צוות חוקרים מבר אילן גילו את הסיבה לחוזקו של היהלום

אטומי הפחמן שאינם קשורים ישירות זה לזה, דוחים את שאר האטומים וכוח זה מונע את כיווץ היהלום, מסביר פרופ' שמריהו הוז, שעמד בראש קבוצת המחקר בשיחה לאתר הידען. המאמר מתפרסם בכתב עת המוקדש למחקרים בכימיה-פיסיקלית ולדברי הוז יתן כלים לפיתוח חומרים חזקים עוד יותר * בצוות שותף גם פרופ' אלי אלטוס מהטכניון

צוות מדענים מאוניברסיטת בר-אילן, הצליח לפצח את הסוד שהופך את היהלום לקשה כל כך. כולנו יודעים שהיהלום הוא החומר החזק ביותר בטבע ובמשך שנים חקרו מדענים רבים ברחבי העולם את הסיבה לכך. כעת נמצא הפתרון דווקא בישראל.

צוות החוקרים, בראשותו פרופ' שמריהו הוז מהמחלקה לכימיה באוניברסיטת בר אילן, גילה כי האינטראקציות בין האטומים שביהלום, שאינם קשורים ישירות אחד לשני, הן הגורם העיקרי לקושי. “כידוע, יהלום מורכב מפחמן טהור”, מסביר פרופ' הוז. “כל אטום פחמן ביהלום מוקף בארבעה אטומי פחמן נוספים הקשורים אליו ישירות, וכל אחד מאטומים אלו קשור לשלושה אטומי פחמן נוספים. כך נוצר מבנה מיוחד בהרכב היהלום ובו, סביב כל אטום ישנם 12 אטומי פחמן שאינם קשורים אליו. במחקר גילנו כי הדחייה בין אטומים אלו היא אחד הגורמים העיקריים לכך שהיהלום כה קשה”.

תגלית זו, שתפורסם בגיליון הקרוב של כתב העת המדעיThe Journal of Physical Chemistry , תוכל להוביל לפיתוח חמרים נוספים שיצטיינו בדרגת קושי גבוהה במיוחד ואולי אף גבוהה מזו של יהלום.

אין זו הפעם הראשונה שצוות המדענים הזה חושף תופעות חשובות בחקר החומרים. קבוצת המחקר, הכוללת כאמור את פרופ' שמריהו הוז, פרופ' הרולד בש וד”ר ליאור יצחקי מהמחלקה לכימיה בבר-אילן, ואת פרופ' אלי אלטוס מהטכניון, עוסקת זה מספר שנים בחקר תקפותם של חוקי הנדסת המכונות בעולם הננומטרי, ולא מכבר אף חשפה את קיומם של מוטות מולקולאריים סינתטיים שחוזקם גדול פי 40 מזה של יהלום. “לחקר עולם הננו (שיחידותיו נמדדות באלפיות מיקרונים) באמצעות הכלים של הנדסת מכונות, עשויה להיות חשיבות רבה בהרחבת הידע האנושי כמו גם בתחום היישומי.” אומר פרופ' הוז.

בשיחה עם אתר הידען, מסביר פרופ' הוז: “מהנדסי מכונות משתמשים בכלים שונים כדי לבחון חומרים. באמצעות כלים אלה ניתן ניתן לבדוק את הקושי של חומרים, את הגמישות שלהם, מתי הם נשברים וכו'. אנחנו ניסינו להפעיל את הכלים הללו ברמה הננו-מולקולרית והתחלנו לבחון תחילה האם מוטות, שהמבנה החזק ביותר שלהם כפי שמשתמשים בו בפסי רכבת ובקורות בניינים, הם גם המבנה החזק ביותר ברמה הננומטרית או המולקולרית. מסתבר שאין הדבר כך.

הקורה החזקה ביותר שמהנדסים בה היא קורה המכונה I BEAM שחתך הרוחב שלה מזכיר את האות I גדולה, כמו שרואים בפסי רכבת ובקורות המהוות את השלד של בניינים. אחת השאלות שאנחנו שואלים במחקר שלנו בגדול היא באיזו מידה, אמת כזו נכונה גם בעולם הננו. ”

“במהלך החיפושים חקרנו מוטות שונים המבוססות על חומרים שונים ולפיכך הן גם בעלי צורות שונות. אחד המוטות שבדקנו הציג תופעה משונה – כשמתחנו וכיווצנו אותו החלקים הלא “נכונים” שלא חשבנו עליהם נשאו בעיקר הנטל של הכיווץ או המתיחה. כשהסתכלנו היטב על החלקים הללו, ראינו שמה שמונע מהיחידה השנייה לקרוס, להתכווץ או להמתח (בהתאם לפעולה שביצענו) אלו הם ה-NON BONDED INTERACTION – אינטראקציות בין אטומים שאינם קשורים ישירות זה לזה.”

