Physical Review Letters מדווח: חוקרי הטכניון גילו מנגנון חדש ליצירת מגע בין גבישים בננו-אבקות

ננו-אבקות הן הבסיס של ננו-טכנולוגיות רבות; נולד מונח חדש בתחום הננו-מכניקה, אותו כינו חוקרי הטכניון “פסאודו-אלסטיות”

“בעולם המדע קיימות כיום שתי אסכולות מרכזיות באשר לדרך בה ננו-גבישים באים במגע”, אומר פרופסור יוג’ין רבקין מהפקולטה להנדסת חומרים בטכניון. “דעה אחת גורסת שהגבישים נמתחים כדי להיצמד (מעוות אלסטי), אך משהם נדבקים הם חוזרים לצורתם המקורית. על פי דעה אחרת, במהלך ההתקרבות הכוחות הבין-אטומיים חזקים מספיק כדי להתגבר על החוזק של הננו-גבישים ולגרום להם לשינוי צורה בלתי-הפיך (מעוות פלסטי)”.

לננו-גבישים מתכתיים יש מבנה אטומי מסודר, והדרך בה הם יכולים לעבור מעוות פלסטי הוא על ידי יצירה של “פגם” קווי במבנה האטומי המסודר. אותם פגמים קוויים הנקראים “נקעים” נצפו לראשונה במיקרוסקופ באמצע שנות ה-50 ומאז הם מהווים בסיס חשוב להבנת התכונות המכניות של חומרים. בשל גודלם של הננו-גבישים, הם לרוב בעלי מבנה אטומי מושלם וללא “נקעים”.

“לשתי האסכולות נמצאו צידוקים, מבלי שנמצאה דרך ליישב את הסתירה בין השתים”, מוסיף פרופסור רבקין. “מחד גיסא, מודלים אנליטיים הראו שהמאמצים שנוצרים בננו-גבישים תוך כדי חתירה למגע גדולים מספיק כדי ליצור כמות גדולה של ‘נקעים’. מאידך, בתצפיות ניסוייות נצפו ‘נקעים’ בודדים בלבד בצבירים של ננו-גבישים, בניגוד למודלים”.

על מנת ליישב את הסתירה, השתמשו חוקרי הטכניון בכלי סימולציה מתקדמים המבוצעים על מחשב מקבילי עתיר-ביצועים הנמצא בטכניון. “החישוב מבוצע ברמה האטומית”, מספר ד”ר דן מרדכי כיום בפקולטה להנדסת מכונות בטכניון,  שבעת המחקר היה משתלם בתר-דוקטורט בקבוצתו של פרופסור רבקין. “אנו מתארים את הננו-גבישים באמצעות האטומים המרכיבים אותם והכוחות שבין האטומים, ובכך למעשה נותנים לאטומים לבחור את ‘המסלול’ המועדף עליהם. חישובים כאלה כוללים מספר מאות אלפי אטומים ואנו נדרשים לבצע אותם על מחשבים מקביליים, קרי – לבצע את החישוב על פני מספר מחשבים בו זמנית”.

חוקרי הטכניון מצאו, למעשה, שאף אחת מן האסכולות לא מתארת את התהליך על כל פרטיו. הם הראו בסימולציה שכאשר ננו-גבישים מתקרבים, כוחות האינטראקציה ביניהם גדלים לרמה כזו שגורמת ליצירת “נקעים” רבים (כפי שצפו המודלים באסכולה השנייה). אולם תוך כדי תהליך ההצמדות בין הננו-גבישים נוצרים “נקעים” נוספים, אשר “מתקנים” את הפגמים, ועד תום תהליך ההצמדות הם נותרים ללא “נקעים”, כפי שנצפה בניסויים.

כך נולד מונח חדש בתחום הננו-מכניקה, אותו כינו חוקרי הטכניון “פסאודו-אלסטיות”. מנגנון זה מאפשר לננו-גביש לשמור על צורתו המקורית, למרות שהכוחות הפועלים עליו גדולים מספיק על מנת להתגבר על החוזק שלו. למנגנון זה יכולה להיות חשיבות רבה לתחומים נוספים במכניקת המגע עבור כל שני גופים המתקרבים לכדי מרחק של מספר ננו-מטרים בודדים.

במחקר השתתף פרופסור דיוויד סרולוביץ היושב בראש המכון לחישובים עתירי ביצועים שבסינגפור.

בתמונה: הסימולציות שבוצעו בטכניון המראות את תהליך יצירת המגע בין שני הננו-גבישים. (משמאל) המבנה האטומי של הננו-גבישים לפני מגע. (מימין) המנגנון הפסאודו-אלסטי בפעולה (1 עד 8). לצורך הצגת המנגנון, מוצגים רק חלק מן האטומים החשובים לתהליך. ניתן לראות שתוך כדי הצמדות נוצרים פגמים רבים (האטומים הצבועים באפור כהה בתמונות 3-7), אך לבסוף הננו-גבישים נותרים ללא פגמים בתוכם (8). איור: דוברות הטכניון