הגרפן הוא יריעה חד שכבתית דו ממדית המורכבת מאטומי פחמן המסודרים כמשושים. חומר מיוחד זה התגלה בשנת 2004 על-ידי שני חוקרים, אנדריי גיים וקונסטנטין נובוסלוב מאוניברסיטת מנצ’סטר שבאנגליה, אשר הצליחו לבודד שכבת גרפן מתוך גרפיט המצויה על-גבי עיפרון. תגלית חשובה זו זיכתה אותם בפרס נובל לפיזיקה בשנת 2010.
למרות הגילוי החדש יחסית, הגרפן מהווה מצע לפיתוחים פורצי דרך הנדסיים רבים ומשמש במגוון סוגים של תעשיות. לכן, אין זה פלא כי היקף המחזור השנתי של תעשיית הגרפן העולמי כבר עומד על-סך של כ-1.5 מיליארד דולר וצומח בקצב מרשים של כ-30% בממוצע מידי שנה.
פריצת הדרך הראשונה בכל הקשור לגידול גרפן “איכותי” בוואקום עבור תעשיית האלקטרוניקה נעשתה באוניברסיטת MIT בשנת 2015, שם הצליחו החוקרים לראשונה לייצר גרפן בקנה מידה תעשייתי. אומנם, מדובר בהליך יקר וראשוני, אך פריצת דרך זו סימנה את תחילתו של עידן הגרפן. לאור זאת, תעשיות מובילות, כגון: תעשיית האלקטרוניקה והתעשיה הביו-רפואית, החלו לרתום את הגרפן למטרותיהן.
גרפן – חומר בעל תכונות מיוחדות
תכונותיו המיוחדות של הגרפן הן רבות. הגרפן הוא בעל מוליכות חשמלית פנטסטית, באמצעותה ניתן להגביר את הקצב של מעגלים חשמליים לרמות של 100 ג’יגה ואף מעבר לכך. גם המוליכות התרמית שלו הינה יוצאת מן הכלל, ולכן שילובו בתוך רכיב יכול לסייע באופן דרמטי על פיזור החום שבו. בנוסף, הגרפן חזק מאוד ביחס לגודלו – פי 200 מפלדה ופי 10 מיהלום וכן בעל גמישות ברמה גבוהה, המאפשרת לו להתארך עד לכ-25% מאורכו. בנוסף לכך, הגרפן שקוף ולכן מהווה עניין משמעותי בתעשיית האופטיקה.
דרגות האיכות השונות של הגרפן נגזרות ממספר ה”פגמים” שקיימים בכל סמ”ר. מקובל כי גרפן אשר מספר הפגמים שבו נמוך מ- 1011 לסמ”ר מתאים לתעשיית האלקטרוניקה ואילו גרפן פחות איכותי, כמו גרפן אוקסייד אשר אינו מיוצר בסביבת ואקום, מתאים לתעשיות וענפים אחרים. גרפן המשולב בתעשייה המסורתית הינו גרפן אשר קל יחסית לייצור ואינו נדרש להליך CVD מורכב. לאור קושי זה, כניסתו של הגרפן האיכותי לתעשייה הייתה מאוחרת ביחס לגרפן אוקסייד.
תכונותיו של הגרפן, על רמות איכותו השונות, נבחנות באופן תדיר על-ידי חברות גלובליות רבות, שעושות ניסיונות להטמעת הטכנולוגיה החדשנית במוצריהן וחלקם אף הבשיל לידי מוצר מוגמר.
איור 1: מבנה אטומי הגרפן
שימושי הגרפן בתעשייה העולמית
התכונה הראשונה בה נעשה שימוש בתעשייה היא חוזקו של הגרפן ביחס למשקלו. כך למשל, יצרנית מחבטי הטניס HEAD החלה לשלב את הגרפן במחבטי החברה, לצורך מתן חוזק למחבט תוך הפחתת משקלו. למטרה דומה ישנן חברות אופניים אשר משלבות את הגרפן בשלדות העילית של מוצריהן.
החברה הראשונה אשר פרצה עם מוצר מבוסס גרפן איכותי היא חברת שיאומי הסינית. חברה זו השיקה ממש לאחרונה, באפריל 2021, את טלפון המשחקים הראשון שלה, בו משמשות יריעות הגרפן למטרת פיזור החום במכשיר ובסוללה ומניעת התחממותם יתר על המידה חרף הפעילות המאומצת שלו, הנגרמת בעקבות שימוש ניכר של גיימרים.
