חיבורן של יריעות חומר בעלות עובי של אטום אחד יוצר חומרים עם תכונות חדשות לגמרי ופותח צוהר לאפשרויות מדהימות * ההתקדמות האנושית תמיד הייתה קשורה קשר הדוק לגילויָם של חומרים חדשים וקוביות לגו בקנה מידה ננומטרי הן משהו שעוד לא היה כדוגמתו.
דורות של מוחות חכמים קיבלו השראה מלֶגו: קוביות הפלסטיק הקטנות המתחברות זו לזו. הקוביות האלה הפכו למכוניות דמיוניות, לטירות רחבות-ידיים וליצירות אחרות הגדולות מסכום מרכיביהן. כיום, דור שלם של מדעני חומרים מקבל השראה מסוג חדש של קוביות לגו: אבני בניין בקנה מידה אטומי.
אבני הבניין החדשות האלה הן יריעות חומר דקיקות שעוביין יכול להגיע עד כדי אטום אחד ושאפשר לערום אותן זו על זו באופן מסודר ומדויק. הדיוק חסר התקדים הזה בבניית חומרים יכול לאפשר ייצור של חומרים בעלי תכונות אופטיות וחשמליות שבעבר היה בלתי אפשרי להשיג. התכונות האלה מאפשרות למדענים לדמיין יישומים עתידיים כמו התקנים שיורכבו מחומרים שהתנגדות החשמלית שלהם כמעט אפסית, מחשבים מהירים יותר ובעלי עוצמת חישוב גדולה יותר מן המחשבים המצויים היום, וגאדג’טים אלקטרוניים קלילים שיהיה אפשר ללבוש אותם, לכופף אותם ולקפלם.
פריצת הדרך הזאת נבעה מיצירתו של חומר בשם גרפֵן, המורכב מיריעה יחידה של אטומי פחמן. עמיתיי ואני באוניברסיטת מנצ’סטר שבאנגליה בודדנו את החומר הזה מגוש עבה יותר של גרפיט ב-2004. יצרנו את יריעת הגרפן, חומר שברמה האטומית מורכב ממשטח דו-ממדי של משושים, ולכן נראה קצת כמו רשת לגידור לולי תרנגולות, על ידי תלישה של שכבות בעובי של אטום אחד מקצהו של גוש גרפיט באמצעות סרט הדבקה. במהלך עשר השנים האחרונות הצליחו חוקרים למצוא עוד כמה עשרות גבישים שמהם אפשר לשלוף יריעות דו-ממדיות של חומר בצורה דומה, ומספר הגבישים האלה מוסיף לעלות במהירות. נציץ (מיקה) הוא דוגמה אחת לגביש כזה וכך גם חומרים בעלי שמות אקזוטיים כמו בור חנקני הֶקסַגוֹנַלי ומוליבְּדֶן דו-גופרי.
יריעות הגבישים האלה נחשבות דו-ממדיות כי עובי של אטום יחיד הוא העובי המזערי שאליו יכול להגיע כל חומר. (אפשר להשתמש גם בגבישים עבים מעט יותר, למשל בעובי של שלושה אטומים.) הממדים האחרים של היריעות הדו-ממדיות האלה, כלומר אורכן ורוחבן, יכולים להיות גדולים הרבה יותר, בהתאם למטרותיו של יוצר החומר. בשנים האחרונות נעשו גבישים דו-ממדיים נושא לוהט במדע החומרים ובפיזיקה של מצב מוצק מפני שיש להם תכונות ייחודיות רבות.
אפשר לערום את השכבות האלה בדרכים יציבות למדי, אף על פי שהן אינן נקשרות זו לזו בדרך הכימית הרגילה, למשל בקשרים קוולנטיים שבהם אטומים משתפים אלקטרונים זה עם זה. לעומת זאת, בחומרים האלה, אטומים משכבות צמודות, נמשכים זה לזה בכוחות חלשים המכונים כוחות ון דר ואלס. בדרך כלל כוחות ון דר ואלס אינם חזקים דיים כדי להחזיק אטומים ומולקולות יחד, אבל מכיוון שיריעות הגבישים הדו-ממדיים כה גדולות ודחוסות באטומים וכה קרובות זו לזו, הכוחות האלה מצטברים ונעשים חזקים מאוד.
