ננו-שרשראות מיהלום לבניית מעלית החלל

ימים אחדים לפני ערב ראש השנה הזמינו אותי לדבר בטלוויזיה לפני מספר ימים על הגילויים המדעיים והטכנולוגיים שאני מאחל לנו בשנה החדשה. השאלה גרמה לי לחשוב על הנושא לעומק, ולנסות להציב סדרי עדיפויות לתגליות ולהתפתחויות טכנולוגיות שונות. מה עדיף: שהתאים הסולאריים של חברת Solar Roadways יגיעו למימוש מוצלח בכבישים, או שתרופה מסוימת לסרטן השד תעבור את השלב השלישי במבדקים קליניים, או אולי שארגון SpaceIL הישראלי יצליח להנחית חללית כחול-לבן על הירח?

בסופו של דבר החלטתי שהשאלה עצמה מגבילה את המחשבה. התפתחויות מדעיות וטכנולוגיות אמנם מתרחשות באופן הדרגתי, אך הדבר שבאמת הייתי מאחל לכולנו לשנה החדשה הוא תגלית מדעית מרשימה שפותחת תחום חדש ומלהיב שלא חשבנו שייתכן בעבר. תגליות מסוג זה מתרחשות כל הזמן, והן אלו שמקפיצות קדימה את הטכנולוגיה ואת האנושות צעד אחר צעד, דור אחר דור. איננו יכולים לדעת מתי יתרחשו קפיצות כאלו, או מאיזו מעבדה או מכון מחקר הן יגיעו. אנו רק יכולים להיות בטוחים שכל עוד המין האנושי עסוק במחקר ובהבנת היקום שמסביבו, הן ימשיכו להגיח.

והנה, באותו יום בו התבקשתי לדבר על השנה החדשה, הגיע לכותרות מחקר שעשוי לבשר בדיוק על קפיצת מדרגה שכזו, ולהביא אותנו לתקופה חדשה ומתקדמת יותר מתקופת האבן, הברונזה או הברזל. אם התקוות הגלומות במחקר החדש יתממשו, הוא עשוי להקפיץ אותנו ישירות לתקופת היהלום.

יהלומים ושרשראות

בתגלית, שהתפרסמה לפני מספר ימים בכתב העת המדעי היוקרתי נייצ’ר חומרים (Nature Materials), חשפו מדענים דרך לייצור ננו-שרשראות דקיקות מיהלום, שקושיין וחוזקן עשויים להתחרות אפילו באלו של יהלומים ושל ננו-צינוריות פחמן – מהחומרים הקשים ביותר הידועים לאדם.

“מנקודת מבט של מדע בסיסי, תגליתנו מסקרנת מכיוון שלשרשראות שיצרנו יש מבנה שמעולם לא נראה בעבר,” אמר פרופ’ ג’ון באדינג. ליבתן של הננו-שרשראות שנוצרו עשויה מקו ארוך ודק של אטומי פחמן המאורגנים בדומה ליחידת המבנה הבסיסית של יהלום: אטומי פחמן, שכל אחד מהם מחובר לארבעה אטומי פחמן אחרים במבנה יציב המזכיר פירמידה. “זה כאילו שתכשיטן מדהים חרז את היהלומים הקטנים ביותר האפשריים, לשרשרת מיניאטורית ארוכה.”

תגליתה של הקבוצה מגיעה לאחר כמעט מאה שנים במהלכן ניסו לשווא מעבדות שונות לדחוס תרכובות המכילות אטומי פחמן ולגרום להן להתפרק ולהתרכב מחדש לצורה המזכירה יהלום. עד היום התקבלו רק תוצרים נטולים צורה מסודרת ומוגדרת החוזרת על עצמה כבגביש. בניסוי הנוכחי השתמשו החוקרים במתקן מיוחד כדי לדחוס כמות גדולה של בנזן, בלחץ של יותר מפי עשרת-אלפים מהלחץ האטמוספירי שאנו חווים על פני כדור הארץ. מולקולות הבנזן נדחסו זו לצד זו, התכופפו ונשברו. אז הקטינו החוקרים בהדרגתיות את הלחץ, ובכך העניקו לאטומי הפחמן את הזמן שהיו זקוקים לו כדי להגיב זה עם זה וליצור שרשרת מסודרת במבנה המזכיר יהלום. רוחב השרשרת מזערי – רק כמה אטומים המחוברים זה לזה – וקטנה פי מאה-אלף מרוחבה של שערה אנושית.

מהאקדמיה לתעשייה

שיטת הייצור של שרשראות היהלום אינה מתאימה עדיין למפעלי תעשיה, מכיוון שהיא מחייבת הפעלת לחצים גבוהים במיוחד על חומרים כבנזן. עובדה זו עשויה לעצור את התפתחות התחום בתעשייה בשנים הראשונות, ולהגביל את יכולת הייצור ההמוני של השרשראות כחומר בניין. אני לא מתרגש ממגבלה זו. תהליכים תעשייתיים מתאפשרים כאשר יש בהם צורך, גם אם תהליך המעבר מהמעבדה למפעלים לוקח שנים. עד היום לא הייתה עדיין סיבה טובה מספיק לתעשייה לחקור בכיוון זה, אך חשיבותן הפוטנציאלית של שרשראות היהלום הזעירות ברורה לכולם.

