צוות מדענים משולב ממספר מכוני מחקר הצליח לקבל תמונת עקיפת קרני-רנטגן בעלת כושר-הפרדה גבוה של אירוג'ל, אשר לראשונה מגלה את פרטי מבנהו הסריגי התלת-מימדי בקנה-מידה ננומטרי של חומר זה
צוות מדענים משולב ממספר מכוני מחקר הצליח לקבל תמונת עקיפת קרני-רנטגן בעלת כושר-הפרדה גבוה של אירוג'ל, אשר לראשונה מגלה את פרטי מבנהו הסריגי התלת-מימדי בקנה-מידה ננומטרי של חומר זה.
אירוג'ל, חומר חזק וקל מבוסס-סיליקה שרובו (90-98%) אוויר, ואשר מכונה לעיתים "עשן קפוא" או "ערפל סן-פרנסיסקו" הינו קצף ננומטרי – חומר מוצק אשר מבנהו הספוגי מנוקב ע"י חרירים בגודל ננומטרי וחוזקו הרב מפתיע, בהתחשב בדחיסותו המועטה. מבנים נקבוביים רבים חשובים ביותר בזכות תכונותיהם כמבודדים, מסננים וזרזים כימיים; הם משמשים להכנת דלקים "נקיים", לבידוד חלונות ובגדים, לבחינת קצב החלחול של שמנים ודלקים לקרקע, כמערכות להובלת תרופות ואפילו מסייעים בלכידה של חלקיקי שביטים מהירים המגיעים מהחלל.
"גודל החריר המזערי הוא הסיבה לחוזקם של חומרים נקבוביים וליכולותיהם," אומר החוקר Stefano Marchesini, מדען מאוניברסיטת ברקלי שהוביל את קבוצת המחקר. "מעולם לא צפו בתוככי חומרים נקבוביים שכאלה בכושר-הפרדה ברמה זו, מה שהופך את הממצאים לאחד מהיישומים הראשונים של מיקרוסקופית קרני-רנטגן לפתרון בעיה "אמיתית".
שיטה אחת לבחינת אירוג'לים וחומרים "ננו-ערפיליים" דומים היא בעזרת מיקרוסקופיה אלקטרונית, אשר מתאימה רק עבור פיסות דו-ממדיות ודקות ביותר ממבנהו הנקבובי של החומר. שיטה נוספת הינה מיקרוסקופיה ישירה של קרני-רנטגן תוך שימוש בלוחיות מקובעות או סוג של "עדשות"; מיקרוסקופיה זו מסוגלת לחדור דרך הדגימה אך יש בה קושי בשמירת כושר-הפרדה טוב בעומקים שונים של החומר. שיטה של פיזור קרני-רנטגן בזווית-קטנה (SAXS) יכולה גם היא לאסוף מידע מבני מוגבל מאירוג'לים אבקתיים, אך גם היא לא מסוגלת לספק מידע תלת-מימדי מלא. אף לא אחת משיטות אלו מסוגלת לצפות במבנה הפנימי התלת-מימדי של דגימות הננוערפילים הנמדד במיקרומטרים, מיליונית המטר.
עקיפת קרני-רנטגן ניגשת אל הבעיה באופן שונה – אלומת קרני-רנטגן דמוית לייזר מועברת דרך כל הדגימה ומוסטת החוצה אל צג חישה מסוג CCD (ראשי תיבות של Charge Coupled Device – חיישן אלקטרואופטי שמכיל מעגל משולב ובו מערך, "מטריצה", של רכיבים בעלי קיבול, שהמטען הנצבר בהם ניתן להזרמה ולקריאה. השימוש הנפוץ ב-CCD הוא כגלאי במצלמות וידאו (אנלוגיות או דיגיטאליות) או למצלמות סטילס דיגיטאליות). תבניות העקיפה נשמרות שוב ושוב בעוד שהדגימה מוזזת ומסובבת. לסדרה רגילה כזו נדרשים כ- 150 בדיקות שכאלו.
תבניות העקיפה הנפרדות עוברות עיבוד לאחר-מכן באמצעות מחשב. הדרך שבה הפוטונים באלומה מוסטים מכל אחד מרכיביי המבנה הפנימי שונה עבור כל כיוון, והשוואת העוצמה שלהם משמשת למקם בדיוק כל אחד מהם במערך התלת-מימדי. לתהליך נדרשות אלפי חזרות – במחקר הנוכחי השתמשו במאה מיליון עוצמות מדודות שכאלו, בניגוד למאת האלפים האופייניים לקריסטלוגרפיית חלבונים – כך שהתוצאה הסופית הינה תמונה תלת-מימדית של הדגימה הזעירה בקנה-מידה ננומטרי.
