לחץ גבוה מייצר גבישי בור טהורים

מדענים גילו לראשונה אי-פעם גביש יוני המורכב מיסוד כימי אחד בלבד – בור. זוהי הצורה הדחוסה והחזקה ביותר של יסוד זה שנוהג להתחבא בתוך תרכובות, שלא הצליחה למרות הנסיונות של טובי הכימאים במשך למעלה מ-200 שנה

מדענים גילו לראשונה אי-פעם גביש יוני המורכב מיסוד כימי אחד בלבד – בור. זוהי הצורה הדחוסה והחזקה ביותר של יסוד זה. התברר כי הצורה החדשה הינה מפתח להבנת דיאגראמת הפאזות של בור – היסוד היחיד שדיאגראמת הפאזות שלו הייתה בלתי-ידועה מאז גילויו לפני מאתיים שנים.

מחקר זה פורסם בכתב-העת המדעי היוקרתי Nature. ממצאים על חוזקה של הצורה החדשה מפורסמים במאמר נפרד בכתב-העת המדעי Superhard Materials.
צוות הכותבים הורכב מתת-צוותים שבראשם עמדו החוקרים Artem R. Oganov (קריסטלוגראף תיאורטי מאוניברסיטת Stony Brook), Jiuhua Chen (חוקר חומרים מאוניברסיטת פלורידה), Carlo Gatti (כימאי תיאורטי מאוניברסיטת מילאנו באיטליה) ו- Vladimir Solozhenko (כימאי תיאורטי ממכון המחקר הצרפתי CNRS). מאמץ כביר כזה נדרש לפצח את מה שהוא, כנראה, היסוד המורכב ביותר בטבלה המחזורית.

בור ידוע זה זמן רב כ”בית-הקברות” המדעי של חוקרים מעולים. סיפורו המוזר התחיל עוד בשנת 1808 כאשר שני צוותים מעולים, אחד מפריז והשני מלונדון, הודיעו בנפרד על הגילוי של יסוד חדש, בור (boron). מאוחר יותר הוכח כי בשני המקרים “היסוד” היה בעצם תרכובת שהכילה לא יותר משבעים אחוזים של בור. ההוכחה המקיפה ביותר לכך התקבלה ע”י כימאי מעולה נוסף, H. Moissan, אולם גם החומר שלו הוכח מאוחר יותר כמכיל לא יותר מתשעים אחוזים של בור.

בשנת 1858 כתב המדען F. Wöhler בספרו כי לבור יש שתי צורות, פולימורפים – אחד דמוי-גרפיט ושני דמוי-יהלום. כיום אנו יודעים כי שתי הצורות הינן למעשה תרכובות, AlB12 ו- B48C2Al, בהתאמה. הפעם הראשונה בה הוכן בור ברמה של תשעים ותשעה אחוזים הייתה בשנת 1909, אך זה לא היה סוף הסיפור. אפילו אחוז אחד של זיהומים, או פחות מכך, יכולים לשנות את המבנה הכללי והתכונות של בור באופן חד ביותר וידועות גם תרכובות אפילו כגון PuB100.

“רגישות שכזו לזיהומים הינה חסרת-תקדים בקרב היסודות האחרים והופכת את המחקר של יסוד זה ללא פחות מאשר סיוט,” אומר ,Artem R. Oganovפרופסור חבר במחלקה לגיאו מדעים באוניברסיטת Stony Brook.

עד היום דווחו כשש עשרה צורות פולימורפיות של בור, אולם סביר כי מרביתן הינן צורות מזוהמות אך יציבות. זהו היסוד היחיד שמצב היסוד שלו אינו ידוע ניסיונית. בין יתר החריגות של בור, הוצע לאחרונה כי הוא מפר את החוק השלישי של התרמודינאמיקה (המציין כי צורות יציבות באפס המוחלט חייבות להיות מסודרות במידה מושלמת) בלחץ אטמוספרי. התנהגות הבור בלחצים גבוהים נותרה מסתורית אפילו יותר.
התשתית למחקר הנוכחי הוכנה בשנת 2004, כאשר החוקרים Chen ו- Solozhenko סנתזו, באופן בלתי-תלוי צורה חדשה של בור בטמפרטורות גבוהות ובלחצים שמעל מאה אלף אטמוספרות. לא ניתן היה לקבוע את המבנה המדויק של הצורה החדשה בהתבסס על הממצאים הניסיוניים בלבד ונדרשה שיטה תיאורטית חדשה שפותחה ע”י החוקר ד”ר Oganov באותה העת.

