גבישים בעלי התנהגות יוצאת-דופן עשויים להשפיע על עתיד טכנולוגיות מחקר

כולם שוברים את הכללים מדי פעם – אפילו גבישים * מחקר החושף גבישים לא מחזוריים התפרסם לאחרונה בכתב העת סיינס

“ישנם כללים מסוגים שונים בדבר ההתנהגות של גבישים במהלך הֶחְלֵף-מוֹפָעִים,” אומר מארק ד. הולינגסוורת', פרופסור חבר לכימיה באוניברסיטת קנזס. “מזה זמן רב מדענים מניחים כי תקן אחיד משותף לחומרים מסוגים שונים. אולם, חומרים בלתי-מחזוריים – אלו אשר נעדרים מבנה סדיר חוזר ונשנה – לא מתנהגים כך בהכרח,” אומר הולינגסוורת'. גבישים בלתי-מחזוריים, שוברי-כללים אלו הינם מוקד מאמרו של הולינגסוורת' ושותפיו לכתיבה אשר פורסם בארבעה בינואר בכתב העת “Science”. בהתבססם על תוצאות עמיתו של הולינגסוורת', החוקר הצרפתי ברטרנד טודי, השניים ושותפיהם לכתיבה צפו כיצד גבישים בלתי-מחזוריים אלו מתנהגים באופן שונה מגבישים מחזוריים “תקניים”. שינויים אלו עשויים להיות בעלי-השפעה לא רק עבור המחקר הכללי, אלא גם עבור טכנולוגיות המתבססות על גבישים, החל בצגי מחשבים ועד רכיבי חומרה, אומר הולינגסוורת'. הוא ועמיתיו צפו בגבישים אשר יצרו מבנים מסוג “מארח-אורח”, או בכינויים המקצועי “תרכובות הכלאה” (Inclusion Compounds). במקרה דנן, פרודות שתנן (אוריאה) יצרו תעלות מסביב לפרודות נונאדקאן, תוך קבלת מבנה דמוי יערת- דבש. מבנה זה מאמץ לו סידור מרחבי של סליל כפול – המבנה של ד.נ.א. בגבישי הכלאה מחזוריים, אומר החוקר, הפרודות המארחות יוצרות את התעלות והפרודות האורחות שבתוכן יוצרות מבנה סדיר ומחזורי. אולם, לא כך הדבר עבור גבישים בלתי-מחזוריים, שוברי-כללים אלו. “לעיתים הפרודות המארחות והאורחות מתאימות זו לזו בצורה טובה, אך לעיתים אין כך הוא הדבר,” אומר הולינגסוורת'.

“להתנהגות זו יכולה להיות השפעה כבירה על מגוון תכונות. בזמן גדילת הגביש, לדוגמא, גבישים בעלי מערכת הכלאה מחזורית ובלתי-מחזורית יכולים להתנהג באופן שונה לחלוטין.” בגבישים בלתי-מחזוריים, בהם ההתאמה המבנית בין פרודות המארח והאורח אינה מושלמת, פרודות האורח מתבלטות אל מחוץ לגבולות הגבישים ובכך יוצרות משטח מחוספס. מכאן שניתן לקשור פרודות חדשות לקצות הגביש. גבישים כאלו, כולל אלו המתוארים במאמר, הינם בעלי צורת מחטים מוארכות. התצפיות הופכות למעניינות כאשר הגבישים עוברים בין מופע (פאזה) אחד למשנהו. “ברטרנד ואני דנו בנושא זה במשך שנים רבות בניסיון להבין מה באמת מתרחש במערכת זו,” אומר הולינגסוורת'. “המטרה בחקר מערכות כעין אלו הינה הבנה מעמיקה וטובה יותר כיצד מוחלפים המופעים השונים בחומרים בלתי-מחזוריים.”

כדי לגלות מה בדיוק מתרחש במעברי המופעים, החוקרים צפו בגבישים בטווח טמפרטורות משתנה, מעל נקודת מעבר המופע, כאשר הפרודות האורחות נעות במהירות גבוהה בתוככי התעלות שנוצרו ע”י הפרודות המארחות, וכן בטמפרטורות נמוכות באופן קיצוני, בהן הפרודות כמעט ו”קפואות” במקומן. לשם בחינת הגבישים החוקרים העבירו דרך הגבישים נויטרונים ומדדו סוגי החזרות שונים. סוג אחד של החזרות, הקרוי בשם “החזרה לוינית”, נמדד בהתאם ליחסי-הגומלין בין פרודות האורח-מארח. החוקרים הופתעו מאוד מהתצפית שנגלתה לעיניהם כאשר הגבישים קוררו לטמפרטורה של -190 מעלות פרנהייט (כ -124 מעלות צלסיוס). ההחזרות הלויניות הראו שינויים ביחסי-הגומלין שבין סוגי הפרודות השונים, אך לא הראו כל שינוי בר-מדידה במבנה הפרודות עצמן.

“בעבר סברנו כי חומרים אלו הינם בעלי מעבר-מופעים אחיד וכי החוקים הרגילים בדבר הפרת סימטריה חלים גם עליהם,” אומר הולינגסוורת'. “איני חושב כי מישהו יכול היה לצפות מה מתרחש במעבר-מופעים זה. מאחר וחומרים בלתי-מחזוריים אלו אינם מתנהגים לפי אותם החוקים הולינגסוורת' טוען כי ההשפעה על המחקר היא בכך שחובה על המדענים להבין מהם אותם החוקים שגבישים אלו מתנהגים לפיהם במעברי-מופעים. בנוסף להשפעה על המחקר, הבדלים אלו יכולים להשפיע גם על הטכנולוגיה עצמה.

הגבישים המתוארים בכתבה הינם גם פ'רו-אלסטיים (Ferroelastic). הווה אומר – הפרודות שבתוך הגבישים חוזרות למיקומן המקורי כאשר מופעל לחץ חיצוני על הגבישים. החוקרים יכולים לעשות זאת בעזרת סדן קטן תוך כדי צפייה בתזוזה של מתחמים רחבים בגבישים וזיהוי התזוזות הללו תחת מיקרוסקופ. חומרים דומים מסוג פ'רו-אלקטריים חשובים לטכנולוגיה כיוון שהמתחמים בתוככי חומרים אלו יכולים לחזור למיקומם המקורי בעזרת העברת שדה חשמלי ובכך לאפשר או למנוע מבעד אור מקוטב לעבור דרכם. תכונות אלו הופכות את החומרים הללו ליעילים בצגים אלקטרוניים. “השאלה הינה האם מעברי-מופעים אלו, שבהם צפינו, יהיו בעלי תכונות יוצאות-דופן ויעילות,” אומר הכותב. כל עוד נמשך המחקר על גבישים בלתי-מחזוריים, הולינגסוורת' אמר כי חוקרים צפויים לגלות התנהגות בלתי-רגילה זו של מעברי-מופעים גם בחומרים נוספים, שאינם גבישים מסוג שתנן-נונאדקאנים, אשר שימשו במחקר זה.

להודעה של אוניברסיטת קנזס באתר סיינס דיילי