חזק מפלדה גמיש כפלסטיק

סגסוגות חדשות של מתכת, חזקות מפלדה ומטיטניום, וגמישות וקלות לעיצוב כמו פלסטיק עשויות להביא מהפכה בתחום החומרים

איתן קרין, חמד”ע

הפלדה היא אחד הבסיסים עליו נשען העידן התעשייתי במאה ה-19, היא מאפשרת בניית מכונות ומבנים חזקים, אבל עיבודה יקר ומסובך. החומרים הפלסטיים, או פולימרים, עומדים במרכז המהפכה הטכנולוגית של המאה ה-20 וכיום אי אפשר לדמיין את עולמינו בלעדיהם. רוב החומרים הפלסטיים אינם קשים וחזקים כמתכת, אבל אפשר לעבד אותם בקלות לצורות מגוונות באמצעות שיטות פשוטות כמו הטבעה ויציקה בטמפרטורות נמוכות יחסית.

בשנים האחרונות צץ סוג חדש של חומר, שלדברי מפתחיו משלב את החוזק של המתכות עם הגמישות ונוחות העיבוד של הפלסטיק. הממציאים צופים שהחומר הזה יוביל למהפכת החומרים הבאה. מדובר בתערובות של כמה מתכות היוצרות סגסוגות בעלות מבנה מוצק אמורפי המכונה בשם המסחרי, המעט מטעה, “מתכת-נוזלית” -Liquidmetal® alloys .

מבנה גבישי של מתכת
בלימודי הבסיס במדע אנו לומדים שמוצקים הם חומרים שבהם האטומים, או המולקולות, ניצבים במקומם במבנה מסודר, שורות, טורים ושכבות, הקרוי שריג או גביש. לעומת זאת בנוזל יכולים האטומים או המולקולות לנוע ולחומר אין מבנה מסודר. אבל, למעשה, קיים גם מצב ביניים הקרוי מוצק אמורפי. בדומה למוצקים גבישיים גם במוצקים אלה האטומים אינם מסוגלים לנוע אבל כמו בנוזל הם אינם מאורגנים במבנה מסודר (ומכאן השם מתכת נוזלית).
חומרים פלסטיים רבים הם מוצקים אמורפיים, והדבר מקנה להם גמישות, אלסטיות ומקל על עיבודם. לעומת זאת מתכות הן מוצקים גבישיים: בעת יציקת המתכת היא מתקררת לאט ויוצרת מספר גדול של גבישונים קטנים. המוצק הגבישי אמנם חזק, אבל הוא אינו גמיש ונוטה להישבר ולהיסדק.

מבנה אמורפי של מתכת
מדענים ניסו לאורך זמן למצוא חומר שישלב בין העולמות – או במילים אחרות מתכת אמורפית. ואכן, בסוף המאה ה-20 התחילו להתגלות סגסוגות, תערובות של מתכות שונות, שאינן מתארגנות בגבישים. החומר הראשון מסוג זה, התגלה כבר ב-1959 במעבדות קלטק בקליפורניה לאחר קירור מהיר של זהב וצורן (סיליקון). הקירור המהיר גרם למתכת להפוך למוצק אבל בזמן הקירור הקצר לא נוצרו גבישים. אבל מן הסגסוגת הזאת היה אפשר להכין רק שכבות דקות מאוד, והיא אכן משמשת עד היום לציפוי משטחים.
פריצת הדרך התרחשה ב-1992, כשנמצאה הדרך להכין גושים גדולים של מתכת “נוזלית” מתערובת מסובכת של היסודות צירקוניום, טיטניום, ניקל, נחושת ובריליום. התערובת הזאת עוברת ממצב נוזלי בלתי מסודר למצב מוצק בלתי מסודר גם בקירור איטי, דבר המקל על הכנתה.
לאחר כמה חודשים של ניסויים קדחתניים הופק החומר הראשון בכמויות גדולות והוא נקרא בשם המסחרי Vitreloy. החומר היה אמנם חזק מאוד, מקל בקוטר 2.5 ס”מ יכול היה לשאת משקל של כ-140 טונות (לעומת השיא הקודם של כ-80 טונות שהושג באמצעות מקל טיטניום) אבל הוא היה רגיש למכות ונטה להתנפץ לרסיסים כמו זכוכית.
מחקר נוסף הביא בסופו של דבר בשנים האחרונות לייצורה של משפחת החומרים המכונה מתכת נוזלית שאינם נוטים להתנפץ ולייסוד חברה מסחרית בשם Liquidmetal המחזיקה בפטנטים להרכב, לייצור ולשימושים בחומרים האלה www.liquidmetal.com.

תכונות ייחודיות ושימושים מעניינים
בהשוואה למתכות גבישיות רגילות החומרים החדשים אינם נשברים אך יחד עם זאת הם אלסטיים חזקים ואינם עוברים קורוזיה (שיתוך). כדי להדגים את האלסטיות הגבוהה שלהם הכינו שלושה כדור פלדה זהים והפילו אותם על שלושה משטחים שונים: מפלדה, מטיטניום ומסגסוגת של “מתכת נוזלית”. הכדור קיפץ על משטחי הטיטניום והפלדה בין 20 ל-25 שניות, אך על משטח המתכת הנוזלית האלסטית הוא קיפץ במשך דקה ו-21 שניות (לחצו כאן לצפייה בסרטון).

מדעני החומרים מפתחים שימושים מגוונים לסגסוגות האמורפיות בתחומים רבים:

צבא: צבא ארה”ב מתעניין בסגסוגות לשימוש בתחמושת חודרת שריון כתחליף לסגסוגות האורניום המשמשות בה כיום. (האורניום, מלבד היותו מעט רדיואקטיבי הוא גם מתכת רעילה).
ספורט: חברת מחבטי הטניס HEAD שילבה את המתכות החדשות והאלסטיות בקו חדש ומהפכני של מחבטים שאומצו בידי כמה טניסאים בכירים כמו אנדריי אגסי. הסגסוגות נכנסו לשימוש גם במחבטי בייסבול.
רפואה: חוזק ואלסטיות הן התכונות החשובות ביותר בחלקי עצם להשתלה בשילוב עם אדישות כימית המונעת תגובה עם חומרי הגוף. כיום מפתחים שתלים חדשים לברכיים ולמפרקים אחרים שיכילו את הסגסוגות החדשות. שימוש רפואי נוסף הוא בניית כלי ניתוח עמידים, חדים ובלתי מתבלים.
חלל: חברת ליקוויד-מטאל משתפת פעולה עם סוכנות החלל האמריקאית, נאס”א, לבחינת שימוש במתכות האלה בחלליות עתידיות.
תקשורת ואלקטרוניקה: החוזק והעמידות לשריטות הופכים את המתכות למוצר מבוקש בתעשיית האלקטרוניקה. הסגסוגות מאפשרות ייצור טלפונים ניידים, דיסקים קשיחים ניידים (disk-on-key) ומחשבים נישאים דקים יותר אך גם חזקים יותר ועמידים לשריטות, תכונה חשובה לכל מי שנושא את המכשירים בכיסו יחד עם המפתחות. יצרני הטלפונים מצאו שהמתכות יעילות במיוחד לשימוש בצירי המכשירים המתקפלים.
תכשיטים: גם כאן, פני השטח החלקים, העמידות לשריטות ולבלייה כימית והחידוש לשמו הפכו את סגסוגות המתכת החדשות למוצר מבוקש ליצרני תכשיטים ושעוני יוקרה כמו אלה של החברה השוויצרית TAG Heuer.

ידען הפיסיקה
אתר חמד”ע
https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~407157848~~~57&SiteName=hayadan