חסר לי חמצן, וזה טוב!

מה המשותף בין הדמיה של עובר במכשיר אולטרה-סאונד, תקשורת סלולרית במכשירים ניידים, מנועים זעירים וזיכרונות מחשב הפועלים על אנרגיה מועטה? כל הטכנולוגיות הללו מבוססות על חומרים פֵרוֹאלקטריים – חומרים המאופיינים בקשר חזק בין מבנה האטומים שבחומר לבין תכונותיו החשמליות והמכניות.

ד”ר יכין עברי

כעת, חוקרים בטכניון הצליחו לשנות את תכונותיהם של חומרים פרואלקטריים על ידי סילוק של אטום חמצן בודד מהמבנה המקורי. בכך הם פורצים דרך לפיתוח טכנולוגיות חדשות. את המחקר הוביל ד”ר יכין עברי מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים עם הפוסטדוקטורנטית ד”ר המפראבה הלנגובן והדוקטורנטית מיה ברזילי, והוא התפרסם ב-ACS Nano. ראוי לציין כי סילוק של אטום חמצן ממקומו הוא אתגר גדול בשל משקלם הזעיר של אטומי החמצן, ולכן ההישג האמור מרשים במיוחד.

בחומרים פרואלקטריים, תזוזה קטנה של האטומים גורמת לשינויים משמעותיים בשדה החשמלי ובהתכווצות החומר או הרחבתו. אפקט זה נובע מכך שהיחידה הבסיסית שחוזרת על עצמה בחומר כוללת אטומים המסודרים במבנה שאינו סימטרי.

כדי להבהיר את המשפט האחרון ניקח כדוגמה חומר פרואלקטרי בשם בריום טיטנאט (Barium Titanate). בחומר זה יוצרים האטומים מבנה דמוי קובייה, שבתוכו נמצאים אטום אחד של טיטניום ואטומי חמצן. בחומרים אלה מתרחשת תופעה ייחודית: אטום הטיטניום מתרחק מאטומי החמצן. מאחר שלטיטניום מטען חשמלי חיובי ולחמצן מטען שלילי, התרחקותם זה מזה יוצרת קיטוב, כלומר דיפול חשמלי.

בקובייה יש שש פאות, כך שהאטומים הטעונים זזים לאחת מתוך שש אפשרויות. באזורים שונים בחומר, מספר רב של אטומים שכנים זזים לאותו הכיוון והקיטוב בכל אזור שכזה, המכונה דומיין פרואלקטרי, הוא אחיד.

מימין לשמאל : מיה ברזילי, ד”ר יכין עברי וד”ר המפרבה אלנגובן

הטכנולוגיות המסורתיות מבוססות על השדה החשמלי הנוצר באותם אזורים. עם זאת, בשנים האחרונות מופנה מאמץ אדיר למזער את ההתקנים ולעשות שימוש בגבול שבין הדומיינים במקום בדומיינים עצמם, וכך להפוך את ההתקנים ממבנים תלת-ממדיים למבנים דו-ממדיים.

החוקרים עדיין חלוקים לגבי מה קורה בעולם הדו-ממדי של קירות הדומיינים: כיצד מתייצב הגבול בין שני אזורים בעלי קיטוב חשמלי שונה? האם בקירות הדומיינים קיים קיטוב חשמלי אחר מזה של הדומיינים עצמם? האם אפשר לשלוט בתכונות של קירות הדומיינים באופן נקודתי?

במחקר הצליחו החוקרים לפענח, בסקאלה האטומית, את מבנה האטומים ואת היערכות השדה החשמלי בקירות הדומיינים. במאמר ב-ACS Nano מאששים החוקרים את ההשערה שקירות הדומיינים מאפשרים קיום של גבול דו-ממדי בין דומיינים כתוצאה מכך שחלק מאטומי החמצן באזורים המשותפים לשני דומיינים עוזבים את החומר ובכך מאפשרים גמישות גבוהה יותר בהיערכות השדה החשמלי המקומי. החוקרים הצליחו “להעלים” אטום חמצן בודד, והראו שפעולה זו יוצרת דיפולים הפוכים וסימטריה חשמלית גבוהה יותר – מבנה טופולוגי ייחודי הקרוי קוודרופול.

בסיוע סימולציות מחשב שערך לי שיו מאוניברסיטת ווסטרלייק שבסין הראו החוקרים כי לסילוקו של אטום החמצן השפעה רבה על התכונות החשמליות של החומר לא רק בסקאלה האטומית אלא אף בקנה מידה הרלוונטי להתקנים אלקטרוניים – למשל בהיבט של מוליכות חשמלית. פירוש הדבר הוא שהישג מדעי זה עשוי לסייע במזעורם של התקנים כאלה.

בתמונת המיקרוסקופ: תמונת המבנה לפני שליפת האטום מתוכו (מימין) ואחריה

יתר על כן, בשיתוף חוקרים מהקריה למחקר גרעיני נגב הראו חוקרי הטכניון כי את סילוק אטום החמצן אפשר להשיג על ידי חשיפת החומר לקרינת אלקטרונים. לכן, בנוסף לפוטנציאל הטכנולוגי של התגלית בתחום האלקטרוניקה, ייתכן שאפשר להשתמש באפקט עבור גלאי קרינה ועל ידי כך לאתר מראש ובכך למנוע תקלות גרעיניות כדוגמת האסון שפקד לפני מספר שנים את הכור בפוקושימה.

המחקר, שבוצע במתקני המיקרוסקופייה בפקולטה למדע והנדסה של חומרים, מומן על ידי הקרן הישראלית למדע וקרן פזי. המעבדה למבנים ננו וקוואנטום פונקציונליים, בראשות ד”ר עברי, פועלת בתמיכת תוכנית צוקרמן למנהיגות במדעים וטכנולוגיה.

למאמר ב-ACS Nano לחצו כאן