מכיוון שהסיב ניחן במבנה כשל יהלום, התיאורטיקנים של מדעי החומרים חוזים כי הוא יהיה קשה במיוחד, חזק במיוחד, וגם שימושי במיוחד. “לפי התיאוריה… זהו פוטנציאלית החומר החזק והקשיח ביותר האפשרי, וגם קל משקל.” אמר באדינג.

אם יצליחו החוקרים באקדמיה ובתעשייה להוכיח שמדובר באמת בחומר חזק, קשה וקל כל-כך, וימצאו דרכים זולות לייצרו, הרי שתחום החומרים והמבנים יעבור מהפכה. שרשראות היהלום החדשות, שמקורן מבנזן זול, יוכלו להשתלב במגוון רחב של חומרים. נמצא אותן בדלתות המכוניות ובקירות הבתים, בדפנות מטוסים, ואפילו בפטישים ובמסורים הביתיים. אך היישום המרגש ביותר עבורן עשוי להימצא דווקא בחלל. מזה עשורים רבים שמדענים ומהנדסים מסביב לעולם חולמים על “מעלית חלל” – חבל ארוך המחבר בין כדור-הארץ לחלל החיצון, ועליו יכולות מעליות לטפס ולרדת כדי להביא בני-אדם ומשאות למלוני חלל, לתחנות חלל ולחלליות שיצאו למסעות אל הירח, המאדים ומעבר. עד היום לא הצלחנו למצוא חומר שיהיה חזק וזמין מספיק ליצירת החבל. ננו-צינוריות פחמן היו היחידות שהתקרבו לחוזק הדרוש, אך טרם נמצאו הדרכים לזקק וללפף אותן ביחד בכמות גדולה מספיק.

מוקדם עדיין להכריע האם שרשראות היהלום יכולות להתאים ליצירת כל אלו, ובאופן עקרוני אני מעדיף לחכות למחקרים נוספים שיאששו את התגלית הנוכחית, לפני שאפתח בצהלות שמחה רשמיות. אבל מותר לקוות שהן יפתחו תחום חדש ומרגש בהנדסת חומרים. אם ימשיך תחום זה להתפתח הרי שהוא יישא את כולנו לעידן החדש אותו כינה חוקר הננו-טכנולוגיה רלף מרקל בשם “תקופת היהלום“. ממש כשם שהמין האנושי עבר מתקופת האבן לתקופת הברונזה ולתקופת הברזל, כך הוא יעבור גם לתקופת היהלום, בה החומרים המבניים שישמשו אותנו יהיו חזקים, קשים וקלים יותר מאי-פעם.

תמורות מסוג זה אינן שמורות רק לתקופות מלפני אלפי שנים. רק לפני מאה ושלושים שנים, אלומיניום היה יקר יותר מזהב בשל הקושי בהפקתו מן האדמה. בנשפים היוקרתיים ביותר בצרפת באותה תקופה, האורחים המכובדים ביותר זכו להשתמש בכלי אוכל מאלומיניום, בעוד שהיתר נאלצו להסתפק בצלחות זהב. ואז אירע ‘קלף פרוע’ והתגלתה שיטה חדשה וזולה להפקת האלומיניום. תוך שנים ספורות צנח מחיר האלומיניום, עד כדי כך שכיום אנו משתמשים בו בכל בית ובאביזרים רבים. במילים אחרות, אנו נהנים כיום מעושר שלפני מאה שנים אפילו האנשים האמידים ביותר לא היו מסוגלים לדמיין לעצמם.

איחולים לשנה החדשה

לעתים קרובות אני תוהה: מה אם היה קורה נס טכנולוגי? מה אם היינו מוצאים את המתג הביולוגי בגוף – גן כלשהו – שבאמצעות הפעלתו היינו מפסיקים להזדקן ולחלות? או שהיינו מגלים נוסחה שהייתה הופכת מים לנפט? הרעיונות האלו נראים לי מופרכים, עד שאני נזכר בגילוי הדרך להפקת אלומיניום, בגילוי הנפט שהחליף את הפחם במקומות רבים, ובגילוי החשמל שהוביל אנרגיה לכל בית. כל אלו היוו פריצות דרך והפתעות גדולות, עבור כל דור בתורו.

לפיכך, אני מאחל לכולנו מספר גדול ככל האפשר של הפתעות ושל פריצות דרך מדעיות וטכנולוגיות. אני מאחל שייפלו בדרכנו הפתעות חוזרות ונשנות, שכל אחת מהן תטמון בחובה את הפוטנציאל לשיפור תנאי החיים של כולנו. ואני מאחל שנשמע מדי שבוע ציטוטים כמו אלו של באדינג – “פיזיקאים וכימאים נדהמים מכך שהאטומים של מולקולות הבנזן מתחברים לעצמם מחדש בטמפרטורת החדר כדי ליצור שרשרת.”

שתהיה לנו שנה מדהימה.

————————-

מקור לציטטות: ידיעה לעיתונות של אוניברסיטת Penn State