיים ארכה יותר משנתיים וד"ר מחרז מבקש להודות לאסף ירדן מחברת Test View שהפך מערכת זו מחלום למציאות.
לסיכום:
בעבודתו של ד"ר מחרז נחשפנו לפרויקט מגנ"ט מעניין לייצור משטחים סופר הידרופוביים במידה ופרויקט זה יצליח הוא יכול להוות קרש קפיצה משמעותי לתעשייה הישראלית. חדשנות, יוזמה, יצירתיות ובעיקר שיתוף פעולה הן של האקדמיה עם התעשייה אך לא פחות חשוב, של חברות שונות בתעשייה שברוב המקרים מתחרות ישירות אחת של השניה, יכול להביא לפריצת דרך והצלחה.
בנוסף ראינו כי חדשנות שכזו יכולה להתפתח לכיוונים נוספים, מעניינים וחשובים לא פחות ולפתוח דלתות לתחומים שונים שלא נצפו מראש.
נאחל בהצלחה לד"ר מחרז, לצוותו ולחברות המשתתפות במגנ"ט. זה המקום גם להודות לד"ר מחרז על שיתוף הפעולה בהבאת הדברים לכתב.
לפרטים נוספים: ד"ר גיא מחרז, מכון וולקני, [email protected]
