אוניברסיטת תל אביב - חוקרים פענחו את סוד יציבותם של קווזיגבישים - גבישים שמסתדרים מעצמם על פי הזמנה

בשנת 1982 גילה המדען הישראלי דן שכטמן תופעה שנחשבה עד אז לבלתי אפשרית מבחינה מדעית: גבישים שאינם מחזוריים. עד לאותה עת סברו המדענים 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 וזיכה אותו כ-30 שנה לאחר מכן בפרס נובל בכימיה. רוב הגבישים מהסוג ששכטמן גילה, המכונים גבישים קווזי-מחזוריים או קווזיגבישים בקצרה, הם סגסוגות מתכתיות מוצקות. לאחרונה התגלו קווזיגבישים מחומרים רכים המורכבים ממולקולות גדולות מאוד וגמישות – כאלו שניתן יחסית בקלות לשנות את הגודל והצורה שלהן – והתעוררה השאלה האם ניתן לתכנן את המולקולות הללו ולקבל איזה גביש שרוצים.

במאמר חדש המתפרסם בכתב העת Physical Review Letters הדגימו חוקרים מאוניברסיטת תל אביב, בראשות פרופ' רון ליפשיץ מבית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה, בשיתוף עם עמיתם מיכאל אנגל מאוניברסיטת מישיגן שבארה'ב, כיצד ניתן לעשות זאת. הם פיתחו שיטה חדשה לתכנן ולשלוט בהיווצרותם של גבישים רכים, מחזוריים או לא-מחזוריים, בעלי מגוון מבנים וסימטריות שונות. בעתיד עשויה השיטה להוביל לפיתוחים חדשניים, ביניהם חומרים עם תכונות אופטיות מתקדמות.

להנחות את המולקולות כיצד להסתדר כאשר החומר מתגבש

'אנחנו עוסקים בחומרים רכים המורכבים ממולקולות גדולות וגמישות, כמו כדורי ספוג עם שערות ארוכות,' מסביר פרופ' ליפשיץ. 'אנחנו 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. כעת, על סמך התיאוריה המתמטית הזו, תכננו החוקרים מולקולות בצורות שונות ונתנו למחשב לבצע סימולציה של תהליך ההתגבשות כדי לראות איזה גביש יתקבל. 'שמחנו לגלות,' אומר קובי ברקן, 'שתמיד קבלנו את הגביש שרצינו. אנחנו יודעים לתכנן גבישים מחזוריים בעלי סימטריה כפולת-ארבע וכפולת-שש, וכן קווזיגבישים 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'.

'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. בשל גודל המולקולות התואם את אורך הגל של האור הנראה ישנו פוטנציאל לפיתוח חומרים בעלי תכונות אופטיות מתקדמות,' מסכם פרופ' ליפשיץ. '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.'