מהם חומרים מתקדמים?

חומרים מתקדמים (AdMs) הם חומרים חדשים וחדשניים בעלי תכונות משופרות שתוכננו כך שיספקו ביצועים מעולים. ההתפתחויות המדעיות המרכזיות של המאה ה-20, והבנה חדשה של האטומים, הניחו את היסודות ליצירת חומרים מתקדמים. החידושים של שלושת העשורים האחרונים לקחו אותנו אל מעבר לסף הקונספטואלי שאפיין את העשורים שקדמו להם והפכו את החומרים התעשייתיים המתקדמים לרכיב חיוני בכלכלת ההיי-טק שלנו.

חומרים מהונדסים אינם בגדר דבר חדש, ויצירת חומרים מתקדמים אינה מייצגת טרנספורמציה ביכולת ההמצאה או בשאיפות התכנון האנושיות, כאשר עוד בעידן הברונזה התנסו אבותינו בסגסוגות לשיפור ביצועיהן של מתכות נפוצות.

שילוב של נחושת ובדיל יצר את הברונזה (ארד), והטכנולוגיה המשופרת יצרה הזדמנויות חדשות ואתגרי תכנון, שבתורם עוררו פיתוח טכני נוסף. הסקרנות הבסיסית בנוגע לטבעם של הדברים ולאופן בו ניתן לתמרן אותם הניעה את ההתפתחות האנושית משך אלפי שנים.

תהליך המניפולציה הפרימיטיבית של תרכובות מולקולריות נמשך גם בתקופת הברזל. לפני 3,000 שנה גילו מטלורגים שהוספת פחמן לברזל, בשילוב עם חום עז, יוצרת פלדה. זמן קצר לאחר מכן, המהפכה התעשייתית הציגה ייצור המוני זול של פלדה מעולה ושטף של חידושים טכנולוגיים. ההתפתחויות המדעיות של תקופה זו הובילו לגילוי האטומים ולהבנה של האופן בו חומרים מתפקדים ברמה האטומית.

חומרים מתקדמים במאה ה-21

המצאות המאה ה-21 מאפשרות למדענים לתמרן חומרים (אנאורגניים ואורגניים) ברמה האטומית וליצור חומרים חדשים ומוכווני-מטרה, שביצועיהם עולים פי כמה מונים על אלה של חומרים המצויים בטבע. בשלושת העשורים האחרונים אנו עדים לזינוק עצום קדימה, שהוביל לשילובם המוצלח של חומרים מתקדמים בייצור בתחומי ההיי-טק, בהליכים רפואיים ובייצור מזון.

בפועל, אנו מצויים על סיפה של מהפכה טכנית חדשה, וסביר שבעשרים השנים הבאות נחזה בקפיצה קדימה שתעלה על ההתקדמות שהושגה במשך מאה שנות המהפכה התעשייתית. המגבלות היחידות הן חוקי הפיזיקה (כפי שאנו מבינים אותם כיום) והדמיון האנושי.

מהם חומרים מתקדמים?

חומרים מתקדמים הם נושא מדעי מורכב, המכסה מגוון עצום של תחומים ויישומים. חומרים מתקדמים הם מונח גנרי ונוח לתיאור כל חומר חדש שנוצר באופן מכוון על ידי בני אדם.

באופן כללי, משתמשים במונח לתיאור חומרים חדשים, בעלי יישומים בהיי-טק, שפותחו במהלך העשורים האחרונים. מחקר ופיתוח של חומרים מתקדמים חדשים עבור יישומים תעשייתיים הוא מולטידיסציפלינרי ויכול למשוך מומחים בתחומים כמו כימיה, פיזיקה, ננוטכנולוגיה, קרמיקה, מטלורגיה וביו-חומרים.

המהפכה האטומית וחומרים מתקדמים: העידן החדש של הנדסת החומרים

המאה ה-20 המוקדמת חזתה בהתקדמות בהבנת הטבע הפיזיקלי של חומרים ושל האטומים הזעירים, שהם לבני הבנייה של כל חומר פיזי. התפתחויות בשבירת קרני רנטגן והתפתחות המיקרוסקופיה האלקטרונית שיפרו את הבנת המדענים בנוגע לאופן בו אטומים מסודרים.

ההבנה המודרנית של התנהגותם של חומרים ברמה המאקרוסקופית עברה טרנספורמציה בעקבות ההבנה של האופן בו הם מסודרים ברמה המיקרוסקופית, ומדעני וחוקרי המאה ה-20 התנסו בהתלהבות באופנים שבהם ניתן לתמרן את סידור האטומים – ולפצל את האטום.

