מתברר שככל שסדק בחומרים פריכים קצר יותר – כך הם יותר עמידים אליו, מה שיכול לסייע בתכנון ושימוש של יישומים שמתבססים על חומרים פריכים
עד כמה חומרים עמידים לסדקים והאם ניתן למנוע את שבירתם? לחומרים פריכים יש אנרגיה נמוכה לשבר, כלומר הם נשברים בקלות. חומרים אלו משמשים בין השאר בתעשיית המיקרואלקטרוניקה, אנרגיה, ביולוגיה וליישומים רבים כגון מצעים למעגלים מודפסים (הלוחות שעליהם מונחים רכיבים אלקטרוניים היוצרים מעגל חשמלי, למשל במחשבים ובטלפונים), וכו בסוללות, רכיבים אופטיים והתקנים בהשראת הטבע (Bio-Inspired Materials). לכן חשוב להכיר את תכונותיהם ולדעת כיצד למנוע התפשטות סדקים בתוכם, בתהליכים שעלולים להביא לשבירתם.
מה השאלה? במה תלויה התנגדות החומר להתקדמות סדקים בתוכו?
פרופ’ דב שרמן מבית הספר להנדסה מכנית באוניברסיטת תל אביב חוקר תכונות מכניות של חומרים. בתוך כך הוא מתמקד בהתקדמות של סדקים בחומרים פריכים ובעיקר בחד-גבישים – שבהם האטומים מסודרים בצורה מחזורית קבועה (כגון סיליקון, קוורץ וליתיום ניובט) ונחשבים לשבירים יותר. במקביל הוא בוחן את התיאוריה של השבר שפיתח לפני 100 שנה המהנדס הבריטי אלן ארנולד גריפית (A.A. Griffith, 1921). תיאוריה זו מאפשרת לנסח את חוזק החומר בנוכחות סדקים. לפיה, בכל חומר ישנם סדקים בגדלים ובכיוונים משתנים, וכאשר מופעל עליו כוח, הסדקים הגדולים מתפשטים במהירות וגורמים לשבירתו. בנוסף היא גורסת כי התכונה של החומר שמתנגדת לאתחול ולהתקדמות של סדק היא אנרגיית פני השטח החופשיים של החומר משום שסדק יוצר שני פני שטח חופשיים חדשים. תיאוריה זו תרמה לתכנון חומרים למרות הסדקים שבהם. תצלום של פני השבר בדגם סיליקון, על פני שני ישורי השבר, מראה שפרופיל הסדק הוא בעל עקמומיות מסויימת
“גריפית קבע את החוקים שלפיהם סדקים מתקדמים בחומרים, ואני בוחן אותם שוב בניסויים וחישובים. כאמור, לכל חומר יש תכונת התנגדות להתקדמות סדקים אבל בחומרים פריכים היא חלשה יחסית. אני בודק בדיוק רב יותר אילו תכונות בחומרים גורמות להם להישבר ואיך בכל זאת ניתן לתכננם, כך שיהיו כמה שפחות סדקים ושהם יהיו קצרים ככל הניתן”, אומר פרופ’ שרמן.
במסגרת מחקריהם חותכים פרופ’ שרמן והסטודנטים בקבוצתו דגמים מפרוסות סיליקון תעשייתיות ויוצרים בהם חריצים דקים באמצעות קרן לייזר. אחר כך הם מחממים אותם על פלטה חשמלית בכ-200 מעלות ואז טובלים אותם בצלוחית מים. כך נוצר הלם תרמי (חימום ואחר כך קירור מהיר) הגורם לסדקים טבעיים (בעובי של אטום) באורכים משתנים, לפי גובה המים. אחר כך הם מדביקים את הדגמים הסדוקים באמצעות דבק אפוקסי בתוך פתח מלבני בפלטת אלומיניום. לאחר שהדבק מתקשה, הם שמים אותם על פלטה חשמלית ומחממים בחמש עד עשר מעלות. כיוון שאלומיניום מתפשט הרבה יותר מסיליקון, הסיליקון נמתח והסדקים מתקדמים מהר. בשלב זה מחשב פרופ’ שרמן באמצעות תוכנות ייעודיות את רמת האנרגיה לשבר של החומר (רמת התנגדותו להתקדמות הסדקים בתוכו). בנוסף, הוא מודד את מהירות התקדמות הסדקים, לפי המתח החשמלי על פני הדגמים, במכשיר מדידה ייעודי (אוסצילוסקופ מהיר – משקף תנודות).
