הקוואזי-גבישים החדשים

"אין דבר כזה קוואזי-גבישים, יש רק קוואזי-מדענים", עקץ בזמנו לינוס פאולינג, אחד הכימאים הגדולים במאה ה-20, את דן שכטמן מהטכניון בכינוס של החברה האמריקאית לכימיה. ההתבטאות יוצאת הדופן הזאת הייתה רק קצה הקרחון של המתקפה המדעית על תגליתו המפתיעה של שכטמן, שהיה הראשון שהבחין בקוואזי-גבישים בשנת 1982. בשנת 2011, אחרי פולמוס מדעי נרחב, זכה שכטמן בפרס נובל בכימיה על תגליתו. כיום פיתוחים טכנולוגיים רבים נשענים על גבישים מחזוריים למחצה (קוואזי מחזוריים), בהם ציפויים לא דביקים, נורות LED, אמצעי בידוד חום וחיזוק פלסטיק.

קיומם של הגבישים הקוואזי מחזוריים אושש עד היום במחקרים רבים. בדצמבר 2018 הצטרפה אליהם פריצת דרך נוספת, כשקבוצת חוקרים בהובלת אוּ צ'ן (Chen) מהמחלקה לכימיה באוניברסיטת בראון בארצות הברית, דיווחה בכתב העת Science כי הצליחה ליצור במעבדה סוג חדש של קוואזי-גבישים.

צביעות שונות של צילום במיקרוסקופ אלקטרונים של החומר החדש ממחישות את תכונותיו | מקור: Chen Lab / Brown University

לא גביש ולא נוזל

חומרים רבים נמצאים בטבע בצורת גבישים, למשל מלח השולחן המורכב מאטומי נתרן וכלור. אם נסתכל בגבישי מלח שולחן במיקרוסקופ מתקדם, נראה כי האטומים שלהם מסודרים בתבנית חוזרת של קוביות. הכללים שלפיהם מסודרות היחידות החוזרות הם אלה שקובעים אם חומר מסוים הוא גביש ובאיזה סוג של גביש מדובר.

כדי שחומר מסוים ייחשב לגביש הוא צריך לענות על שני תנאים: סימטרייה בהזזה וסימטרייה סיבובית. כדי להבין את התנאים האלה אפשר להסתכל על משטח מרוצף באריחים רבועים זהים. היחידה החוזרת ברצפה כזאת היא האריח. העובדה שהאריחים מסודרים זה ליד זה במרחקים קבועים מעניקה לגביש – או למשטח – סימטרייה בהזזה. אם ניקח אריח אחד ונסובב אותו רבע סיבוב, הוא ייראה ממש אותו הדבר, וכך גם אם נמשיך ונסובב אותו רבעי סיבוב נוספים. התכונה הזאת נקראת סימטרייה סיבובית.

כדי שחומר מסוים ייחשב גביש צריך שיהיה סימטרי בשתי הדרכים הללו. בנוסף, הסימטריות הסיבוביות המותרות לפי ההגדרות המקובלות למחזוריות הן אחת, שתיים, שלוש, ארבע ושש. כלומר, גביש שהיחידה החוזרת שלו היא משושה משוכלל, כמו יערת דבש, יהיה גביש "חוקי". אולם אם נמצא גוף שהיחידה החוזרת שלו מורכבת ממצולע משוכלל של עשר צלעות, כלומר סימטרייה סיבובית של עשר, הוא לא ייחשב גביש. הקביעה בנוגע לסימטריות מותרות ואסורות הסתמכה על תצפיות, ולא על עבודה תיאורטית שממנה הכללים הללו נובעים.

מה ששכטמן גילה ב-1982 היה סוג חדש של גבישים שלא התאימו להגדרה המקובלת. ייחודם היה כפול: הייתה להם סימטרייה סיבובית של 10 – מספר "בלתי חוקי" לפי ההגדרה המקובלת לגביש, ולא היתה להם סימטרייה בהזזה. בשל החריגה הזאת קרא שכטמן לסידור האטומי שזיהה "גבישים קוואזי-מחזוריים", כלומר, בעלי מחזוריות חלקית בלבד.

