מדענים גילו עתה צורה חדשה של פחמן, המסוגלת לעמוד בפני רמות לחץ קיצוניות שנודעו עד כה רק עבור יהלום
פחמן הינו היסוד הרביעי בתפוצתו ביקום וצורותיו מגוונות ושונות, לרבות יהלום, גרפיט וגרפן. מדענים גילו עתה צורה חדשה של פחמן, המסוגלת לעמוד בפני רמות לחץ קיצוניות שנודעו עד כה רק עבור יהלום. תגלית פורצת דרך זו פורסמה בכתב העת המדעי Physical Review Letters.
צוות המחקר מאוניברסיטת סטנפורד, שבראשו עמדה החוקרת Wendy L. Mao, החל את ניסוייו עם צורה של פחמן המכונה פחמן זכוכיתי (glassy carbon), שסונתזה לראשונה בשנות החמישים ונמצאה כמשלבת תכונות רצויות של זכוכיות ושל קרמיקה יחד עם אלו של גרפיט. החוקרים יצרו את צורת הפחמן החדשנית באמצעות דחיסת פחמן זכוכיתי בלחץ שהוא פי 400 אלף פעמים גבוה יותר מהלחץ האטמוספירי.
צורה חדשה זו של פחמן הצליחה לעמוד בפני לחץ הגבוה פי 1.3 מיליון פעמים מהלחץ האטמוספירי בכיוון מסוים אחד, תוך שהיא מוגבלת ללחץ של פי 600 אלף מהלחץ האטמוספירי הרגיל בכיוונים האחרים. אף חומר, למעט יהלום, לא הצליח לעמוד ברמות כאלו של לחצים, עובדה המצביעה על כך כי הצורה החדשה של הפחמן אכן חייבת להיות נוקשה במיוחד.
אולם, שלא כמו יהלום וצורות גבישיות אחרות של פחמן, המבנה של חומר חדיש זה אינו מאורגן בצורת יחידות אטומיות החוזרות על עצמן. זהו חומר אמורפי, כלומר – המבנה שלו חסר את הסדר ארוך-הטווח של גבישים. לצורת פחמן אמורפית וקשה במיוחד זו ייתכן יתרון אפשרי חשוב בהשוואה ליהלום אם יתברר כי הקשיות שלו שווה בעוצמתה בכל הכיוונים (כלומר – חומר איזוטרופי). בניגוד לכך, הקשיות של היהלום תלויה באופן הדוק בכיווניות היווצרותו של הגביש.
“ממצאים אלו פותחים צוהר ליישומים אפשריים, לרבות סדנים חזקים במיוחד עבור מחקר בסביבות של לחץ גבוה ויוכלו להוביל לפיתוחן של משפחות חדשות של חומרים דחוסים במיוחד וחזקים,” מסביר אחד מהחוקרים.
8 תגובות
אורן,
זה לא עניין של פרשנות. גם אם נותנים הסבר קצר, צריך שההסבר יהיה נכון.
@סטודנט, טכניון
תראה, מבחינה תאורטית אתה כמובן צודק בכל מילה (ידע בכימיה – יתרון). אבל יש פה שני ענינים:
1. ציטטתי את המשפט החשוב במאמר שענה לשאלה שעלתה בתגובה קודמת. הייתי צריך לתת הסבר קצר לכמה מושגים טכניים אחרת זה היה חסר טעם. כמה באמת אני רוצה להעמיק בהסברים כאן זאת שאלה פתוחה. אני לא מעוניין להעביר שיעור בכימיה 🙂
2. הנקודה התחתונה של המאמר אומרת שלקחו חומר אמורפי עם כמעט 100% קשרי sp2, לחצו עליו ואז בדקו ומצאו שהוא הפך לחומר אמורפי עם כמעט 100% קשרי sp3, ונהיה קשה כמו יהלום.
בתגובה הקודמת שמתי קישור לגרסה של המאמר. אתה יכול לעיין בו. אם יש לך פרשנות אחרת משלי לתוצאות, אנא כתוב אותה. אני אשמח לקרא.