מרגע שהמדענים הבינו את החוקים האטומיים הבסיסיים, נוצר פוטנציאל ליצירת חומרים חדשים לגמרי. פוטנציאל העיצוב הוא (ככל הנראה) כמעט בלתי מוגבל. חומרים וייצור מתקדמים כוללים מתכות וחומרים אנאורגניים, מוצרים מינרליים מתקדמים וחומרים אורגניים. תהליכים אורגניים כוללים תמרון ויצירת תאים ומבנים דמויי-תא, דנ״א וחלבונים מרכיבים המצויים בליבת כל אורגניזם חי.

כיצד חומרים מתקדמים משנים את עולמנו?

חומרים מתקדמים מתחילים לשנות כל היבט של חיינו. הנחות נצחיות שהונחו בעבר על טבעם של חומרים גולמיים ועל הפוטנציאל התעשייתי שלהם נדחקו הצדה. תעשיות עיצוב וייצור הוגבלו בעבר על ידי תכונותיהם של חומרים גולמיים כפי שהם מופיעים בטבע, ושל הסגסוגות והתרכובות שיצרנו מהם. יכולתנו החדשה ליצור חומרים מתקדמים מאפס משנה את פוטנציאל העיצוב.

ברמה הבסיסית, חומרים מתקדמים מאפשרים לשפר מוצרים קיימים. מטוס או מכונית יכולים להיות מיוצרים מחומרים חזקים וקלים יותר ועשויים להחזיק מעמד משך זמן רב יותר, לפעול בצורה חסכונית יותר ולהיות ידידותיים יותר לסביבה. מכשירים נפוצים בשימוש יכולים להפוך קטנים ויעילים יותר. כיום, טלפון חכם מבצע רבות מהפעולות של מחשב נייד, שבתורו מבצע רבות מהפעולות של מחשב שבעבר היה בגודל של בית.

כמה מההמצאות משנות-החיים התלויות בחומרים ומחקר ייצור מתקדמים כוללים:

• מעגלים משולבים.
• אחסון מידע מגנטי.
• LCD.
• סיבים אופטיים.
• לייזרים.

ברמה חדשנית באמת, חומרים מתקדמים מאפשרים את המצאתם של חומרים ומכשירים חדשים לגמרי. לפחות באופן תיאורטי, אם אדם יזהה פתרון קיצוני לצורך קיים, או יגדיר מושג חדש, מדענים יוכלו להמציא חומרים מתקדמים חדשים לגמרי כדי להפוך את הרעיון למציאות.

ייתכן ואנו נמצאים בנקודה בהתפתחות האנושית בה המדע הבדיוני של המאה ה-20 הופך למציאות של המאה ה-21. כדאי לציין שאנו כבר מגדירים מחדש את מושגינו על המציאות, עם מונחים כמו ״מציאות מדומה״ ו״מציאות רבודה״.

התועלות שבחומרים מתקדמים

התועלות הכלליות של חומרים מתקדמים תעשייתיים הן ישירות: יש להם פוטנציאל להביא לפתחנו מוצרים זולים יותר, מתוחכמים יותר וידידותיים יותר למשתמש. פריטים עבור משקי בית, כלי רכב אישיים ומוצרי צריכה עמידים משפרים כבר היום את איכות חיינו וחוסכים לנו עבודה.   

נוסף על כך, אנו רואים חידושים דומים במקומות העבודה. חומרים מתקדמים תעשייתיים מביאים למהפכה במכשירים, במערכות ובתשתיות שבעבר הגדירו והגבילו את האופן בו עבדנו ועשינו עסקים.

הטווח והפוטנציאל של עסקים הולכים ומתרחבים, וכך גם שיטות הייצור, טכנולוגיית ההדפסה לפי דרישה, עליית המחשוב הקוונטי, קצירת וניתוח נתונים ויישום בינה מלאכותית (AI) לתכנון, לבקרה ולפתרון בעיות. בין אם אנו מבינים זאת ובין אם לא, חיי העבודה שלנו כבר תלויים בחלקם בחומרים מתקדמים עבור יישומים תעשייתיים.

אחת מהתועלות העולות הגדולות ביותר של חומרים מתקדמים היא השיפורים הדרמטיים לצרכים הבסיסיים ביותר שלנו: בריאות טובה וביטחון תזונתי. המאה ה-20 הביאה למהפכה בטיפול הרפואי, יותר מחלות הפכו נמנעות או ניתנות לריפוי ויותר פציעות (שבעבר היו קטלניות) הפכו לכאלה שניתן לטפל בהן – ביחס לכל תקופת זמן אחרת בהיסטוריה האנושית. התקווה היא ששני העשורים הבאים יעלו על המצאות העבר הללו בכל רמה שניתן לשער (ושבעבר לא היה ניתן לשערה). 

