ננו יהלומים לנצח

פרופסור אלון הופמן מהפקולטה לכימיה ע”ש שוליך מספר כיצד הפיק תועלת מתופעות בלתי צפויות בדרך לגילוי מנגנון ההיווצרות של ננו-יהלומים

מאת נעם ברקוביץ

לפני כשישים שנה יצאו חוקרים בהכרזה, שנשמעה בשעתו מופרכת לחלוטין, כי הצליחו לגדל גבישי יהלום זעירים בתנאים של לחץ תת-אטמוספרי וטמפרטורה של כמה מאות מעלות על-ידי שיקוע אטומי פחמן מהפאזה הגזית על פני משטח. השיטה המקובלת  בזמנו לייצור יהלומים מלאכותיים חד גבישיים  הצריכה לחצים עצומים של כ-70,000  Kg/cm² וטמפרטורה של מעל 2300 מעלות קלווין, ומשום כך התקבלה התגלית באדישות השמורה לתגליות בלתי אפשריות ונשתכחה כמעט לחלוטין.

חלפו מעל עשרים שנה עד שמדענים יפאניים הצליחו לחזור על הניסוי ולהסיר את הספק לגבי היתכנות השיטה. מחקרים רבים הוקדשו מאז להבהרת תהליכי ההיווצרות והגידול של שכבות יהלום רב-גבישיות בתנאים של טמפרטורה ולחץ יחסית נמוכים על פני חומרים שונים. כמה מהתגליות בתחום – בהן גילוי המנגנון בו נוצרים גרעיני הגיבוש של היהלומים מתוך התפרקות חשמלית – נעשו במעבדתו של פרופסור אלון הופמן מהפקולטה לכימיה.

החומר הקרמי של העתיד

פרופסור הופמן הגיע לגידול יהלומים מתחום חקר פני שטח ושכבות דקות במצב מוצק. שכבה דקה מוגדרת כמוצק בעל עובי של כמה עשרות עד כמה אלפי שכבות אטומיות. להבנת ושליטה על תכונות פני השטח חשיבות רבה כי העולם הסובב אותנו מורכב ממפגשים של משטחי ביניים, ויציבותם של חומרים נקבעת במידה רבה מתכונות פני השטח שלהם.

חוזקו ועמידתו של היהלום הופכים אותו למועמד מועדף כחומר ציפוי והגנה על משטחים המתמודדים עם תנאים קיצוניים של שחיקה מכאנית וקורוזיה כימית. הופמן זכה לפרס מיוחד מחברת ג’נרל מוטורס על פיתוחים שיאפשרו לצפות פלדה בשכבה דקיקה של גבישי יהלום ולהגדיל בכך את עמידותה לשחיקה. הופמן צופה כי השימוש בשכבות יהלום רב-גבישיות יתרחב לתעשיות האלקטרוניקה, ליישומים ביו-רפואיים ולתחום החלל וכי יהלום יהיה החומר הקרמי של העתיד.

תהליך גידול שכבות פולי יהלום מהפאזה הגזית כפי שמתבצע בפקולטה לכימיה בטכניון מתואר באופן סכמטי בתרשים שלהלן:

חוט הלהט נמצא בטמפרטורה של  כ-2000⁰ והמשטח במרחק כסנטימטר מתחתיו בטמפרטורה של  כ-700⁰. על פני המשטח נוצרים תחילה גרעיני התגבשות, ועקב הפרשים במצב האנרגטי בין הרדיקלים באזור חוט הלהט למשטח הגידול מתקבלים תהליכי ספיחה של אטומי פחמן אשר בנוכחות המימן האקטיבי גורמים לגדילה של גרעיני היהלום. שכבות יהלום פולי גבישיות רצופות גדלות בקצב של מיקרון לשעה.

כדי לצפות משטח מסוים בשכבת יהלום אחידה וחלקה יש צורך להביא לצפיפות גדולה של גרעיני הגדילה והופמן וצוותו חקרו כיצד ניתן לשלוט על פרמטר זה. הם ניסו לפתח שיטה כימית-פיזיקאלית להצמדה של גרעיני גדילה למשטח המיועד לציפוי, ובחנו בין השאר שימוש באמבט אולטרא סוני. בתהליך זה מכניסים את האובייקט המיועד לציפוי לתוך תערובת כוהל המכילה אבקת ננו-יהלומים וחלקיקים של חומרים אחרים ומפעילים עליה שדה אולטרא סוני.

