אל תוך עולם החומר

מבט אל תוך עולם החומר

אנו חיים בעולם חומרי. רבים מכירים מחיי היום-יום ביטויים כגון "קל וחומר" או "כחומר ביד היוצר". הקשר בין האדם לחומרים שמסביבו הינו קדום, אך מהותי גם כיום, ואף צפוי להיות כזה גם בעתיד. זכייתו של פרופסור דן שכטמן (Shechtman), מהמחלקה להנדסת חומרים בטכניון, בפרס נובל לכימיה לשנת 2011 העלתה לדיון הציבורי את חשיבות קידום המדע והחינוך המדעי בישראל, ואף גרמה לרבים לתהות מהו מקצוע המדע והנדסת חומרים. זהו ניצחון אישי לפרופסור שכטמן, אך גם הזדמנות מצוינת למתעניינים לפתוח צוהר אל עולם החומר, ולנסות להבין מה גילה שכטמן מבעד למיקרוסקופ באותו בבוקר גורלי באפריל 1982.

עולם החומרים – סקירה היסטורית
מראשיתה של האנושות התעניין האדם בחומרים שבסביבת מחייתו ואף למד לנצלם לתועלתו. ההבנה של אבותינו מתקופת האבן כי ניתן לסתת אבנים ליצירת כלים מקורה בחשיבה טכנולוגית, שיושמה על ידי בחירת החומר המתאים (אבן צור).
אלפי שנים אחר כך, בשנת 1556 פורסם הספר De Re Metallica, שהווה את הבסיס לתורת המתכות (מטלורגיה, metallurgy). הספר נכתב על ידי גאורגיוס אגריקולה (1494 – 1555), מדען ורופא, שטיפל בעובדי מכרות בגרמניה. אגריקולה נחשב לאבי המטלורגיה, המינרלוגיה, ולאחד ממייסדי תחום הרפואה הסביבתית. במשך שנים רבות היה ספר זה מקור מידע מרכזי לכורים וחרשי מתכות. בשנת 1709 הצליח אברהם דרבי, חרש ברזל אנגלי, להפיק ברזל מעפרותיו על ידי שימוש בפחמי אבן ובתנור המכונה "תנור רם". בעקבות תגליתו של דרבי באה המהפכה התעשייתית, שכללה מעבר משיטות ייצור ידניות לייצור תעשייתי. בסוף המאה ה-19 הייתה פריצת דרך בתחום החומרים, כאשר מדען  אמריקאי בשם וילארד גיבס תאר את התכונות התרמודינמיות של חומרים כתלויות במבנה החומר.

איור מתוך הספרו של גאורגיוס אגריקולה De Re Metallica

איור מתוך הספרו של גאורגיוס אגריקולה De Re Metallica

למרות יחסי הגומלין ארוכי השנים בין האדם לחומר, מקצוע המדע והנדסת חומרים, שהתפתח מהמטלורגיה, הינו חדש יחסית, והחל תופס תאוצה לאחר מלחמת העולם השנייה. המצאת הטרנזיסטור, מסמלת את לידתה של המיקרואלקטרוניקה. מדובר ברכיב אלקטרוני, הבנוי מחומרים מוליכים למחצה, המשמש כמתג אלקטרוני. במהלך שנות ה-50 של המאה ה-20 החלו הטרנזיסטורים להיות נפוצים במרכזיות טלפון ומקלטי רדיו. התפתחות המיקרואלקטרוניקה הביאה לקפיצת מדרגה בתחום המדע והנדסת חומרים, וביססה את חשיבותו של המקצוע. בשנות ה־60 החל המרוץ לייצור מעגלים משולבים לבניית מעגלים אלקטרוניים. התפתחות התעופה ומרוץ החלל במחצית השנייה של המאה ה-20 תרמו אף הן לפיתוחם של חומרים חדשים, כולל נתכי-על, חומרים קרמים מתקדמים וחומרים מרוכבים.
כעת, כשאנו מצוידים ברקע ההיסטורי, ננסה להבין מהו מדע החומרים ומה עיסוקו של מהנדס החומרים.