ידוע עוד כי הגרפן מעניק חוזק רב לבטון, תוך הפחתת משקלו. תוספת של גרפן במשקל של 0.03% ממשקל הבטון, יכול להפחית בשליש את המשקל הכולל של הבטון הנדרש. כמו כן, ידוע כי שילוב גרפן בגומי מעניק לו תוספת חוזק משמעותית. מכאן, שהדרך לתעשיית הצמיגים קצרה שכן הוכח כי תוספת גרפן לצמיג יכולה להאריך את חייו בכ-40%.
הגרפן יכול לסייע רבות גם בתחום סינון האוויר. הסטרטאפ הישראלי LIGC גייס בשנת 2020 סך של 3 מיליון דולר לטובת מסכת פנים מבוססת גרפן. עוד ידוע על מסננים במטוסי נוסעים המבוססים על גרפן שהינם בעלי יעילות רבה.
פיתוחים עתידיים של מוצרים מבוססי גרפן
באוגוסט 2019 פורסם כי חברת סמסונג בוחנת את החלפת טכנולוגיית הסוללות המצויה בטלפונים הניידים שלה מסוללות המבוססות ליתיום לסוללות המבוססות גרפן, דבר שיקנה לה יתרון משמעותי במהירות טעינת הסוללה. עוד מתחום הסוללות, בפברואר 2021 הכריזה יצרנית כלי הרכב הסינית GAC על פריצת דרך בטכנולוגיית סוללת הגרפן. פיתוח זה מאפשר הטענת הסוללה לרמה של 80% בשמונה דקות בלבד.
תחום נוסף המצוי בפיתוח מואץ ומשלב גרפן, הינו תחום הלוחות הסולאריים. בשנת 2016 מצאו חוקרים מסין כי טיפות הגשם הפוגעות בלוחות הסולאריים שעליהן שכבת גרפן יכולות לייצר חשמל אפילו בחשכה. כמו כן, ישנם מחקרים הקושרים את הגרפן לטיפול במים ומוצאים כי ניתן להתפיל מים באמצעות ממברנות המשלבות גרפן, ביעילות רבה יותר מהטכנולוגיות המצויות כיום. בהתאם לכך, יכול הגרפן לשמש גם עבור התעשייה הביו-רפואית למטרת אבחון ואיתור וירוסים וחיידקים.
פיתוחים אלה הם רק קצה הקרחון בכל הקשור ליכולת הניצול של החומר החדשני לטובת התעשייה ואנו עתידים לשמוע על פיתוחים נוספים בתחום הגרפן שיובילו לקידום של פתרונות חדשניים ומתקדמים בכל התחומים.
תעשיית הגרפן בישראל
לאור כל היתרונות של הגרפן, בשנת 2020 הוקם על-ידי פרופ’ דורון נווה מאוניברסיטת בר-אילן וד”ר אלעד מנטוביץ מחברת NVIDIA מאגד גרפן אשר פועל בתמיכה מלאה ובמימון רשות החדשנות. למאגד זה מספר מטרות עיקריות, פיתוח מכונה לגידול גרפן איכותי ובעלות נמוכה באופן משמעותי מהעלויות היצור המקובלות כיום, פיתוח יישומים לגרפן אשר ירתמו את תכונותיו בעיקר בתדר הגבוה ובמוליכות התרמית.
המאגד אשר פועל בהובלת פרופ’ דורון נווה ואוניברסיטת בר-אילן, בצירוף אוניברסיטת תל-אביב, הטכניון ואוניברסיטת באר-שבע משלב את הידע והמחקר המצוי באקדמיה יחד עם התעשייה המקומית.
חברת סימטל ננו-ציפויים העוסקת כיום בעיקר בציפוי הפארילן לתעשיית האלקטרוניקה וביו-רפואי, תחל לגדל גרפן איכותי עבור התעשייה ברבעון 1/2023, במפעלה החדש בא.ת. ציפורית שבצפון באמצעות המכונה המצויה כעת בפיתוח לגידול הגרפן ובאמצעות מכונות נוספות אשר יבנו באמצעות הידע הנרכש במסגרת המאגד. יריעות גרפן אלו יועברו לחברת PCB לצורך הטמעת הגרפן בכרטיסים אותם תייצר עבור חברת אלביט אלישרא וחברת NVIDIA שותפות כולן במאגד.
חברי המאגד, תעשייה ואקדמיה יחד עם רשות החדשנות סבורים כי חומר חדשני זה יהוו את אבן היסוד למוצרים חדשניים רבים בשנים הקרובות. אין ספק כי פעילות ברוכה זו תשמר את מקומה של ישראל בחזית הטכנולוגיה העולמית גם בעתיד.
ערן בר-רבי
מנכ”ל סימטל ננו-ציפויים
