אומתו מאפייניו האלקטרוניים של החומר גרפן

מסתבר שהגרפן אינו רק החומר הזעיר ביותר האפשרי, אלא שהוא גם חזק יותר פי עשרה מפלדה ומוליך חשמל טוב יותר מכל חומר ידוע אחר בטמפרטורת החדר

משטח גרפן נקי כפי שנסרק במיקרוסקופ אלקטרונים. איור: אוניברסיטת ונדרבילט
משטח גרפן נקי כפי שנסרק במיקרוסקופ אלקטרונים. איור: אוניברסיטת ונדרבילט

בראשית, היו אלו הפרודות בצורת כדורגל שכונו כדורי-באקי (פולרנים). לאחר-מכן היו אלו ננו-צינורות בצורת גלילים. כעת, החומר החדש המרתק ביותר בפיסיקה ובננוטכנולוגיה הינו גרפן – פרודה שטוחה מאוד המורכבת מאטומי פחמן המאורגנים בתבנית של טבעות משושות.

לא רק שזהו החומר הזעיר ביותר האפשרי, אלא שהוא גם חזק יותר פי עשרה מפלדה ומוליך חשמל טוב יותר מכל חומר ידוע אחר בטמפרטורת החדר. תכונות אלו של הגרפן, ומאפיינים מרתקים נוספים שלו, הם שמשכו את תשומת ליבם של פיסיקאים – שהחלו לבחון אותם, וננוטכנולוגים – שהחלו לנצל אותם עבור ההכנה של התקנים מכאניים וחשמליים חדשניים.

"ישנן שתי תכונות ההופכות את הגרפן ליוצא-דופן," אומר Kirill Bolotin, פרופסור לפיסיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת Vanderbilt (נאשוויל, טנסי, ארה"ב). "ראשית, המבנה המולקולארי שלו כה עמיד בפני פגמים מבניים עד כי החוקרים נאלצו להחדירם במכוון לשם בדיקת השפעותיהם של פגמים אלו. שנית, האלקטרונים הנושאים עליהם את המטען החשמלי נעים מהר יותר ובאופן כללי מתנהגים כאילו המסה שלהם הרבה יותר קטנה מאשר זו הנמדדת במתכות רגילות או על-מוליכים."

במאמר שפורסם החודש בכתב-העת היוקרתי Nature, המדען וצוות המחקר שלו מדווחים כי הצליחו לייצר גרפן נקי דיו כך שהוא מפגין תופעה אלקטרונית מוזרה המכונה "תוצא הול קוונטי חלקי" (Hall effect, הערך בוויקיפדיה), שבה האלקטרונים פועלים יחדיו ליצירת חלקיקים חדשים בעלי מטענים חשמליים שהינם שבר מהמטען של אלקטרון בודד.

למרות שגרפן הינו החומר הגבישי הדו-מימדי האמיתי הראשון שהתגלה, מדענים הרהרו רבות במהלך השנים כיצד יתנהגו גזים ומוצקים דו-מימדיים אחרים. הם גם הצליחו ליצור אומדן קרוב עבור גז אלקטרונים דו-מימדי באמצעות החיבור יחדיו של שני מוליכים-למחצה השונים במעט זה מזה. האלקטרונים מתוחמים בממשק שבין שני המוליכים למחצה והתנועה שלהם מוגבלת לתנועה דו-מימדית בלבד. כאשר מערכת כזו מקוררת עד כדי פחות ממעלה אחת מעל האפס המוחלט ומופעל עליה שדה מגנטי חזק – אזי מתרחשת התופעה.

מאז שהמדענים הבינו כיצד להכין גרפן (לפני חמש שנים), הם ניסו לגרום לו להפגין את התופעה הזו, ניסיונות שהסתיימו בהצלחה זעומה בלבד. לדבריו של החוקר, קבוצה מאוניברסיטת קולומביה שבארה"ב הבינה כי הבעיה הינה הפרעה הנובעת מהמשטח עליו מוקם הגרפן. בעקבות כך, החוקרים השתמשו בשיטות ליתוגרפיה של מוליכים-למחצה בכדי למקם יריעות גרפן נקיות ביותר בין נקודות מיקרוסקופיות מעל משטח השבב המוליך למחצה. כאשר הם קיררו את התצורה הזו בתחום של עד שש מעלות מעל האפס המוחלט והפעילו שדה מגנטי, הגרפן חולל את אפקט הול, בדיוק כפי שצפתה התיאוריה.

הדרך הטובה ביותר להבין את התופעה הזו, המנוגדת להיגיון הרגיל שלנו, הינה לחשוב על האלקטרונים שבגרפן כאילו הם יוצרים גל טעון דקיק ביותר. כאשר מופעל שדה מגנטי, גל זה מייצר מערבולות בזרם האלקטרונים. מאחר ולאלקטרונים יש מטען שלילי, למערבולות אלו יש מטען חיובי. "מערבולות" אלו מתקבלות עם מטען חלקי של שליש, חצי ושני שלישים מהמטען של אלקטרון בודד. נושאי מטען חיובי אלו נמשכים אל אלקטרוני ההולכה, ויוצרים בסופו של דבר כעין-חלקיקים (קווזי-חלקיקים) בעלי מטען חלקי.

