העיניים על החומר הבא

גרפן, חומר מהפכני בעולם המדע והטכנולוגיה, שקוף לאור, גמיש וחזק מפלדה, הנחשב למוליך החשמל והחום הטוב ביותר ניחן ביתרונות רבים ונחשב בין היתר למועמד מבטיח לפיתוח יישומים אלקטרוניים. מחקרים וטכנולוגיות חדשניות מאפשרים לייצר אותו

לפעמים, רגע של תובנה או “הארה” משנה את מסלול החיים. עבור פרופ’ דורון נוה הרגע הזה התרחש בכנס של החברה האמריקאית לפיזיקה, בעת שעבד כעמית מחקר באוניברסיטת פרינסטון. “הייתי בחדר קטן עם קומץ אנשים מוכרים ומצליחים מהתחום התיאורטי בו עסקתי”, הוא נזכר. “ופתאום חשבתי – האם כך ייראו כל שנות הקריירה שלי? אני אקרא את העבודות שלהם, והם יקראו את שלי? בשל היחס ההפוך בין עומק המחקר התיאורטי לחוג המתעניינים בפרטי המחקר – זה נראה לי מעט משעמם”.

באותו הכנס, בצד השני של האולם, חוקר צעיר בשם אנדריי גיים (שלימים זכה בפרס נובל) הרצה על התגלית של החומר גרפן (Graphene). “הוא זכה ליחס של רוק סטאר”. האולם היה מלא עד אפס מקום, ואפילו למסכים בחוץ אי אפשר היה להגיע, ופרופ’ נוה החליט שגם הוא צריך למצוא את הנושא הייחודי שיאתגר אותו. ההחלטה הובילה אותו לחקור את עולם החומרים הדו-ממדיים, וכיום הוא עומד בחזית המחקר והפיתוח של טכנולוגיות מבוססות גרפן ושימושיו בהתקנים אלקטרוניים.

גרפן: המוליך הדק והחזק בעולם

גרפן הוא חומר מהפכני בעולם המדע והטכנולוגיה. זהו מוליך החשמל והחום הטוב ביותר המוכר לחוקרים. חומר בעובי של אטום אחד של פחמן, שקוף לאור וחזק מאוד, הרבה יותר מפלדה. הגרפן קיים בטבע, שכבה חד-אטומית של פחמן מתוך הגרפיט, וב-2004 הצליחו שני חוקרים לבודד, למדוד ולאפיין אותו. מלבד היותו חומר חזק ומוליך איכותי, הגרפן יציב מאוד מבחינה כימית, לא מתקלקל ולכן נוח לעבודה ממושכת. ויש לו יתרון נוסף – הודות ליכולות הולכת חום וחשמל ביציבות ולאורך זמן אפשר להשתמש בו לפיתוח יישומים בתחומי האלקטרוניקה.

צריכת ההספק בשבבים ובמערכות חישוב ותקשורת הולכת ונעשית ‘צוואר בקבוק’ מאוד משמעותי בתעשיית האלקטרוניקה המתקדמת. הגרפן כמוליך חום יכול לסייע למחשבים ולמכשירים אלקטרוניים לפעול מהר יותר מבלי להתחמם יתר על המידה. “זוהי טכנולוגיה קריטית במקומות שיש בהם ריכוז שבבים, כמו דאטה סנטר של חברות ענק כמו גוגל, מיקרוסופט ואמזון שמחזיקות מרכזי נתונים עצומים בענן. גם למידת המכונה, הבינה המלאכותית והתקשורת באינטרנט עוברות שם. צריכת האנרגיה לתפעול היא גבוהה מאוד, ויישומי פיזור ופינוי חום מבוססי גרפן ישפרו ביצועים של רכיבי אלקטרוניקה באופן פאסיבי”.

פרופ’ נוה וצוותו מצאו דרך לייצר גרפן. עד לפיתוח זה, השימושים המקובלים בגרפן היו פחות או יותר בצורה הטבעית שלו ובמיקרונים בודדים שהופקו מהגרפיט, או כייצור של שכבות בדגמים קטנים לצורכי מחקר. “פיתחנו יכולת ייצור תעשייתי של גרפן ברמה הכי גבוהה שאפשר – יריעות באורך מטר ורוחב חצי מטר, בקצב של שניים וחצי מטר מרובע בשעה”, הוא מסביר.

הודות לתמיכת רשות החדשנות, הוקמה בשיתוף פעולה יוצא דופן חברת הזנק משותפת לחברת סימטל ולאוניברסיטאות בר-אילן ותל-אביב. “הפעילות של הרשות הניעה מהלך שלא יכולנו לשער שיגיע לממדים כאלו”, אומר פרופ’ נוה. מעבדת המחקר של פרופ’ נוה וצוותו לקחה חלק במאגד הגרפן הישראלי של רשות החדשנות (The Israeli Graphene Consortium). המאגד פעל ליישם את הידע הייחודי שפותח באקדמיה כדי לממש את הפוטנציאל של הגרפן לטובת פיתוח טכנולוגיות ומוצרים עתידיים. פיתוח מוצרים מבוססי גרפן מעמיד את ישראל בחזית הטכנולוגיה ומהווה פריצת דרך עולמית ביכולת הניצול של תכונותיו הייחודיות של הגרפן בתעשיית האלקטרוניקה.

מהמעבדה לתעשייה: אתגרים והזדמנויות

הפרויקט המשמעותי הראשון שיצא לפועל בשיתוף עם התעשייה היה עבור חברת WAVES – פיתוח ממברנות לרמקולים. בהמשך, בזכות ההבנה שעל מנת לחקור וליישם ידע בתעשייה נדרש תיקוף, התפתח שיתוף הפעולה למחקר על אוזניות חכמות ויעילות במיוחד, שכולם מרוויחים ממנו – התעשייה צריכה להפתח לדברים חדשניים, והידע האקדמי צריך להיות מתורגם לדברים יישומיים וברי תוקף שמתאימים לצורכי התעשייה”. בגישה זו, החיבור בין האקדמיה לתעשייה הופך ליתרון עצום ומאפשר לטכנולוגיות להפציע להפוך מרעיון לפתרון.

תהליכי המחקר והפיתוח מתחילים פעמים רבות במעבדה באקדמיה, אבל לא מסתיימים שם. כשמתרגמים את הפיתוח למוצר תעשייתי, צריך להתמודד עם בעיות שאינן בהכרח מדעיות. “במקרה של הגרפן, נדרשנו למשל להוכיח שהטכנולוגיה עומדת בתקנים תעשייתיים ושניתן לייצר אותה. יש הרבה חברות שעושות מו”פ עם גרפן, אבל יש מעט מאוד שמייצרות”, אומר פרופ’ נוה.

אתגר נוסף במעבר מהמעבדה לתעשייה קשור לכך שתעשיית האלקטרוניקה המתקדמת כבר ותיקה ומפותחת. כדי להכניס חומר חדש לתעשייה כזו, צריך השקעה מאסיבית לאורך זמן, והמשמעות היא שבעיקר לחברות הענק יש את היכולות הנדרשות כדי להיכנס לתהליך מסוג זה של פיתוח משותף כזה ו’לצלול’ לתוך האתגר הכרוך בשילוב חומר חדש בטכנולוגיה.

היכולת לייצר גרפן מאפשרת שליטה על החומר ועל הייחודיות במוצר, וגם שליטה על המחיר ופיתוח קניין רוחני ביחד עם הלקוח. זה שביל הזהב לסטארט-אפים, בפרט כשמדובר על פיתוח של חומר תעשייתי, וצריך לפתח, בשיתוף עם הלקוח, יישום שמדגים את היכולות של החומר.

ההיגיון העסקי ברור. הלקוח מתאר את הצורך הקריטי שלו, והחברה מציעה פתרון טכנולוגי מתקדם, מבוסס גרפן. בתמורה, שני הצדדים חולקים בקניין הרוחני.התנהלות זו מבטיחה לחברת ענק גלובלית, כמו גוגל או Nvidia, ראשוניות וזמינות לטכנולוגיה החדשנית, ולסטארט-אפ המפתח הזדמנות לפיתוח ומסחור מהיר של המוצר. מודל זה יוצר מצב של win-win: חברת הענק מקבלת פתרון מותאם אישית לצרכיה, והסטארט-אפ זוכה בגישה להכוונה ולידע שלה, כך שהמחקר והפיתוח קולע בדיוק כמענה לפער הטכנולוגי הקיים. בנוסף, שיתוף פעולה מוצלח כזה מושך את תשומת ליבן של חברות נוספות בשוק, המעוניינות לרכוש ולפתח פתרונות דומים. כך נוצר מעגל חיובי של חדשנות וצמיחה עסקית, המועיל לכל הצדדים המעורבים.

מימון וחזון בעולם הטכנולוגיות המפציעות

פיתוח של טכנולוגיה מפציעה, כמו זו המבוססת גרפן, דורש השקעה ארוכת טווח ותמיכה משמעותית. “כדי שזה יקרה צריך שותפויות עם חברות גדולות עם מוטיבציה להשקיע לאורך זמן כדי להצמיח יתרון טכנולוגי”, מסביר פרופ’ נוה. “ולנו יש גם שותפויות כאלה וגם זכינו בתמיכה של רשות החדשנות אשר הניעה את התהליך”.

כיום לחברה יש אתר ייצור בצפון הארץ, לא רחוק מצומת גולני. תהליך ייצור הגרפן, שיכול להיעשות גם באתר הקבלן או הלקוח, מייצר מעט מאוד פסולת, בכמות מזערית ממש. התוצרים נעשים מפחמן, בצורה שקיימת גם בטבע, כמעט ללא פסולת בתהליכי הייצור, והשאיפה היא להשתמש בעתיד ביותר אנרגיה ירוקה גם בתהליך הייצור.

חזון השילוב בין מחקר פורץ דרך לבין ייצור תעשייתי של יצירת יתרון טכנולוגי הולך ומתממש וצפוי להשפיע משמעותית על הכלכלה והחברה בעתיד. הגרפן הוא דוגמה מצוינת לטכנולוגיה מפציעה הזקוקה לתמיכה: יש בו תכונות ייחודיות שלא היו קיימות בחומרים קודמים; החומר עדיין בתהליך מעבר ממחקר אקדמי ליישום תעשייתי; השימושים בו יכולים לשנות תעשיות שלמות, מאלקטרוניקה ועד רפואה; ונדרשת השקעה כספית גדולה לצורך פיתוח שיטות ייצור חדשות ויישומים מעשיים.