מסע בלשי בעקבות החומר

מתקופת האבן ועד לימינו

תקופות בתולדות החברה האנושות קרויות על-שם החומרים המרכזיים בהם השתמש האדם באותה העת: תקופת האבן, תקופת הברונזה ותקופת הברזל. אבותינו הקדמונים החלו לנצל אבנים להכנת כלי עבודה ונשק מראשיתה של החברה האנושית. מקובל להניח, שעידן קדום זה, הקרוי תקופת האבן, החל במקומות שונים בעולם כבר לפני כ- 2 מיליון שנים. עץ ועצמות נוצלו גם הם באותה העת על-ידי האדם, ברם החומר המרכזי בו עשה האדם שימוש טכנולוגי לייצור חפצים היה באותם ימים קדומים ללא ספק האבן. עם הזמן הגיעו בני האדם לתובנה כי מוטב לברור מבין הסלעים את אותן אבנים, כדוגמת אבני הצור הקשות, אותן ניתן לבקע, להשחיז ולהפכן לכלי חיתוך. או במילים אחרות, האדם החל לייחס חשיבות לתכונות החומר בעת שבצע שיקולים של בחירת חומרים.

האבן נותרה חומר מרכזי להכנת כלים במשך שנים רבות, עד שנתגלתה שיטה להתכת עופרות הנחושת לשם הפקת נחושת (בערך בשנת 4,500 לפנה"ס). בעת ההיא החל ענף הקדרות להתפתח, ובני האדם החלו לייצר כלי חרס שרופים שנועדו לאחסנת מזון. אלף שנים מאוחר יותר, סביב שנת 3,300 לפנה"ס, מצאו בני האדם כי מהתכת נחושת והוספת בדיל לתערובת המותכת מתקבל נתך הקרוי ארד (ברונזה). הברונזה נמצאה מתאימה יותר מהנחושת לייצורם של כלי מלאכה, תכשיטים ונשק, בשל היותה חזקה וקשיחה יותר. בעקבות תגלית זו נולדה תקופה חדשה בתולדות המין האנושי - תקופת הברונזה. מסופוטמיה ומצרים היו האזורים הראשונים בהם יוצרו כלי מברונזה. מהמזרח התיכון התפשטה טכנולוגית השימוש בברונזה למקומות נוספים בעולם העתיק. בעלי מלאכה יצקו את הברונזה לתבניות בעלות צורה רצויה ליצירת כלים משובחים. בשיטה זו יוצרו סכינים וגרזנים מברונזה לעיבוד עצים, עורות ואבנים. באותו הזמן פותחו בעולם העתיק שתי המצאות ששינו את פני ההיסטוריה האנושית. הראשונה היתה המצאת הגלגל, שהקלה על יכולתו של האדם לנוע בדרכים ולשאת סחורות. תגלית זאת אפשרה פיתוח תשתית למסחר רב היקף. ההמצאה השנייה היתה פיתוח המחרשה הרתומה לשור, שהגדילה את תפוקת השדות בשיעור ניכר. סביב 1,500 לפנה"ס מצאו החיתים שיטה להפקת ברזל מעפרותיו. משם הועברה הטכנולוגיה לארצות אגן הים התיכון והגיע לידי היוונים. כלי המלאכה וכלי הלחימה שיוצרו מברזל, אחרי התכתו ועיבודו, היו חזקים במידה ניכרת מכלי הברונזה, ולכן החל האדם להשתמש יותר בכלי ברזל ופחות בכלי ברונזה. תקופת הברזל, שהחלה אז, נמשכת למעשה עד לימינו אנו. הפלדה, המוכרת לכולנו מחיי היום-יום היא נתך ברזל המכיל כמויות נמוכות של פחמן. מקובל לסגסג את הפלדות ביסודות נוספים, ביניהם: מגנזיום, מנגן, ניקל, כרום, וצורן. מטרת הסגסוג היא לשפר את תכונותיה של הפלדה, ולהקנות לה תכונות מועדפות כגון: משיכות, עמידות סביבתית בפני כימיקלים, קשיות ועמידות בשחיקה. מוצרים רבים מיוצרים כיום מפלדות, כולל: גשרים, גורדי שחקים, להבים וגלגלי-שיניים.

