ידענים: ננו חומרים

מאת 1 בספטמבר 2014 6 תגובות

חוקרים באוניברסיטת תל אביב פענחו את הסוד ליציבותם של קווזיגבישים בדומה לאלו שעל גילויים זכה פרופ' דן שכטמן מהטכניון בפרס נובל לכימיה לשנת 2011

מצב איור:  המולקולות, המופיעות כנקודות אדומות, מתגבשות למבנה התואם לחלוטין את המודל המתמטי, המתואר בשחור-לבן, ויוצרות (משמאל לימין, המשך בשורה השניה) גבישים עם סימטריה לסיבוב ב 180, 90, 60, 36, ו-30 מעלות.

בשנת 1982 גילה המדען הישראלי דן שכטמן תופעה שנחשבה עד אז לבלתי אפשרית מבחינה מדעית: גבישים שאינם מחזוריים. עד לאותה עת סברו המדענים שהאטומים המרכיבים את הגבישים מסודרים תמיד באופן מחזורי, בדומה למשבצות הריבועיות על לוח השחמט או לתאים המשושים בחלת הדבש. הגילוי המהפכני של פרופ' שכטמן הוכיח שאין זה בהכרח כך וזיכה אותו כ-30 שנה לאחר מכן בפרס נובל בכימיה. רוב הגבישים מהסוג ששכטמן גילה, המכונים גבישים קווזי-מחזוריים או קווזיגבישים בקצרה, הם סגסוגות מתכתיות מוצקות. לאחרונה התגלו קווזיגבישים מחומרים רכים המורכבים ממולקולות גדולות מאוד וגמישות – כאלו שניתן יחסית בקלות לשנות את הגודל והצורה שלהן – והתעוררה השאלה האם ניתן לתכנן את המולקולות הללו ולקבל איזה גביש שרוצים.

במאמר חדש המתפרסם בכתב העת Physical Review Letters הדגימו חוקרים מאוניברסיטת תל אביב, בראשות פרופ' רון ליפשיץ מבית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה, בשיתוף עם עמיתם מיכאל אנגל מאוניברסיטת מישיגן שבארה"ב, כיצד ניתן לעשות זאת. הם פיתחו שיטה חדשה לתכנן ולשלוט בהיווצרותם של גבישים רכים, מחזוריים או לא-מחזוריים, בעלי מגוון מבנים וסימטריות שונות. בעתיד עשויה השיטה להוביל לפיתוחים חדשניים, ביניהם חומרים עם תכונות אופטיות מתקדמות.

להנחות את המולקולות כיצד להסתדר כאשר החומר מתגבש

"אנחנו עוסקים בחומרים רכים המורכבים ממולקולות גדולות וגמישות, כמו כדורי ספוג עם שערות ארוכות," מסביר פרופ' ליפשיץ. "אנחנו שאלנו את עצמנו האם על ידי תכנון פשוט של גודל 'הכדור' ואורך 'השערות' נוכל לגרום למולקולות להסתדר כרצוננו בשעה שהן מתגבשות."

יחד עם תלמיד המחקר קובי ברקן ופרופ' חיים דימנט מבית הספר לכימיה בנו החוקרים מודל מתמטי עבור תהליך ההתגבשות של חומרים רכים אלו, ופענחו את סוד יציבותם של הגבישים הנוצרים – הן המחזוריים והן אלה שאינם מחזוריים. כעת, על סמך התיאוריה המתמטית הזו, תכננו החוקרים מולקולות בצורות שונות ונתנו למחשב לבצע סימולציה של תהליך ההתגבשות כדי לראות איזה גביש יתקבל. "שמחנו לגלות," אומר קובי ברקן, "שתמיד קבלנו את הגביש שרצינו. אנחנו יודעים לתכנן גבישים מחזוריים בעלי סימטריה כפולת-ארבע וכפולת-שש, וכן קווזיגבישים בעלי סימטריה כפולת-עשר וכפולת-שתים-עשרה." החוקרים צופים כי בעתיד ניתן יהיה להיעזר בשיטה שלהם כדי לייצר גבישים רכים בעלי תכונות חדשניות, ממש 'לפי הזמנה'.

"גבישים מחומרים רכים המורכבים ממולקולות גדולות מתאימים במיוחד לייצורם של 'חומרי-על' או 'מטה-חומרים' (metamaterials) – חומרים מהונדסים בעלי תכונות ייחודיות, שאינם מצויים בטבע בצורתם זו. בשל גודל המולקולות התואם את אורך הגל של האור הנראה ישנו פוטנציאל לפיתוח חומרים בעלי תכונות אופטיות מתקדמות," מסכם פרופ' ליפשיץ. "בדרך כלל יש צורך לייצר את החומרים הללו באופן מלאכותי באמצעים מתקדמים ויקרים של ננו-טכנולוגיה. הגבישים שלנו גדלים מעצמם, אבל זה נראה כאילו שאנחנו מנחים את המולקולות כיצד להסתדר."