המדענים גילו כי שיעור התנגדות החומר לאתחול של סדקים תלוי באורכם. ככל שהסדקים קצרים יותר – כך גוברת התנגדות החומר אליהם. וככל שהסדקים ארוכים יותר – כך נחלשת התנגדות החומר אליהם. ההבדל באנרגיה לשבר בין שני המצבים משמעותי מאוד, עד פי שלושה-ארבעה.
כך, בין השאר, גילו פרופ’ שרמן וצוותו כי שיעור התנגדות החומר לאתחול של סדקים תלוי באורכם. ככל שהסדקים קצרים יותר – כך גוברת התנגדות החומר אליהם. וככל שהסדקים ארוכים יותר – כך נחלשת התנגדות החומר אליהם. ההבדל באנרגיה לשבר בין שני המצבים משמעותי מאוד, עד פי שלושה-ארבעה. “מכאן ניתן להבין שאפשר לתכנן יישומים שמתבססים על חומרים פריכים קלי משקל שבהם נוצרים סדקים קצרים יחסית, ואז התנגדות החומר להתקדמותם תהיה חזקה יותר”, מסביר פרופ’ שרמן. עקומת מהירות הסדק, V, לעומת האנרגיה המושקעת G0, בדגמים בעלי אורך משתנה. סדקים קצרים מראים אנרגיה לשבר גבוהה יותר.
עוד נמצא שפרופיל הסדקים הוא בעל עקמומיות מסוימת, מה שהוביל את פרופ’ שרמן לפתח מודל אטומי (שנקרא קינקים, Kinks, בדומה להתקדמות קו נקע בחומרים) שמסביר את הקשר בין התכונות המאקרוסקופיות לשבר (אנרגיה לשבר) לבין קריעת הקשר בין האטומים שעל הסדקים. מודל זה מבהיר את הסיבות שבעטיין האנרגיה לשבר של הסדקים משתנה.
בקבוצתו של פרופ’ שרמן גם משתמשים במיקרוסקופ מנהור סורק (שבעזרתו ניתן לבחון משטחים ברמה האטומית), כדי לבחון את המבנה האטומי של סדקים בדגמים שכבר נשברו. “בניסויים כגון אלו אני יכול לראות כיצד התקדמות הסדקים קובעת את דרך שבירת הקשר הבין-אטומי בחומר, פורמת אטום אחרי אטום. כך למעשה אני מבין את התקדמות הסדקים מבחינה איכותית וכמותית, ברמה המיקרוסקופית והמקרוסקופית, ויכול להסביר במדויק מהי מערכת היחסים בין החומר לסדקים ומדוע מידת התנגדותו משתנה עם אורכם”.
בשלב הבא, בתמיכת הקרן הלאומית למדע, מתכננים פרופ’ שרמן וצוותו לעשות ניסויים דומים בחומרים נוספים, בין השאר פריכים רב-גבישיים, כגון זכוכית וקוורץ.
החיים עצמם:
פרופ’ דב שרמן, נשוי + שלושה ילדים, מתגורר בתל אביב. מאוהב בסדקים כבר מילדות (“כשהייתי סטודנט אמא שלי שאלה אותי מה אני עושה במעבדה וסיפרתי לה שאני שובר דברים. היא ציינה שכבר בגיל שנה וחצי הטחתי צלחות וכוסות ובחנתי את התנפצותן. בקיצור, אפשר לומר שאני הנסיין הוותיק ביותר בתחום”). בנוסף, אוהב להאזין למוזיקה קלאסית ולטייל עם חברים בארץ ובעולם.