מבנה האטום

נחזור כעת לעת העתיקה. אחת השאלות המרכזיות שהעסיקו את הפילוסופים היוונים הייתה השאלה: "ממה מורכב העולם"? חכמי יוון האמינו שהחומרים מהם בנוי עולמינו עשויים מצרופים שונים של ארבעה יסודות בסיסיים: אדמה, אוויר, מים, ואש. תיאוריה זו, שכונתה תיאורית ארבעת היסודות, היתה לאבן הפינה של האלכימיה בימי הביניים. בניגוד לרוב חכמי יוון בעת העתיקה, בשנת 370 לפנה"ס הציג פילוסוף יווני בשם דמוקרטוס את תיאורית האטומים שלו. דמוקריטוס גרס שהחומרים בטבע בנויים מחלקיקים זעירים, אותם הוא כינה "אטומים", המסוגלים להתחבר ביניהם. מקורה של המילה אטום הוא מיוונית, ופירושה "שאינו ניתן לחלוקה". התורה האטומית של דמוקריטוס לא זכתה להכרה נרחבת על-ידי הפילוסופים היוונים שהעדיפו על פניה את תיאורית ארבעת היסודות. וכך קרה שבמשך קרוב לאלפיים שנה התעלמה האנושות מהגישה האטומיסטית של דמוקריטוס ותלמידו, ורק בתחילת המאה ה-19 החלו המדענים לגלות כי החומרים השונים בעולמנו אכן מורכבים מאטומי יסודות.

האטומים מהווים את אבני הבניין של החומרים מהם עשויים כל היצורים החיים וכל החפצים בתבל. ניתן לדמות את היקום בו אנו חיים למשחק קוביות עצום, בו בנויים כל החומרים שמסביבנו מ"קוביות משחק" הקרויות אטומי יסודות. בעזרת האטומים של היסודות הקיימים בטבע ניתן לבנות אינסוף צירופים של חומרים בעלי מגוון תכונות ויישומים. כל יסוד מורכב מסוג מסוים של אטומים: רדיד כסף בנוי מאטומי כסף ואילו רדיד זהב בנוי מאטומי זהב. כאשר אטומי יסודות שונים מתחברים ביניהם נוצרים חומרים חדשים. משילוב בין היסודות חמצן ומימן נוצר החומר מים, ואילו שילוב בין היסודות נתרן וכלור יוצר חומר גבישי הקרוי נתרן-כלורי, המכונה בשפת היום-יום מלח-בישול. כזכור, הוספת היסוד בדיל ליסוד נחושת יוצרת את הברונזה, באמצעותה ייצר האדם כלי עבודה ונשק בתקופת הברונזה. כלי הברונזה היו חזקים יותר ועמידים יותר מכלי האבן והנחושת שקדמו להם. כאשר נוסיף ליסוד ברזל כמויות קטנות של היסוד פחמן, נקבל כאמור חומר תעשייתי הקרוי פלדה.

במרכזו של האטום שוכן הגרעין, המורכב מחלקיקים קטנים, הנקראים פרוטונים ונויטרונים. חלקיקים זעירים עוד יותר, הקרויים אלקטרונים, מקיפים את הגרעין בתנועה מתמדת. האלקטרונים מכונים חלקיקי יסוד או חלקיקים אלמנטאריים. האלקטרונים הינם בעלי מטען חשמלי שלילי, ואילו גרעין האטום הינו בעל מטען חשמלי חיובי, הנובע ממטענם החיובי של הפרוטונים. לעומת זאת, הנויטרונים אינם נושאים כלל מטען חשמלי. "ענן" האלקטרונים חג ומרחף סביב הגרעין, עקב המשיכה החשמלית הקיימת בין הגרעין החיובי לבין האלקטרונים השליליים. הכוח החשמלי של הגרעין הוא זה המונע מן האלקטרונים "לברוח" מהאטום.