הבנת התכונות האלקטרוניות של גרפן חשובה מכיוון, שלא כמו חומרים אחרים המשמשים בתעשיית האלקטרוניקה, הגרפן נותר יציב ומוליך גם ברמה המולקולארית. כתוצאה מכך, כאשר טכנולוגיית הסיליקון הנוכחית תגיע לגבול המזעור הבסיסי שלה בשנים הקרובות, אפשר שהגרפן יתפוס את מקומה.

בינתיים, פיסיקאים תיאורטיים מעוניינים בגרפן מסיבה שונה לחלוטין: הוא מספק אפשרויות חדשות לבחינת התיאוריות שלהם.

במהלך תנועתם של אלקטרונים בתוככי מתכות רגילות, הם מגיבים עם שדות חשמליים שנוצרים מסריג אטומי המתכת, שדות המושכים והדוחפים אותם באופן מורכב. כתוצאה מכך, האלקטרונים מתנהגים כאילו הם בעלי מסה השונה מהמסה הרגילה והמקורית שלהם. לפיכך, הפיסיקאים קוראים לזה "מסה אפקטיבית" ומתייחסים אליהם כאל קווזי-חלקיקים. גם כאשר הם נעים ברחבי הגרפן הם מתנהגים כקווזי-חלקיקים, אולם בצורה כזאת שהם חסרי מסה. מסתבר כי קוואזי-החלקיקים של הגרפן, שלא כמו אלו המצויים בחומרים אחרים, מצייתים לחוקי האלקטרודינמיקה הקוונטית – אותן משוואות היחסות שהפיסיקאים משתמשים בהן לתיאור התנהגותם של חלקיקים בחורים שחורים ובמאיצי-חלקיקים גבוהי-אנרגיה. כתוצאה מכך, חומר חדשני זה יוכל לאפשר לפיסיקאים לערוך ניסיונות ממשיים לבחינת נכונות המודלים התיאורטיים שלהם לגביי הסביבות הקיצוניות ביותר הקיימות ביקום כולו.

הידיעה על המחקר

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

12 תגובות

  1. מוליכים בטמפרטורה נמוכה הוכיחו יכולת להתנגד לכוח המשיכה ויכולת להדחף על ידי שדה מגנטי. האם יש מידע על ההתנהגות של החומר הזה?
    האם יש מידע על קבלים שמבוססים על שתי שכבות של החומר?
    * טנק לא הורג. אנשים הורגים. אם צבא ישקיע כדי לגרום לחומר הזה לכסות טנק נקבל אותו על רכבים אזרחיים בחינם. (וכן.. גראפן נשמע באמת כמו גאפן 🙂

  2. תראו מזה עוד לא המציאו את הגלגל וכבר מישהוא רוצה לבצע בו שימוש מיליטריסטי…..עד מתי?
    ןבכלל טנק צריך להיות כבד….!
    למה שלא ניקח גרפן ופשוט נהרוג עם זה את כולם וזהו……..

  3. אדם, המידע על הא' מקורי ומעניין 🙂
    אהה כן, הכתבה עצמה מדהימה ומראה שאין גבולות שאי אפשר לפרוץ בחזית הידע.
    מסקרן מאוד.

  4. זה חומר מרתק! נראה שאפשר לשפר בעזרתו הרבה מאוד דברים שבהם הוא יחליף את הסיליקון כמו מעבדים ותאים סולאריים. אבל מה שהכתבה חידשה לי זה בקשר לתכונות המכניות שלו, תארו לכם טנקים שעשויים מגרפאן ובעלי מיגון אקטיבי, זה מוריד את המשקל שלהם בעשרות אחוזים!

  5. אבי,
    האקדמיה ללשון מתנגדת להוספת האות א לציון הצליל A.
    זהו שריד מארמית.
    למעשה קיימות מילים רבות בהן האות א מציינת צליל אחר כמו:
    צאן, ראשון, ראש, ראשית.

  6. איציק צודק – כבר מהתמונה רואים שמדובר במיקרוסקופ מינהור סורק ולא מיקרוסקופ אלקטרונים. צריכים לדייק.

  7. שלום חנן. תודה על ההערה
    אני בעד כתיב מלא, אחרים בעד כתיב חסר ולכן יש לנו התלבטות באשר לגראפן או גרפן.
    איך שלא יהיה באנגלית זה
    graphene

  8. זה גראפן או גראאאאאאאפן?

    וברצינות – בבקשה לכתוב מונחים חשובים גם באותיות לטיניות כדי שאפשר יהיה למצוא עוד מידע.

  9. תיקון
    "קצה של מיקרוסקופ מינהור סורק הניגש למצע גלי של גראפן מושלם"

  10. בתמונה המקורית רשום שזה
    "קצה של מיקרוסקופ מינהור הניגש למצע גראפן מושלם"

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן