חוכמת הקרמיקה

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

חכם. גמיש. מתמודד היטב עם לחצים. מסתגל מהר למצבים חדשים. נשמע כמו מועמד מוביל לתפקיד מאתגר? נכון, אבל ה"מועמד" הוא חומר קרמי בלתי-שגרתי המסוגל להסתגל, בכוחות עצמו, לתנאים קשים ומשתנים. פרופ' איגור לובומירסקי, מהמחלקה לחומרים ופני שטח, שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע, אשר גילה את תכונותיו המפתיעות של החומר הזה, אומר שתגלית זו עשויה להוביל, בעתיד, לכיווני מחקר חדשים וליישומים תעשייתיים רבים.

 

מדובר בתגלית מפתיעה למדי, שכן החומר, תחמוצת של cerium gadolinium, ידוע יותר מ-15 שנים, אבל מעולם לא נחשב ליוצא דופן משום בחינה. חומר זה נוצר משילוב של גדוליניום עם תחמוצת צריום. פרופ' לובומירסקי: "תארו לעצמכם שהייתם מגלים שלשכן ממול, שבמשך שנים חשבתם שהוא בעל אינטליגנציה ממוצעת, יש IQ של גאון".

 

מדעני המכון גילו שבתנאים מסוימים, תחמוצת של צריום גדוליניום מתנהגת כמעין גומי, ולא כחומר קרמי רגיל: בדומה לכדור גומי, החומר הזה מתאים את עצמו לצורה שנכפית עליו מבחוץ, אבל ברגע שהוסרו המגבלות החיצוניות - הוא חוזר לצורתו המקורית. כדי לגלות את התכונה המפתיעה הזאת, פיתחו המדענים מבנה בצורת תוף, ש"ראשו", המחובר בקצוות למסגרת, עשוי משכבה דקה (פחות ממיקרון אחד) של החומר הקרמי. בטמפרטורת החדר הייתה השכבה שטוחה ומתאימה בדיוק למסגרת. אבל בעת חימום החלו להתחולל תופעות לא צפויות. המדענים ציפו, שכתוצאה מחימום תתנהג השכבה הקרמית באופן שונה מזה שבו תגיב מסגרת התוף. המסגרת הייתה אמורה להשתנות במידה מועטה מאוד, ואילו השכבה הקרמית הייתה צפויה להתנפח ולבלוט כלפי מעלה. אבל הקרמיקה ה"חכמה" נשארה שטוחה לאורך כל הדרך כאשר חיממו אותה לאט, ואפילו כשהחום הגיע ל-180 מעלות צלסיוס. באופן מפתיע, גם כאשר קיררו אותה בחזרה בהדרגה, היא שמרה על צורתה המקורית ולא נוצר בה שום סדק. מכאן הסיקו המדענים, כי לחומר הקרמי הזה יש מנגנון פנימי מתוחכם אשר מאפשר לו להתאים את עצמו למסגרת בכל טמפרטורה - ובלבד שהשינוי מתחולל בהדרגה. כאשר חיממו את החומר לחום של 180 מעלות צלסיוס בבת אחת, הוא התנפח ובלט. כאשר קיררו אותו בבת אחת - הוא נסדק. בדיוק כמו כל קרמיקה מהשורה.

 

נראה שלגורם הזמן היה תפקיד מכריע בשני התסריטים: כשהיה לו די זמן כדי להסתגל לחימום או לקירור, היה החומר הקרמי רך כגומי, אך כאשר לא היה לו די זמן, הוא נכנע ללחצי השינוי המהיר, ונשבר. גם כדור גומי מתנהג בדרך דומה: כאשר דוחסים אותו לאט, הוא משנה את צורתו כדי להתאים את עצמו ללחץ וחוזר לצורתו המקורית כאשר משחררים אותו, אך כאשר מדובר במכה מהירה - כמו, למשל, כאשר זורקים אותו לרצפה - הוא מתנגד לשינוי הצורה, דבר שגורם לו לנתר בחזרה כלפי מעלה.

