כשהומצא הטרנזיסטור, ב-1947, הוא נראה כגיבוב מרושל של רכיבים, התקן שגובהו יותר מסנטימטר. מאז, הוא הצטמק להתקן שגודל רכיביו הוא כמה מאות אטומים בלבד. תפוקת החשמל של הסוללות, לעומת זאת, עלתה בזמן הזה בקצב נמוך פי 50.
מעבדות בל, שבהן נבנה הטרנזיסטור הראשון, טורחות כעת על המצאתה מחדש של הסוללה. המטרה היא ליישם טכניקות ייצור של טרנזיסטורים לייצור המוני של סוללות שישולבו בשבבים יחד עם שאר רכיבי המעגל החשמלי. ההתקן, הקרוי סוללת-ננו, ממזער רכיבים מסוימים באלקטרודות לממדים ננומטריים.
סוללת-הננו מתוכננת כך שתוכל להישאר במצב רדום במשך 15 שנה לפחות ולספק, מיד בהפעלתה, פרץ של אנרגיה בעוצמה גבוהה. כך תוכל לשמש, למשל, כמקור מתח לחיישן המנטר רדיואקטיביות, או הצטברות של כימיקלים רעילים. מן הרעיון הזה אולי תתפתח הסוללה הראשונה שתוכל גם לנקות את עצמה - על ידי נטרול מרקחת הכימיקלים הרעילים שבתוכה.
לגדל דשא ננומטרי
סוללת-הננו צמחה מגיחה קודמת של מעבדות בל אל טכנולוגיית הננו. בסתיו 2002 עסקה "לוסנט טכנולוג'יז", תאגיד האם של מעבדות בל, בהכנות להשקת מאגד (קונסורציום) הננוטכנולוגיה של ניו ג'רזי יחד עם הממשל של המדינה והמכון הטכנולוגי של ניו ג'רזי. הרעיון היה להציע לעוסקים בננוטכנולוגיה בתעשייה, באקדמיה ובממשל את שירותי החברה במחקר, בפיתוח ובבנייה של אבות טיפוס. דיוויד בישופ, סגן הנשיא למחקר ננוטכנולוגי במעבדות בל, התחיל לערוך סמינרים עם מדעני החברה שבהם חלקו רעיונות על יישומים חדשניים העולים ממחקריהם ושאותם יוכלו חברי המאגד להמשיך ולפתח.
אחד המדענים ממעבדות בל, טום קרופנקין, עבד על עדשות מיקרו נוזליות, מן הסוג הנפוץ כיום במצלמות טלפון. עדשות אלה עשויות מטיפות קטנות, שהמוקד האופטי שלהן משתנה כשהן משנות את צורתן בתגובה למתח חשמלי המופעל על המשטח שעליו הן מצויות. עקב שינוי המתח, המשטח עובר ממצב שבו הוא הידרופובי במידה קיצונית (תכונה הקרויה על-הידרופוביות) למצב הידרופילי. תופעה זו נקראת "הרטבה חשמלית".
על-הידרופוביות היא התכונה האחראית לכך שטיפות הגשם מתגלגלות מעל נוצות הברווזים ומעל עלים של צמח הלוטוס. מתח פנים גורם לטיפות נוזל להתכדר, אך המוצק שעליו הן נחות עשוי להפעיל כוחות משיכה שיגרמו להן להיפרש.
משטחים הידרופיליים, כגון זכוכית, גורמים לטיפות המים להשתטח. אך על גבי משטחים על-הידרופוביים, הטיפות מתכדרות באופן מושלם ונמנעות למעשה מכל אינטראקציה עם המשטחים.
בהתבסס על התנהגותן זו של הטיפות על גבי משטחים על-הידרופוביים, הציע קרופנקין להשתמש בהרטבה חשמלית לבקרה של תגובות כימיות. הרעיון שלו היה לייצר שורות של עמודים על-הידרופוביים ברוחב ננומטרי, בעלי יכולת להרטבה חשמלית. תחת המיקרוסקופ נראים העמודים כמו שדה מכוסח באחידות של "דשא ננומטרי". את ה"דשא" הזה אפשר כיום לייצר בשיטות המקובלות בתעשיית שבבי-המיקרו, שפותחו במהלך עשרות שנים של עבודה עם צורן (סיליקון). על ידי הפעלת מתח חשמלי על הנוזל, יוכלו המדענים להביא לתגובה שתגרום לעמודים להיעשות הידרופיליים ולמשוך את הטיפות למטה כך שיחדרו אל המרווחים שבין עמודי-הננו. הנוזל יכול אז להגיב עם כל תרכובת המצויה על הקרקעית. קרופנקין הבין שהנוזל יוכל לשמש להפקת אנרגיה חשמלית בסוללה ננומטרית.
