מה משותף לגבישים נוזליים ולהיווצרות קמטים?

אנחנו רגילים לחשוב על חומר באחד משלושה מצבי צבירה: גז, מוצק, או נוזל. אבל הטבע, כידוע, אוהב לפעמים לסבך את העניינים. במסגרת השעשועים האלה, הוא יצר "גבישים נוזליים", אומר פרופ' הלל אהרוני מהמחלקה לפיזיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן

והיה המישור לפנים: תהליך הפיכתה של יריעת אלסטומר נמטי למשטח תלת-ממדי עקום דמוי פנים. איור: מעבדתו של ד"ר הלל אהרוני, מכון ויצמן
והיה המישור לפנים: תהליך הפיכתה של יריעת אלסטומר נמטי למשטח תלת-ממדי עקום דמוי פנים. איור: מעבדתו של ד"ר הלל אהרוני, מכון ויצמן

אנחנו רגילים לחשוב על חומר באחד משלושה מצבי צבירה: גז, מוצק, או נוזל. אבל הטבע, כידוע, אוהב לפעמים לסבך את העניינים. במסגרת השעשועים האלה, הוא יצר "גבישים נוזליים", משפחה של מצבי צבירה שבהם מבנה החומר סדור יותר מאשר נוזל, ועם זאת פחות מסודר מהדרך שבה אטומים או מולקולות מאורגנים בגביש מוצק.

הגבישים האלה, והדרך שבה הם משתלבים לעתים במבנים חומריים אחרים, דוגמת פולימרים (דבר שיוצר סוג מסוים של "חומרים רכים"), הם בין תחומי המחקר שבהם מתמקד ד"ר הלל אהרוני, שהצטרף באחרונה, כחוקר בכיר, למחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע.

סוג אחד של חומרים שבהם מתעניין ד"ר אהרוני, קרוי "אלסטומרים נמטיים". אלה הם מעין חומרים אלסטיים בעלי כיוון מוגדר (למשל, רשת של פולימרים, שבה מוטמעות מולקולות של גביש נוזלי). בכל נקודה במבנה חומרי כזה, קיים כיוון מוגדר אשר החומר "מתוכנת" להתכווץ או להתנפח לאורכו, בתגובה לשינוי בגורם "סביבתי" כזה או אחר, דוגמת טמפרטורה, שדה מגנטי, אור, ועוד. במלים אחרות, אנחנו רגילים לחשוב שכאשר מחממים חומר, הוא מתפשט במידה שווה לכל הכיוונים. אבל "אלסטומר נמטי", מגיב לעליית טמפרטורה בהתפשטות בכיוון מוגדר בלבד.

משמעות הדבר היא, שיריעה גדולה העשויה חומר כזה (אשר הרכבו הכימי אחיד אך הכיוון ה"מוטבע" בו שונה מנקודה לנקודה), ואשר תיחשף לעלייה בטמפרטורה, לא תתפשט לאורך ולרוחב המבנה המישורי שלה בלבד – אלא תאמץ לעצמה מבנה גיאומטרי שונה, חדש, ולמעשה תהפוך למשטח תלת-ממדי עקום. מדובר במעין "מטמורפוזה" מבנית, הנובעת ממבנה החומר הזה.

ד"ר אהרוני ושותפיו למחקר הראו כיצד אפשר לשלוט בכיווניות המוטבעת בגבישים הנוזליים הנמטיים המשולבים ברשת פולימרית, כך שאפשר יהיה לנבא – ולמעשה, אף להכתיב – איזו צורה (גיאומטריה) חדשה יאמץ החומר, בתגובה לשינוי בגורם מסוים (חשיפה לאור, עלייה בטמפרטורה, שינוי בעוצמת השדה המגנטי, ועוד). במובן מסוים, אפשר לראות בזה מעין "פיסול", או "עיצוב" של חומר, באמצעות מודל מתמטי מורכב – שמחליף את המפסלות והאיזמלים המסורתיים. ד"ר אהרוני אומר, שבמקרה זה הכלי המשמש לעיצוב הוא חלק מהחומר עצמו, ואינו כלי חיצוני, דוגמת איזמל.

גיליון אלסטי דק על מצע רך, כמו רקמת עור על בשר, מתקמט כשהגיאומטריה שלו אינה בהלימה לזו של המצע. באופן מפתיע, התיאוריה של גבישים נוזליים מסייעת להבין את דפוסי ההתקמטות השונים ולנבא אותם. מעבדתו של ד"ר הלל אהרוני, מכון ויצמן
גיליון אלסטי דק על מצע רך, כמו רקמת עור על בשר, מתקמט כשהגיאומטריה שלו אינה בהלימה לזו של המצע. באופן מפתיע, התיאוריה של גבישים נוזליים מסייעת להבין את דפוסי ההתקמטות השונים ולנבא אותם. מעבדתו של ד"ר הלל אהרוני, מכון ויצמן

גבישים נוזליים מציגים: ג'ונגל מרתק של פגמים מבניים

נושאים אחרים שד"ר אהרוני מתעניין בהם, הם איפיון פגמים טופולוגיים בגבישים נוזליים, שהם מעין נקודות או קווים במרחב שבהם מבנה החומר נשבר. פגמים כאלה משפיעים במידה רבה על תכונות החומר.

עוד תחום מחקר, שעשוי ליצור גשר בין פיסיקה למדעי החיים ולרפואה, הוא הניסיון להבין ולחזות תבניות של היווצרות קמטים (בדומה לקמטים שמתפתחים בעורם של אנשים מבוגרים. מחקר זה מתבסס על הדמיון המתמטי בין תבניות הקמטים שנוצרות ביריעות שונות (לרבות עור), ובין התנהגותם של גבישים נוזליים מסוימים. בדרך זו אפשר, למשל, לחשב ולראות כיצד ייראו פניו של אדם מסוים – ואילו קמטים יחרשו את פניו – בעוד עשרות שנים.

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

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

דילוג לתוכן