למאמר המדעי

6 תגובות ל “קוואזי גבישים שמסתדרים מעצמם על פי הזמנה”

  1. ניסים

    מאיה
    אמרת את הנקודה החשובה. אם מצאת משהו אמיתי, וניתן לשחזר את הניסוי, אז בסוף הקהילה המדעית תקבל את זה. צריך לזכור שמדענים הם אנשים…

  2. מאיה

    שלום לאייל וניסים,
    בהחלט היו אנשים שראו את הקוואזי גבישים, אולי גם לפני, אבל בוודאות אחרי שכטמן. באותה התקופה הייתה תיאוריה מבוססת בקריסטלוגרפיה אשר גרסה כי הסימטריות הסיבוביות היחידות שיכולות להיות הן 2,3,4,6 ואילו בגבישים של שכטמן הייתה סימטריה סיבובית מסדר 5. העובדה הזו גרמה למדענים להיות מאד סקפטים. בנוסף, הייתה, כמובן, ההתנגדות העזה של ליינוס פאולינג, אחד האנשים החזקים בתחום הכימיה, לעניין הקוואזי גבישים ולמעשה היה קשה למדען להגיד שהוא מסכים לקוואזי-גבישים עד מותו של פאולינג ב 94 (לפני כן, היה חשש להרגיז אותו…) בכל מקרה, הסקפטיות של המדענים הלכה ודעכה ככל שראו שאכן התוצאות היו רפרודסוביליות וחזרו בידי מדענים שונים.
    בנוגע למדוע הוא קיבל נובל, אינני יודעת (כי אני לא נמצאת בראש של ועדת פרס נובל) אבל אם הייתי חייבת לנחש הייתי אומרת שזה בגלל שתי הסיבות הבאות:
    1. הוא התעקש על נכונות התגלית שלו גם כשהקהילה המדעית לא קיבלה אותו.
    2. הוא אסף סביבו תיאורטיקנים אשר נתנו הסבר תיאורטי לגבישים שהוא מצא והרחיבה את התיאוריה הקיימת. למרות שהוא לא פיתח את התיאוריה בעצמו, הפיתוח לא היה מתאפשר ללא התגלית שלו וללא ההתעקשות שלו.
    הסיפור הזה אהוב מאד על מבקרי המדע כדוגמא ל"סגירות הראש" של הקהילה המדעית וחוסר היכולת שלה לקבל תצפיות הסותרות את הפארדיגמות. זה קצת מצחיק כי הסיפור הזה מתאר בדיוק את היכולת של הקהילה המדעית לקבל רעיונות חדשים שמקדמים את המדע ואף להעניק עליהם פרס נובל. נכון, זה לא קל להכניס קונספט חדש, כמו בכל מקום (גם מדענים הם אנשים) וזה קשור הרבה לעובדה שרוב הקונספטים החדשים פשוט אינם נכונים. אבל כשיש קונספט חדש שנתמך ע"י ראיות באופן ברור כ"כ, הוא בהחלט יתקבל ע"י הקהילה (ולא בכ"כ הרבה זמן, התגלית הייתה בתחילת שנות ה 80).

  3. אייל

    היי ניסים, הסיפור על שני המדענים מוכר לי, אך עדיין לגבי הגבישים זה נראה לי מוזר… גם לא ברור לי מדוע רק דן שכטמן ראה את הגבישים הלא מחזוריים האלו, האם הם כל כך נדירים שהם נוצרו רק אצלו במעבדה ולא בשום מקום אחר בעולם ? איך זה שאף מדען אחר לא נתקל בהם קודם ? אולי חלק מהעבודת המחקר שלו הייתה שיטה ליצור את הגבישים האלו ? (סתם ניחוש פרוע)

  4. ניסים

    אייל
    בקשר לחלק השני – יש הרבה מיקרים כאלה: אנשים שקיבלו פרס נובל על משהו שנראה קטן. פנזיאס ווילסון קיבלו פרס נובל ב-1978 על משהו שהם חשבו שזה קקי של יונים…..
    אני חושב שמה שחשוב זה משמעות הגילוי ולא כמה הושקע בגילוי עצמו. בנוסף, ייתכן מאד שאילו פנזיאס ווילסון לא היו מתעקשים להבין את הרעש שהם ראו, או לא היו פדנטיים (מקצועיים) כל כך, היו עוברים שנים עד שהיו מגלים את הקרינה הקוסמית.

  5. אייל

    שני דברים עיקריים עדיין לא הצלחתי להבין בקשר לזכייה של דן שכטמן –

    1. מדוע לקח כל כך הרבה זמן עד שמדענים אחרים הסכימו לקבל את התגלית ? האם הם לא יכלו להסתכל במיקרוסקופ ולראות במו עיניהם את הגבישים שראה דן שכטמן ? מדוע הם לא עשו זאת ?

    2. על מה דן שכטמן קיבל את הפרס, על כך שהוא במקרה הסתכל על גביש תחת מיקרוסקופ וראה שהוא לא מחזורי ? איזו עבודת מחקר הייתה כאן חוץ מלהסתכל על הגביש ולומר אני רואה ככה וככה ? (אין כאן שום נימה של זילזול, שלא יובן לא נכון זו פשוט נקודה שלא ברורה לי)

    תודה מראש אם מישהו ידע לענות לי.

הוספת תגובה

  • (will not be published)