פרופסור הופמן וצוותו הבחינו כי התהליך מגביר במידה רבה את צפיפות גרעיני הגדילה אולם קיבלו תוצאות משתנות שלא קידמו את הבנת התהליך, עד שבדרך מקרה הכניס אחד מאנשי הצוות – רוזה אחבלדיאני – לתוך התערובת גרגירי אלומינה גדולים, שהוא חומר קשה ועמיד מאוד. התוצאה היתה מעבר לכל המצופה – צפיפות הגרעינים גדלה בשלושה סדרי גודל מ-10⁸ ל-10¹¹ גרעינים לסמ”ר. החוקרים המופתעים הבינו כי אין מדובר בתהליך כימי משום שהאלומינה אינרטית בתנאי הניסוי, והסיקו כי התחולל תהליך מכני – גרגרי האלומינה הגדולים רטטו בהשפעת השדה האולטרא סוני והלמו כמו פטישים בחלקיקי היהלום הזעירים המרחפים בתמיסה, והצמידו אותם בכוח אל המשטח.

התגלית נולדה מתוך פעולה מקרית, אך הופמן מספר כי תוצאה בלתי צפויה בניסוי או תוצאה שנראית תחילה בלתי הגיונית מביאות פעמים רבות לפריצות דרך וגילויים במדע. את המסר הזה הוא מקפיד תמיד להעביר לתלמידיו. אין תחליף לתכנון ולעבודה קשה, אולם חשוב גם לא להתעלם מאירועים יוצאי דופן ומתוצאות שנראות תחילה מנוגדות לדעה המקובלת, משום שדווקא בהן מסתתרת לעיתים קרובות התגלית החשובה, מסביר פרופסור הופמן.

תגלית של שעת בין ערביים

רגע יוצא דופן נוסף מעין זה, שבו תוצאה מקרית הביאה לפתרון תעלומה גדולה, שימש את הופמן לתרום להבהרת המנגנון שבבסיס תהליך הגירעון, או נוקלאציה, של יהלומים מתוך חלקיקים אנרגטיים.

התגלית אירעה כאשר הופמן וצוותו בדקו את ההשפעה של שדה חשמלי על תהליך יצירת הננו יהלומים לאחר שעלתה השערה כי גרעיני הגיבוש נוצרים בהשפעת שדה כזה. גם כאן הניסוי סיפק תחילה תוצאות שלא התיישבו יחד, אולם הכל השתנה הודות לרגע אחד של צירוף מקרים ואינטואיציה מדעית. השעה היתה שעת בין ערביים, כך שבמעבדה שררה אפלולית. תלמידת המחקר אירינה גוזמן קראה להופמן לבחון את המתקן והפעילה את התהליך כפי שעשתה פעמים רבות קודם לכן. היא הפעילה את השדה החשמלי אולם הפעם שכחה להפעיל את חוט הלהט. באפלולית ששררה במעבדה הבחינו החוקרים להפתעתם בניצוץ בתוך מתקן הניסוי שנותר גם הוא חשוך בהיעדר פעולתו של חוט הלהט.

נאמן לשיטתו התמקד הופמן בממצא הבלתי צפוי והבין כי עלה על משהו חשוב. הצוות המשיך לבדוק את התופעה עד שהתמונה התחדדה והתבהרה. התברר כי השדה החשמלי הוא זה שגורם ליצירת התפרקות חשמלית בה נוצרים חלקיקים אנרגטיים אשר תורמים ליצירת הננו-יהלומים המהווים מרכזי גיבוש ראשוניים. בתנאים אלו מואצים יוני פחמן ומימן במהירות גדולה אל משטח בו הם יוצרים את הגרעין הראשוני של היהלום. תהליך יצירת הגרעין הראשוני וגידולו עד למימדים של ננו-יהלום הוסבר לאחר מכן ע”י ישעיהו ליפשיץ (כיום פרופסור בפקולטה להנדסת חומרים בטכניון), הופמן ואחרים ופורסם בעיתון היוקרתי Science בשנת 2002.

יהלומים בחלל

הופמן מכוון כעת את המחקר לגבהים חדשים ובודק את ההתנהגות של שכבות יהלום פולי גבישיות בחלל. בגובה של 200 עד 500 ק”מ מפני כדור הארץ, שבו חגים לוויינים, ישנם ריכוזים גבוהים יחסית של חמצן אטומי וקרינת UV המאכלים חומרים שונים ביעילות רבה. בניסויי מעבדה נמצאו שכבות פולי גבישיות של יהלומים כעמידות מאוד בסביבה הקשה בחלל. לאחרונה נשלחו שכבות יהלומים שגודלו במעבדה של הופמן עם מעבורת החלל אטלנטיס, לשהות של שנה בחלל. כשיחזרו תיבדק השפעת הסביבה עליהם והאם הם מתאימים לשמש כחומר ציפוי והגנה לחלקי לוויינים ובכך להאריך במידה ניכרת את עמידותם ואת אורך חייהם.

הממצאים המתוארים בכתבה קצרה זאת הינם חלק של עבודות המחקר רבות אשר נעשו בפקולטה לכימיה בשני עשורים האחרונים על ידי תלמידי מחקר רבים וצוות מחקר בהנחיית פרופסור הופמן ושותפיו.