סוג חדש של גביש. ראש צוות המחקר, אוּ צֶ'ן, עם דגם של פירמידה המרכיבה את הגביש | צילום: אוניברסיטת בראון

קוואזי-גביש אחר

במחקר הנוכחי הצליחו צ'ן ועמיתיו ליצור קוואזי-גבישים בעזרת פירמידות זעירות בגודל של ננומטרים אחדים – מיליארדיות המטר – תגלית שהגיעו אליה כמעט בטעות. מחקרם התמקד בתחילה ביצירת חומרים חדשים המבוססים על אבני בניין זעירות בעלות מבנה ותכונות כימיות ייחודיים. לשם כך הם פיתחו פירמידה זעירה, שאחת מארבע פאותיה שונה מבחינה כימית מכל היתר.

במחקר קודם, שפורסם בכתב העת Nature גרמו צ'ן ועמיתיו לננו-פירמידות דומות להסתדר על מצע מוצק, וכך יצרו חומר בעל מבנה מורכב ביותר המבוסס על אבני בניין זערוריות. המפתח ליצירת המבנה הייחודי היה השימוש באבני הבניין הייחודיות, השונות מהותית מאבני הבניין הכדוריות המשמשות בדרך כלל ליצירת חומרים כאלה.

לאחר שהצליחו ליצור חומר חדש מהננו-פירמידות ביקשו צ'ן ועמיתיו לבחון מה יקרה להן אם יסדרו אותן על מצע נוזלי במקום על מוצק. כך, חשבו, יוכלו הפירמידות לנוע ביתר חופשיות בדרכן ליצור מבנה מסודר. כשבחנו במיקרוסקופ אלקטרונים את האופן שבו הפירמידות הסתדרו על המצע הנוזלי, הם הופתעו לגלות גבישים בעל מחזוריות חלקית בלבד – קוואזי-גבישים.

הגבישים הקוואזי-מחזוריים שצ'ן ועמיתיו יצרו שונים מכל קודמיהם משתי סיבות. ראשית, הם אינם מבוססים על סגסוגות של מתכת, אלא על אבן בניין זעירה שמבוססת על התרכובת קדמיום סולפיד (CdS), ומחופה בחומצות שומן. שלוש מתוך ארבע הפאות של הפירמידה מחופות בחומצת שומן מסוג אחד, והאחרונה בחומצת שומן מסוג אחר. בזכות ההבדל הזה בין הפאות הצליחו החוקרים ליצור קוואזי-גביש מאבן בניין אחת בלבד. אומנם בעבר כבר יצרו קוואזי-גבישים מאבני בניין זעירות, אך בכל המקרים השתמשו לשם כך בשתי אבני בניין שונות. כאן החוקרים הסתפקו בסוג אחד בלבד של אבן בניין.

שנית, הקוואזי-גבישים החדשים היו מבוססים אמנם על יחידה חוזרת בעלת סימטרייה סיבובית של עשר, אבל אי אפשר לרצף שטח בצורה מלאה בעזרת יחידה חוזרת בעלת סימטרייה סיבובית כזאת. זה דומה לכדורגל המורכב ממשושים ומחומשים: אם ננסה למלא את שטח פניו במשושים בלבד, ניכשל. חייבים לשלב בתבנית הכדור גם מחומשים. אולם צ'ן ועמיתיו גילו כי הננו-פירמידות שיצרו משנות את הסידור שלהן באופן דינמי, כך שהן יצרו לחילופין גם סימטריות סיבוביות של 8 או 6, וכך מילאו את המרחב ללא חורים.

"קיומם של קוואזי-גבישים המבוססים על אבן בניין אחת נחזה בכלים מתמטיים ובהדמיות מחשב, אולם לא הודגם מבחינה מעשית עד כה", מסביר צ'ן. "מדובר בסוג חדש לחלוטין של קוואזי-גביש ואנחנו הצלחנו לפענח את החוקים שמאפשרים את יצירתו. אנו מעריכים שהחוקים החדשים שגילינו יתרמו תרומה משמעותית להמשך המחקר של קוואזי-גבישים. בנוסף, העבודה שלנו יכולה לתרום לחקר החומרים, לכימיה, למתמטיקה ואפילו לאמנות".