כדי להבין את האפשרויות המפתות שטמונות בהנדסה של חומרים כאלה, חִשבו, למשל, על מוליכות-על בטמפרטורת החדר. זה דורות מדענים מנסים להעביר חשמל ללא איבודי אנרגיה ולעשות זאת בלי שיהיה צורך לקרר את ההתקנים החשמליים לטמפרטורות נמוכות במידה קיצונית. אם יימצאו חומרים שיאפשרו זאת, ההשלכות על הציביליזציה שלנו יהיו מרחיקות לכת. יש הסכמה רחבה שבאופן עקרוני המטרה הזאת היא בת השגה, אבל אין איש היודע כיצד להשיגה. הטמפרטורה הגבוהה ביותר שבה חומרים נעשים מוליכי-על נמוכה ממינוס 100 מעלות צלזיוס, ובעשרים השנים האחרונות הייתה רק התקדמות מעטה בהעלאת הגבול הזה.
לאחרונה למדנו שיש כמה מוליכי-על הבנויים מתחמוצות, כלומר תרכובות של יסודות עם חמצן, שאפשר לפצל אותם לשכבות דו-ממדיות באופן שתיארתי למעלה. ומה יקרה אם נרכיב את השכבות האלה מחדש, בסדר אחר, ונתחוב ביניהן שכבות גבישיות אחרות? אנו יודעים שמוליכות-על בתחמוצות תלויה ברווח שבין השכבות ושהוספת שכבות נוספות בין מישורי הגביש עשויה להפוך כמה חומרים שהם מוליכים גרועים, או אפילו מבודדים, למוליכי-על.
הרעיון הזה עדיין לא נבחן במלואו, בעיקר מפני שהטכנולוגיה של יצירת לגו בקנה מידה אטומי עדיין בחיתוליה. אין ספק, קשה להרכיב מבנים רב-שכבתיים מסובכים. כיום, נדיר שמבנים כאלה יכילו יותר מחמש שכבות שונות והם בדרך-כלל בנויים רק משניים או שלושה סוגים של קוביות לגו. לרוב מדובר בגרפֵן בשילוב עם גבישים דו-ממדיים של בור חנקני, המשמש כמבודד, ושל מוליכי-על כמו מוליבדן דו-גופרי וטונגסטֶן דו-סֶלֶני. מכיוון שהערמות השכבתיות האלה מכילות כמה חומרים, הן מכונות לעתים קרובות בשם “הטרו-מבנים”. כרגע ההטרו-מבנים האלה קטנים למדי, בדרך כלל לא יותר מכ-10 מיקרונים לאורך ולרוחב, פחות משטח החתך של שערה אנושית.
בעזרת הערמות השכבתיות האלה אנו יכולים לערוך ניסויים בחיפוש אחר תכונות חשמליות ואופטיות חדשות וגם אחר יישומים חדשים. לדוגמה, היבט מרתק של השכבות האלה הוא שעל אף דקיקותן הן גמישות למדי ושקופות. תכונות אלה עשויות לאפשר פיתוח של התקנים פולטי אור שאפשר לעצבם בדרכים שונות, למשל מסכי תצוגה ניתנים לקיפול ולפריסה בהתאם לצורכי המשתמש. אפשרות אחרת היא שבבי מחשב בעלי יעילות אנרגתית גבוהה.
אם הניסויים האלה יניבו תגלית חשובה, אנו סבורים שיהיה אפשר להעביר את הטכנולוגיה לקנה מידה תעשייתי. הדבר כבר התרחש עם גרפן ועם גבישים דו-ממדיים אחרים: בתחילה הם יוצרו כגבישונים בגודל של כמה מיקרונים, אבל עתה כבר אפשר להפיקם ביריעות ששטחן מגיע למאות מטרים רבועים.
אף על פי שעדיין לא דווח על יישום פורץ דרך של החומרים האלה, ההתקדמות בתחום יוצרת רחש של התרגשות בקהילות מדעיות. ההתקדמות האנושית תמיד הייתה קשורה קשר הדוק לגילויָם של חומרים חדשים. גילויים כאלה היו הגורם למעברים בין תקופות האבן, הברונזה, הברזל והסיליקון. קוביות לגו בקנה מידה ננומטרי הן משהו שעוד לא היה כדוגמתו וכרגע נראה שאין גבול למה שהן יאפשרו.
על המחבר
אנדרה ק’ גיים (Geim) הוא פיזיקאי באוניברסיטת מנצ’סטר באנגליה. ב-2010 הוא זכה (במשותף) בפרס נובל לפיזיקה על עבודתו על גרפן.
המאמר התפרסם באישור סיינטיפיק אמריקן ישראל
ארץ הפלאות של הפחמן – על הזוכים בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2010, סיינטיפיק אמריקן
גרפן – הסריג האטומי המושלם מכולם
חדש מאנדרה גיים – טפלון עשוי מגרפן