האלקטרונים מציגים תכונות הן של גלים והן של חלקיקים. תנועתם המתמדת של האלקטרונים מסביב לגרעין היא האחראית לכך שלא ניתן לייחס לאלקטרון מיקום מדויק בזמן נתון. המרחק בין הגרעין לאלקטרונים הוא עצום ביחס לגודלם של האלקטרונים ולגודלו של גרעין האטום, כך שרוב רובו של נפח האטום הוא חלל ריק. הפרוטון והנויטרון כבדים בערך פי 2000 מהאלקטרון, לכן גרעין האטום הוא זה האחראי למשקלו של האטום. בין הפרוטונים בעלי המטען החשמלי החיובי המצופפים בגרעין קיימים כוחות דחייה חשמליים גדולים. אולם, הכוחות הללו מאוזנים על-ידי כוחות הקיימים בין הפרוטונים לבין הנויטרונים שבגרעין. הכוח הרב בו צמודים הנויטרונים והפרוטונים זה לזה קרוי הכוח הגרעיני החזק. הפרוטונים והנויטרונים מורכבים מחלקיקים זעירים עוד יותר הקרויים קווארקים. גם הקווארקים כמו האלקטרונים מכונים חלקיקי יסוד. כעת, לאחר שדנו בקצרה במבנה האטום, נבחן את האופן שבו יוצרים האטומים השונים קשרים ביניהם.

קשרים בין אטומיים

כשאטומים נפגשים, האלקטרונים מסתדרים סביב הגרעינים שלהם, כדי שהאטומים יתחברו. ממש כמו שאפשר לבנות דברים שונים מאותן אבני משחק, כך גם אפשר לבנות חומרים מצרופים שונים של אותם אטומים הקרויים יסודות. קשרים שונים בין האטומים יוצרים חומרים חדשים. שאטומים סמוכים זה לזה, הם נוטים לקשור ביניהם קשרים מסוגים שונים. קשרים אילו אחראים להיווצרותם של צירופים שונים של חומרים. אטומי היסוד מהם בנוי החומר, הקשרים ביניהם, והפגמים הקיימים בחומר, הם המשפיעים המהותיים על תכונות החומר. ישנם מספר אופנים של קשרים בין אטומים, חלקם חזקים וחלקם חלשים. הקשרים החזקים בין האטומים הינם קשרים מתכתיים, קשרים יונים וקשרים קוולנטיים.

קשר מתכתי

בקשר מתכתי מוותר כל אטום על האלקטרונים בקליפתו החיצונית, אותם הוא מוסר לענן שיתופי של אלקטרונים הנעים בחופשיות בחומר. מבנה זה מקנה למתכות את תכונותיהם הייחודיות כגון: ברק, משיכות, הולכה חשמלית והולכת חום.

קשר יוני

קשר יוני זהו קשר בין יסוד מתכתי ליסוד אל-מתכתי. בקשר זה מוותרת המתכת על אלקטרונים מקליפתה החיצונית, אותם היא מעניקה לאטום אל-מתכתי. לאחר מסירת האלקטרונים נהיה אטום המתכת יון בעל מטען חיובי ואילו אטום האל-מתכת נהיה יון בעל מטען שלילי. דוגמה מוכרת לקשר יוני היא גבישי המלח-בישול (נתרן-כלורי). בקשר זה מוותר אטום הנתרן על אלקטרון בודד מקליפתו החיצונית לטובתו של אטום הכלור האל-מתכתי, באופן זה מגיעים הנתרן והכלור למצב יציב מבחינה אנרגטית.

קשר קוולנטי

קשר קוולנטי נוצר על-ידי שיתוף של זוגות אלקטרונים בין אטומי יסודות אל-מתכתיים. המימן, החמצן, הפחמן והכלור נוטים ליצור קשרים קוולנטיים. מולקולת המים היא דוגמה לקשר קוולנטי בין אטום חמצן לשני אטומי מימן.

בנוסף לקשרים החזקים, קיימים בין האטומים גם שני קשרים משניים, בעלי אופי חלש: קשרי ואן-דר-וולס וקשרי מימן.

קשרי ואן-דר-וולס

קשרי ואן-דר-וולס נוצרים כתוצאה מאי-סימטריה בתנועת האלקטרונים החגים סביב האטום. קשרי מימן לעומת זאת נובעים מאי-סימטריה בין מולקולות. קשרי ואן-דר-וולס החלשים קיימים למשל בעיפרון גרפיט, דבר שמאפשר לנו להוריד שכבות של גרפיט על-גבי הנייר ובאופן זה לכתוב על הנייר. קשרים חלשים אילו גם מאפשרים לנו בקלות רבה למחוק את סימני הגרפיט מעל הנייר באמצעות המחק.

קשרי המימן

קשרי המימן נוצרים כשמולקולת מסוימות, כדוגמת מולקולות המים, הינן בעלות מטען שלילי בחלק מסוים של המולקולה ובעלות מטען חיובי בחלק אחר של המולקולה. במולקולות אילו קיימת משיכה בין החלקים הטעונים במטען שלילי של מולקולה אחת לבן החלקים הטעונים במטען חיובי של המולקולה הנמצאת בסמיכות אליה.

המבנה הגבישי

כעת, לאחר שדנו במבנה האטום ובאופן הקשרים הבין אטומים, נעסוק בשאלת הסידור והמבנה של חומרים מוצקים. חומר מוצק הינו בדרך-כלל בעל סידור אטומים מחזורי, המכונה מבנה גבישי. לעיתים הסידור האטומי יהיה אך ורק לטווח קצר (בדומה לנוזל), אז אנו אומרים שמדובר על חומר אמורפי או זכוכיתי. ניתן להתייחס אל המבנה הזכוכיתי כאל נוזל שקפא בשל קירור מהיר וחוסר זמן להתגבש.

במוצק גבישי, האטומים מסודרים במערך מחזורי. במבנה שכזה היחידה הבסיסית של הסידור האטומי, שקרויה תא יחידה, חוזרת על עצמה מספר רב של פעמים ויוצרת על-ידי כך את הגביש. הסידור הגבישי מזכיר את האופן שבו בונות דבורים חלות דבש המכילות מספר עצום של משושים, או לאופן שבו הצייר ההולנדי הנודע אשר (Escher), צייר מספר רב של דגים, פרפרים ולטאות, החוזרים על עצמם במבנה מסודר ומאורגן. מבנה גבישי מתאפיין בכך שלכל אטום במבנה יש מקום מסוים היוצר גיאומטריה בסיסית החוזרת על עצמה בכל נפח החומר. בעת תיאור המבנה הגבישי, נהוג להתייחס לאטומים או ליונים כאל כדורים קשיחים. הגביש הוא מבנה תלת-ממדי בעל סידור מחזורי האופייני לחומרים במצב מוצק. הגיאומטריה הבסיסית יכולה להיות למשל קובייה. בכל פינה של הקובייה שוכן אטום וכל נפח החומר בנוי מקוביות זהות. צורה בסיסית זו של סידור האטומים בגביש קרויה סריג. הסריג בנוי מאוסף של תאי יחידה החוזרים על עצמם בצורה מסודרת. הפשוט ביותר מבין תאי היחידה קרוי תא קובי פשוט - SC (Simple Cubic). תא שכזה מכיל שמונה אטומים בקדקודי הקובייה.במרבית המתכות והנתכים התעשייתיים היחידה הבסיסית של המבנה הגבישי היא אחד משלושת תאי היחידה הבאים: קובי ממורכז-גוף – BCC (Body Centered Cubic), קובי ממורכז-פאה – FCC (Face Centered Cubic), ומשושה צפוף-אריזה – HCP (Hexagonal Close Packed). במבנה BCC ישנו אטום בודד במרכז הקובייה ועוד שמונה אטומים בקדקודי הקובייה. מבנה FCC צפוף יותר באטומים, מאחר ובו ישנם שמונה אטומים בקדקודי הקובייה ועוד שישה אטומים נוספים במרכזי הפאות. במבנה HCP כל אטום מוקף בשישה אטומים נוספים. סריג גבישי זה בנוי משכבות של אטומים, בהן האטומים של כל שכבה מונחים בשקעים שבין אטומי השכבות הסמוכות. בצורה זו נוגע כל אטום בשישה אטומים סביבו, בשלושה אטומים מתחתיו ושלושה אטומים מעליו.

