הפגמים שמחממים

גְרַפֵן, סוג של פחמן אשר זיכה באחרונה את מגליו בפרס נובל, עשוי בבוא היום להוות בסיס למכשירים אלקטרוניים ידידותיים לסביבה ויעילים במיוחד. שלא כמו חומרים אחרים העשויים פחמן, כמו יהלום, גרפן מוליך חשמל – וכמו במרבית המוליכים, חום הוא תוצר לוואי שיש להביאו בחשבון בכל תכנון עתידי שעשוי לכלול גרפן. מחקר של מדעני מכון ויצמן למדע שהופיע באחרונה בכתב-העת המדעי Science מתאר לראשונה מנגנון שבאמצעותו אלקטרונים בגרפן משחררים חום. הבנת מנגנון זה עשויה לסייע למהנדסים ולחוקרים לשפר את עיצובם של חומרים ומכשירים מבוססי גרפן, כמו גם לספק מבט מקרוב על תהליך בקנה-מידה מיקרוסקופי שטרם נחקר.

"גרפן הוא סריג דו-מימדי של אטומי פחמן אשר מזכיר במראהו חלת דבש", מסביר ד"ר דורי הלברטל, כיום חוקר בתר-דוקטוריאלי במעבדה של פרופ' אלי זלדוב במחלקה לפיסיקה של חומר מעובה. "בגרפן נקי, לכאורה אין שום דבר ש'ימשוך את תשומת ליבם' של האלקטרונים העוברים דרכו – ויגרום להם לשחרר את האנרגיה העודפת שלהם". ובכל זאת חום נפלט – ובמכשירים קטנים במיוחד התחממות, ולו הקלה ביותר, עשויה להוות בעיה רצינית. אם כך, כיצד מיוצר חום בחומרים "אידיאליים" מסוג גרפן?

מדידה תרמית רגישה

כדי לבחון את השאלה ברמה האטומית, חברו ד"ר הלברטל ופרופ' זלדוב לד"ר משה בן-שלום ולפרופ' אנדרה גיים מאוניברסיטת מנצ'סטר – ממגלי הגרפן – אשר ברשותם דוגמאות גרפן נקיות במיוחד, שבהן הגרפן נתון בין שתי שכבות דקות של חומר אינרטי, כלומר שאינו מגיב לתהליכים כימיים. פרופ' זלדוב וחברי הקבוצה השתמשו במערכת מדידה ייחודית שפיתחו, המבוססת על התקנים מוליכי-על להתאבכות קוונטית (SQUID). המערכת נתונה במיכל גדול על גבי מבנה בטון השוקל כשני טונות ונתמך ברגליים פנאומטיות, והיא מקוררת בהליום נוזלי לכ-4 מעלות קלווין – הכל בכדי לבודד מכל הפרעה סביבתית. לב המערכת הינו התקן המורכב ממחט קוורץ דקה מצופה עופרת – מתכת אשר הופכת למוליך-על בעת קירורה, ובקצה – טבעת שרוחבה כמה עשרות ננומטרים בלבד, והיא זו אשר סורקת את תכונות החומר בסמוך מאוד לפני השטח שלו, אך מבלי לגעת בהם.

ההתקן תוכנן במקור למדידת הפרעות זעירות בשדות מגנטיים בחומרים, אך פרופ' זלדוב וד"ר הלברטל זיהו את רגישותו לשינויים – ולו הקלים ביותר – בטמפרטורה, והחליטו להשתמש ברגישות זו לצרכי המחקר שלהם. במחקר קודם שפורסם בכתב-העת המדעי Nature  לפני כשנה, הקבוצה הדגימה את יכולות המכשיר במדידת שינויי טמפרטורה בדיוק של מיליונית מעלת קלווין – כלומר מערכת המדידה רגישה פי עשרת אלפים משיטות מובילות אחרות. טכניקת המדידה הייחודית מאפשרת לחוקרים לכבות ולהדליק פיזור חום בנקודות מסוימות בסריג הגרפן – כלומר, לא רק למדוד היבטים שונים של חימום בקנה מידה אטומי, אלא אף לשלוט בהם.

מנגנון חימום חדש

בניסוי הנוכחי, החוקרים מצאו כי האלקטרונים שיחררו חום רק במספר בודד של אתרים אטומיים בתוך מבנה הגרפן ובמספר רב של נקודות לאורך קצות המבנה. תצפיות אלה אפשרו להם להגדיר את המיקומים המדויקים שמהם נובע החום. "אתרים אלה הינם פגמים אטומיים, כנראה אטומי מימן שהתחברו לסריג הפחמן", אומר ד"ר הלברטל. "פגמים אלו פועלים כמו מלכודת: הם יכולים לאצור בתוכם את האלקטרונים למשך זמן-מה לפני שאלה בורחים החוצה לאחר שפלטו אנרגיה מועטה בצורת חום".

המיקומים של פגמים אטומיים אלה הופיעו בתמונות שהתקבלו בניסויים כמוקפים בטבעות. מניתוח שערכו החוקרים, יחד עם פרופ' ליאוניד לויטוב מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס, עלה כי הטבעות – אזורים צרים שבהם ישנו שחרור מוגבר של אנרגיה – קשורות למנגנון שחרור חום שלא היה מוכר עד כה; במנגנון מעורב מצב אנרגיה מסוים הדרוש לאלקטרון כדי לאפשר שחרור חום.

התובנות שמספק מחקר זה עשויות לשרת פיסיקאים, מדעני חומרים ומהנדסים אשר עובדים עם גרפן. יותר מכך, ד"ר הלברטל סבור כי שיטת המדידה, אשר פועלת ברזולוציה גבוהה בהרבה מכל שיטה אחרת, עשויה בעתיד להעשיר את הידע המדעי בתחום הפיסיקה הבסיסית של שחרור חום. "תהליכים רבים בתחומים מדעיים שונים, מביולוגיה ועד סופרנובות, כרוכים בהחלפה ובהמרה של אנרגיה", אומר פרופ' זלדוב. "בשיטה זו, אנו יכולים להבין כיצד פיזור האנרגיה מתרחש ברמת האלקטרון הבודד".