מדע והנדסת חומרים
פולימורפיזם - המסע בזמן של ד"ר דנה אשכנזי
דנה אשכנזי (2008)
מסע בעקבות החומר
באתר זה נעסוק בתחום החומרים, תוך התייחסות להיבט הרחב שלו, ולא רק לצד המדעי-טכנולוגי. נשאל את עצמנו מהו תחום המדע והנדסת חומרים? מתי נולד והתפתח תחום זה ומדוע? נעסוק בהתפתחות החומרים לאורך ציר הזמן, נבדוק את מהות הקשר שבין תחום החומרים לבין מהפכות חברתיות, וננסה לבחון מהם החומרים הנמצאים כיום בחזית הטכנולוגיה ואלו חומרים צפויים להתפתח בעתיד. שאלה מעניינת היא, האם על סמך חומרי העבר והתפתחויות טכנולוגיות מהעבר ניתן לחזות התפתחויות עתידיות, הקשורות לתחום המדע והנדסת החומרים. מוכנים? נצא למסע חומרי לאורך ציר הזמן.
הידעת? מדע והנדסת חומרים הינו מקצוע הנדסי חדש יחסית, שהתפתח בעקבות מלחמת העולם ה-II. תחום זה עוסק בקשר שבין מבנה החומר המוצק (ברמה המיקרוסקופית) לבין תכונותיו (ברמה המאקרוסקופית). מהנדסי החומרים בוחנים סיבות לכשל חומרים, מפתחים תהליכי ייצור ועיבוד של חומרים (יציקה, ריתוך, גידול גבישים, ייצור שכבות דקות בתעשיית המיקרו-אלקטרוניקה וכו') ובוחנים מהם השיקולים אותם יש לקחת בחשבון בעת בחירת חומרים עבור יישומים הנדסיים שונים ומגוונים. תחום המדע והנדסת חומרים בוחן באמצעות שיטות אפיון מתקדמות כיצד ניתן לשפר את תכונות החומר הקיימות באמצעות תהליכים וטכנולוגיות שונים וכיצד ניתן ולפתח חומרים חדשים ומתקדמים בעלי תכונות מועדפות.
החברה לחקר חומרים – גלה את סודות הדברים היומיומיים (MRS, 3:57 דק'). כמעט כל מה שאנו משתמשים בו בחיי היום-יום, הנעליים שאנו נועלים, הכלים שאנו אוכלים מהם, התקליטורים שאנו מאזינים להם, האופניים או הסקייטבורד שלנו, הכל עשוי מסוגים שונים של חומרים.
הילד והאטום – הסרט הקטן ביותר בעולם (מעבדות IBM). סרטון (1:34 דק') שנעשה על-ידי הזזת אטומים בודדים. חוקרי יבמ השתמשו בטכנולוגית מיקרוסקופ מנהור סורק(STM) כדי להזיז אלפי מולקולות פחמן חד-חמצני וייצר על ידי כך סרט קצר.
סנסי המדע (3:11 דק') – צלילה אל תוך עולם הננו.
ננו-צינוריות (1:59 דק') – ננו-צינוריות הן גלילים מולקולרים זעירים עשויים אטומים, לדוגמה אטומי פחמן במקרה של ננו-צינוריות אורגניות. רוחבה של צינורית כזו נמדד בננומטרים, ואורכה הטיפוסי עשוי להגיע למילימטרים בודדים.
פולימורפיזם (ריבוי צורה) של היסוד פחמן.
התבוננו סביבכם, מה אתם רואים? חומרים נמצאים בכל מקום! גוף האדם בנוי מחומרים ביולוגיים שונים, הבגדים שאנו לובשים עשויים מחומרים, הבתים בהם אנו חיים מכילים מחומרים שונים, כדוגמת מתכות, חומרים קרמיים ופולימרים. רוב המוצרים שסביבנו מורכבים ממגוון רחב של חומרים.
חומר בנוי מחלקיקי מבנה זעירים הקרויים אטומים. כל חומר בעולמינו מורכב מאטומים. החול, הים, העצים, והסלעים עשויים מצרופים של אטומים שונים, המחוברים ביניהם באמצעות מגוון של קשרים. האטומים מהווים את אבני היסוד לכל החומרים שמסביבנו. בין האטומים של אותו היסוד או של יסודות שונים קיימים קשרים הקרויים קשרים בין-אטומיים והם משפיעים על תכונות חומר כגון: מוליכות חום, מוליכות חשמלית, חוזק, קשיות, משיכות, פריכות ועוד.
הקשר בין מבנה החומר ברמת המיקרו לבין תכונותיו ברמת המאקרו ייתן לנו מענה לשאלות שונות, לדוגמה מדוע תכונותיהם של יהלום וגרפיט, הבנויים שניהם מאטומי פחמן, הן שונות כל-כך? מה הקשר בין האופן שבו טבעה הטיטניק לבין הפלדה ממנה נבנתה? ואיך ניתן לייצר זכוכית בצבעים שונים? מדע והנדסת חומרים הינו תחום שעוסק בפיסיקה של המצב המוצק, ובקשר שבין מבנה החומר ברמה המיקרוסקופית, המכונה מיקרו-מבנה, לבין תכונות החומר ברמת המאקרו.
קשרים יונים בין מתכת לאל-מתכת.
קשרים קוולנטיים בין אל-מתכות.
סריג מתכתי.
המבנה הקריסטלוגרפי של מלח בישול - דנה אשכנזי (2008).