המבנה הגבישי התיאורטי הינו כליל השלמות. אולם, בעולם המוחשי המצב שונה. חומרים ממשים אינם מושלמים, וגבישיהם מכילים בתוכם ליקויים, המכונים פגמים. מקובל למיין את הפגמים השונים בהתאם לממד שלהם: פגם נקודתי (חסר-ממד), פגם קווי (חד-ממדי), פגם משטחי (דו-ממד) ופגם נפחי (תלת-ממד). פגמים נקודתיים הם בסדר גודל של אטום בודד. היעדרות (vacancy) היא הפגם הנקודתי הפשוט ביותר. ההיעדרות היא נקודה בגביש שבה נעדר אטום. החֲדִירוֹן העצמי (self-interstitial) גם הוא פגם נקודתי. חדירון נוצר בשעה שאטום מהגביש נדחף אל תוך חלל קטן ופנוי הקרוי אתר חדירה. בעולם הממשי אין בנמצא חומרים נקיים לחלוטין. כל חומר מכיל יותר מסוג בודד של אטומי יסוד. תמיד תהיה בגביש נוכחות של אטומי יסודות נוספים הקרויים אי-ניקיונות או זיהומים. אטומים זרים אילו קיימים בסריג הגבישי בשני אופנים: בראשון, החלפה (impurity atom substitutional), הזיהום מחליף אטום מהסריג, ובאחר, הקרוי חדירון זר (impurity atom interstitial), האטום הזר מצליח להיכנס לתוך אתר חדירה.

הפגמים הקוויים עשויים משורת אטומים שמשבשת את המבנה הגבישי המושלם. הפגם הקווי הנפוץ ביותר בחומרים גבישים קרוי נקע(dislocation) . כשחומר עובר דפורמציה פלסטית, כלומר לכשהוא משנה את צורתו בעקבות הפעלת כוח, מתרחשת בו החלקת מישורים אטומיים זה על גבי זה. הקו המפריד בין שני מישורים אטומיים בגביש, המחליקים זה על גבי זה, קרוי קו נקע. הקו הנוצר לאורך האטומים שבקצה המישור הנוסף קרוי נקע קצה (edge dislocation).

בנוסף לנקע הקצה קיימים גם נקע בורגי ולולאת נקע. בנקע בורגי, המישורים האטומיים מסודרים סביב הנקע במסלול בורגי. לולאת נקע נוצרת כתוצאה מתגובה בין מספר נקעים. תנועת נקעים אופיינית בעיקר לחומרים מתכתיים, והיא מלווה בשבירת קשרים בין האטומים. משיכוּת (ductility) היא יכולתו של החומר לעבור דפורמציה פלסטית לפני שיישבר. תנועת נקעים מתרחשת במישורים ובכיוונים בהם צפיפות האטומים בגביש מרבית. מישורי ההחלקה בחומר שתא היחידה שלו FCC צפופים יותר מאשר בחומר שתא היחידה שלו BCC, לכן בחומרים בעלי מבנה FCC יותר קל לנקעים לנוע ולכן המשיכוּת בהם תהיה רבה יותר. תכונותיהם של חומרים מתכתיים מושפעות במידה ניכרת מנוכחות נקעים בחומר ומיכולת תנועתם של אותם הנקעים. חיזוק והקשיית מתכות נעשים על-ידי הפרעה לתנועת הנקעים.