קל וחומר – במה עוסק מקצוע המדע והנדסת חומרים?
החומרים בעולמינו בנויים מאטומי יסודות, ביניהם מצויים קשרים המשפיעים על תכונות החומר כגון חוזק, קשיות, משיכות, ברק, מוליכות חשמלית, מוליכות חום ועוד. הקשר בין מבנה החומר לתכונותיו נותן מענה לשאלות כגון, כיצד יתכן שהיהלום והגרפיט, הבנויים שניהם מאטומי היסוד פחמן, תכונותיהם שונות כל-כך?
הנדסת חומרים עוסקת בעיקר בחומרים מוצקים. הללו מתאפיינים בדרך כלל בסידור אטומי מחזורי, המכונה מבנה גבישי, המזכיר את סידור חלות הדבש בכוורת. כשם שחלות הדבש מורכבות ממספר רב של משושים, כך החומר הגבישי (חד-גביש, single crystal) בנוי מתאי יחידה (unit cells) המאוכלסים באטומים, החוזרים על עצמם באופן מסודר ומחזורי מספר רב של פעמים. כאשר קוביות הבניין המרכיבות את תאי היחידה בגביש הן אטומי מתכת, מתקבל גביש מתכתי, ואילו כאשר קוביות הבניין הן שילוב של אטומי מתכת ואל-מתכת, מתקבל גביש יוני. מלח בישול, הבנוי מאטומי היסוד המתכתי נתרן ומאטומי היסוד האל מתכתי כלור, הוא דוגמה לגביש יוני.
דוגמה לחד-גביש קיימת בתעשיית המיקרואלקטרוניקה. שם בתנאים מבוקרים מיוצרים מוטות חד-גבישיים של היסוד צורן (סיליקון), אשר בתום התהליך נחתכים לפרוסות סיליקון דקות, שכל אחת מהן נועדה להכיל אלפי רכיבים אלקטרוניים זעירים שנועדו לבניית מחשבים. אולם, מרבית החומרים בטבע וגם מעשה ידי אדם אינם חד-גבישים, אלא הם בנויים ממספר רב של גבישים (גרעינים). הללו מסודרים בכיוונים שונים, כאשר אזור ההפרדה בין הגבישים קרוי גבול גרעין (grain boundary). למספר גרעיני החומר ולגודלם ישנה השפעה על תכונות החומר. בטמפרטורת החדר, ככל שגרעיני החומר המתכתי או הקרמי קטנים יותר, כך החומר חזק וקשה יותר.
דפורמציה פלסטית משמעותה יכולת החומר לשנות את צורתו באופן בלתי הפיך בעקבות הפעלת כוחות חיצוניים. כשחומר עובר דפורמציה פלסטית, מתרחשת החלקת מישורים אטומיים זה על גבי זה. הקו המפריד בין שני מישורים אטומיים שעברו החלקה בחומר גבישי קרוי קו נקע (dislocation line). תנועת הנקעים כרוכה בשבירתם של קשרים בין אטומיים. לנקעים יש השפעה על תכונותיהם המכניות של חומרים מתכתיים. חיזוק והקשיית מתכות נעשים באמצעות  הפרעה לתנועת הנקעים. לדוגמה, חומר שגרעיניו קטנים, יש לו גבולות גרעין מרובים המפריעים לתנועת הנקעים, ולכן קשיותו תהיה גבוהה יותר.
קיימים גם חומרים מוצקים בהם נעדר סידור אטומי מחזורי. במקרה כזה אנו אומרים שמדובר בחומר אמורפי (נטול צורה, amorphous), או במבנה זכוכיתי. למבנה זה ניתן להתייחס כאל נוזל שקפא מבלי שהספיק להתגבש. חומרים בעלי מבנה אמורפי נבדלים בתכונותיהם מחומרים גבישיים. קיימים חומרים גבישיים שעל ידי קירורם בקצבים מהירים מאוד ניתן להביאם למצב אמורפי, דבר שיביא לידי שינויי תכונותיהם.
מדע והנדסת חומרים הוא תחום הנדסי, הבוחן את הקשר שבין מבנה החומר ברמת המיקרו-מבנה (הקשרים בין האטומים, סוג תאי היחידה, הפגמים בחומר כגון נקעים ועוד) לבין תכונותיו ברמה המאקרוסקופית (קשיות, חוזק, חסינות לשבר, קשיחות ועוד). וכיצד תהליכי הייצור והעיבוד של החומר (כגון: יציקה, כבישה, ריתוך ועוד) משפיעים על מבנהו הפנימי של החומר ועל תכונותיו. תחום המדע והנדסת חומרים מתמקד בחקר החומר, פיתוח חומרים חדשים, שיפור תכונותיהם של חומרים, שיטות לאפיון חומרים (לדוגמה מיקרוסקופיית אלקטרונים ועקיפת קרני (x, תהליכי ייצור, שיקולים בבחירת חומרים, וחקר כשל של חומרים. כאשר מהנדס החומרים בוחר חומר עבור יישומים תעשייתיים, עליו לקחת בחשבון גורמים כגון זמינות החומרים, יכולת ייצור, עלות, תכונות, תנאים סביבתיים ועוד. חשוב לזכור שרוב המוצרים ההנדסיים בנויים ממכלול חומרים, מה שמסבך את שיקולי בחירת החומרים.

