תחומי עניין מחקריים
המדע של חומרים מרוכבים עומד בפני נקודת מפנה, שבה הפרדיגמה הקלאסית של מבנים פשוטים הכוללים חומרים בעלי ביצועים גבוהים הגיעה לגבולותיה. הטבע הסב את תשומת ליבנו למבנים מורכבים מרובי רמות, המצטיינים באיזון תכונות מכניות ומשאבי חומר. הסוד טמון בתכונות הגיאומטריות המורכבות שנמצאות בכל רמה מבנית, בהרכבה עצמית מקנה המידה הננומטרי, דרך קנה המידה המיקרומטרי ועד לקנה מידה המאקרומטרי. לחומרים אלה יש תכונות ייחודיות בקנה מידה ננומטרי ומיקרוני, כפי שהדגמנו במחקרים שלנו על אלקטרוספיננינג של סיבי ננו.פ
ננו-סיב וחרוז שנוצרו באלקטרוספינינג של פולימר
הדמיית רנטגן של סילון אלקטרוספינינג של תמיסת פולימר עם מיקרו-חלקיקים של סיליקה
העניין העיקרי שלי במחקר הוא בהשפעה של הגיאומטריה המבנית הפנימית על התכונות המכניות של חומר מרוכב. התכונות הפיזיקליות והמכניות של עצמים בקנה מידה מיקרו וננו מפגינות תלות בגודל, הנגרמת על ידי סידור מחדש של המבנה המולקולרי הפנימי עקב מגבלות מרחביות, מתח פנים ומתיחה. ברמה המולקולרית, חקרתי את המבנה של שרשרות פולימר בסיבים שיוצרו באלקטרוספינינג, והראיתי כיצד אוריינטציה הנגרמת על ידי זרימה משפרת בו זמנית את הנוקשות, החוזק והקשיחות ביותר מסדר גודל, וכיצד החדרת ננו-חוטים משפרת את האוריינטציה עוד יותר. ברמת הננו, חקרתי את תפקידה של הגיאומטריה של ננו-פילרים כגון ננו-צינורות פחמן, והראיתי את התרומה הפוטנציאלית של צורתם החלולה לתכונות המכניות. פולימרים בעלי זיכרון הם דוגמה נוספת להשפעה של מורפולוגיה מולקולרית על תכונות מאקרו בתלות זמן-טמפרטורה.פ
הקשיחות (מודול האלסטיות) גדלה במימדים קטנים עקב אוריינטציה מולקולרית
אפקט צורה ואריזה של ננו-מלאן חלול
נו-פילרים אינם עומדים כיום בציפיות לגבי חוזקם הצפוי בגלל פגמים והתגבשות. הניתוח שלי של ננו-צינורות פחמן עם פגמים הראה שהקשיחות שלהם תואמת את מכניקת השבר הקלאסית, ממצא חשוב לאור קנה המידה הזעיר. עוד חקרתי חומר מרוכב רב-שכבתי מחוזק על ידי סיבי ננו-צינוריות פחמן בקנה מידה מיקרו, והראיתי את הפוטנציאל שלו בהרכבה עצמית של ננו-רכיבים ובספיגת אנרגיה בזמן כשל. גישה נוספת הייתה השמת ננו-צינוריות פחמן מתמיסה על סיבים כדי להשיג מבנה הומוגני דמוי פיגום, באמצעות תהליך מונע על ידי אידוי.פ
סימולציית דינמיקה מולקולרית של שבר בננו-צינור פחמן עם פגמים
חומר מרוכב הירארכי מוקשח בננו-צינוריות פחמן
בדקנו מחדש את החומר המרוכב הקלאסי המחוזק בסיבים, והצגנו את הרעיון של חרוזי פולימר על סיבים. הראיתי שסיבים מחורזים יכולים לשפר את אחיזת הסיבים כאשר הם ארוזים במטריצת פולימר, ולספוג יותר אנרגיה על ידי דפורמציה פלסטית של המטריצה במהלך כשל. בניתי מודל תאורטי של הנוקשות והחוזק של מבנים כאלה, על ידי הרחבת התיאוריה הקלאסית של פיגור-גזירה לסיבים מחורזים. מחקר נוסף בוצע להבנה תיאורטית וניסיונית טובה יותר של מכלול מנגנוני ההקשחה של חומרים מרוכבים בעלי סיבים מחורזים.פ
חרוזי אפוקסי על סיבי זכוכית בתוך חומר מרוכב משפרים חוזק וקשיחות
מידול תאורטי ואלמנטים סופיים של המאמצים בסיבים מחורזים
תופעה מרתקת בקנה המידה הזעיר היא המעבר מפריכות למשיכות (דוקטיליות), מנגנון הקשחה חשוב. הדגם בו אנו משתמשים הינו סיבי אפוקסי בגדלי ננו ומיקרו. אפוקסי מאוד פריך ולכן לא מתאים ליישומים מבניים, אבל, החקירה שלנו עם סיבי אפוקסי שיוצרו במשיכה מכנית ובאלקטרוספינינג מצביעה על כך שהוא הופך משיך בקנה מידה כזה. פ
מיקרו-סיבים מאפוקסי שיוצרו באלקטרוספינינג
חוזק ומשיכות של מיקרו-סיבי אפוקסי בהשוואה לאפוקסי מלא
ביולוגיה היא מקור בלתי פוסק של השראה לתכנון מבנים בקנה מידה קטן, שנבנו מלמטה למעלה מקנה מידה ננומטרי ועד גודל מאקרו. חקרתי את המבנים המיקרוניים הסליליים (הנקראים בוליגנדים) בשלד החיצוני של צבת העקרב, ופיתחתי מודל תאורטי המתאר את ההתנהגות המבנית שלהם לפי רמות היררכיות. חקירות אלו חשפו את מנגנוני החיזוק וההקשחה המורכבים של מבנים ביולוגיים, כגון איזוטרופיה, הסטת סדקים וספיגת אנרגיית שבר.פ
המבנה המיקרוני/ננומטרי המורכב של שלד העקרב שמראה מיבנים סליליים ארוזים בצפיפות