“השיטה הינה תיאורטית באופן טהור ואינה דורשת כל מידע ניסיוני, והיא מבוססת על עקרונות של התפתחות טבעית המיושמים עבור המבנה הגבישי היציב ביותר,” אומר החוקר. “המחשב מפיק עשרות מבני-גבישים תיאורטיים, אשר האנרגיה שלהם מוערכת באמצעות חישובים של מכאניקה קוונטית ואז המבנים היציבים ביותר “מזווגים” ביניהם ו”מולידים” מבנים נוספים עד אשר מתקבל המבנה היציב ביותר.”

באמצעות שיטה זו ד”ר Oganov הצליח למצוא את המבנה הנכון ולקבוע כי הוא אכן מצב היסוד של בור וכי יש מעבר מטען משמעותי בין אטומי הבור השונים במבנה.

אנליזה מתקדמת של ד”ר Gatti אישרה את קיומו של מצב יוני בין הקשרים וניסיונות נוספים של ד”ר Solozhenko קבעו כי הצורה החדשה הינה חזקה ביותר ובעלת ערך קשיות ויקרס (Vickers) של 50 GPa, בהשוואה ליהלום, החומר הטבעי החזק ביותר, בעל ערך של 70-150 GPa. חישובים במכאניקה קוונטית מרמזים על קיומו של אזור יציבות נרחב עבור צורה חדשה זו, המשתרע אפילו עד לחצים של תשע מאות אלף אטמוספרות.

כיצד ייתכן כי יסוד יהיה יוני? ספרי כימיה בסיסיים מלמדים כי מעבר מטען מתרחש כאשר לאטומים יש אלקטרושליליות שונה ועובדה זו שוללת אוטומאטית את אפשרות קיומם של יסודות במצב יוני. בור מצא פתרון מפתיע ומרתק לאמיתה זו – המבנה החדש שלו מורכב משני סוגים שונים מאוד של ננו-צבירים – עשרימון (icosahedron, גוף בעל עשרים פאות) B12 (הנראה בכחול בציור דלעיל) ו- צביר B2 (המופיע בכתום בציור דלעיל). המבנה האלקטרוני של שני צבירים אלו שונה מאוד – למעשה, התלות של המאפיינים האלקטרונים בגודל הצביר ידועה ומשמשת כעיקרון חשוב בננוטכנולוגיה. האלקטרושליליות של שני סוגי הצבירים שונה ועובדה זו מולידה פיזור מטען וקבלת אופי יוני חלקי במבנה מעניין זה.
“עובדה מדהימה נוספת,” מסביר ד”ר Oganov, “טמונה בכך שמרכזי המסה של הצבירים במבנה חדש זה תופסים את אותם העמדות של האטומים במבנה של מלח שולחן (NaCl) – המבנה היוני האבטיפוסי.

כתוצאה מממצאים אלו, החוקרים חוזים את קיומן של צורות יוניות אחרות עבור יסודות נוספים ומציעים מספר אפשרויות יציבות או יציבות-למחצה. בנוסף לכך, סביר להניח כי ביסודות שהינם נוזלים ישנה רמה מסוימת של פיזור מטען רגעי בין האטומים. מלבד היותם מסקרנים, ליסודות יוניים ישנן תכונות מעניינות וחשובות. התכונות המושפעות ביותר מאופי יוני כוללות קבועים דיאלקטריים, ספקטרום ויברציוני ושיעור הפער (gap) בין פסי האלקטרונים. מבין התכונות החריגות של מבנה חדש זה, ספקטרום הבליעה התת-אדום (infrared) החזוי (שנובע באופן מוחלט מחלוקה שונה של המטען האלקטרוני) כבר אושש באופן מלא בניסיונות צוותו של Chen.

הידיעה על המחקר מטעם אוניברסיטת Stony Brook