חומרי נאנו ומבני נאנו קיימים בכל עולמנו הטבעי.
ראו את כנף השפירית.
אם נבצע תקריב של פי 100,000
ונביט בקרומית השקופה,
נראה את מבני הנאנו
שחומקים מעין בלתי-מזוינת.
הגרפן שקוף.
הנה דגם מולקולרי של הגרפן.
כדי שיהיה אפשר לראותו, הוא הוגדל פי יותר מ-280 מיליון.
הגרפן מורכב ממרכיב אחד ויחיד:
פחמן.
הוא עד כדי כך פשוט.
אבל לגרפן יש הרבה תכונות מיוחדות.
זהו הדק מכל החומרים. עוביו אטום אחד בלבד.
זהו החומר החזק ביותר שנמדד אי-פעם.
הקשר הפנימי של אטומי הפחמן חזק יותר
מהקשר הפחמני בן 4 הפאות של היהלום.
בה-בעת, הוא גמיש ומתיח.
את הגרפן אפשר לכופף לגמרי ולמתוח בשיעור של עד 20%.
יש לו המוליכות התרמית הגבוהה מכל החומרים, כולל נחושת.
הוא מסוגל לעמוד בדחיסות הזרם הגבוהה ביותר בטמפרטורת החדר,
יש לו הניידות הפנימית הגבוהה ביותר,
שהיא פי 100 יותר מזו של צורן,
זהו החומר הבלתי-חדיר ביותר,
אפילו אטומי ההליום הקטנים ביותר אינם יכולים לעבור דרכו.
הגרפן עתיד לשנות את העולם.
תהיה לבטח חברה נבונה ושונה לחלוטין
בתוך 10 עד 20 שנה.
הבה נחשוב מעט על העתיד.
תארו לעצמכם שכל חלונות הזכוכית השקופים
יוכלו לחולל חשמל ברציפות באור השמש
ולספק אנרגיה לכל הבניינים.
דמיינו שכל כלי הרכב החשמליים והמכשירים האלקטרוניים
יוכלו להיטען תוך 10 דקות ולפעול במשך מספר ימים.
תארו לעצמכם התפלה של מי-ים בעזרת מכשיר-כיס
שיהפוך אותם למי-שתיה בכל מקום שתהיו בו.
תארו לעצמכם מכשירים אלקטרוניים משולבים בבגדינו,
וחלקם - אפילו מושתלים מתחת לעור.
דמיינו חומרים מרוכבים קלים
חזקים יותר מאי-פעם
ומשמשים כחומר המבנה העיקרי
של ספינות, כלי-רכב ומטוסים.
דמיינו שבבים אלקטרוניים שיכולים לבצע פעולות חישוב
פי אלף מהר יותר
בעזרת פלזמה, במקום אלקטרונים.
חלומות אלה יתגשמו יום אחד ויחוללו מהפכה בחברה שלנו,
ואני מאמין שזה יקרה עוד בימי חיינו,
הודות לחקר חומר הנאנו החדש הזה.
אבל הפקת גרפן היא בעיה רצינית.
למרות שכבר ידוע שהגרפן קיים בגרפיט,
רוב המדענים האמינו שיהיה בלתי-אפשרי
לבודד ממנו גרפן יציב.
בשנות ה-30 של המאה ה-20, לנדאו ופירלס חזו
שגבישים דו-מימדיים יהיו בלתי-יציבים מבחינה תרמודינמית
ולכן לא יוכלו להתקיים.
30 שנה לאחר מכן, מרמין הוסיף את התוצאות האנליטיות
שאיששו במלואה הנחה זו -
עד 2004, כששני מדענים,
אנדרה גיים וקוסטיה נובוסלוב,
השתמשו בסרט דביק שקוף כדי להפיק גרפן.
בכך שהצמידו סרט דביק מספר פעמים לשבבי גרפיט
ובכל פעם קילפו שכבה,
הגרפיט הלך ונעשה דק.
למרות שברוב האזורים היו שבבי גרפיט דקים,
הרי שהם הצליחו לבודד לבסוף כמה פיסות קטנות של גרפן חד-שכבתי.
מאז, אלפי מדענים פתחו במחקר
על יסוד פיסה זעירה זו של גרפן חד-שכבתי
בעזרת שיטת הסרט הדביק.
התוכלו להאמין שפרס נובל לפיזיקה לשנת 2010,
הוענק לשני מדענים אלה
על הניסוי פורץ-הדרך שלהם בסרט דביק? (צחוק)
ברור שזאת אינה דרך מעשית
להפיק גרפן ולייצר מוצרים שימושיים בהיקף נרחב.
כיום, טונות שבבים זעירים של גרפן רב-שכבתי,
ממש כך, שבבי גרפן דקים,
ניתנים לייצור בעזרת שיטת הקילוף הכימי.
אפשר לערבב אותם לתערובת יציקת מחבטי טניס או צמיגי אופניים
כדי לשפר את החוזק ולהקטין את המשקל הכולל.
אך החומר שמופק הוא שחור,
וזה לא תואם לתכונת השקיפות של הגרפן.
אם הצבע שחור, משמע שהשבבים עבים מדי.
בה-בעת, השבבים קטנים מדי
מכדי שיוכלו לבצע את הדברים הנהדרים שציינתי.
כחוקר נסיוני שחוקר את הגרפן,
הייתי זקוק לשטח גדול של גרפן חד-שכבתי
עבור הניסויים שלי.
אבל לא הצלחתי למצוא שום קבוצת מחקר
שתוכל לספק לי את הגרפן באיכות הגבוהה,
בהולנד, באותה עת.
נסעתי מידי יום הלוך ושוב בין אוניברסיטאות ליידן ודלפט
והתחבטתי בבעיה, איך לגדל דגימות גדולות של גרפן.
המתקנים הקיימים
לא איפשרו לי לבודד גרפן באיכות גבוהה,
בין אם משום שבציוד היתה בקרה גסה מאד של זרימת הגז,
או משום שאזור החימום היה קטן מדי,
מכדי לגדל דגימות גרפן גדולות.
אפילו עוצמת התנור לא היתה מספקת
כדי להגיע ל-1,000 מעלות צלזיוס.
יום אחר יום התעוררתי ב-6 בבוקר,
וחזרתי הבית בחצות.
ניסיתי את כל האפשרויות שעלו בדעתי.
אבל מנת-חלקי היתה רק תסכול והישנות של הבעיות.
חשבתי: "אם אמשיך כך,
"לעולם לא אסיים את מחקר הדוקטורט שלי."
כעבור 4 חודשים, החלטתי להפסיק לבזבז זמן
ולבנות בעצמי כבשן.
הודות למנחה שלי ולפקולטה,
קיבלתי תקציב נוסף עבור הציוד.
באותה עת גם זכיתי בפרס "הרעיון הפרוע לצעירים",
בשווי 10,000 יורו,
מה שאיפשר לי להוציא בחופשיות את הכסף על החומר.
אני עדיין זוכר את אותו רגע, ביום שלישי, ה-17.4.2012.
אחרי שנה שלמה של ימי עבודה ארוכים,
התחלתי בבדיקה הראשונה של המערכת שבניתי בעצמי
משאבת הריק שלקחתי ממקום כלשהו במעבדה
היתה בת יותר מ-8 שנים ועבדה כבר מעל 29,000 שעות.
לא רק זה, אלא שהמשאבה היתה מפסיקה לפעול
ברגע שהטמפרטורה היתה עוברת את ה-40 מעלות צלזיוס.
אז קניתי מאוורר קטן ב-30 יורו,
שהצליח לקרר היטב את המשאבה.
זה הכבשן שבניתי.
אסביר את היתרונות של המערכת הביתית הזאת.
הכבשן הזה מסוגל לחמם את שפופרת הקוורץ בת ה-1 אינץ' הזאת
ליותר מ-1,000 מעלות צלזיוס
עם תנודת טמפרטורה של פחות ממעלת צלזיוס אחת.
יש כיסוי חסין-ירי שקוף עשוי לקסאן,
שיכול להגן מפני התפוצצות גז אפשרית
ולשמור על בטיחותו של החוקר.
יש גלגל-יד קטן לשליטה מרחוק בהזזת הכבשן
שמאלה
וימינה,
בעזרת גלגל-שיניים ושרשרת,
כמו אלה שבאופניים.
בעזרת המערך הזה יכולתי לחמם ולצנן את הדגימה
פי 10 מהר יותר מאשר בכל ציוד מסחרי.
עלות המערכת הזאת נמוכה מ-20,000 יורו,
זולה ביותר מפי 7 מכל ציוד מסחרי קיים.
ניתן למטב את כל הרכיבים ולשלוט בהם היטב.
הביצועים שלהם טובים בהרבה.
נהניתי מניהול הניסוי בעזרת המערכת שבניתי.
זהו הגרפן שגידלתי.
גבישי הגרפן גדלים כמו גבישי שלג.
גז מתאן,
שמהווה כ-80% מהגז הטבעי המשמש לבישול,
יכול להתפרק לאטומי פחמן
על גבי מצע נחושת
ב-1,000 מעלות צלזיוס בסביבת גז אציל.
אטומי הפחמן ייצמדו זה לזה
וייצרו טבעות פחמן במבנה של כוורת,
כמו שיש בגרפיט.
אני יכול להשתמש באיזוטופ של פחמן לסימון נוהל הגידול.
התוכלו לדמיין שגודלו של גביש גרפן בודד
הוא מעט יותר ממילימטרים ספורים,
גדול יותר מפי מיליון מגודל אטום הפחמן?
האם תאמינו שדגימה זו נוצרה לפני 6 חודשים,
ושכבת הגרפן הבודדת עודנה מסוגלת להגן על הנחושת מפני התחמצנות?
גבישי הגרפן ממשיכים לגדול,
מתחברים עם גבישי הגרפן הסמוכים,
ובסופו של דבר יוצרים יריעה רציפה.
ברגע שאין עוד נחושת חשופה,
גידול הגרפן ייעצר.
בסיום, תהיה לנו שכבת גרפן חד-שכבתי ואיכותי ביותר.
עמיתי ואני הוכחנו לראשונה
שאיכות הגרפן המלאכותי
טובה כמו זו שהופקה בשיטת הסרט הדביק,
אבל הגודל רב יותר.
לייצור המוני של גרפן ולהורדה משמעותית של העלות,
תוכנן ונבנה כבשן גדול וטוב יותר.
הכבשן מצויד בשפופרת קוורץ גדולה יותר,
והכבשן ישמור תמיד על טמפרטורה קבועה.
מעת שגידול הגרפן הסתיים,
הייתי צריך רק להזיז את הכבשן הרחק מן השפופרת
ולהוציא את דגימת הגרפן.
יכולתי מיד להתחיל בשלב השני של מחזור גידול הגרפן.
את יעילותו של גידול גרפן באיכות גבוהה
ניתן לשפר פי 10 עד 20
וצריכת האנרגיה תרד בהרבה.
אם נבנה מאות כבשנים גדולים יותר,
יתאפשר במהרה ייצור המוני של גרפן.
זאת שכבת גרפן על מצע שקוף.
אני מסוגל לראות דרכה את כולכם.
אבל יש בה משהו מיוחד.
היא מוליכה
וגמישה.
(מחיאות כפיים)
כעת אתם יכולים לדמיין כל מיני יישומים עתידיים לגרפן הזה.
לפי שעה, מחיר פיסת הגרפן הקטנה הזאת
הוא כ-1,000 יורו.
אני מאמין שמחיר הגרפן יירד לפחות מ-1 יורו
תוך שנים ספורות,
כי החומרים בהם אנו משתמשים להפקת גרפן,
כגון...
גז טבעי ורדיד נחושת,
נפוצים מאד.
לכולנו תהיה גישה לגרפן בעתיד הקרוב,
ונוכל להגשים את החלום.
זיכרו: אמרתי לכם שעולמנו יהיה טוב יותר.
בינתיים אינני יכול להראות לכם חלונות זכוכית שקופים
שיפיקו חשמל,
ואינני יכול להראות לכם את האלקטרוניקה שבבגדי,
אבל אני יכול להראות לכם משהו שטרם ראיתם.
זהו גרפן שקוף שהודפס במבני תיל
בכנף הפולימרית השקופה הזאת.
הגרפן כה מיוחד,
שברגע שמפעילים עליו כמות אנרגיה זעירה, הוא מתכווץ.
והגרפן כה חזק, שהוא מסוגל להרים
את הכנף הפולימרית, שכבדה ממנו פי אלף,
ולחקות פעולת נפנוף כנפיים, כמו רובוט ביולוגי.
ראו מה עשיתי וכמה השגתי בשנים המועטות הללו.
אם כולכם תקחו חלק במאמץ שלי,
להפיק גרפן באיכות גבוהה ובהיקף רחב,
אני מאמין שנוכל ביחד להגשים את חלומנו.
תודה לכם.
(מחיאות כפיים)