חומרים אמורפיים: כיצד אחדים מהמוצקים זורמים כנוזלים

תגלית שפורסמה בכתב העת Nature מסייעת בהבנת העיוותים בתנועתם של חומרים אמורפיים, המדובר במוצקים חסרי-צורה סדורה אשר חזקים כמוצקים אך חסרי צורה גבישית, בדומה לנוזלים

מדענים ממעבדות בבורדו, בליון ובפריז הציגו את ההוכחה הראשונה שחומרים אמורפיים, הידועים גם בשם “זכוכית רכה” (soft glasses), מתעוותים וזורמים באמצעות תנועה שיתופית של חלקיקיהם. חומרים אלו, שבכללם גם מוס שוקולד, משחת גילוח, מיונז, סיבי-זכוכית ובוץ, הינם מוצקים חסרי-צורה סדורה, כלומר, הם חזקים כמוצקים אך חסרי צורה גבישית, בדומה לנוזלים.

תגלית זו, שפורסמה בכתב-העת היוקרתי Nature, תסייע להבין טוב יותר מצבים של עיוות ושבירה בסיבי-זכוכית וחומרים דומים להם, ואת הפיזור של שכבות דקיקות של חומרים עדינים (כגון קרמים לפנים) המשמשים בקוסמטיקה, מוצרי-מזון ותעשיית השמנים.

מוצק אמורפי הינו נוזל שאינו זורם: המבנה האטומי שלו בלתי-מאורגן, בדומה לנוזל, אך קשיח ושומר על צורתו בדומה למוצק. חומרים אמורפיים כוללים זכוכית סיליקאטית ומגוון רחב של חומרים אחרים, כגון זכוכית רכה (לדוגמה – תחליבים מרוכזים, קציפות ותרחיפים זכוכיתיים). לרוב הם מצויים במטבח שלנו כמיונז, מוס שוקולד או קטשופ – או בחדר הרחצה בצורת ג'לים שונים או קרמים לטיפוח קוסמטי. חומרים אלו מסוגלים לזרום, אם מכריחים אותם: מיונז נראה כמוצק בצנצנת שלו אך ניתן לפזרו, או בעצם למרוח אותו, עם סכין, בדומה לדבש נוזלי.

טיבו ומקורו של מצב אמורפי זה ממשיך להוות אתגר מדעי לחוקרים. האם חומרים אלו מתעוותים כמו מוצקים גבישיים דומים להם? או האם הם זורמים כמו הנוזלים שדומים למבנה שלהם? האופי הכפול של חומרים אלו משמעותי ביותר מנקודת מבט תעשייתית ועל-כן הם מעוררים עניין מחקרי.

התקדמות מה נעשתה בחזיתות אחדות בתחום זה בשנים האחרונות. מחקרים ניסיוניים ותיאורטיים על מוצקים אמורפיים אפשרו הבנה טובה יותר של אופים הכפול של מבנים קשיחים אלו: ברמה האטומית החלקיקים שלהם נעים במשותף, עובדה המאפשרת למבנה המאורגן שלהם להגיע עד כדי סידור מוחלט. מאידך, הקשר להתנהגות הזרימה שלהם לא הובן כהלכה במלואו עד היום.

מדענים ערכו סידרה של ניסויים תוך שימוש בשיטות “מיקרונוזליות” (microfluidic) אשר אפשרו לצפות בזרימה של תחליבים מרוכזים ביותר במיקרו-תעלות בעלות קטרים משתנים. חומרים אלו מורכבים ממקבצים מרוכזים ביותר של טיפות שמן סיליקון המורחפים בנוזל ומאפשרים לצפות בפנים התחליב תחת מיקרוסקופ. זוהי דוגמא טיפוסית לחומר שהוא זכוכית רכה: הטיפות בלתי-סדורות לחלוטין אך התחליב אינו זורם כל עוד לא מופעל עליו כוח חזק.

ע”י בחינת הזרימה של חומר זה בשפופרות בעלות קטרים מיקרומטריים, החוקרים הצליחו לגלות כי תכונות הזרימה הפנימיות של החומר תלויות במרכיביו, כלומר – העובדה כי הוא אולץ לזרום בתעלה צרה. במצבים מסוימים, באופן מפתיע, החומר נוזלי הרבה יותר כאשר הוא מתוחם בכוח. בחינות מדוקדקות של חומרים אלו גילו כי תנועות הזרימה של החלקיקים מתרחשות באופן שיתופי (במקרה זה, החלקיקים הם טיפות שמן הנעות בצברים). אולם, תוצא שיתופיות זו שונה מאוד מזה שנצפה עבור הדינאמיקה השיתופית של חומרים אמורפיים שאינם זורמים, ומכאן עולות שאלות תיאורטיות חדשות.

מחקר זה שופך אור על תכונות הזרימה של מוצקים אמורפיים ואמור לסייע בשיפור ההבנה של תופעה מורכבת זו. אחת המטרות של מחקר זה הינה הרצון לחזות כראוי את מאפייני חוזק החומרים של מרכיבים שונים ובכללם זכוכית וסיבי-זכוכית.

להודעת החוקרים