ידענים: ננו חומרים

מאת 12 ביולי 2017 תגובה אחת

מדענים בטכניון ובגרמניה הדגימו לראשונה את "זיכרון הצורה" בחלקיקי זהב.

הדמיית מחשב של המודל האטומיסטי של החלקיק. אפשר לראות כי החומר שהוזז על ידי מחט היהלום נצבר בפאת החלקיק ויוצר מדרגות ייחודיות, המשמשות בהמשך "מסילות מנחות" המחזירות אל העקבה, בדיפוזיה, את החומר שהוזז הצידה. לאחר זמן חוזר החלקיק לצורתו המקורית. מקור: באדיבות הטכניון.

הדמיית מחשב של המודל האטומיסטי של החלקיק. אפשר לראות כי החומר שהוזז על ידי מחט היהלום נצבר בפאת החלקיק ויוצר מדרגות ייחודיות, המשמשות בהמשך "מסילות מנחות" המחזירות אל העקבה, בדיפוזיה, את החומר שהוזז הצידה. לאחר זמן חוזר החלקיק לצורתו המקורית. מקור: באדיבות הטכניון.

חוקרים מהטכניון ומגרמניה הדגימו לראשונה את התופעות של זיכרון צורה ושחזור עצמי בחלקיקי זהב מיקרומטריים. זאת באמצעות דיפוזיה המכוונת על ידי פגמים בחלקיק. את המחקר, שהתפרסם ביום שישי האחרון בכתב העת Advanced Science,  ערכו הדוקטורנט אולג קובלנקו וד"ר לאוניד קלינגר בהנחיית פרופ' יוג'ין רבקין דיקן הפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון יחד עם כריסטיאן ברנדל מ-KIT (המכון הטכנולוגי קרלסרוהה, גרמניה).

חומרים זוכרי-צורה מאופיינים בכך שהם מסוגלים לתקן את הנזק שנגרם להם (למשל עיוות, דפורמציה) ולשוב לצורתם המקורית. לחומרים אלה יש שני מצבי צבירה (פאזות): אוסטניט (Austenite) , שהוא צורתו הראשונית הסימטרית והמסודרת יותר; ומרטנזיט (Martensite), שהוא מצב צבירה המאופיין באי סדר ובאי סימטריה אבל גם בחוזק רב יותר. דוגמה מוכרת למעבר בין שני המצבים היא יצירה של פלדה מחוסמת.

העברתו של החומר ממצב הצבירה האוסטניטי למצב הצבירה המחוסם, או המרטנזיטי, נעשית על ידי הפעלת כוח מכני על החומר או על ידי קירורו. המבנה דל הסימטריה של המרטנזיט מאפשר לחומר לספוג עיבורים פלסטיים גדולים בכך שגבישי החומר מסתדרים בהתאם לכיוון העומס המופעל עליו. גם אחרי דפרמציה פלסטית "זוכרים" הגבישים את מצבם המקורי, האוסטניט, ושואפים לחזור אליו. שאיפה זו תתגשם אם נחמם את החומר, שיהפוך את אנרגיית החום לאנרגיה מכנית שתחזיר את החומר למצבו המקורי.

עד היום נצפתה תופעת זיכרון הצורה רק בסגסוגות מתכת ייחודיות כגון ניטינול (Ni-Ti). סגסוגות אלה מאופיינות בפולימורפיזם – ריבוי מצבי צבירה גבישיים אפשריים. כעת, לראשונה, הודגמה התופעה בחלקיקי זהב תת-מיקרומטריים. החוקרים "דקרו" את חלקיקי הזהב במחט יהלום, וזאת תחת מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM). החלקיקים חזרו לצורתם המקורית בעקבות טיפול תרמי בחלקיקים הדקורים בטמפרטורה של 600 מעלות צלזיוס – כ-65% מטמפרטורת ההיתוך של הזהב.

תמונות מיקרוסקופ של החלקיק ה"דקור" (בפינה השמאלית התחתונה) ושל החלקיק אחרי טיפול תרמי בטמפרטורה של 600 מעלות צלזיוס (בפינה הימנית העליונה). התמונות באפור צולמו במיקרוסקופ אלקטרונים סורק, ואילו התמונות הצבעוניות התקבלו במיקרוסקופ כוח אטומי. התרשים מימין למטה מדגים את "שיטוטו" של אטום הזהב לאורך המדרגות ואת חזרתו לעקבה שבראש החלקיק. ה"שיטוט", או הדיפוזיה, הוא דוגמה קלאסית לתהליך בלתי הפיך; המעוות הפלסטי הוא תהליך בלתי הפיך ולכן מפתיעה העובדה שהשילוב בין שני תהליכים בלתי הפיכים (עיוות החלקיק באמצעות מחט חד ודיפוזיה על פני החלקיק) מובילים לתהליך הפיך – שחזור צורתו המקורית של החלקיק. מקור: באדיבות הטכניון.

