הכנת ננו-חלקיקים בעלי חוזק מרבי

למרות שננו-גבישים יכלו להיות חזקים ולעמוד בלחצים, רוב הננו-מבנים הציגו יכולת מוגבלת בלבד לעמוד בלחצים פנימיים כבדים טרם קריסתם. התגברות על מגבלה זו תוכל להוביל להתקדמות רבה בתכנון חומרים למגוון מוצרים

בשל היותם מלאים בפגמים מבניים, חומרים גבישיים גדולים מעולם לא הצליחו להיות חזקים; ננו-גבישים, לעומת זאת, כה זעירים עד כי אין מרחב לקיומם של פגמים כאלו. למרות שננו-גבישים יכלו להיות חזקים ולעמוד בלחצים, רוב הננו-מבנים הציגו יכולת מוגבלת בלבד לעמוד בלחצים פנימיים כבדים טרם קריסתם. התגברות על מגבלה זו תוכל להוביל להתקדמות רבה בתכנון חומרים למגוון מוצרים.

מדענים מהמעבדה הלאומית של משרד האנרגיה בארה”ב ואוניברסיטת קליפורניה השתמשו במיקרוסקופ אלקטרוני חודר בָּאֲתָר in situ Transmission Electron Microscope, TEM)) בכדי לבחון ננו-חלקיקים כדוריים חלולים המצליחים לעמוד בלחץ קיצוני תוך כדי עיוותם ללא אובדן חוזק. ניתן לעצב את הגיאומטריה של הננו-כדוריות לטובת קבלת החוזק המיטבי שמקורו מהחומר המרכיב אותם – במקרה זה, קדמיום גופרי (cadmium sulfide).

“בכדי להבין מה בדיוק מתרחש בננו-חלקיקים הפרטניים כאשר מופעל עליהם לחץ, צריכים להביט בהם בזמן התרחשות העיוות עצמו,” מסביר Andrew Minor מהמרכז הלאומי למיקרוסקופיה אלקטרונית במעבדת החומרים בברקלי, המשמש כמדען גם במחלקה למדעי-החומרים באוניברסיטת קליפורניה. “אנו ממקמים את הננו-כדוריות על מצע צורן (סיליקון) שטוח המצוי בתוך תא הדגימה של המיקרוסקופ האלקטרוני ודוחסים אותן בעזרת סדן המצופה ביהלום שטוח-פאה עד לשבירתן. בעזרת צילומי וידיאו רציפים במהלך מבחני הדחיסה אנו מסוגלים לקבוע מתי בדיוק הן קרסו ומתוך כך לקבל את הכוח המסוים שהופעל עליהן באותה נקודת זמן.” החוקר מתייחס לצילום וידיאו מסוים בו הגרף של העקומה, המתארת את הלחץ המופעל על הדגימה, צונח פתע ברגע שבו הננו-כדורית הנדחסת “מותזת” החוצה מבין המשטח והיהלום. “אם לא יכולת לראות את זה מתרחש, לא היית מצליח לדעת בוודאות מדוע הכוח המוחזר מתאפס לפתע,” הוא מסביר. “לכן, למרות שהשימוש במיקרוסקופ המסוים הזה מורכב ואיטי יותר, הוא הכרחי.”

הננו-כדוריות מסוג הקדמיום גופרי סונתזו במעבדתו של Paul Alivisatos, חבר במחלקה לכימיה של אוניברסיטת ברקלי. השיטות הכימיות שבהן משתמשים לקבלת הכדוריות החלולות מאפשרות לתכנן את מימדיהן בדיוק רב, כולל הקוטר החיצוני של הכדורית ועובי הקליפה שלה. “למעשה, אנו בוחנים היררכיה מבנית, הידועה כבעלת תפקיד מכריע בחוזקם של חומרים רבים – לדוגמא, עצמות – רק שכאן אנו מיישמים זאת למידות ננומטריות,” אומר החוקר. “במקרה שלנו ההיררכיה הינה הגודל של הגביש – 10-3 ננומטרים; עובי הקליפה – 70-35 ננומטרים; וקוטר הכדורית – 450-200 ננומטרים. עד כה חקרנו עשרות ננו-כדוריות בעלות מגוון שילוב של גדלים אלו.”