כורי תגובה כימיים
סוללות הן, למעשה, כורי תגובה כימיים. סוללה חד-פעמית מורכבת משתי אלקטרודות, אנודה וקתודה, השרויות בתמיסת אלקטרוליט. התרכובות שמהן עשויות האלקטרודות מגיבות זו עם זו דרך האלקטרוליט ומשחררות אלקטרונים. אך הבעיה היא, שהתגובות האלקטרוכימיות האלה מתרחשות גם כשהסוללות אינן מחוברות להתקנים. סוללה ממוצעת שאינה בשימוש מאבדת בשנה 7 עד 10 אחוזים מהספקה.
כדי לשמור סוללות לתקופה ממושכת, מפרידים את האלקטרוליט מן האלקטרודות באמצעות מחיצה פיזית עד להפעלה. התגובות האלקטרוכימיות הנמרצות במיוחד שמתרחשות עם הסרת המחיצה מספקות פרצי אנרגיה חזקים. האתגר המכני של מניעת מגע בין האלקטרוליט לאלקטרודות גורם לכך שהסוללות האלה גדולות ומגושמות, ולכן הן מיועדות בעיקר למצבי חירום, כגון ביחידות לטיפול נמרץ או בחדרי ניתוח בבתי חולים, ולשימושים צבאיים, כגון משקפי ראיית לילה או תאורת לייזר.
המצאת הדשא הננומטרי סייעה מאוד למזער את הסוללות לשעת חירום. כמו כן, מסביר קרופנקין, במקום שיופעלו כל המגיבים בבת אחת, אפשר כעת לתכנן סוללה שתפעיל בכל פעם רק אזור אחד בכר הדשא הננומטרי.
מעבדות בל התחילו לחפש קונים לרעיון הדשא הננומטרי. "לוסנט איננה חברת סוללות, אך היינו רוצים לחולל מהפכה בתחום," אומר בישופ. בסמינר שהתקיים בלוסנט בשלהי 2003, שמעו נציגים של חברה בשם mPhase הרצאה על סוללה המבוססת על ננוטכנולוגיה. "יצאנו מהחדר ואמרנו, 'וואו, זה היה מדהים!'" נזכר סטיב סיימון, סגן הנשיא להנדסה, מחקר ופיתוח של mPhase. בעת ההיא הייתה mPhase חברה שעיקר עיסוקה רכיבי DSL בשביל יישומים ביתיים של פס רחב ווידאו. היא הסתעפה מ-Microphase, חברה לרכיבי מיקרוגל אלקטרוניים שעבדה בשביל תעשיות הצבא, התעופה, החלל והתקשורת בנורווק שבקונטיקט.
כשהתעצמה התחרות בשוק חומרת התקשורת, ביקש רון דורנדו, מנהל הביצועים של mPhase, להמציא את החברה מחדש כספקית ננוטכנולוגיה. הוא חיפש מוצר שפיתוחו לא יארך זמן רב מדי ושלא יהיה מיועד לשימוש רפואי, כדי שלא להסתבך בביורוקרטיה של הניסויים הקליניים. העדפתו הייתה נתונה למוצר שישרת את צרכיו של השוק הצבאי שאינו נרתע ממחירם הגבוה של ההתקנים הננוטכנולוגיים בתחילת דרכם. "הסוללה עמדה בכל שלוש הדרישות," מסביר סיימון.
במארס 2004 חתמה mPhase הסכם פיתוח משותף למסחור הסוללה הננומטרית. mPhase בודקת מהן דרישותיהם של הלקוחות הפוטנציאליים מן הסוללה, כדי ליצור התקנים רווחיים, ואילו לוסנט תורמת את הרישוי לטכנולוגיה תמורת תמלוגים, שימוש בחדר נקי שמחירו 450 מיליון דולר וסיוע ממדענים בעלי ניסיון של עשרות שנים בייצור רכבי צורן.