כולם להסתדר: נפלאות המבנה הגבישי

מסע אל תוך עולם החומר

אם ניקח זכוכית מגדלת ונביט דרך ברדיד זהב, נראה פרטים שאינם נראים לנו בעין, למשל שריטות קטנות. מבט באותה פיסת חומר מבעד למיקרוסקופ אופטי, יאפשר הגדלת פרוסת הזהב פי 1000, ואז נראה פרטים קטנים בהרבה, כדוגמת סדקים ואזורים של חוסר אחידות. התבוננות בפיסת הזהב שלנו מבעד למיקרוסקופ אלקטרוני תאפשר הגדלת החפץ גם פי 1,000,000 מגודלו המקורי, ואז יתגלה לנו עולם מרהיב של גבישי חומר. אם תתאפשר לכם אי פעם צפייה בפרוסת זהב מבעד למיקרוסקופ הקרוי "מיקרוסקופ מינהור סורק" או STM, הרי שיתמזל מזלכם, ותוכלו לצפות בסידור הגבישי של אטומי הזהב עד לכדי מרוח בין שני אטומים שכנים.

בעולמנו החומרי האטומים הם "קוביות המשחק" מהם בנוי כל מה שסובב אותנו. כל יסוד מתאפיין בסוג מסוים של אטומים. רדיד זהב בנוי מאטומי היסוד זהב ורדיד נחושת בנוי מאטומי היסוד נחושת. כשם שקוביות משחק מתחברות בצירופים שונים, כך גם האטומים מתחברים ביניהם קשרים, ויוצרים מגוון עצום של חומרים חדשים. לדוגמה, חול הים הוא למעשה החומר קוורץ, שבנוי מאטומי היסודות סיליקון וחמצן הקשורים ביניהם בקשר המכונה קוולנטי. בעת שמקררים חומר ממצב צבירה גזי למצב נוזלי, אטומי החומר מתקרבים זה לזה. אם נמשיך לקרר את החומר האטומים תקרבו עוד יותר זה לזה, והחומר יעבור  למצב מוצק. תהליך התקררותו של חומר ממצב צבירה נוזלי למצב צבירה מוצק קרוי התגבשות, והוא מתאפיין מבנה אטומי מסודר.

מבנה גבישי מהו?

חומרים מוצקים הם לרוב בעלי סידור מחזורי ארוך-טווח של אטומים, המכונה 'מבנה גבישי'. בכדי להבין את אופן מחזוריות של המבנה הגבישי נדמיין תבנית של צורת של דג החוזרת על עצמה. בטבע קיימים מבנים מחזורים, למשל חלות הדבש שבונות הדבורים. החלות הללו מכילות צורה בסיסית של משושה, החוזרת על עצמה מספר רב של פעמים במבנה מסודר. המבנה הגבישי מזכיר הן את תבנית הדגים שבאיור והן את חלות הדבש באופן המחזוריות של האטומים בנפח החומר. לשם תיאור המבנה הגבישי מקובל להתייחס לאטומים כאל כדורים קשיחים – תיאור שכזה מכונה מודל. לתא הבסיסי במודל הגבישי קוראים "תא יחידה". לתא הפשוט מבין תאי היחידה, המכיל שמונה אטומים בקדקודי הקובייה, קוראים תא קובי פשוט או SC.

גביש חומר בנוי מתאי יחידה המאוכלסים באטומים. התאים הללו חוזרים על עצמם במרחב מספר רב של פעמים, וכך יוצרים תיאור של המבנה הגבישי. כאשר החלקיקים המרכיבים את תאי היחידה בגביש הם אטומי מתכת נקבל גביש מתכתי, וכאשר החלקיקים המרכיבים את תאי היחידה הם שילוב של אטומי מתכת ואל-מתכת, אז הגביש הוא גביש יוני. מלח בישול שולחני המצוי במטבח הביתי הוא דוגמה לגביש יוני, המורכב מאטומי היסוד המתכתי נתרן ואטומי היסוד האל מתכתי כלור. 

במציאות לא קיים גביש מושלם. תמיד קיימים בגביש פגמים כגון אטומים זרים (הקרויים גם אי-ניקיונות). כמו כן קיימים מקומות בהם חסר אטום בגביש (פגם הקרוי היעדרות). נוכחות פגמים בחומר משפיעה על תכונותיו.לדוגמה, אי-ניקיונות משפיעים על צבע הגביש. ההתמצקות חומר בעת קירורו מתחילה באזורים של אי-ניקיונות (אזורי נוקלאציה). במהלך ההתמצקות מנוזל למוצק, הגבישים תחילה "נובטים" (שלב הקרוי נוקלאציה), ואחר כך הם גדלים על-ידי כך שהם אוספים אטומים מהנוזל (שלב הקרוי גידול). חומר הבנוי מגביש מסודר עם מספר נמוך יחסית של פגמים, כך שנשמרת בו כיווניות תאי היחידה לאורך כל המרחב, קרוי חד-גביש.