מבנים דמויי-קצף מתוארים במונחים של קורות רשת תלת-מימדית ונקודות צומת המשולבות בינן לבין הקורות. רכיבים אלה מופיעים בברור בתמונות התלת-ממדיות הנבנות מהעיבוד הממוחשב של האירוג'ל שבמקרה הזה היה מורכב מטאנטאלום חמש-חמצני (Ta2O5), חומר קראמי שהוצע כשכבת מגן ל"כמוסות" המכילות איזוטופים של מימן לשם ניסויי אנרגיה של היתוך בתיחום-פנימי המבוצעים במעבדות Livermore השייכות למשרד האנרגיה האמריקאי בקליפורניה.
"צפוי כי החוזק והקשיות של מבנים דמויי-קצף אלה יגברו עם עלייה בדחיסותם, בהתבסס על הדחיסות של הרכיבים הנפרדים המרכיבים את המבנה הפנימי," אומר החוקר Marchesini. "אולם מתחת לרמת-דחיסות של 10% החוזק של האירוג'לים שבחנו (בדחיסות של אחוז אחד בלבד) היה מתחת לרמה הצפויה".
להתנהגות זו הוצעו מספר תיאוריות:
- "percolation" model- מודל "חִלְחוּל", שבו מקטעים זעירים מתנתקים מהמבנה הראשי ומוסיפים מסה מבלי לתרום לחוזק הכללי;
- "heterogeneities" model – מודל "אִי-אֲחִידוּת" (הטרוגניות), שבו המבנה הופך עם הזמן למחורר יותר ויותר ומכיל חרירים בגודל מיקרוני ובשל כך מתכופף ביתר קלות;
- "diffusion-limited cluster aggregation" model- מודל "התקבצות צבירים מוגבלת-פעפוע", שבו קיימות בועיות מקובצות של החומר, המחוברות בקשר רופף במקום בקשר איתן.
חדות התמונה הגבוהה שהישגנו במחקר אפשרה לנו לבחון מי מהתיאוריות המוצעות מתארת באופן המדויק ביותר את המבנה הקיים", אומר החוקר הראשי. ע"י צפייה בחומר "מבפנים" צוות המחקר יכול לחזות בדיוק במבנים, בצורות ובממדים של כל אחד מהרכיבים הבודדים. "המבנה היה הרבה יותר מורכב מכל תמונה קודמת שצפינו בה בעבר תוך שימוש בשיטה הנוכחית."
התמונות התלת-ממדיות שהתקבלו ע"י צוות המחקר תאמו למודל השלישי שבו מתרחשת התקבצות צבירים הנשלטת ע"י קצב הפעפוע. המבנה הנצפה נתן הסבר מניח את הדעת לגביי החולשה היחסית של החומר הפחות דחוס וכן הציע כי שינויים בדרך ההכנה של החומרים יוכלו לשפר את חוזקם המכאני.
בשלב הבא, היינו מעוניינים להשתמש בשיטה הנוכחית לשם בחינת מגוון של חומרים נקבוביים וננו-מבנים באופן כללי, כגון פולימרים נקבוביים המשמשים באחסון גז מימן כדלק עתידי, לקבלת תמונות בחדות גבוהה יותר והבנה מעמיקה יותר," מציין החוקר הראשי.
אולם, עדיין קיימים אתגרים שונים בשימוש יעיל של שיטה זו – לאחר הכנת הדגימה היה צורך ביומיים של הרכבה, סיבוב וחשיפת הדגימה לאלומת קרני-הרנטגן, כדקה עבור כל תמונה אחת, בשל קיומו של גלאי איטי. בשלב הבא היה צורך בשבועות של חישוב ועיבוד הנתונים במחשב. "ולאחר כל זאת, יכולת לגלות, למרבה הצער, כי הדגימה הספציפית שהשתמשת בה אינה מתאימה," אומר החוקר הראשי. שיפור הטיפול בדגימה, גלאים מהירים יותר ואלומות ייחודיות המוקדשות לעקיפת קרני-רנטגן הינם כולם יעדים בסיסיים להתקדמות המחקר בתחום זה.
"כמו-כן אנו משתפים פעולה עם מחלקת המחקר הממוחשב באוניברסיטת ברקלי לשם פיתוח אלגוריתם יעיל, חזק ומהיר יותר לשם הפחתת הזמן הנדרש לבניית התמונה התלת-מימדית מהתמונות הנפרדות," אומר החוקר.
"שיטה זו תוכל להוביל למגוון אפשרויות לדרכי צפייה חדשות לחלוטין בפרטים זעירים – לא רק אירוג'לים אלא בעצם כל חומר בלתי-מוכר, החל מננו-מבנה ועד תא ביולוגי."
