כיצד יצר דן שכטמן, המקבל השבוע (שבת) את פרס נובל לכימיה לשנת 2011 תחום מדעי חדש ומפתיע
ב-1984 הדהים דן שכטמן מן הטכניון את עולם המדע ובייחוד את העוסקים בתחומי מדע החומרים, הכימיה והפיזיקה של המצב המוצק, בפרסום תוצאת ניסוי שערך שנתיים קודם לכן, בעת שהתארח בשנת שבתון במכון התקנים האמריקני. שכטמן הכין נתך של אלומיניום שהכיל כ-14% מנגן בטכנולוגיה של התמצקות מהירה, כלומר קירור הנתך הנוזלי בקצב גבוה יותר ממיליון מעלות לשנייה. לאחר הקירור, בדק שכטמן את אחד הגבישים הזעירים שנוצרו באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים חודר. בטכניקה זו יוצרים האלקטרונים העוברים בגביש תרשים עקיפה (דיפרקציה) בעל תבנית מסודרת החושפת את הסימטריה של הגביש. גבישים, על פי הגדרתם הקלסית, שהייתה מקובלת עד אז, הם מבנים שבהם האטומים, המולקולות או היונים המרכיבים אותם ארוזים באופן מסודר ובעל תבנית תלת-ממדית החוזרת על עצמה. קל להוכיח באופן מתמטי שמבנים כאלה יכולים להיות בעלי סימטריה כפולה, משולשת, מרובעת או משושה, אך לא יכולים להיות בעלי סימטריה מחומשת או בסדר 7 ומעלה.
ואולם, תרשים העקיפה שמצא שכטמן הראה בבירור סימטריה איקוֹסַהֶדרַלית (סימטריה מסדר 10) ושהגביש הזעיר מכיל גם סימטריה מחומשת – תוצאה שסתרה לגמרי את הגדרת הגביש משום שהיא אינה מאפשרת מחזוריות ארוכת טווח. ואף על פי כן, תרשים העקיפה של שכטמן הורה על כך שבגביש הנחקר יש שילוב לא ייאמן של סימטריה מחומשת “אסורה” ומבנה מסודר! לא עבר זמן רב וגבישים בעלי סימטריה דומה התגלו גם בנתכים אחרים שהוכנו בטכנולוגיה של התמצקות מהירה היוצרת גבישים שמבחינה תרמודינמית נחשבים פאזות לא יציבות. כיום יש חוקרים הטוענים כי אפשר לגדל גם גבישים בעלי סימטריה כזאת יציבים מבחינה תרמודינמית בתהליכי ייצור רגילים, ולאו דווקא בהתמצקות מהירה.
מיד אחר כך נמצא גם הסבר תיאורטי למבנה גבישי כזה, שהוא בעל סדר ארוך טווח אך ללא מחזוריות קבועה. ההסבר מתבסס בין השאר על תגלית מתמטית של הפיזיקאי הבריטי רוג’ר פנרוז, שהראה כיצד אפשר לרצף מישור באריחים בעלי צורה מסוימת ובחוקיות מסוימת ולקבל סימטריה מחומשת ללא מחזוריות (תגליתו של פנרוז התפרסמה בפעם הראשונה בסיינטיפיק אמריקן בטור השעשועים המתמטיים המפורסם של מרטין גרדנר – העורכים). חמישה שבועות לאחר פרסום מאמרו של שכטמן קבעו הפיזיקאים דב לוין ופול שטיינהרדט את השם “קוואזי-גבישים” (מילולית: כמעט כמו גבישים) בשל העובדה שלמרות קיום סדר ארוך טווח במבנים האלה, אין להם מבנה מחזורי כמו לגבישים קלסיים. בעקבות זאת שינה האיחוד הבין-לאומי לקריסטלוגרפיה את הגדרת הגביש להגדרה הניסויית “מוצק בעל תרשים עקיפה בדיד”.
דן שכטמן פרץ דרך למדע חדש ומרתק שמתח את גבולות הדמיון והידע של העוסקים בקריסטלוגרפיה בכל העולם. חקר הקוואזי-גבישים התפתח מאוד בשנים שעברו מאז התגלית. היום, באוניברסיטאות רבות בעולם, חוקרים עוסקים בגידול ובפענוח מבנה של קוואזי-גבישים ושל אַפרוֹקסימַנטים שלהם – גבישים שבהם האטומים מאורגנים בפאונים (פוליהדרונים) זהים לאלה שבקוואזי-גבישים אך מאורגנים בצורה מחזורית.
עולם המדע התקשה לקבל את תגליתו המפתיעה של שכטמן, אך כמעט 20 שנה אחר כך זיכה אותו באות ההערכה המכובד מכול: פרס נובל לכימיה 2011.
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
על המחברים
דוקטור לואיזה משי ופרופסור עדין שטרן הם חוקרים במחלקה להנדסת חומרים באוניברסיטת בן גוריון בנגב.