הידעת? בתעשיית המיקרו-אלקטרוניקה מייצרים בתנאים מבוקרים מוטות העשויים מחד-גביש ענקי של יסוד הקרוי צורן (סיליקון).  בתום הייצור חותכים את המוטות הללו לפרוסות דקות. כל פרוסת סיליקון כזו מכילה אלפי רכיבים זעירים, המשמשים לבניית מעגלים חשמליים, הבונים את המחשבים המוכרים לנו מחיי היום-יום שלנו.

מרבית החומרים הן בטבע והן מעשה ידי אדם אינם חד-גבישים, אלא בנויים ממספר רב של גבישים, המכונים גרעיני חומר. הגרעינים הללו גדלים ממרכזי התמצקות שונים, ולכל אחד מהם כיווניות שונה של האטומים. חומר הבנוי מספר רב של גבישים המסודרים בכיוונים שונים קרוי רב-גביש. אזור המפגש בין גרעינים קרוי גבול גרעין. בגבולות גרעין מכילים ריכוז גבוה של פגמים, ולכן נעדר בהם סדר גבישי. תכונות החומר מושפעות באופן ניכר מסידור האטומים במבנה הגבישי. לדוגמה, גודל גרעיני החור משפיע על התכונות המכניות שלו. ככל שגרעיני החומר המתכתי או הקרמי קטנים יותר, כך החומר חוזק וקשה יותר.

פולימורפיזם הלכה למעשה

המונח פולימורפיזם בא מיונית עתיקה ופירושו "רב-צורתיות". בתחום החומרים משמעותו שבתנאי טמפרטורה ו/או לחץ שונים יופיע החומר במבנים גבישיים שונים, אך בעלי הרכב כימי זהה. דוגמה לתופעת הפולימורפיזם קיימת ביסוד פחמן. יסוד זה מסוגל במצב מוצק להתקיים במבנים שונים, ביניהם: יהלום (מבנה קוּבּי), גרפיט (מישורים הקסגונלים, כלומר האטומים מסתדרים בצורת מישורים משושים), פוּ‏לֶ‏רֶן (מולקולה כדורית המכילה 60 אטומי פחמן, ומכונה גם פחמן  60, ואף במבנה של ננו-צינוריות פחמן. בכל אחד מהמבנים הללו, הבנויים כולם מהיסוד פחמן במצבו הטהור, ישנם קשרים שונים בין אטומי החומר, המביאים לידי תכונות שונות ומראה שונה.

היהלום הוא חומר גבישי יקר עד מאוד, הבנוי מאטומי פחמן. בטבע נוצר היהלום בבטן האדמה בלחצים עצומים ובטמפרטורות גבוהות (מעל 1,000 מעלות צלזיוס). היהלום מתאפיין בקשיות הגבוהה ביותר מבין כל החומרים בעולמנו, לכן משתמשים בו לחיתוך, השחזה וליטוש של חומרים אחרים, שהם כמובן רכים ממנו. במעבדה המטלורגית (העוסקת בתורת המתכות) משתמשים בחודרני יהלום לצורך בדיקות קשיות. גרפיט הוא צורת מבנה נוספת של היסוד הפחמן. 

הגרפיט בנוי משכבות המכילות משושים של אטומי פחמן, כאשר בתוך כל שכבה כזאת, אטומי הפחמן קשורים ביניהם בקשרים קוולנטים חזקים. השכבות מתחברות זו לזו בקשרים חלשים, המכונים קשרי ון-דר-וולס הגורמים לגרפיט להיות רך (בניגוד גמור להלום), תכונה המנוצלת בעת ייצור עפרונות גרפיט. בעת הכתיבה בעיפרון, מישורי הפחמן המשושים שהקשרים בין האטומים שלהם חלשים,  מחליקים זה על גבי זה, נפרדים ונשארים על הנייר. 

בשנת 1985 התגלתה צורה חדשה של פחמן, המכונה פוּ‏לֶ‏רֶן, הבנויה ממולקולות פחמן אשר כל אחת מהן מכילה 60 אטומים,. מדובר במולקולה כדורית חלולה (הזהה בצורתה לכדורגל האנגלי), כפי שניתן לראות באיור. מבנה זה מתאפיין בחוזק גבוה ובמשקל קל. במהלך השנים נתגלו צורות נוספות של מולקולות פחמן המשתייכות גם הן לקבוצת הפולרנים. משפחת הפולרנים בנוייה משילוב בין טבעות משושות למחומשות. בשנת 1991 נתגלתה צורה נוספת של היסוד פחמן, ה"ננו-צינוריות פחמן". אפשר להתייחס למבנה זה כאל מישור יחיד של גרפיט שגולגל לגליל, שנסגר בקצבותיו על ידי חצי כדור פולרני, כך שנוצר מבנה גלילי חלול וסגור. בננו-צינוריות קיימים בנוסף למשושים גם מחומשים, ולעיתים אף משובעים המורכבים מאטומי פחמן, (זאת להבדיל מגרפיט). לננו-צינוריות הללו תכונות ייחודיות: קיים בהן שילוב של חוזק וגמישות, והן בעלות מוליכות חשמלית טובה.

הידעת? בשנת 1984 התחוללה רעידת אדמה בקרב חוקרי מדע הקריסטלוגרפיה (תורת הגבישים) בעולם. זאת בעקבות מאמרו של חוקר צעיר, בשם דן שכטמן, מהטכניון. שכטמן ועמיתיו נתקלו בגבישים בעלי "סימטריה אסורה". התופעה התגלתה על ידי שכטמן כבר ב-1982, אך בשל ספקות רבים מצד הקהילה המדעית, נדרשו כשנתיים עד אשר המאמר פורסם בכתב-עת מדעי. הגבישים שגילו שכטמן ועמיתיו, מכונים קווזי-גבישים. מה שמיוחד בם הוא שהם אינם מקיימים את חוקי "הסימטריה הגבישית הקלאסית", המוכרת מזה מאות שנים. הקריסטלוגרפיה המסורתית מגדירה את הגביש כמבנה תלת-ממדי מסודר של אטומים, הניחן במחזוריות לאורך שלושת ציריו הראשיים. לשם ההמחשה נדמה את הגביש לרצף מלא של אריחים (שכל אריח נחשב לתא יחידה). צורתם של האריחים יכולה להיות מרובעת, מלבנית, משולשת או משושה. לעומתם, קווזי-גבישים מגלמים סדר מסוג חדש. מדובר בחומרים בעלי סדר מושלם לטווח ארוך, הנעדרים מחזוריות בשלושה ממדים. תגליתו של שכטמן גרמה למבוכה בקרב המדענים, בכך שברה את המוסכמות. בעקבות תגלית זו נמצאו מאות חומרים חדשים, שנחשבו עד כה כבלתי אפשריים. למבנה הקווזי-גבישי תכונות חומר ייחודיות. לדוגמה, חומרים קווזי-גבישים מוליכים חשמל וחום בצורה גרועה, אך הם בעלי קשיות גבוהה.

אחרית דבר

מימי קדם הוקסמו אבות אבותינו הקדומים מיופים ומצורותיהם הגיאומטריות המרשימות של גבישים בוהקים וצבעוניים. בין הגבישים הללו ניתן למנות את היהלום, הספיר, האודם והברקת. אולם, רק בעת החדשה גילו החוקרים שגבישים מתאפיינים בסידור אטומי תלת-ממדי מחזורי ארוך-טווח, המשפיע על תכונות החומר. לעתים משתנה המבנה הגבישי של חומר מסוים כתלות בטמפרטורה ובלחץ, כפי שקורה ביסוד פחמן. תופעה זאת מוכרת בשם פולימורפיות, והיא מתאפיינת בשינוי תכונות החומר כתלות במבנהו הגבישי. מדענים ממשיכים גם כיום לבצע מחקרים בתחום תורת הגבישים, ולכן מתגלות תגליות חדשות בתחום זה ממשיכות גם כיום. אפשר לצפות לפריצות דרך נוספות בתחום זה גם בעתיד, שתובלנה למציאת חומרים חדשים ולפיתוחים הנדסיים משמעותיים. 

רוצים לדעת עוד?

דנה אשכנזי, דנה אשכנזי, "כולם להסתדר", "גליליאו צעיר" – ירחון לילדים סקרנים, יולי 2011, עמודים 27 - 29.

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

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.

דנה אשכנזי, "מסע בלשי בעקבות החומר", מגזין אימגו – כתב-עת דיגיטלי בנושאי תרבות ותוכן, יוני 2007.

* ד"ר דנה אשכנזי, בעלת תואר דוקטור בהנדסה מכנית, ותואר ראשון ושני בהנדסת חומרים, העוסקת במחקר בתחומי המדע וטכנולוגיה וכן בכתיבת מאמרים פופולרים בתחומי המדע, טכנולוגיה, תרבות, אמנות ורוח.