פוסט שני בסדרה של החוקרות ממדע גדול, בקטנה, והפעם – ד"ר נעה לכמן, חברת סגל במחלקה למדע והנדסה של חומרים בפקולטה להנדסה, אוניברסיטת תל אביב, מספרת על מבנה ותכונות של חומרים מרוכבים.
כתבתי בעבר על כך שיהלום הוא החומר הכי חזק בטבע, ועל מה הופך חומרים לחזקים. תזכורת קצרה – ככל שהאטומים יותר קטנים, המרחק ביניהם יותר קצר, והאלקטרונים נמשכים חזק לשני הגרעינים. ביהלום, כל אטום פחמן (יחסית קטן) "משתף" אלקטרונים עם כל ארבעת השכנים שלו, שגם הם אטומי פחמן. התוצאה היא גביש שכולו קשור בקשרים קצרים וחזקים – "החומר הקשה בטבע".
עכשיו בואו נסתכל על צורת פחמן אחרת – גרפיט. גרפיט זה המוט האפור מבריק בעיפרון, שמשאיר קווים על הנייר. בגרפיט לכל אטום פחמן יש רק שלושה שכנים. מה עושה האלקטרון הרביעי? הוא "משותף" לכל שלושת השכנים בו-זמנית. אטום הפחמן קשור לשכנים שלו ביותר מקשר אחד – בממוצע, בקשר ושליש. לכאורה, החומר אמור להיות יותר חזק מיהלום. אלא שכל אטום פחמן וכל שכניו נמצאים על מישור אחד, והקשר בין השכבות הוא קשר הרבה יותר חלש מהקשרים התלת-ממדיים של היהלום. למעשה, כשאנחנו כותבים בעיפרון, אנחנו מורחים שכבות גרפיט על הנייר. תיאורטית, שכבה אחת של גרפיט, שנקראת "גרפן", אמורה להיות חזקה יותר מיהלום באותו גודל.
לי אישית יש בעיה עם גרפן – בסופו של דבר, אם נתקדם לאורך השכבה, נגיע לקצה. בקצה, לכל אטום פחמן יש שני שכנים לכל היותר, מה שמשאיר לו "קצה פרום" שמחליש אותו. לכן, כשאני עובדת עם שכבות בודדות של גרפיט, אני מעדיפה את הגרסה המגולגלת – "קצה פרום" אחד פוגש את הצד השני, והם מתחברים ביחד לטבעת יציבה. הכירו את החומר החביב עליי, ננו-צינוריות פחמן.
תיאורטית, ננו-צינוריות פחמן הן חומר מדהים – חזק יותר מיהלום, מוליך חשמל טוב יותר מנחושת (זוכרים את האלקטרון ה"מטייל"?), מוליך חום פנטסטי (הידעתם שיהלומים הם קרים למגע? הם מוליכים חום כל כך טוב שחום הגוף לא מספיק כדי לחמם אותם), וקל ביותר – החומר המושלם לבנות ממנו כל מיני דברים מתוחכמים. מעשית – זוכרים שמדובר בשכבות בודדות? אז אפשר או לבנות מהם דברים נורא קטנים (כאלה שאי-אפשר לראות בלי מיקרוסקופ ממש חזק), או למצוא דרך לחבר אותם. כשמחברים אותם, חוזרים לבעיה של הגרפיט – "חוזקה של שרשרת הוא חוזקה של החוליה החלשה".

זה עדיין חומר שימושי להפליא. וכאן אנחנו נכנסים לנושא החומרים המרוכבים. חומר מרוכב נוצר כשלוקחים שני חומרים שונים, מחברים אותם למקשה אחת, אחידה יחסית, ומקבלים שלם שגדול מסך חלקיו. קסדות פיברגלס הן דוגמה לחומר מרוכב: סיבי זכוכית קשים וחזקים, בתוך מטריצה פולימרית קלה וגמישה. התוצאה נוחה מספיק כדי לשבת לכם על הראש, וחזקה מספיק לספוג את המכה בלי שהראש המדובר יישבר. עצמות הגולגולת הן גרסה טבעית ופנימית שממלאה אותו תפקיד; לוחיות ננוסקופיות של סידן פחמתי קשה וקשיח, מחוברות ביניהן בחלבונים גמישים, ומגינות על המוח המאוד חשוב שלכם מפני פגעי הטבע ותוצאותיהן של החלטות פזיזות. כיוון שחלק גדול מתכונותיו של חומר מרוכב נקבע על-ידי שטח המגע בין שני החומרים השונים, לננו-חומרים יש יתרון משמעותי – הרבה מאוד שטח פנים יחסית לנפח שלהם. תיאורטית, אולי חומר מרוכב שכולל ננו-צינוריות פחמן לא יהיה מדהים כמו הננו-צינוריות עצמן, אבל הוא בטוח יהיה טוב בסדר גודל מכל דבר אחר שם בחוץ, נכון?
לא נכון. ננו-צינוריות פחמן אכן יכולות לעשות פלאים לחומר, אבל מה שמתקבל בפועל עדיין רחוק ממה שמבטיחה התיאוריה. למה? זו אחת משתי השאלות הגדולות שאני מנסה לענות עליהן. הנחת המוצא כרגע היא שאם התחזיות לא עומדות במבחן המציאות, זה כנראה בגלל שההנחות עליהן מתבססות התחזיות האלה לא לגמרי נכונות. אתם יודעים – "זבל נכנס, זבל יוצא". כדי שהחישובים יהיו קרובים יותר למציאות, הם צריכים להתבסס על נתונים אמתיים. לכן, חלק גדול מהעבודה שלי כולל מיפוי מדויק של הננו-צינוריות בחומר המרוכב (לרוב אלה ננו-צינוריות פחמן בתוך איזושהי גרסה של דבק אפוקסי) – מה הגודל שלהן, מי נמצאת איפה, באיזה כיוון ועם מי היא "מדברת", והכי חשוב – מה הן עושות כשמצפים מהן לפעול. אם נוכל להבין את היכולות האמתיות של חומרים כאלה, נוכל לעשות איתם דברים מגניבים: מטוסים שיתריעו כשהם עומדים להתעייף, סוללות קלות שיכולות לאגור מספיק חשמל לכביש חוצה-ישראל, ומי יודע – אולי גם את המגן של קפטן אמריקה.
הדף של ד"ר נעה לכמן באתר אוניברסיטת תל אביב, עם רשימת פרסומים
ועוד על חומרים מאת ד"ר נעה לכמן, מיום האהבה אשתקד

<< לפוסט הקודם   לפוסט הבא >>

עריכה לשונית: לנה קלמיקוב