כאשר חומר נוזלי מתמצק בעת קירורו, ההתמצקות הינה הדרגתית. ראשיתה של ההתמצקות באותם אזורים בהם קיימים אטומים זרים (אי-ניקיונות). כל אזור שכזה מהווה נקודת התחלת התמצקות של גביש, בו תאי היחידה מסתדרים בכיוון מסוים. לכן, באזורים שונים של החומר יהיו תאי היחידה מסודרים בכיוונים שונים. אזורים שכאילו, שכיווני הסידור של תאי היחידה נבדלים זה מזה קרויים גרעינים. גודלם של גרעיני החומר נע בדרך-כלל בין מיקרונים בודדים למספר מילימטרים, זאת בהתאם לסוג החומר ואופן ייצורו. הגבול בין הגרעינים הוא אזור של פגם משטחי, הקרוי גבול גרעין. האטומים בגבול הגרעין אינם מאורגנים במבנה גבישי. גבולות הגרעין מכילים בתוכם אטומי אי-ניקיונות, המוסעים אל הגבולות תוך כדי ההתמצקות. כתוצאה מכך הופכים גבולות הגרעין לאזורי אי-רציפות בחומר. אי-רציפות מבנית זו מפריעה לתנועת הנקעים. ככל שיש בגביש יותר גבולות גרעין, כך החומר חזק וקשה יותר, אך משיכותו קטנה. לקבוצת הפגמים הנפחיים משתייכים צברי אטומים או חוסר בקבוצת אטומים, היוצר חלל בחומר.

החלקיקים המרכיבים את הגביש יכולים להיות אטומים מתכתיים כאשר מדובר בקשר מתכתי, אז הגביש יהיה גביש מתכתי, או יונים כאשר מדובר בגביש יוני. מלח בישול שולחני הינו דוגמה מוכרת מחיי היום-יום לחומר יוני בעל מבנה גבישי.

בנוסף לגבישים מתכתיים והיוניים, יישנם גם גבישים מולקולאריים, בהם החזרה על המבנה הבסיסי (תא היחידה) אינה של אטומים בודדים, אלא של מולקולות. הקשרים בתוך המולקולות הם קשרים קוולנטיים חזקים, ואילו בין המולקולות קיימים קשרים חלשים (קשרי ון-דר-וולס וקשרי מימן).

חומר הבנוי מגביש יחיד בלבד קרוי חד-גביש. בתעשיית המיקרו-אלקטרוניקה משתמשים בחד-גביש ענק של צורן (סיליקון), אותו חותכים לפרוסות דקיקות הקרויות מצע (wafer). בתום תהליך הייצור מכילה כל פרוסה כזו אלפי רכיבים המשמשים לבניית מעגלים משולבים. מרבית החומרים הגבישיים אינם חד-גבישים, אלא הם מורכבים מאוסף רב של גבישים (גרעינים). חומר המכיל מספר רב של גבישים המסודרים בכיוונים שונים קרוי רב-גביש. תהליך יצירת הגבישים קרוי התגבשות. במהלך התמצקותו של חומר רב-גבישי, מתחילים להיווצר גבישים קטנים, המכונים עוברים, במקומות שונים בנוזל. הגבישים הללו גדלים על-ידי כך שהם אוספים אליהם אטומים מתוך הסביבה הנוזלית. האטומים בגבולות הגרעין אינם בעלי סידור גבישי מושלם, והם מכילים פגמים שונים כגון אטומים זרים (זיהומים), הנעים אל הגבולות במהלך ההתמצקות.

תכונות החומרים מושפעות מהאופן שבו האטומים מסתדרים בגביש. לדוגמה, ככל שיש בחומר רב-גבישי יותר גבולות גרעין, כך החומר חזק וקשה יותר. כמו כן, קיים שוני בתכונות בין חומר חד-גבישי, רב-גבישי או חומר אמורפי. חומרים קרמים ופולימרים במצב אמורפי או חד-גבישי נוטים להיות שקופים לאור ולעומתם אותם החומרים במצב רב-גבישי נוטים להיות אטומים לאור ולעיתים להיות בעלי ברק ולהחזיר אור בדומה למראה. קיימים מקרים בהם חומר מוצק יכול להתקיים ביותר מצורה אחת או מבנה אחד. תופעה זו קרויה בשפה המקצועית בשם פולימורפיזם (מיוונית), שפירושה ריבוי-צורה.

היהלום הינו המינרל הטבעי הקשה ביותר המוכר לאדם, והוא משמש לשיבוץ תכשיטים יקרים. הגרפיט לעומת זאת היא חומר רך, המשמש בייצור עפרונות. באקמינסטרפולרן או בקיצור הפולרין, הקרוי גם פחמן 60, התגלה לראשונה בשנת 1985. הפחמן 60 הוא חומר הבנוי ממולקולה בת 60 אטומי פחמן, המחוברים בניהם בדומה לצורת הכדורגל, לכן נהוג לכנות מולקולה זאת בשם החיבה "כדור באקי". החוזק המבני של חומר העשוי מכדורי באקי הוא עצום, ובעתיד צפוי האדם לנצל תכונה זו לשימושים טכנולוגיים חדשים. ננו שפופרת פחמנית (ננו טיובס) גם הן צורה מבנית של פחמן. במבנה זה מאורגנות מולקולות הפחמן במבנה גלילי (כמו מישור גרפיט מגולגל הסוגר את עצמו בצורת טבעת). מבנה הננו שפופרות פחמניות מעניק להן תכונות מצוינות של: חוזק יוצא דופן, גמישות, הולכה חשמלית טובה, עמידות בסביבות כימיות ועמידות בחום. תכונות אילו הופכות אותן לאטרקטיביות מאוד מבחינה טכנולוגית, לכן מייעדים לננו שפופרת פחמנית בעתיד שימושים בתחומים נרחבים כגון: אלקטרוניקה, אופטיקה, רפואה, תעשייה צבאית, רכבי חלל ועוד.

גבישים בעלי סימטריה אסורה

בשנת 1984 פרסם פרופסור דני שכטמן, מהפקולטה להנדסת חומרים בטכניון, מאמר מהפכני בתחום הגבישים, שדן בגילויים של גבישים בעלי "סימטריה אסורה". גבישים אילו, המכונים קווזי-גבישים (quasicrystals) או גבישים כמו-מחזוריים, אינם מסתדרים עם הסימטריה הקלאסית - משולשת, מרובעת או משושה של מדע הגבישים (קריסטלוגרפיה). במקום זאת יוצרים הקווזי-גבישים סימטריה שונה, לדוגמה מחומשת, שאינה מתיישבת עם המחזוריות המישורית, ושנחשבה עד אז כ"סימטריה אסורה". לחומרים קווזי גבישיים תכונות יוצאות דופן שנובעות מהמבנה השונה. לדוגמה, מתכות עם מבנה קווזי-גבישי יהיו בעלות מוליכות גרועה של חשמל וחום, זאת בניגוד למתכות בעלות מבנה גבישי. תגלית זו של דני שכטמן פתחה אשנב לגילויים של גבישים חדשים, שנחשבו עד אז כבלתי אפשריים.

מה צופן העתיד בתחום החומרים?

לכל אורך ההיסטוריה של המין האנושי, גילויים של חומרים חדשים הביא לפיתוחים טכנולוגיים, אליהם נלוו תמיד גם שינויים חברתיים. בד בבד עם פיתוחם של חומרים חדשים התרחשו גם פריצות הדרך המשמעותיות ביותר בתולדות המין האנושי. לקראת סוף המאה ה-19, עם המצאת החומרים הפלסטיים, החלה מהפכת החומרים. התפתחות מדע המתכות (מטלוגרפיה) במאה ה-20, אפשרה לייצר מכונות וכלי חיתוך, ואף לבנות גשרים, גורדי שחקים, מכוניות ומטוסים. במחצית השנייה של המאה ה-20 פותחו מבחר נרחב של חומרים מתקדמים, הכוללים: חצאי מוליכים, נתכי-על, חומרים קרמים, חומרים מרוכבים, על-מוליכים, גבישים פיאזו-אלקטריים, ציפויים ושכבות דקות, ננו שפופרת פחמנית, חומרים לשימושים ביו-רפואיים, חומרים ותהליכים ירוקים (ידידותיים לסביבה). החומרים שפותחו אפשרו בנייתם של מנועים מתוחכמים, רכבות מהירות, מערכות מוטסות משוכללות ומחשבים רבי עוצמה. תעשיית ה"היי-טק" בעולם התפתחה בזכות אותם חומרים חדשים ובזכות שיפור תכונותיהם של חומרים קיימים. מחקרים בתחום המוליכים למחצה אפשרו התקדמות עצומה בתחום המיקרו-אלקטרוניקה. בזכות המוליכים למחצה הוחלפה שפופרת הריק בהתקנים כמו הטרנזיסטור והדיודה, ובכך התאפשרה ראשית העידן הדיגיטאלי. מזעור ההתקנים בתעשיית המיקרו-אלקטרוניקה הביא עימו שילוב של חומרים ותהליכים חדשים.