מה גילה פרופסור שכטמן מבעד למיקרוסקופ?
גבישים מוגדרים באמצעות תכונות הסימטריה שלהם. מבנה מוגדר כסימטרי ביחס לטרנספורמציה נתונה, כאשר פעולת הטרנספורמציה שבוצעה, כגון: סיבוב, שיקוף (מראה) או הזזה, אינה משנה את הופעתו. בעבר הניחה הקריסטלוגרפיה שהסידור הגבישי הוא בהכרח מחזורי, ולכן "הסימטריה המותרת" בחומרים גבישיים היא של פעולות סיבוב מסדר: 1, 2, 3, 4 ו–6, ואילו סימטריה 5 או מעל 6 נקבעו כבלתי אפשריות לריצופו המלא של המישור ללא מרווחים.
בשנת 1981 יצא דן שכטמן, מרצה צעיר מהטכניון, לשבתון במכון התקנים הלאומי של ארה"ב, בכדי לחקור התמצקות מהירה של נתכי אלומיניום–ברזל. במסגרת המחקר היה עליו לבחון גם נתכי אלומיניום–מנגן.
בבוקר סגרירי באפריל 1982 עבד שכטמן במעבדתו. הוא התבונן מבעד למיקרוסקופ האלקטרונים בחומר שזה עתה הפיק מאלומיניום וממנגן, ושקורר במהירות גבוהה בעת התמצקותו. שכטמן יצר תמונת עקיפה (דיפרקציה, (diffraction באמצעות קרן אלקטרונים וספר את הנקודות הבהירות המסודרות במעגל. לתדהמתו היו בתמונת הדיפרקציה עשר נקודות מסודרות במרחקים שווים במעגל, כלומר סימטריה מחומשת (בכפולות של 5).

ריצוף פנרוז כמו-מחזורי (איור: דנה אשכנזי)

ריצוף פנרוז כמו-מחזורי (איור: דנה אשכנזי)

על מנת להסביר את תופעה, שלימים תקרא גביש קוואזי–מחזורי (quasicrystal), נדרשו כעת שנתיים של מחקר מדעי יסודי ועיקש. בראשית ניצב שכטמן לבדו מול הקהילה המדעית שפסלה את תגליתו. בראש המתנגדים עמד פרופסור לינוס קארל פאולינג (Pauling), חתן פרס נובל לכימיה לשנת 1954 ופרס נובל לשלום לשנת 1962. בקהילה המדעית של אותם הימים כלי העבודה המרכזי לחקר גבישים היה דיפרקציית קרני x, ואילו דיפרקציה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים, כמו זו שבצע שכטמן, נחשבה כבלתי מדויקת. מאידך, באותה העת לא הייתה בנמצא טכנולוגיה לייצור דגמים גדולים דיים לביצוע דיפרקציית קרני x לדגמים שחקר שכטמן.
בשנת 1983 חזר שכטמן לטכניון, ופגש בפרופסור אילן בלך, שהיה הראשון שהאמין בנכונות הממצאים של שכטמן, ואף פיתח מודל להסברת התופעה. השניים שלחו יחדיו מאמר לפרסום, אולם זה נדחה בטענה שאין בו עניין לקהילת הפיזיקאים. בקיץ 1984 שב שכטמן למכון התקנים הלאומי בארה"ב, שם חבר לג'ון קהאן ודניס גראטיאס. הארבעה –  שכטמן, בלך, קהאן וגראטיאס, כתבו מאמר נוסף, שהפעם התקבל לפרסום בכתב–העת היוקרתי Physical Review Letters, ונחשב לפורץ דרך. מספר שבועות אחר כך התפרסם מאמרם של דב לוין ופול שטיינהארדט, ובו הסבר לתופעה שגילה שכטמן באמצעות ריצוף פנרוז (Penrose). לוין ושטיינהארדט, נתנו את השם "קוואזי–גבישים"  לתופעה. ריצוף פנרוז (על שם המתמטיקאי רוג'ר פנרוז שמצא את הריצוף) מבוסס על שתי צורות מעוינות, בעזרתן ניתן לרצף מישור באופן כמעט מחזורי, כך שהריצוף מכיל סימטריה סיבובית, אך נעדר מחזוריות במישור. בעקבות פרסום המאמר הסתובב הגלגל, ומדענים ברחבי העולם החלו לגלות עניין בקוואזי–גבישים. בעקבות תגליתו של שכטמן נמצאו מאות חומרים חדשים שנחשבו בעבר כבלתי אפשריים, מה שהביא  לשאלות מחקר חדשות ולכיווני מחקר חדשים. לאחר 30 שנות סערה עולמית בתחום חקר הגבישים זכה פרופסור דן שכטמן ב-10 בדצמבר 2011 בפרס נובל לכימיה על מחקרו פורץ הדרך.