 

מהו המנגנון ההופך את החומר הקרמי ל"חכם" וסתגלני כל כך? הסוד נובע משני סוגים של פגמים נקודתיים בחומר, הנוצרים בתהליך היווצרותו. הפגם הראשון הוא האטומים של גדוליניום שחודרים לתוך תחמוצת הצריום. הפגם השני הוא החללים שנוצרים כשאטומי הגדוליניום דוחפים החוצה את אטומי החמצן שבתחמוצת הצריום. חללים אלה מאפשרים לפגמים לנוע ולהחליף מקומות בחומר, ממש כמו שאנשים מחליפים מקומות באולם קולנוע אשר נותרו בו מקומות ריקים רבים.

 

למשל, כאשר החומר מתקרר, האנרגיה האלסטית שנוצרה כתוצאה מלחץ וחום הולכת בחלקה לאיבוד, דבר שגורם להיצמדות הפגמים ולהתארגנות החומר במצב "חסכוני" יותר, שקיומו מחייב פחות אנרגיה. כתוצאה מכך, נפח החומר פוחת בהדרגה, דבר המאפשר לו להישאר שטוח וחסר סדקים.

 

פרופ' לובומירסקי אומר, שחומרים רבים נוספים עשויים להיות בעלי תכונות דומות של התמודדות טובה עם מצבי לחץ. יחד עם חברי קבוצת המחקר שהוא עומד בראשה, הוא פיתח את הבסיס התיאורטי להתנהגות דמויית גומי של חומרים קרמיים, ולאחר מכן הוכיח את התיאוריה הזאת בניסויים. במחקר הזה השתתפו תלמידת המחקר אנה קוסובוי מהמחלקה לחומרים ופני שטח, ד"ר ישי פלדמן וד"ר אלן וכטל מהיחידה לתשתיות מחקר כימיות במכון ויצמן למדע, וכן פרופ' יואכים מאייר ממכון מקס פלנק לחקר חומר מעובה בשטוטגרט שבגרמניה. ממצאי המחקר פורסמו באחרונה בכתב העת המדעי Advanced Functional Materials.

 

חומר המסוגל לשמור על צורתו המקורית בכל טמפרטורה יכול להיות שימושי מאוד ביישומים רבים - למשל, בהתקנים שמתחממים ומתקררים לסירוגין. אלה כוללים תאי דלק מסוימים - התקנים אשר הופכים אנרגיה כימית לחשמל - שאותם בונים כעת מחומרים קרמיים מאותה משפחה שאליה משתייך הצריום גדוליניום. ייתכן שהתקנים כאלה ישמשו בעתיד כספקי כוח למחשבים ניידים. נהוג להדליק ולכבות התקנים כאלה לעיתים קרובות, ולכן הם מתחממים ומתקררים חליפות. במצבים אלה, חומר חכם, אשר מסוגל להתאים את עצמו לטמפרטורות שונות ומשתנות, יכול למנוע היווצרות סדקים וקלקולים.

 

החומר הקרמי החכם יכול לעזור לייצר התקנים מיקרוסקופיים המיועדים לביצוע מדידות מדויקות בדרך שאפשר לחזור עליה, - כגון מיקרו-חישנים או מיקרו-משאבות בציוד רפואי. ייצור המוני של חלקים זהים להתקנים כאלה מעמיד אתגרים הנדסיים רבים, שאפשר להתגבר עליהם באמצעות חומר קרמי המשנה את צורתו כדי להתאים את עצמו בדיוק למסגרת ההתקן. הביקוש למיקרו-טכנולוגיות יגדל ללא ספק בעתיד, כך שחומר חכם, המסוגל לגשר על פערים ולחפות על מיגבלות ההנדסה הקיימת, עשוי להידרש לשימושים רבים נוספים.