למה הכוונה בקשרים בין אטומים שאינם קשורים ישירות?

פרופ' הוז: “כשמסתכלים על יהלום רואים שהוא מורכב מאטומי פחמן המחוברים יחדיו. לפחמן יש ארבעה קשרים והוא מוקף לפיכך בארבעה אטומי פחמן אחרים אליהם הוא קשור. נבחר באטום פחמן אחד כלשהו שנקרא לו האטום המרכזי של היהלום נראה כמובן שסובבים אותו במרחב ארבעה אטומי פחמן אחרים. כל אחד מהם קשור לאטום המרכזי ולעוד שלושה אחרים, כלומר בקרבתו של האטום המרכזי ישנם עוד 12 אטומים (4 השכנים הקרובים ביותר אליהם הוא קשור ועוד 3 שכל אחד מהשכנים הללו קשורים אליהם). האטומים הללו נמצאים במרחק קטן יחסית מהאטום המרכזי וקיימת בינם לבין האטום המרכזי דחיה. כשלוחצים על אטום ביהלום, מקטינים את המרחקים הללו והדחייה הולכת וגדלה זאת כנראה, אנחנו מניחים, הסיבה לכך שיהלום הוא כל כך קשה. יש עוד סיבה לקושיו של היהלום והיא הסיבה הקלאסית. כידוע מרבית החומר (פרט למתכות או גזים אצילים) מורכב ממולקולות -פרודות של חומר. בין הפרודות ישנם מרווחים גדולים. כשלוחצים על החומר מה שנדחס אלו לא המולקולות עצמן אלא המרווחים ביניהן מצטמצמים. יהלום, לעומת חומר רגיל, אם הוא מושלם, הוא מולקולה אחת גדולה ולכן קשה לדחוס אותו אבל עדיין יש מתכות שגם הן מולקולה אחת גדולה אך הן לא כל כך חזקות. הסיבה לקשיות העודפת לפי ההצעה שלנו הן אותם אינטראקציות בין אטומים שאינם קשורים ישירות אחד לשני.”

מה גורם לאטומים הללו לדחות אחד את השני ואת האטום ה”מרכזי”?

“בגדול זו הדחיה המוכרת בין ענני אלקטרונים: Inter-electronic Repulsion . בין כל שתי מולקולות כמו לדוגמה מולקולות חנקן, האלקטרונים דוחים אחד את השני וכתוצאה מכן המולקולות מנטרות חזרה כדי להתרחק. ככל שמנסים לקרב אותן האנרגיה הנדרשת לכך הולכת ועולה. כאשר האטומים קשורים ביניהם, הרווח האנרגטי של הקשר מקזז את הדחיה ואף יותר מכך הזו אבל כשהם אינם קשורים כמו במקרה שלנו ה-1 עם ה-12 מדובר באפקט של דחיה נטו.”

כיצד לדעתכם תסייע התגלית לפיתוח מוצרים חזקים יותר?

“בגדול כשמחפשים משהו יש שתי אפשרויות, האחת – ניסוי ותעייה, אתה מנסה את כל החומרים בעולם בודק חומר חומר אולי תמצא משהו, כמו שמחפשים תרופות לסרטן, והאפשרות השנייה היא לנסות להבין את התופעה ועל סמך ההבנה לבנות אסטרטגיה לסנתז חומרים כאלה. ההבנה שמצאנו כאן, בהנחה שהיא נכונה עשויה להיות אחד הנרות שיאירו את הדרך לסינתזה מושכלת של חומרים שיהיו יותר קשים מיהלום.

אחרי הפרסום מדענים אחרים ינסו לאמת את התגלית, אתם ערוכים לכך?

אנחנו העלינו את הרעיון, שהוא מעין השלכה של תופעה המוכרת במקומות אחרים בטבע גם על היהלום, ועכשיו תורה של הקהילה המדעית לחקור ולאמת או לנסות להפריך את התגלית. אנחנו בכל אופן ממשיכים הלאה. החידוש שלנו הוא בתרומה הצנועה הזו. לפי הספרות המקצועית בתחום זו הפעם הראשונה שמישהו הגיע לתובנה כזו ואנו מקווים שהיא נכונה.