הפרעת אישיות גבישית

פני השטח של גביש סטרונציום טיטנאט מייצרים חשמל כשמחממים אותם. תכונה מפתיעה זו עשויה להתגלות גם בחומרים אחרים ולשמש ליצירת יישומים אלקטרוניים חדשים

גבישים מבריקים, ששימשו בעבר לזיוף יהלומים, התגלו באחרונה כבעלי אישיות מפוצלת. מדעני מכון ויצמן למדע גילו כי פני השטח של גביש סטרונציום טיטנאט שונים מפנים הגביש בצורה מהותית שלא הייתה מוכרת עד כה. “התגלה כי פני השטח של הגביש מתנהגים כחומר נפרד”, נכתב על גילוי זה במדור החדשות והדעות של כתב-העת המדעי Nature.

גבישי סטרונציום טיטנאט משמשים כיום בעיקר מצע לגידול מגוון חומרים אלקטרוניים מתקדמים. ידוע כי גבישים אלה אינם קוטביים, אך מדעני המכון גילו כי שכבה דקיקה ביותר על פני השטח שלהם הינה פירו-אלקטרית – כלומר, מייצרת חשמל כשמחממים אותה – ומשמעות הדבר היא ששכבה זו היא קוטבית. מכיוון שקוטביות משפיעה על תכונות החומר, יש להכיר את “פיצול האישיות” של הגביש כאשר מייצרים התקנים המכילים סטרונציום טיטנאט. יתר על כן, לממצא יש משמעות רחבה יותר: קוטביות עשויה להימצא גם בפני שטח של גבישים אי-אורגניים אחרים.

“קוטביות של פני השטח בחומר אי-אורגני היא מושג חדש”, אומר ראש קבוצת המחקר פרופ’ איגור לובומירסקי מהמחלקה לחומרים ופני שטח. “אף אחד לא חיפש אותה עד כה כי לכאורה היא מנוגדת לאינטואיציה”.
לפני כמה שנים, הראו פרופ’ לובומירסקי ועמיתו למחלקה פרופ’ מאיר להב כי קוטביות התלויה בהתחממות יכולה להיווצר על-פני שטח של גבישים אורגניים לא-קוטביים, כגון חומצות אמינו מסוימות. אך גבישים אי-אורגניים מאופיינים בסימטריה נוקשה יותר מאשר גבישים אורגניים, ולכן נראָה כי הסיכויים למצוא בהם קוטביות – הדורשת שבירת סימטריה, למשל, באמצעות עיוותים במבנה החומר – אינם גבוהים. עם זאת, פרופ’ לובומירסקי ופרופ’ להב שיערו כי גם בגבישים אי-אורגניים נשברת הסימטריה – לא בפְּנים של הגביש אמנם, אך בפני השטח – ולכן אולי, נגד כל הסיכויים, קיימת קוטביות גם בגבישים אי-אורגניים לא-קוטביים.

כדי לבחון השערה זו, היה על המדענים להראות כי אם וכאשר יגלו קוטביות בגביש אי-אורגני, מקורה הוא אכן בפני השטח של הגביש, ולא בפנים הגביש – משימה המהווה אתגר טכנולוגי עצום. ד”ר אלנה מירזדה, אז תלמידת מחקר, וחברי קבוצה נוספים עשו לשם כך שימוש במכשור ייחודי שפותח במעבדתו של פרופ’ לובומירסקי, המאפשר למדוד זרמים חשמליים חלשים מאוד בטווחי זמן של כמה מיקרו-שניות (מיליוניות שנייה). המדענים חיממו את פני השטח של גבישי סטרונציום טיטנאט באמצעות קרן לייזר בעלת עוצמה המשתנה במהירות ומדדו את הזרם החשמלי שנוצר כתוצאה מכך. כפי שדווח באחרונה בכתב-העת המדעי Advanced Materials, הם גילו כי אכן נוצר זרם, אך הוא דועך במהירות – עובדה המצביעה על כך שהזרם מופיע רק בשכבה העליונה ביותר המורכבת מאטומים בודדים, עובי של בערך 1 ננו-מטר (אחד חלקי מיליארד מטר).

המערכת הניסויית שאפשרה את גילוי הפירו-אלקטריות על פני השטח של גבישי סטרונציום טיטנאט

כדי לשלול את האפשרות כי הזרם נוצר בפנים הגביש, ערכו המדענים ניסויים נוספים. בין היתר, הם ציפו את הגבישים בשכבה דקה ביותר של סיליקה ומצאו כי הפירו-אלקטריות נעלמה – ממצא התומך בכך שמדובר בתופעה של פני השטח בלבד.

פרופ’ לובומירסקי ועמיתיו ערכו ניתוח תיאורטי של הממצאים והסיקו כי הפירו-אלקטריות נוצרה כתוצאה מעיוות נפוץ הקרוי “הרפיית פני שטח”. מכיוון שהרפיה זו קיימת בגבישים רבים, המדענים סבורים כי פירו-אלקטריות של פני שטח עשויה להתגלות בחומרים רבים ומגוונים. הם מציעים לנצל תופעה זו לתכנון התקנים בעלי שכבות רבות, שיאפשרו להשתמש בקוטביות השונה של השכבות ליצירת תכונות רצויות לצורך יישומים חדשים בתעשיות האלקטרוניקה, הננו-טכנולוגיה והאנרגיה.

יתר על כן, ייתכן שהתגלית אוצרת בחובה הפתעות נוספות: במאמר דעה ב-Nature שניתח את המחקר עלתה ההשערה כי על-אף שסטרונציום טיטנאט הינו חומר מבודד, ייתכן כי פני השטח שלו הינם למעשה מתכת קוטבית – חומר אקזוטי הצפוי להיות בעל תכונות אלקטרוניות מיוחדות. קבוצות מחקר רבות מחפשות אחר מתכות קוטביות, אך לפי כתב-העת, ייתכן כי “הן היו מתחת לאף שלנו לכל אורך הדרך וכי הן נמצאות, באופן פרדוקסלי, על-פני השטח של מבודדים לא-קוטביים”.

במחקר השתתפו יבגני מקגון וד”ר דוד אהרה מהמחלקה לחומרים ופני שטח של המכון; ד”ר חגי כהן וד”ר אירית גולדיאן מהמחלקה לתשתיות למחקר כימי של המכון; ד”ר דניס קריסטנסן, ד”ר ארגיה באומיק, ד”ר חואן מריה לאסטרה ופרופ’ ניני פרידס מהאוניברסיטה הטכנית של דנמרק; פרופ’ ארי מורלס מאוניברסיטת סטון הול; ופרופ’ אנדרו ראפ מאוניברסיטת פנסילבניה.

מדעני המכון מדדו זרם חשמלי של בערך 12-^10 או 0.000000000001 אמפר – פי עשרה מיליארד פחות מזה שמייצרת סוללת AA סטנדרטית.

עוד בנושא באתר הידען:

• זיהוי ראשון אי-פעם של יסוד כבד שנוצר בעקבות התנגשות של כוכבי נויטרונים
• מה מסמן הגביש?
• סוללה גרעינית המבוססת על מים