עתיד נטול עופרת

"טוב מכדי להיות אמיתי", זו הייתה התגובה הראשונית בקבוצת המחקר של פרופ' איגור לובומירסקי במכון ויצמן למדע למראה החומר הקרמי שיצרו במעבדתם. החומר החדש שייך למשפחה מוכרת המשמשת בטכנולוגיות רבות אך מייצרת כאב ראש סביבתי גדול, שכן החומרים הנמנים עליה מכילים בדרך כלל עופרת – אחת המתכות הרעילות בעולמנו. למרבה התדהמה, החומר שיצרו אינו נופל בביצועיו מהחומרים המשמשים כיום בתעשייה, וזאת מבלי שיש בו רכיבים רעילים או מזהמים.

המשפחה המדוברת היא משפחת החומרים הפיאזואלקטריים או האלקטרו-סטריקטיביים – חומרים המתעוותים בהשפעת שדה חשמלי. התעוותות זו מנוצלת באינספור התקנים אלקטרוניים ליצירת מנועים זעירים. כך למשל, בטלפונים ניידים, העיוות הזעיר הנגרם ממתח חשמלי משמש להתחלת הטעינה של הסוללה או להזזת עדשת המצלמה והכנסתה לפוקוס; במדפסות תעשייתיות חומרים אלה משמשים לשחרור מדוד ומבוקר של דיו.

הרכיבים העשויים מחומרים אלה הינם לרוב קטנים מכדי שכדאי יהיה למחזר אותם, וכך טונות של עופרת מוצאות את דרכן למזבלות. יישומים מבוססי עופרת הוצאו בהדרגה משימוש בארצות מפותחות, אבל חומרים אלה עדיין מותרים לשימוש בשל חיוניותם והיעדר תחליפים הולמים. לשם המחשה, השוק העולמי של חומרים פיאזואלקטריים עומד על יותר מ-20 מיליארד דולר לשנה וממשיך לגדול.

""במשך כעשור חקרנו תופעה שנחשבה חסרת תועלת לחלוטין, והנה הסקרנות המדעית הולידה חומר עם ביצועים שאינם נופלים מהחומרים הטובים ביותר בתעשייה כיום"

ניסיונות קודמים של מדענים ברחבי העולם לייצר חומרים נטולי עופרת לשימושים אלה לא הוכתרו בהצלחה מלאה: החומרים שיצרו היו פעילים מדי מבחינה כימית או מסובכים מדי לייצור. לעומת זאת, החומר החדש שיוצר במעבדות מכון ויצמן למדע – תחמוצת צריום בתוספת כעשרה אחוז תחמוצת זירקוניום – אינו נוטה לייצר תגובות כימיות עם סביבתו והינו קל לייצור. יתרה מכך, היתרון הגדול ביותר שלו עשוי להיות יעילות אנרגטית: הוא צורך פחות אנרגיה מהחומרים הקיימים לביצוע אותה עבודה. אם כל זה לא מספיק, גם חומרי המקור שלו זולים וזמינים: הן צריום והן זירקוניום נפוצים למדי בקרום כדור-הארץ וכבר כיום מופקים במכרות ברחבי העולם לשימושים תעשייתיים מגוונים. תחמוצת צריום בצורת אבקה משמשת למשל לליטוש עדשות ובממירים קטליטיים – התקנים להפחתת פליטות של כלי רכב.

בזכות כל זה, החומר הקרמי החדש עשוי להוות חלופה מוצלחת וידידותית לסביבה לחומרים אלה, אבל כאשר המחקר יצא לדרך לפני יותר מעשור, פרופ' לובומירסקי כלל לא חלם על יישומים תעשייתיים כלשהם. קבוצת המחקר שלו גילתה בזמנו שבתנאים מסוימים, תחמוצת צריום אינה מתנהגת בהתאם לציפיות: המדענים זיהו בתחמוצת זו אפקט אלקטרו-סטריקטיבי גדול פי מאה ממה שחזתה התיאוריה. זה היה אמנם אפקט זעיר ובלתי יישומי בעליל, אך התגלית הייתה מפתיעה, והקבוצה המשיכה לחקור בה.

ואז לפני כשלוש שנים ביצע מקסים ורניק, דוקטורנט בקבוצתו של פרופ' לובומירסקי, ניסוי שהביא לתוצאות מטלטלות. בסדרת ניסויים הוא שילב בתחמוצת צריום אטומים טריוולנטיים, כלומר אטומים בעלי שלושה אלקטרונים במעטפת החיצונית שלהם. כאשר חשף את החומרים לשדה חשמלי, התגלתה תופעה מעניינת ובעלת חוקיות ברורה: ככל שהאטומים המוחדרים היו קטנים יותר, כך החומר התעוות יותר. לאור הממצאים, ורניק היה סקרן לראות מה יקרה אם יחדיר לתחמוצת אטומים קטנים ככל האפשר, אך בסופו של דבר נגמרו לו האטומים הטריוולנטיים הניתנים לשילוב בצריום. אז הוא החליט לנסות ולהחדיר במקום אטומים של תחמוצת זירקוניום, אף שיש להם ארבעה אלקטרונים במעטפת החיצונית ולא שלושה. התוצאה הדהימה אותו ואת שאר הקבוצה: העיוות בחומר שנוצר לא טיפס מעלה כמו בסדרת הניסויים הקודמת – הוא זינק פי 200.

"במשך כעשור חקרנו תופעה שנחשבה חסרת תועלת לחלוטין, עשינו זאת אך ורק מתוך סקרנות מדעית", אומר פרופ' לובומירסקי. "והנה הסקרנות הולידה חומר עם ביצועים שאינם נופלים מהחומרים הטובים ביותר המשמשים כיום בתעשייה".

לצד הבנת התכונות של החומר החדש בהקשרים של יישומים אפשריים, החוקרים ממשיכים לנסות להבין למה תחמוצת הצריום אינה מתנהגת בהתאם לתיאוריה. "זו חיה שמעולם לא פגשנו בגן החיות שלנו", אומר פרופ' לובומירסקי.

מאז שנתגלתה התופעה החריגה לראשונה, קבוצתו של פרופ' לובומירסקי חוקרת אותה בשיתוף פרופ' אנטולי פרנקל מאוניברסיטת סטוני ברוק, אחד המומחים הגדולים בעולם לספקטרוסקופיית EXAFS. באחרונה הצטרף לצוות גם פרופ' יוא קי מאוניברסיטת בראון, אך המשימה עוד רחוקה מלהיות מושלמת. אומר פרופ' לובומירסקי: "אנחנו עדיין לא מבינים עד הסוף את התופעה, אבל זה בדיוק מה שהופך את המחקר למעניין".

את המחקר הוביל ורניק יחד עם ד"ר בויואן שו מאוניברסיטת בראון. מחברי המאמר כוללים גם את ג'וניאינג לי, אלעד גבר, ד"ר אלן וכטל, ד"ר דוד אהרה וסרגיי חודורוב מהמחלקה לכימיה מולקולרית ולמדע חומרים של המכון; וד"ר פראהלד רות מאוניברסיטת סטוני ברוק.