סיקור מקיף

לראשונה בהיסטוריה – מדענים בטכניון יצרו חד-גביש נקבובי מזהב בשיתוף מאיץ החלקיקים בגרנובל, צרפת

לחד-גביש יתרונות רבים, הנובעים מהעדרם של גבולות גרעיניים האופייניים לגבישים 'רגילים'. עם היתרונות האלה נמנים חוזק מכני, עמידות גבוהה בחום ושיפור בהולכת חשמל וחום

חד גביש של זהב ננו-פורוזיבי. צילום באדיבות ד"ר בועז פוקרוי, הטכניון
חד גביש של זהב ננו-פורוזיבי. צילום באדיבות ד"ר בועז פוקרוי, הטכניון

חוקרים בטכניון הצליחו לגדל, לראשונה, חד-גביש נקבובי מזהב. המחקר, שהתפרסם בכתב העת Nature Communication, נערך על ידי הדוקטורנטית מריה קויפמן כריסטוסוב בהנחיית פרופ' בעז פוקרוי מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים.

חומר גבישי עשוי להיות רב-גביש או חד-גביש. חד-גביש (single crystal) הוא חומר העשוי מאטומים המסודרים בסדר מחזורי ארוך טווח, ואילו רב-גביש הוא חומר הבנוי מחד-גבישים. לרב-גביש תכונות שונות מאלה של החד-גביש – הבדל הנובע מהסידור השונה של האטומים.

חד-גביש אינו המצאה אנושית; הוא קיים בטבע בחומרים שונים. יהלום, למשל, הוא חד-גביש של פחמן. בטבע קיימים אורגניזמים שמסוגלים ליצור חד-גבישים בעלי מראה 'לא גבישי', כלומר צורתם מעוגלת ואין בהם פאות ישרות. לעתים הגבישים הללו פורוזיביים, כלומר נקבוביים. "יש בטבע גבישים בעלי צורה מורכבת ביותר וללא פאות כלל, והם למעשה גביש יחיד," אומר פרופ' פוקרוי. "לדוגמה, הקוץ של קיפוד הים הוא גביש יחיד. מי שאינו מומחה בנושא יתקשה להאמין שהצורות האלה הן גביש יחיד."

חד-גבישים מלאכותיים, המיוצרים (מגודלים) במעבדה, מאופיינים בדרך כלל במראה יותר 'גבישי', כלומר בפאות מובהקות. עד כה כמעט לא יוצרו במעבדות חד-גבישים שהם מעוגלים ונקבוביים כמו בטבע, שכן תהליך ייצור זה הוא אתגר מדעי-הנדסי מורכב מאוד. "אפשר כמובן לייצר חד-גבישים 'גבישיים' במעבדה ואז לעבד אותם עד שיגיעו לצורה המורכבת הרצויה, אבל זהו תהליך יקר וממושך, ובעצם בלתי אפשרי כשאנחנו מבקשים לקבל בסופו של דבר גביש פורוזיבי. לכן מושקע מאמץ רב בפיתוח דרכים לגידול של חד-גבישים."

הצלחתם של חוקרי הטכניון בגידול גביש פורוזיבי במעבדה מבוססת על תהליך חדשני שפיתחו השניים: טיפול תרמי בשכבות דקות של זהב וגרמניום. טיפול זה יוצר טיפות נוזל שגודלן עשרות מיקרונים. קירור הטיפות מאפשר לזהב להתגבש תוך יצירת נקודת-התגרענות (נוקליאציה) אחת, וכך נוצר חד-גביש פורוזיבי. בדיקות יסודיות של התוצר, באמצעות הציוד המתקדם במרכז למיקרוסקופיית אלקטרונים בטכניון, מגלות כי מדובר בחד-גבישים שבתוכם תעלות בקוטר של עשרות ננו-מטרים.

"המוטיבציה שלנו בפיתוח הטכנולוגיה החדשה היא מוטיבציה מדעית טהורה," מסבירה מריה קויפמן, "אבל ברור שלחומרים כאלה יש פוטנציאל יישומי נרחב. לחד-גביש יתרונות רבים, הנובעים מהעדרם של גבולות גרעיניים האופייניים לגבישים 'רגילים'. עם היתרונות האלה נמנים חוזק מכני, עמידות גבוהה בחום ושיפור בהולכת חשמל וחום."

המחקר האמור מבוצע בתמיכת מכון ראסל ברי למחקר בננו-טכנולוגיה בטכניון, במימון מענק ה-ERC שניתן לפרופ' פוקרוי מהאיחוד האירופי, ובשיתוף פעולה עם המאיץ (סינכרוטרון) בגרנובל, צרפת.

פרופ' בועז פוקרוי. צילום: הטכניון
פרופ' בועז פוקרוי. צילום: הטכניון

פרופ' בעז פוקרוי השלים שלושה תארים בפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון, וחזר אליה ב-2009 אחרי פוסט-דוקטורט בהארוורד (בהנחיית פרופ' ג'ואנה אייזנברג) ובמעבדות בל. "השהות בארה"ב היתה מעניינת מאוד," הוא אומר, "ולשמחתי קיבלתי בסופה משרה כאן בארץ. שני תמריצים נוספים משמעותיים לחזור היו מלגת אלון היוקרתית וההזדמנות להיות חלק ממרכז ראסל ברי בטכניון." על הסטודנטים בטכניון יש לו רק דברים טובים לומר – "הם לא פחות טובים מהסטודנטים בהארוורד." בצוות שלו תשעה סטודנטים לתארים מתקדמים.

כבר בדוקטורט, בהנחיית פרופסור אמיל זולוטויאבקו, החל פרופ' פוקרוי לעסוק בהנדסת חומרים בהשראת הטבע. "במקרים רבים הטבע עולה עלינו, המהנדסים, מבחינת התוצרים שהוא מפיק. אני מתמקד בביו-מינרליזציה – כלומר בלמידת המנגנונים שבהם נוצרים מינרלים על ידי אורגניזמים. חשוב לי לציין שאני חוקר את התהליכים האלה לא כדי לחקות אותם, כפי שנעשה בתחום הביו-מימטיקה, אלא כדי לקבל השראה לתהליכים הנדסיים שימושיים. לכן אני קורא לזה Bio-inspired engineering. אחת המטרות שלי היא יישומית – לגלות איך לייצר משטחים וחומרים מרוכבים בעלי תכונות משופרות בהשראת הטבע."

למאמר השלם:

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן