חוקרים מאוניברסיטת תל-אביב גילו את הסוד ליציבותם של קווזי גבישים

בשנת 1982 גילה המדען הישראלי דן שכטמן תופעה שנחשבה עד אז לבלתי אפשרית מבחינה מדעית: גבישים שאינם מחזוריים. עד לאותה עת סברו מדענים שהאטומים המרכיבים את הגבישים מסודרים תמיד באופן מחזורי, בדומה למשבצות הריבועיות על לוח השחמט או לתאים המשושים בחלת הדבש. הגילוי המהפכני של פרופ' שכטמן הוכיח שאין זה בהכרח כך ו-30 שנה אחר כך זיכה אותו הגילוי בפרס נובל בכימיה.

מרבית הגבישים מהסוג ששכטמן גילה, המכונים גבישים קווזי מחזוריים (או קווזי גבישים), הם סגסוגות מתכתיות מוצקות. לאחרונה התגלו קווזי גבישים מחומרים רכים המורכבים ממולקולות גדולות מאוד וגמישות – כאלה שניתן יחסית בקלות לשנות את הגודל ואת הצורה שלהן. בשל כך, התעוררה השאלה האם ניתן לתכנן את המולקולות הללו ולקבל איזה גביש שרוצים.

במאמר חדש המתפרסם בכתב העת ,Physical Review Letters הדגים צוות חוקרים מאוניברסיטת תל-אביב, בראשות פרופ' רון ליפשיץ מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, בשיתוף עם מיכאל אנגל מאוניברסיטת מישיגן שבארה"ב, כיצד ניתן לעשות זאת. החוקרים פיתחו שיטה חדשה שבעזרתה ניתן לתכנן ולשלוט בהיווצרותם של גבישים רכים, מחזוריים או לא-מחזוריים, בעלי מגוון מבנים ורמות סימטריה שונות. בעתיד עשויה השיטה להוביל לפיתוחים חדשניים, ביניהם חומרים עם תכונות אופטיות מתקדמות.

גבישים לפי הזמנה

"אנחנו עוסקים בחומרים רכים המורכבים ממולקולות גדולות וגמישות, כמו כדורי ספוג עם שערות ארוכות", מסביר פרופ' ליפשיץ. "שאלנו את עצמנו האם על ידי תכנון פשוט של גודל 'הכדור' ואורך 'השערות' נוכל לגרום למולקולות להסתדר כרצוננו בשעה שהן מתגבשות".

יחד עם תלמיד המחקר קובי ברקן ופרופ' חיים דימנט מבית הספר לכימיה, בנו החוקרים מודל מתמטי עבור תהליך ההתגבשות של חומרים רכים אלו, ופענחו את סוד יציבותם של הגבישים הנוצרים – הן המחזוריים והן אלה שאינם מחזוריים. על סמך התיאוריה המתמטית הזו, תכננו החוקרים מולקולות בצורות שונות ונתנו למחשב לבצע סימולציה של תהליך ההתגבשות כדי לראות איזה גביש יתקבל. "שמחנו לגלות שתמיד קיבלנו את הגביש שרצינו", אומר קובי ברקן. "אנחנו יודעים לתכנן גבישים מחזוריים בעלי סימטריה כפולת-ארבע וכפולת-שש, וכן קווזי גבישים בעלי סימטריה כפולת-עשר וכפולת-שתים-עשרה".

החוקרים צופים כי בעתיד ניתן יהיה להיעזר בשיטה שלהם כדי לייצר גבישים רכים בעלי תכונות חדשניות, ממש "לפי הזמנה".

לייצר חומרי על

"גבישים מחומרים רכים, המורכבים ממולקולות גדולות, מתאימים במיוחד לייצורם של חומרי-על או מטה-חומרים (metamaterials) - חומרים מהונדסים בעלי תכונות ייחודיות שאינם מצויים בטבע בצורתם זו", מסכם פרופ' ליפשיץ. "בשל גודל המולקולות, התואם את אורך הגל של האור הנראה, יש פוטנציאל לפיתוח חומרים בעלי תכונות אופטיות מתקדמות. בדרך כלל יש צורך לייצר את החומרים הללו באופן מלאכותי באמצעים מתקדמים ויקרים של ננו-טכנולוגיה. הגבישים שלנו גדלים מעצמם, אבל זה נראה כאילו שאנחנו מנחים את המולקולות כיצד להסתדר".