הזמן הנדרש לשם פיתוחו של חומר חדש או טכנולוגית ייצור חומרים חדשה, הנו ארוך יותר מזמן פיתוחן של טכנולוגיות ומערכות חדשות. לכן, מחקר ופיתוח של חומרים מתקדמים הוא שלב מקדים, הכרחי ומשמעותי עבור פיתוח טכנולוגיות חדשות בקנה מידה עולמי. בימים אילו מתחוללת מהפכת הננו-טכנולוגיה, שכוללת בתוכה מזעור של רכיבים אלקטרוניים. במרכזה של מהפכה זו עומד פיתוחם של חומרים חדשים וטכנולוגיות ייצור חדשות. מהפכת הננו-טכנולוגיה צפויה להשפיע על ענפים רבים כגון מחשוב, רובוטיקה, ננו-אופטיקה, אמצעי ריגול וקרימינולוגיה, חיישנים, מחשוב קוונטי, חלל, רפואה וחקלאות.

סביר להניח שבעתיד, על-ידי פיתוחם של חומרים חדשים בעלי תכונות משופרות, נצליח להגשים רעיונות שנראים לנו היום כבדיוניים לחלוטין. לדוגמה, ייתכן שביום מן הימים ישמשו ממספר רב של ננו-צינורות פחמן או חומרים אקזוטיים אחרים, בעלי חוזק עצום, משקל קל, גמישות, ומוליכות-על, לבניית כבל למעלית שתקשר בין כדור הארץ לתחנות חלל. וכך, באחד הימים, ינועו להם רכבי חלל עמוסים באנשים ובציוד לאורכו של כבל המעלית, הלוך ושוב מכדור הארץ אל החלל החיצון.

* ד"ר דנה אשכנזי, בעלת תואר דוקטור בהנדסה מכנית, ותואר ראשון ושני בהנדסת חומרים, העוסקת במחקר, כתיבה וחינוך.

* המאמר פורסם לראשונה בכתב העת "אימגו": דנה אשכנזי (2007). מסע בלשי בעקבות החומר. "אימגו" – כתב-עת דיגיטלי בנושאי תרבות ותוכן (יוני).

לקריאה נוספת

אלון ד., ברנדון ד.ג., נדיב ש., רוזן א., מבוא להנדסת חומרים, מכלול, טכניון (1974).

דנה אשכנזי, "חקר כשלונות חומרים – האם ניתן היה למנוע את אסונות הטיטאניק והצ'למג'ר?", גליליאו – כתב עת למדע ולמחשבה, גיליון 103, מרץ 2007, עמודים 20-34.

Bolton, W., Engineering Materials Technology, 3^rd edition, Butterworth-Heinemann, Oxford, UK (1998).

Callister, W.D., Materials Science and Engineering an Introduction, 5^th edition, John Wieley & Sons, Inc., N.Y. (2000).

Flinn, R. A. and Trojan , P.K. , Engineering Materials and Their Applications, Fourth Edition, John Wiley and Sons, Inc., N.Y., 1995.

Shechtman, D., Blech, I., Gratias, D., Cahn, J. W., Phase with Long-Range Orientational Order and No Translational Symmetry, Phys. Rev. Lett. 53, 1951 - 1953 (1984).

Smith, W. F., Principles of Materials Science and Engineering, 3^rd edition, McGraw-Hill, NY (1995).

Van Vlack L. H., Elements of Materials Science and Engineering, 6^th edition, Addison-Wesley Publishing Co, MA (1989).