תמונות מיקרוסקופ של החלקיק ה"דקור" (בפינה השמאלית התחתונה) ושל החלקיק אחרי טיפול תרמי בטמפרטורה של 600 מעלות צלזיוס (בפינה הימנית העליונה). התמונות באפור צולמו במיקרוסקופ אלקטרונים סורק, ואילו התמונות הצבעוניות התקבלו במיקרוסקופ כוח אטומי. התרשים מימין למטה מדגים את "שיטוטו" של אטום הזהב לאורך המדרגות ואת חזרתו לעקבה שבראש החלקיק. ה"שיטוט", או הדיפוזיה, הוא דוגמה קלאסית לתהליך בלתי הפיך; המעוות הפלסטי הוא תהליך בלתי הפיך ולכן מפתיעה העובדה שהשילוב בין שני תהליכים בלתי הפיכים (עיוות החלקיק באמצעות מחט חד ודיפוזיה על פני החלקיק) מובילים לתהליך הפיך – שחזור צורתו המקורית של החלקיק. מקור: באדיבות הטכניון.

גילויה של תופעת זיכרון הצורה בחלקיקים אלה מפתיעה, לדברי פרופ' רבקין, משתי סיבות: "ראשית, צורתם המקורית של החלקיקים לא היתה 'מושלמת' במונחים של אנרגיה ושיווי משקל ושנית, זהב במצבו המוצק אינו מאופיין בפולימורפיזם."

כדי להבין את התהליך לעומקו בחנו החוקרים את התנועה האטומית הן במהלך הדקירה והן במהלך החימום, וזאת באמצעות סימולציות של דינמיקה מולקולרית אטומיסטית במחשב. הם הראו כי המעוות (דפורמציה) הנוצר בזמן הדקירה מתוּוך על ידי נוקליאציה והחלקה (nucleation and glide) של לולאות נקעים – פגמים חד-ממדיים בגביש שבאמצעותם הוא עובר דפורמציה פלסטית. הנקעים יוצרים מדרגות על פני החלקיק, ומדרגות אלה משמשות מעין "מסילות מנחות" המובילות את אטומי הזהב חזרה לעקבה (אתר הדקירה) בתהליך של דיפוזיה בטמפרטורה גבוהה. כך חוזר החלקיק לצורתו המקורית.

מעניינת במיוחד העובדה שבשעה שדפורמציה פלסטית ודיפוזיה הן דוגמאות קלאסיות של תהליכים בלתי הפיכים, השילוב ביניהן יכול לבטל את אותה אי-הפיכות ולהוביל לשחזור מלא של צורת החלקיק. כדי להבין כמה מפתיע התהליך הזה אפשר לחשוב על קפה שנשפך מכוס ולאחר מכן הוא מזנק מהרצפה חזרה אל תוך הכוס או על מכונית החוזרת לצורתה המקורית אחרי תאונת טוטאל-לוס. לדברי פרופ' רבקין, גילויו של אפקט זיכרון הצורה בחלקיקי מתכת ננומטריים ומיקרומטריים עשוי לסייע בתכנון וביצירה של רכיבים והתקנים תת-מיקרומטריים שיהיו יציבים וחסינים בפני נזקים. "כולנו מכירים, לדוגמה, את תקלות הטעינה בסמארטפונים הנובעות משחיקת האזור שאליו מתחבר כבל ההטענה. ייצור אזור זה מחומרים בעלי יכולת ריפוי עצמי ימנע את השחיקה האמורה ואת הצורך בתיקון. שימוש אפשרי נוסף הוא הובלה מבוקרת של תרופות ליעדים בגוף החולה, וזאת על ידי החדרת תרופה לעקבה שתפלוט אותה החוצה בעקבות חימום."

למאמר המלא ב- Advanced Science לחצו כאן

תגובה אחת ל “הזהב זוכר”

  1. אבי

    נכון- פעם קיבלתי קפיץ כזה מ"מתכת זוכרת" – כשמותחים אותו לחוט הוא נשאר חוט, בחימום הוא חוזר לצורת קפיץ.
    בזמנו בחברת הסטרטאפ שבה עבדתי רצו להשתמש בזה לסטנטים (קפיצים שתומכים בעורקים) , מחדירים קפיץ כזה במצב מיושר לתוך העורק ובחום הגוף הופך חזרה לקפיץ שתומך בדופן העורק. (לא יודע מה קרה עם זה אחריכן )
    אפשר גם לייצר כפיות כאלה שבאופן רגיל הם מכופפות , ואפשר לישר אותם , ואחר כך בחימום קל הם מתכופפות חזרה – יכול להיות שימושי לקוסמים מכופפי כפיות.

הוספת תגובה

  • (will not be published)