השילוב בין ביו-חומרים מתקדמים חדשים לבין חומרים אנאורגניים מתקדמים ומכשירים חכמים זעירים מבוססי בינה מלאכותי ייצור דור חדש של פרוסתטיקה חכמה ואפקטיבית כתחליף לאיברי גוף, שיאפשרו לקטועי איברים תפקוד מושלם, אולי אפילו מוגבר. רעיונות שבעבר נחשבו לפנטזיה, כמו איברי גוף המגודלים באופן אורגני או מתחדשים, רשתיות או איברים פנימיים הגדלים במעבדה ועור מתחדש עבור נפגעי כוויות – מתקדמים כולם לעבר תיקוף קונספטואלי.

כבר היום אנו עדים ליישום של ננוטכנולוגיה לקרמים מקומיים המכילים חומרים ביוכימיים מתקדמים, כמו גם לתרופות חכמות שניתן להתאימן לטיפול אינדיבידואלי מיטבי. מדענים כבר יכולים לתמרן תאים, נגיפים ואורגניזמים, והטכנולוגיה החדשה מניעה מעבר אל טיפול רפואי מותאם אישית ומונע.

עד 2050, אוכלוסיית העולם צפויה להגיע לכדי 9.5 מיליארד איש. בפני האנושות ניצבים שני ״אתגרים תאומים״, הראשון הוא הגעה לאחד מיעדי האו״ם לפיתוח בר-קיימא (SGD) – ״אפס רעב״, והשני הוא התקדמות לעבר ״אפס פחמן״ וחקלאות בת-קיימא מבחינה סביבתית.

חומרים וייצור מתקדמים יכולים לגשר על הפער. ביו-חומרים מתקדמים וחלבונים לצריכה אנושית הנוצרים במעבדות, כמו בשר בהדפסה תלת-ממדית, הם מושג נוסף שהופך ליישים מסחרית. למזונות חדשים, בריאים ועמוסים מבחינה תזונתית יש פוטנציאל לשבש את תעשיית המזון העולמית בקנה מידה גדול. חומרים מתקדמים בתחום ייצור המזון מכסים מספיק חידושים להאכלת אוכלוסיית העולם.

ICL וחומרים מתקדמים

פורטפוליו המינרלים העשיר של ICL, מגוון יוזמות ההיי-טק שלה והתחייבותה לחדשנות מהווים יסוד חזק לפיתוח חומרים מתקדמים חדשים. ל-ICL יש גישה למשאבים חומריים, היא מתגברת ללא הרף על אתגרים תכנוניים והיא בעלת תרבות תאגידית שמעודדת חשיבה נועזת ובלתי-מותנית.

ICL הוכיחה שהיא מחויבת לקיימות ולכלכלה מעגלית. כיום אנו עומדים בציוני הדרך שנקבעו במפת הדרכים התאגידית שלנו, בדרך להשגת היעד של ״אפס פחמן״ עד 2050.

נכון ל-2022, אנו מתעניינים במיוחד בפיתוח חומרים מתקדמים בתחום מוצרי הזרחן האנאורגני ויישומיהם במסכים שטוחים מוליכים למחצה, פוטו-וולטאים ואלקטרוניים. עוד אנו מתמקדים בפיתוח חומרים מהונדסים לשיפור שימושים קיימים בזרחן בתעשיית התרופות, הצבעים והאספלט.

תחומי עניין אחרים בהנדסת מינרלים כוללים שימוש בסגסוגות מגנזיום מתכתי במעבר אל כלי רכב חשמליים. סגסוגות אלה הינן קלות משקל ובעלות חוזק ונוקשות מצוינים ביחס למשקלן, דבר שהופך אותן לאידיאליות לשימוש הן בכלי רכב והן באלקטרוניקה.

מגנזיום קיים בטבע רק בתרכובת עם יסודות אחרים, כמו תחמוצת מגנזיום (״מגנזיה״), המיוצרת באי.סי.אל במפעל פריקלאס. מגנזיום משחק תפקיד משמעותי בעסקיה הגלובליים של ICL ואנו נלהבים לחדש הן בתחום המינרלים המהונדסים והן בתחום המכשירים והתהליכים החדשים המונעים על ידי חומרים מתקדמים.

בעת הנוכחית אנו חוקרים פתרונות לשיפור זמינותו של מגנזיום במי שתייה באמצעות מים מועשרים במגנזיה. פיתוח ומחקר בנוגע להיבטים חקלאיים של מגנזיום מתמקד בשימוש במוצרי תחמוצת המגנזיום כאנטי-ויראליים או כמחסומים נגד בקטריות ופטריות, ובשימוש במגנזיה כמשמר פירות לאחר הקציר.

ICL מקדמת בברכה שיתופי פעולה בכל רמה, עם כל מי שיש לו תרומה מקורית לתחום הנדסת המינרלים והחומרים המתקדמים, או לתחומי הקיימות והכלכלה המעגלית. אנו נלהבים להיות חלוצים, לפתח וליישם פתרונות חדשים בשווקים שונים ולהיות בעלי חזון ודמיון המאפשרים לנו לאמץ חשיבה בלתי-מותנית.