הידעת? למבנה החומר מהרמה האטומית והקשרים הבין-אטומים ועד לפגמים בחומר ישנה השפעה על תכונות החומר. שיקולי בחירת חומרים לשימושים שונים קשורה במידה מרכזית לתכונות החומר. בהתאם לקשרים הבין-אטומיים ולסידור האטומים בחומר, יחליט מהנדס החומרים אם אפשר להשתמש בחומר מסוים ליישומים אלו ואחרים, ואף ינסה לפתח חומרים חדשים ומתקדמים בעלי תכונות משופרות.
הידעת? השימוש בחומרים בעולמינו הוא נרחב וכולל מנועי סילון, מחשבים ומוצרי חשמל שונים, מעבורות חלל, גשרים, מכוניות, התקנים רפואיים שונים, כלי-בית, ביגוד, מוצרי ספורט ומוצרי מזון. לדוגמה, ליבו של מנוע הסילון עשוי מנתכי-על על בסיס ניקל. הסיבה העיקרית לשימוש בנתכים הללו היא עמידותם המצויינת בטמפרטורות גבוהות. בנוסף משתמשים במנוע הסילון גם ברכיבים עשויים אלומיניום, טיטניום, פולימרים, ואף חומרים מרוכבים. בעת בחירת חומרים לשימושים השונים נשאל את עצמנו מגוון שאלות שונות כגון מהם השימושים להם מיועד המוצר? באיזה תהליכים נבחר לייצר את המוצר? באיזה סביבות המוצר יישרת? מהן דרישות הלקוח, האם החומר שבחרנו זמין? מה מחירו של החומר, והאם מדובר בחומר ידידותי לסביבה - בר מחזור ושאינו רעיל?
הידעת? על-מוליכות או מוליכות-על היא תופעה ייחודית המקיימת שתי תכונות יוצאות דופן המתרחשת בחומרים מסוימים בעת קירורם אל מתחת לערך קריטי, התכונה הראשונה היא חוסר התנגדות חשמלית (מוליך אידאלי) והתכונה השנייה היא דיאמגנטיות. חוסר התנגדות חשמלית יביא לידי כך שזרם שיעבור דרך העל-מוליך לא יגרום להתחממות החומר ולכן לא יהיה איבוד של אנרגיה בתהליך. הדיאמגנטיות היא מצב של התנגדות מושלמת לחדירת שדה מגנטי חיצוני (שדה מגנטי אינו מסוגל לחדור אל תוך העל-מוליך), כלומר בעת הפעלת שדה מגנטי חיצוני, יפעל העל-מוליך על מנת לשמור על השדה המגנטי שבתוכו מאופס, זאת על ידי היווצרות זרמים חשמליים חסרי התנגדות על פני השטח החיצוניים של החומר, מה שיגרום לדחייה בין העל-מוליך למגנט.
תופעת העל-מוליכות התגלתה על ידי הפיזיקאי ההולנדי האיקה קמרלינג אונס בשנת 1911, שזכה בפרס נובל לפיזיקה (בשנת 1913) על מחקרו פורץ הדרך בנושא תכונות החומר בטמפרטורות מאוד נמוכות (מחקר שאפשר הפקת הליום נוזלי). העל-מוליכות התגלתה על ידי אונס בעת שחקר התנגדות חשמלית של כספית בטמפרטורות מאוד נמוכות, אותן קיבל תוך שימוש בהליום נוזלי (את תהליך הפקתו גילה אונס זמן קצר קודם לכן, מה שאפשר להגיע לטמפרטורה של 4.2 קלווין). כאשר מופעל על העל-מוליך שדה מגנטי ניכר, נוצר מצב שבו העל-מוליך אינו מצליח עוד לעצור את חדירת השדה המגנטי לתוכו, תופעה המכונה "שדה קריטי". בהתאם לתגובת העל-מוליך ל"שדה הקריטי" מחולקים העל-מוליכים לשתי קבוצות. על-מוליכים מהסוג הראשון מתאפיינים בכך כאשר נוצר "שדה קריטי" תופעת העל-מוליכות נפסקת בבת-אחת והחומר חוזר למצבו הרגיל. לעומת זאת, בעל-מוליכים מהסוג השני מתרחש שלב ביניים, בו השדה המגנטי חודר אל תוך העל-מוליך באופן לא רציף וגורם למערבולות קטנות של זרמים חשמליים בתוך החומר. במרכז המערבולות החשמליות הללו נהרסת העל-מוליכות והשדה המגנטי חודר אל תוך החומר האופן מקומי רק באותן הנקודות, כך שבעל-מוליך מהסוג השני התנגדות החומר ממשיכה להיות אפסית.
מבוא למדעי הננו (קרן קוולי, 6:50 דק') – סקירה קצרה של תחום הננו-טכנולוגיה.
ריחוף קוונטי (1:56 דק') – הדגמה של על-מוליכים קוונטיים המרחפים מעל מגנט באוניברסיטת תל אביב.
החומרים המגניבים ביותר שאכן קיימים (10:10 דק') – דוגמאות לשבעה חומרים ממש מוזרים ומעניינים.
סנסי (sensei) המדע – הבלתי נראה (3:35 דק') – האם מדענים יכולים להפוך את גלימת ההיעלמות של הארי פוטר למציאות?
ייצור פלדת דמשק – הדגמה של חישול פלדה.
ארכיאולוגיה ניסויית: הדגמה פרהיסטורית של הפקת ברזל (4:51 דק') – הארכיאולוג הניסיוני ג'ייק קין מדגים במסגרת קורס ארכיאולוגיה איך מפיקים ברזל מעופרותיו בשיטות מסורתיות.