אורן,
חלק ממה שכתבת לא מדויק וחלק לא נכון.
אורביטל מולקולרי הוא תיאור השייך לתאוריית האורביטלים המולקולרים (MO Theory) ואורביטלים היברידים (sp, sp2…) הם תיאורים השייכים לתיאוריית ההיברידיזציות (Hybridization theory). התאוריה היותר מדויקת היא MO, בהיברידיזציות עדיין משתמשים לתיאורים גסים או פשטניים, כשאפשר לעשות זאת. לא נכון לקשר חוזק קשר לאורביטל ההיברידי, זו לא קורלציה הכרחית. עם זאת, בהפשטה, בקשרים בין פחמנים כן אפשר לעשות זאת. במקרה זה, דווקא פחמנים הקשורים זה לזה באורביטלים בהיברידיזציות sp2 הם בעלי קשר חזק יותר – אלה פחמנים הקשורים אחד לשני בקשר כפול, לעומת אורביטלי sp3 המתארים פחמנים הקשורים בקשר יחיד. בהתאמה, אורביטלי sp מתארים פחמנים הקשורים בקשר משולש.
מה שקורה בגרפיט הוא שהפחמנים קשורים אחד לשני בתצורה של משטחים של טבעות בנזניות, בהן האורביטלים ההיברידיים הם sp2. הקשר החלש עליו אתה מדבר הוא בין שכבות הגרפיט (גרפן) – שכבות הטבעות הבנזניות – אלה קשורות בקשרי pi-pi ע”י חפיפה של עננת ה-pi הכוללת של כל שכבה.
התכונות ה”חזקות” שיש ליהלום נובעות מהסידור המרחבי של הפחמנים בו (בדומה ל-Adamantane), ולא בהכרח מחוזק הקשר בין כל פחמן בנפרד.
נקודה, אורן:
אין לי מושג מה באמת קרה אבל אני יכול לשער שעצם העובדה שבכלל ערכו את הניסוי מעידה על כך שחזו את תוצאותיו.
נראה לי שבמקרה זה – ניסוי פיזיקלי ממש – הרבה יותר פשוט לביצוע מאשר סימולציה של התנהגותם של אטומים כה רבים (ובכל מקרה – גם אם הייתה הסימולציה חוזה את התוצאה – אי אפשר היה לקבל אותה כנכונה ללא הניסוי).
@אריאל:
המאמר התקבל לפרסום אך עדיין לא התפרסם סופית (מה שנקרא בעגה In press), אך מצאתי עותק pdf בכתובת:
http://slac.stanford.edu/pubs/slacpubs/14500/slac-pub-14641.pdf
משפט המפתח שאתה מחפש הוא: (ציטוט)
Here we compressed glassy carbon at ambient temperature and completely converted its sp2 bonding to sp3 while preserving its amorphous structure
כאשר sp2 הוא האורביטל המולקולרי המופיע למשל בקשרים החלשים יחסית של גרפיט ו-sp3 הוא האורביטל המולקולרי המופיע בקשרים חזקים כמו ביהלום.
ובמילים פשוטות יותר: על ידי הפעלת הלחץ הם הצליחו לשנות את הקשרים המולקולריים החלשים (כמו של גרפיט) בחומר המקורי לכאלו חזקים כמו של יהלום, אך המבנה נשאר אמורפי.
@נקודה:
אתה אופטימי בצורה מקסימה 😉
אריאל,
נטען כי לחומר אין מבנה אטומי מוגדר – אמורפי.
חבל שאין קישור למאמר. הידיעה איננה על המאמר אלא על ה”מחקר”.
בידיעה המקורית, כמה מוזר, נטען כי המחקר יפורסם בהמשך.
נו טוב.
אבל איך זה שלא ידעו על חומר כזה עד עכשיו? סימולציות לא הראו אפשרות כזו?
מגניב! אגב אני מכיר ומלמד את המושג “צורה” כ”אלוטרופ”. האם ידוע המבני האטומי של האלוטרופ החדש ומדוע הוא כה קשה?