כיוון הקרח

כמות האנרגיה של אור השמש הפוגעת מדי יום במי הים יכלה בקלות להביא אותם לכדי רתיחה. למזלנו, תכונות ייחודיות של המים מגבילות את כמות החום שהם סופגים, כך שהים נותר קריר מספיק לקיומם של חיים. מדעני מכון ויצמן למדע השתמשו בתכונות מופלאות אלה של המים על מנת לשלוט בתהליך קפיאתם מתחילתו – והצליחו ליצור גבישי קרח בעלי כיווניות אחידה.

היכולת לשלוט במיקום המדויק של ההתגבשות, בגודל הגבישים ובכיווניות שלהם, היא כלי עוצמתי בחקר גבישים. יתירה מכך, שליטה בהיבטים מבניים של גבישים, ובייחוד בכיווניות שלהם, היא בעלת ערך רב בתעשייה, שכן היא מאפשרת לשלוט בתכונות של חומרים שונים המיועדים למכשור אלקטרו-אופטי, לציוד רפואי וליישומים תעשייתיים רבים אחרים.

פרופ' לסלי לייזרוביץ וד"ר יפתח נבו מהמחלקה לחומרים ופני שטח, יחד עם עמיתיהם למחקר, תכננו מערך ניסויי שמטרתו לשלוט בקפיאה של מים בקירור-יתר – מים הנשארים במצב צבירה נוזלי גם בטמפרטורות נמוכות בהרבה מ-0 מעלות צלסיוס. כדי להיות במצב של קירור-יתר על המים להיות טהורים דַּיָּם, כלומר שלא יהיו בהם חלקיקים זרים אשר יעודדו היווצרות גרעיני קפיאה. לשם כך בנו המדענים במעבדתו של פרופ' דן אורון במחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות, התקן הכולל תא קירור שבתוכו הוקרנו טיפות מים בשתי קרני לייזר אנכיות ומתואמות. המדענים השתמשו באור לייזר ירוק, שכמעט ואינו נבלע על-ידי מולקלות המים, והקרינו את טיפות המים בסדרה של זוגות הבזקי לייזר. תיעוד מצולם של הניסוי חשף כי תחת השפעת ההקרנה, קפאו המים בטמפרטורה הגבוהה בערך ב-10 מעלות מטמפרטורת הקפיאה שלהם ללא הבזקי הלייזר.

בהמשך פנו מדעני המכון למדענים בסינכרוטרון האירופי בגרנובל שבצרפת, ובניסויים שנערכו שם, חשפו את טיפות המים להבזקים של קרן רנטגן זמן קצר לאחר הקרנתן בשני הבזקי הלייזר; שלוש הקרניים נפגשו במרכזן של טיפות המים כשהן ניצבות זו לזו. דפוסי פיזור קרני הרנטגן חשפו את פרטי ההתגבשות ברמת האטום הבודד והראו כי גבישי הקרח נוצרו בנקודת המפגש של קרני הלייזר בצורה הומוגנית; גבישים אלה פנו לאותו הכיוון – מקביל לשדות החשמליים שהשרו קרני הלייזר, ושונה מהכיווניות של גבישי קרח במצבם הטבעי.

""במים בקירור-יתר נוצרים כל הזמן גרעיני קפיאה של קרח, אך הם מתפרקים במהירה לפני שנוצר חיבור של ממש והמים נשארים נוזליים – כמו שני ילדים שעושים 'כִּיף' אחד לשני תוך כדי ריצה אך לא מחזיקים ידיים"

על סמך מודלים פיסיקליים, סבורים המדענים כי המים שבלעו רק מעט חום מקרני הלייזר, אם בכלל, אך הושפעו רבות מהשדה החשמלי שלהן. מולקולות מים בודדות הן קוטביות מטבען, ואת קשרי המימן המחברים בין אטומי המימן והחמצן של מולקולות שכנות בתוך המים, ניתן לקטב עוד יותר ובקלות. החוקרים משערים כי קיטוב נוסף זה אירע בניסוי בזמן החשיפה לאור הלייזר. במיוחד התקטבו קשרי המימן שהיו מקבילים לשדה החשמלי של הלייזר בטרם ההבזק, דבר אשר גרם למולקולות סמוכות המחוברות באמצעות קשרים אלה להימשך עוד יותר זו לזו – וזאת לאורך זמן רב יחסית, הודות לחשיפה להבזקים הכפולים. בצורה זו קרני הלייזר גרמו להיווצרות גבישים המחוברים באמצעות קשרי מימן המקבילים לשדה החשמלי של הלייזר.

מסביר ד"ר נבו: "במים בקירור-יתר נוצרים כל הזמן גרעיני קפיאה של קרח, אך הם מתפרקים במהירה לפני שנוצר חיבור של ממש והמים נשארים נוזליים – כמו שני ילדים שעושים 'כִּיף' אחד לשני תוך כדי ריצה אך לא מחזיקים ידיים. ההבזק הכפול של הלייזר בניסויים שלנו נתן למולקולות המים יותר זמן כדי להפוך את ה'כיף' ללחיצת יד של ממש, וזה מה שאפשר לגבישים להיווצר".

המערכת שפותחה עבור ניסויים אלה יכולה לשמש גם לחקר ההתגבשות של חומרים אחרים, מלבד מים, וכן לפיתוח יישומים תעשייתיים. עורכי כתב-העת המדעי Journal of Chemical Physics בחרו במחקר למהדורה מיוחדת של המחקרים החדשניים והמשפיעים ביותר שפורסמו בכתב-העת בשנת 2020.  

במחקר השתתפו ד"ר סברינה ז'אהן מהמחלקה לחומרים ופני שטח; ד"ר ניר נפתלי; ד"ר ישי פלדמן מהמחלקה לתשתיות למחקר כימי; וד"ר נורמן קרצ'שמר, ד"ר מתיאו לבנטינו וד"ר מיכאל וולף מהסינכרוטרון האירופי.