מה צופן העתיד בתחום המדע והנדסת חומרים?
מהנדסי חומרים משתלבים כיום במגוון תעשיות, ביניהן תעשיות הרכב, התעופה והחלל, תעשיית המיקרו-אלקטרוניקה, ותעשיות צבאיות. התחומים העכשוויים במקצוע זה כוללים חומרים מרוכבים, ננו-חומרים, חומרים קרמים מתקדמים, פולימרים, ביו-חומרים, חומרים חכמים, מכניקת שבר וחקר כשל, בדיקות ללא הרס, סימולציות ממוחשבות של חומרים, ציפויים, חומרים באמנות ואדריכלות, חומרים ואיכות הסביבה, קורוזיה, חומרים ואנרגיה ועוד.
כשם שצורכי התעופה והחלל במאה ה-20 הביאו לפיתוחם של חומרים חדשים בעלי חוזק גבוה, משקל קל ועמידות בסביבות אגרסיביות (כגון חום וקור קיצוניים), כך גם צפויה התעניינותו של האדם בחומרים להמשיך בעתיד. ובכן, איזה חומרים נמצאים כיום בחזית הידע ומהם החומרים הצפויים להיות חומרי העתידי?
קיימים כיום חומרים המכונים חומרים חכמים (smart materials). לדוגמה, חומרים פייזואלקטריים (piezoelectric), אשר עקב מעוות/עיבור נוצר בהם מתח חשמלי, וכאשר הם נתונים למתח חשמלי, הם מתארכים או מתקצרים משמעותית. דוגמה נוספת היא חומרים בעלי צמיגות ((viscosity משתנה. מדובר בחומרים נוזליים, שיכולים לעבור שינוי משמעותי (והפיך) בצמיגותם מנוזל למוצק כתוצאה מחשיפה לשדה מגנטי או לשדה חשמלי. קבוצה מעניינת של חומרים חכמים היא נתכים בעלי זיכרון צורה (סגסוגות זיכרון, shape memory alloys). לאחר שנתך בעל זיכרון צורה עבר שינוי בצורתו בהשוואה לסידורו המקורי, הוא יחזור לצורה המקורית כתוצאה משינויי טמפרטורה. הסיבה לכך היא ששינוי הטמפרטורה יביא לשינוי במבנה הגבישי (מפאזה מרטנסיטית לפאזה אוסטניטית). הנתך המוכר מבין סגסוגות זיכרון הוא הניטינול (ניקל-טיטניום, nitinol), המשמש בתחום הביו-רפואה.
בתחום החומרים הפולימריים ותעשיית המיקרואלקטרוניקה, אחד הכיוונים האטרקטיביים כיום הוא הדפסת מעגלים אלקטרונים על מצע פולימרי, באמצעות שימוש במדפסות הזרקה. באופן זה ניתן לייצר צגי מחשב גמישים, שיוכלו להתמודד טוב יותר עם מכות ושריטות. אפליקציות אפשריות לטכנולוגיה הן טלפונים ניידים בעלי עיצובים ייחודיים, וכן עיתונים גמישים וקלים, בהם ניתן יהיה לראות גם סרטונים.
קבוצה נוספת של חומרים מעניינים קשורה ליסוד פחמן ולמונח פולימורפיזם (polymorphism), שמשמעותו "רב-צורתיות", כלומר בטמפרטורה ו/או לחץ משתנים יופיע החומר בצורות גבישיות שונות. היסוד פחמן מסוגל במצב מוצק להתקיים כיהלום וכגרפיט. היריעה הדו-ממדית של גרפיט קרויה גרפן (graphene), ובה מסודרים אטומי הפחמן ביחידות משושות, שעוביין שכבה אטומית בודדה. על גילוי הגרפן ותכונותיו הוענק לאנדריי גיים (Geim) וקונסטנטין נובוסלוב (Novoselov) פרס נובל לפיזיקה לשנת 2010. משפחה מעניינת של חומרים עשויים פחמן ובעלי פוטנציאל עתידי היא ה"פולרנים" fullerenes)). מדובר במולקולות הבנויות ממספר רב של אטומי פחמן, לדוגמה מולקולת פחמן-60 מורכבת מ-60 אטומי פחמן, היוצרים צורת כדור חלול. הפולרנים בנויים משילוב בין טבעות משושות למחומשות, והם מתאפיינים בחוזק גבוה ומשקל קל. גילויים של הפולרנים זיכה את הרולד קרוטו (Kroto), ריצ'ארד סמלי (Smalley) ורוברט קארל (Curl), בפרס נובל לכימיה לשנת 1996.
פולימורפיזם נוסף של פחמן בעל פוטנציאל עתידי הוא הננו-צינוריות פחמן. מדובר במבנה שמרכזו הוא מישור יחיד ומכופף של גרפיט, שקצותיו הם חצאי כדור פולרני, כך שמתקבל מבנה גלילי חלול וסגור. בננו-צינוריות קיימים בנוסף למשושים גם מחומשים ומשובעים עשויים אטומי פחמן, המונעים מהשטח להיות מישורי.