החוקרים מסבירים כי במהלך לחיצתו של סדן היהלום על הננו-כדוריות החלולות הן מתחילות לתפוח באיטיות בקצותיהן. קדמיום גופרי שברירי מטבעו ויכולנו לצפות כי הוא יישבר בקלות, אולם במקום זאת הכדוריות מתעוותות עד כדי עשרים אחוזים יותר מקוטרן המקורי לפני התנפצותן. לשם הבנת פיזור הלחצים על פני הכדורית כולה, החוקר Daryl Chrzan וקבוצת המחקר שלו ערכו חישובים תיאורטיים. הכדורית חולקה, באופן ממוחשב, לרשת מפורטת ומידת העיוות של כל אלמנט ברשת חושב, תוך קבלת הלחץ המדויק המופעל על הגיאומטריה הכללית של הכדורית בנקודה מסוימת זו. עוצמות מקומיות אלו שולבו יחדיו למתן דגם התנהגות של הכדורית כולה – תהליך הקרוי “אנליזת אלמנטים סופיים” (finite element analysis, FEA). באמצעות סימולציית המחשב, ניתן לחשב ולהציג את הכוח שמופעל על כל נקודה ונקודה ספציפית בכדורית. הסימולציות חשפו כי ככל שהלחץ גובר מבנה הכדורית משמש להעברת הלחץ לאזורים מסוימים שם העמידות לשבירה מרבית – אזורים המתאימים לראש הכדורית ולתחתיתה – האזורים הבאים במגע עם המצע ועם סדן היהלום. אלו האזורים של הכדורית בהם נצפתה השבירה בניסויים המעשיים. אכן, התוצאות הניסיוניות תאמו את התחזיות של הדגם הממוחשב.

“הדגם מתייחס לתנאים הניסיוניים המעשיים באופן הקרוב ביותר,” מסביר החוקר, “בכללם גם את “הדבק” בו אנו משתמשים כדי לעגן את הכדוריות למצע. זהו מקצת מהחומר הפחמני שנותר על המצע בעקבות התהליך הכימי ששימש אותנו להכנת הכדוריות עצמן. בתחילה, ניקינו את החומר הזה, אך לאחר שנתקלנו במקרים אחדים בהם הכדוריות החליקו מהמצע במהלך דחיסתן הפסקנו את הניקוי כך שהן נותרו דבוקות למצע. הדגם הממוחשב נדרש לקחת בחשבון גם את נוכחותו של חומר פחמני זה.”

הדגם הממוחשב הראה כי הלחץ שהופעל על נקודת השבירה של הכדורית אכן היה די גבוה. לדוגמא, כדורית בעלת קוטר של 450 ננומטרים וקליפה בעובי של 69 ננומטרים התעוותה בעקבות הדחיסה לכדי שמונה אחוזים מהקוטר המקורי, תוך כדי קבלת לחצים הקרובים לעוצמת הגזירה (shear strength) של הקדמיום גופרי עצמו. “אמת-מידה לקריסה”, שהתקבלה ע”י החוקרים בעקבות הדגם שלהם, חזתה באופן מדויק כי ננו-כדורית טיפוסית חווה כשבעים אחוזים מעוצמת הגזירה המרבית בנקודת השבירה.

“אלו הבחינות השלמות ביותר של התכונות המכניות של ננו-כדורית יחידה שאני מודע להן,” אומר החוקר הראשי, “זאת בזכות שיטת המדידה שלנו ע”י המיקרוסקופ האלקטרוני המאפשרת לנו להביט בגדלים המדויקים של כל חלקיק וחלקיק ולצפות במדויק ברגע השבירה – בכך אנו נפטרים מהפער שבין הניסוי לתיאוריה.”

ניסיונות קודמים להגביר את העיוות של ננו-חומרים, במטרה להפחית את נטייתם לקרוס בלחצים מוגבלים, הביאו גם, לצערנו, להפחתה בחוזק שלהם. הניסויים החדשים עם ננו-כדוריות חלולות מראים כי בעזרת שילוב של חוזק והיכולת להתעוות, המבנה שלהן מעניק הן חוזק גבוה והן עמידות יחסית גבוהה בפני קריסה. היכולת לעמוד בלחץ ומתח גבוהים הינה תוצאה ישירה של היררכיה מבנית: גודל “גרעין” הכדורית הקטן אחראי לחוזק הגבוה, בעוד שהמבנה הכללי של הכדורית מפזר את הלחץ המופעל ומאפשר למבנה לעמוד במתחים הגבוהים.

“מחקר זה יכול היה להתבצע רק בזכות שילוב מרכיביו: המיקרוסקופ האלקטרוני הייחודי, סדן היהלום המאפשר מדידה כמותית של חוזק מכאני, הננו-כדוריות החלולות והאנליזה הממוחשבת שהתקבלה בזכות כלי מחשוב מתקדמים,” אומר החוקר הראשי. “אנו מאמינים כי הממצאים המפתיעים פותחים אפיקים בפני התקדמות אפשרית גדולה הרבה יותר בחומרים מבניים במגוון קני-מידה.”

ההודעה של אוניברסיטת ברקלי