השאיפה למנוחה נכונה

 

 

"האל הטוב ברא לנו ידיים", אומר אלפרד פ. דוליטל במחזה "גבירתי הנאווה" של ג'ורג' ברנארד שאו. "האל הטוב ברא לנו ידיים, שנעבוד ולחם נשתכר. אבל עם טיפ-טיפת מזל, יעבוד כבר מישהו אחר". חוסר החיבה הזה לבזבוז מיותר של אנרגיה, או לייתר דיוק, השאיפה להימצא במצב ש"עלותו" במונחי אנרגיה היא הנמוכה ביותר האפשרית, היא תופעה אוניברסלית המשותפת לבני-אדם ולמולקולות חומר דוממות כאחד. התכונה הזו של המולקולות "דוחפת" אותן ליצור מבנים צפופים (כמו מוצקים או נוזלים), שבהם קיימים הרבה קשרים בין המולקולות, ואילו אנרגיית הקשר ביניהן נמוכה.

 

אבל למולקולות של חומר (ואולי גם לבני-אדם) יש תכונה הפוכה, חשובה לא פחות: המולקולות מעדיפות להימצא במצב של אי-סדר מרבי (אנטרופיה מרבית). "השופטת" שקובעת את האיזון בין שתי המגמות המנוגדות הללו היא הטמפרטורה: בטמפרטורות גבוהות מאוד אי-הסדר מנצח, והחומר יימצא במצב גזי, שהוא המצב "החופשי" והבלתי-מסודר ביותר של החומר. כך, למשל, מים יהפכו בטמפרטורה גבוהה לאדים. אך כשמקררים את החומר, האנרגיה משפיעה יותר, דבר שגורם לכך שחלקיקי החומר מתארגנים במבנים יותר מסודרים. כך, אדי מים שיקוררו, יתעבו ויהפכו לנוזל או אפילו למוצק.

 

זה המצב ככל שהדברים קשורים בנוזלים פשוטים, שהמולקולות המרכיבות אותם בנויות מחלקיקים שאנרגיית הקשר שלהם איננה תלויה במידה רבה בכיוון (נוזלים איזוטרופיים). אבל מה קורה בנוזלים לא איזוטרופיים, כלומר נוזלים המורכבים מחלקיקים שאנרגיית-הקשר ביניהם תלויה מאוד בכיוון היחסי שלהם?

 

אחת הדוגמאות הבולטות והבסיסיות ביותר של נוזלים לא איזוטרופיים היא זו של נוזלים מגנטיים. החלקיקים המגנטיים בנוזלים אלה מומסים, או "מרחפים", בנוזל כלשהו (גודלם האופייני של חלקיקים אלה שהם מגנטים קטנים, הוא בין מיקרון לננומטר, כלומר, בין אלפית למיליונית המילימטר). אנרגיית הקשר בין החלקיקים הללו תלויה מאוד בכיוון - אם שני מגנטים כאלה נוגעים זה בזה בקטבים זהים (צפון ליד צפון או דרום ליד דרום), הם דוחים זה את זה, אך אם הקטבים הנוגעים זה בזה הם הפוכים - המגנטים מושכים זה את זה.

 

ובכן, האם קירור עשוי לגרום לעיבוי של נוזלים לא איזוטרופיים דלילים? השאלה הזאת היא, ביסודה, שאלה פיסיקלית בסיסית. אבל כדאי לזכור שנוזלים לא איזוטרופיים ממלאים תפקיד חשוב בטכנולוגיה המודרנית - למשל, המיסבים של הדיסקים הקשיחים במחשבים מכילים נוזלים מגנטיים. ייתכן גם שהבנה טובה יותר של התכונות הפיסיקליות של נוזלים לא איזוטרופיים, ובמיוחד של היותם מושפעים במידה רבה משינויים בשדה המגנטי, עשויה להתגלות בעתיד כבעלת חשיבות בפיתוח מיקרו-מכונות מסוגים שונים.

 

ד"ר צבי טלוסטי ופרופ' שמואל שפרן, דיקן מדרשת פיינברג והמנחה שלו בעבודת הדוקטורט, נתקלו בסימני השאלה המרחפים מעל לתכונותיהם של נוזלים לא איזוטרופיים באקראי. באחד הכינוסים המדעיים שבהם השתתף שמע ד"ר טלוסטי הרצאה בנושא, שכבש מיד את תשומת לבו. הוא הביא את הבעיה אל פרופ' שפרן, ולאחר כמה שיחות ביניהם החליטו השניים להיכנס לעובי הקורה ולנסות לפתור את התעלומה.

