מחקר בהשתתפות חוקרים מהטכניון: פרוסות סיליקון נסדקות לאט

חוקרי הטכניון הצליחו להראות לראשונה כי סדקים איטיים בחומרים חד גבישיים פריכים (כמו פרוסת סיליקון) אינם יציבים, עד כה היה ידוע שסדקים איטיים הם יציבים; הגילוי היווה בסיס למחקר בינלאומי

חוקרים בפקולטה להנדסת חומרים בטכניון הצליחו להראות לראשונה כי סדקים בחומרים חד גבישיים פריכים (דוגמת פרוסת סיליקון), אינם יציבים, כלומר, פני השטח שלהם מופרעים אם מהירותם איטית. עד כה היה ידוע שסדקים איטיים הם יציבים (חלקים). הגילוי היווה בסיס למחקר בינלאומי, בהשתתפות מדעני הנדסת חומרים ופיזיקאים מאנגליה, גרמניה, ארה”ב, איטליה וישראל, אשר פורסם בגליונו האחרון של כתב העת היוקרתי “נייצ'ר”. במסגרת המחקר נעשו הדמיות של תוצאות ניסויים ע”י אנליזות אטומיסטיות מורכבות.

פרופסור דב שרמן מהפקולטה להנדסת חומרים בטכניון, אשר פיתח מיכשור שאיפשר את הגילוי, עוסק בהתנהגות מכנית של חומרים ומתמקד בנושא השבר שלהם. “עבודה רבה נעשתה עד כה על חומרים איזוטרופיים, דהיינו – חומרים שתכונותיהם שוות בכל הכיוונים (דוגמת זכוכית). בחומרים אלו סדק מתקדם בניצב לכיוון מאמץ המתיחה המכסימאלי, ולכן אנו יודעים איך הסדק מתקדם, על פי הכוון בו נמתח את הזכוכית, לדוגמא”, הוא מסביר.

“בעשרים השנים האחרונות חוקרים בעולם את נושא התקדמות השבר בחומרים שהם חד גבישיים, דהיינו – חומרים שיש להם סידור פנימי מסוים, כך שכל אטום מונח בסידור ספציפי, ידוע וארוך טווח. לכן התכונות שלהם תלויות בכיוון הסידור הגבישי. למשל – פרוסות סיליקון, שבהן התכונות שונות עם הכיוון. בחומרים אלו, הכיוון והדרך שבהם הסדק יתקדם תלויים בראש ובראשונה במבנה הגבישי, אבל גם בדרך שבה נמתח את החומר. כאן אי אפשר עדיין לנבא כיצד הסדק יתקדם”.

בשנים האחרונות עושים פרופסור שרמן ותלמידיו בטכניון ניסויים מדוייקים ומבוקרים שבהם הם לומדים במדוייק כיצד סדק מתחיל ומתקדם בחומרים חד גבישיים פריכים. לשם כך הם פיתחו שיטות ייחודיות שעוזרות להם להבין את התנהגות הסדק. ככל שמחקרם התקדם, הם נוכחו לדעת שיש רגישות גבוהה למסלול שבוחר הסדק להתקדם – כתלות בכוחות החיצוניים. “פיתחנו שיטות להעמסה מדוייקת של דגמים, כך שהניסוי חופשי מהפרעות הנובעות מהעמסה לא מדוייקת דיה”, הוא אומר, “וכך ראינו התנהגת של סדק בחומר שלא נצפתה עד כה במחקרים המדעיים”.

“עד כה היה ידוע שסדקים איטיים בחומרים איזוטרופיים הם יציבים, כלומר – פני השטח שלהם חלקים וההפרעות בפני השטח גדלות עם מהירות הסדק. אנו הראינו שהמצב בחד גביש הוא הפוך – סדקים איטיים אינם יציבים ויש בהם הפרעות חזקות בפני השטח, ודווקא בסדקים מהירים יש יציבות, כלומר פני השטח חלקים”.

רוב הניסויים המבוקרים עד כה – נעשו במתיחה בלבד. פרופסור שרמן ותלמידיו הגיעו למצב שבו הם מעמיסים העמסה איטית, מבוקרת, תחת מתיחה וגזירה משולבים. עקב כך ניתן יהיה לחזות את המסלול שבו יתקדם הסדק, דבר שלא היה ניתן לעשותו עד כה.

המחקר שפורסם ב”נייצ'ר” מהווה בסיס ללימוד התנהגות התפשטות סדקים בחד גבישים פריכים, חומרים בהם משתמשים בתעשיות המתקדמות, ויוכל להביא, בתכנון נכון, למניעת גידול סדקים. בנוסף, נתן לרתום את הבנת הדרך שבה סדקים מתקדמים לצרכים מעשיים.