תצורות שונות של היסוד פחמן

כשמדברים על חומרי העתיד, עולה לעיתים קרובות המושג "ננו-חומרים" (nanomaterials), העוסק בחומרים הבנויים ממספר מועט של אטומים/מולקולות, המרכיבים מבנים והתקנים באמצעות מיקום חכם של האטומים/מולקולות. יצירת ננו-חומרים נעשית באמצעות ביצוע מניפולציות על אטומים בודדים ומולקולות על ידי ניתוקם מפני-השטח והזזתם ממקום למקום (תוך שימוש בטכנולוגיות כדוגמת מיקרוסקופ מנהור סורק). אפליקציות אפשריות בתחום הננו הן שבב אלקטרוני שיתקשר עם נוירון ביולוגי, או ייצור רכיבים ננו-ביולוגים שיטפלו בבעיות שונות בגוף האדם כדוגמת דלקות. יישומים עתידיים לננו-חומרים וננו-טכנולוגיות צפויים להיות בתחומי הרפואה, המחשבים, חלל, ריגול, חיישנים ומנועים מולקולריים. כיום אף מדובר על פיתוחים עתידיים של חומרים להרכבה עצמית (self-assembly), כלומר חומרים בעלי יכולת לבנות ולפרק את עצמם מספר רב של פעמים בהתאם לאפליקציות הנדרשות. בד בבד עם פיתוחם של חומרים ותהליכים חדשים, יתרחשו גם שינויים טכנולוגיים משמעותיים, שיביאו לתמורות מרתקות בתולדות המין האנושי.

לקריאה נוספת

Shechtman, D., Blech, I., Gratias, D., and Cahn, J.W. (1984) Metallic phase with long-range orientational order and no translational symmetry, Phys. Rev. Lett. 53(20):1951-1954.

דנה אשכנזי, מדמוקריטוס לשכטמן – "סיפור מסעו של מדען ישראלי בעקבות הגביש הבלתי אפשרי",  "גליליאו" – כתב עת למדע ולמחשבה, גיליון 160, דצמבר 2011.

דנה אשכנזי ונעם אליעז, "על מינרלים, סריגים ואבני חן – מבנה החומרים ומדע הקריסטלוגרפיה",   "גליליאו" – כתב עת למדע ולמחשבה, גיליון 115, מרס 2008.

מריאנה קורז'וב, רפי שיקלר, ודוד אנדלמן, "פלסטיק שמוליך חשמל? – על דור חדש, מרהיב ומלהיב של אלקטרוניקה פלסטית", "גליליאו" – כתב עת למדע ולמחשבה, גיליון 113, ינואר 2008.

קישורים מומלצים

http://physicaplus.org.il/zope/home/he/3/Lifshitz

http://www.youtube.com/watch?v=EZRTzOMHQ4s

http://www.sf-f.org.il/story_104

http://www.youtube.com/watch?v=Cm90Md81zZQ

אודות דנה אשכנזי

ד"ר דנה אשכנזי, מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל–אביב, עוסקת בתחום המדע והנדסת חומרים ומכהנת בהנהלת האגודה הישראלית לחומרים ותהליכים כדוברת האגודה.
הפוסט הזה פורסם בתאריך מדע פופולרי עם התגים . קישור קבוע.

תגובה אחת על אל תוך עולם החומר

  1. מאת איתם:‏

    מעניין
    תודה

כתיבת תגובה

האימייל שלך לא יוצג בבלוג. (*) שדות חובה מסומנים

*

תגי HTML מותרים: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>

*