 

בעבר האמינו רוב המדענים, כי התשובה לשאלה הזו תלויה בעוצמת המשיכה ההדדית בין חלקיקי הנוזל הלא איזוטרופי. כלומר, אם המשיכה ההדדית תהיה חזקה מספיק, היא תוכל "לפצות" על אובדן האנטרופיה (כלומר, אובדן אי-הסדר) הכרוך בעיבוי חלק מהחומר ממצב צבירה גזי למצב נוזלי.

 

בנוזלים איזוטרופיים, החומר המעובה מתארגן בצבירים קטנים של חלקיקים, שכל אחד מהם נצמד במידה זו או אחרת למספר גדול יחסית של חלקיקים אחרים (בין 6 ל-12). אלא שחלקיקים מגנטיים המצויים בתמיסות דלילות (לדוגמה, נוזלים מגנטיים, כמו זה שבדיסק הקשיח), מתארגנים בשרשרות, כשכל אחד מהם נצמד לכל היותר לשני חלקיקים אחרים, במבנה של צפון-דרום-צפון-דרום. תכונה זו של הנוזלים המגנטיים הלא איזוטרופיים מפריעה לעיבוי, מפני שכל אחד מהחלקיקים נוגע בשני שכנים בלבד ולכן יש לו פחות אנרגיית קשר. לפיכך, ההשקפה המדעית המקובלת גרסה עד לאחרונה, שלא יתחולל עיבוי של נוזלים מגנטיים.

 

השקפה זו השתנתה באחרונה שינוי מקיף כתוצאה מעבודת המחקר של פרופ' שפרן וד"ר טלוסטי, שיוצא בימים אלה לתקופה של מחקר בתר-דוקטוריאלי באוניברסיטת רוקפלר שבניו-יורק. הם הראו, במודל תיאורטי, שבכל זאת ייתכן עיבוי (מעבר ממצב גזי למצב נוזלי) של נוזלים מגנטיים. מסקנה זו נובעת מהעובדה שהשרשרות המולקולריות המגנטיות "מעדיפות" שקצותיהן יהיו קשורים ומחוברים לשרשרת אחרת במבנה של צמתים דמויי האות Y ("עלותו" של מצב זה במונחי אנרגיה קטנה מ"עלות" האנרגיה הכרוכה בהימצאות במצב שבו שני קצוות השרשרת פתוחים). כך, למעשה, השרשרות המולקולריות המגנטיות נוטות ליצור רשתות גדולות ומסועפות (ראו תמונה).

 

טלוסטי ושפרן מציעים לראות את צומתי הרשת כחלקיקים הבסיסיים של הרשת. כלומר, גם הם שואפים להימצא בשיווי משקל בין מצב ש"עלותו" מינימום אנרגיה למצב של אי-סדר מרבי (אנטרופיה מרבית). כך, בעצם, "כדאי" לרשת ליצור עוד ועוד צמתים, ולהפוך את עצמה ליותר ויותר דחוסה ומורכבת, וכך להגדיל את אי-הסדר שבה. כאשר הרשת דלילה, החומר הוא גזי, ואילו כאשר הרשת נעשית מורכבת וצפופה יותר ב"מטרה" להגדיל את האנטרופיה, החומר מתעבה והופך לנוזל. רעיון זה התפתח מעבודת מחקר קודמת של השניים, שהתמקדה בתכונות הפיסיקליות של מיקרו-אמולסיות, שהן תערובות של חומרים דמויי סבון, אשר בתנאים מסוימים יוצרות רשתות מזוסקופיות (תחום הגודל שבין עולם המאקרו לעולם המיקרו). רשתות אלה - שנצפו באחרונה בסדרת ניסויים במיקרוסקופיה אלקטרונית - דומות מאוד בתכונותיהן לרשתות מולקולריות של נוזלים לא איזוטרופיים.

 

ממצא זה, שהפך את התפיסה שהיתה מקובלת עד כה (שלפיה לא יתחולל עיבוי של נוזל מגנטי ללא מעורבות של כוחות איזוטרופיים נוספים), עומד במרכזו של מאמר שפירסמו טלוסטי ושפרן באחרונה בכתב העת המדעי "סיינס". הם מקווים שפרסום המאמר יביא לביצוע ניסויים שיוכלו לאשש או להפריך את "מודל הרשת" שלהם. אישוש כזה עשוי להוביל להתפתחות תחום חדש לחלוטין של יישומים טכנולוגיים.