הזהב זוכר

מדענים בטכניון ובגרמניה הדגימו לראשונה את “זיכרון הצורה” בחלקיקי זהב. התגלית התפרסמה בכתב העת Advanced Science

פרופ’ יוג’ין רבקין

חוקרים מהטכניון ומגרמניה הדגימו לראשונה את התופעות של זיכרון צורה ושחזור עצמי בחלקיקי זהב מיקרומטריים. זאת באמצעות דיפוזיה המכוונת על ידי פגמים בחלקיק. את המחקר, שהתפרסם ביום שישי האחרון בכתב העת Advanced Science,  ערכו הדוקטורנט אולג קובלנקו וד”ר לאוניד קלינגר בהנחיית פרופ’ יוג’ין רבקין דיקן הפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון יחד עם כריסטיאן ברנדל מ-KIT (המכון הטכנולוגי קרלסרוהה, גרמניה).

חומרים זוכרי-צורה מאופיינים בכך שהם מסוגלים לתקן את הנזק שנגרם להם (למשל עיוות, דפורמציה) ולשוב לצורתם המקורית. לחומרים אלה יש שני מצבי צבירה (פאזות): אוסטניט (Austenite) , שהוא צורתו הראשונית הסימטרית והמסודרת יותר; ומרטנזיט(Martensite) , שהוא מצב צבירה המאופיין באי סדר ובאי סימטריה אבל גם בחוזק רב יותר. דוגמה מוכרת למעבר בין שני המצבים היא יצירה של פלדה מחוסמת.

העברתו של החומר ממצב הצבירה האוסטניטי למצב הצבירה המחוסם, או המרטנזיטי, נעשית על ידי הפעלת כוח מכני על החומר או על ידי קירורו. המבנה דל הסימטריה של המרטנזיט מאפשר לחומר לספוג עיבורים פלסטיים גדולים בכך שגבישי החומר מסתדרים בהתאם לכיוון העומס המופעל עליו. גם אחרי דפרמציה פלסטית “זוכרים” הגבישים את מצבם המקורי, האוסטניט, ושואפים לחזור אליו. שאיפה זו תתגשם אם נחמם את החומר, שיהפוך את אנרגיית החום לאנרגיה מכנית שתחזיר את החומר למצבו המקורי.

הדוקטורנט אולג קובלנקו

עד היום נצפתה תופעת זיכרון הצורה רק בסגסוגות מתכת ייחודיות כגון ניטינול (Ni-Ti). סגסוגות אלה מאופיינות בפולימורפיזם – ריבוי מצבי צבירה גבישיים אפשריים. כעת, לראשונה, הודגמה התופעה בחלקיקי זהב תת-מיקרומטריים. החוקרים “דקרו” את חלקיקי הזהב במחט יהלום, וזאת תחת מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM). החלקיקים חזרו לצורתם המקורית בעקבות טיפול תרמי בחלקיקים הדקורים בטמפרטורה של 600 מעלות צלזיוס – כ-65% מטמפרטורת ההיתוך של הזהב.

גילויה של תופעת זיכרון הצורה בחלקיקים אלה מפתיעה, לדברי פרופ’ רבקין, משתי סיבות: “ראשית, צורתם המקורית של החלקיקים לא היתה ‘מושלמת’ במונחים של אנרגיה ושיווי משקל ושנית, זהב במצבו המוצק אינו מאופיין בפולימורפיזם.”

כדי להבין את התהליך לעומקו בחנו החוקרים את התנועה האטומית הן במהלך הדקירה והן במהלך החימום, וזאת באמצעות סימולציות של דינמיקה מולקולרית אטומיסטית במחשב. הם הראו כי המעוות (דפורמציה) הנוצר בזמן הדקירה מתוּוך על ידי נוקליאציה והחלקה (nucleation and glide) של לולאות נקעים – פגמים חד-ממדיים בגביש שבאמצעותם הוא עובר דפורמציה פלסטית. הנקעים יוצרים מדרגות על פני החלקיק, ומדרגות אלה משמשות מעין “מסילות מנחות” המובילות את אטומי הזהב חזרה לעקבה (אתר הדקירה) בתהליך של דיפוזיה בטמפרטורה גבוהה. כך חוזר החלקיק לצורתו המקורית.

מעניינת במיוחד העובדה שבשעה שדפורמציה פלסטית ודיפוזיה הן דוגמאות קלאסיות של תהליכים בלתי הפיכים, השילוב ביניהן יכול לבטל את אותה אי-הפיכות ולהוביל לשחזור מלא של צורת החלקיק. כדי להבין כמה מפתיע התהליך הזה אפשר לחשוב על קפה שנשפך מכוס ולאחר מכן הוא מזנק מהרצפה חזרה אל תוך הכוס או על מכונית החוזרת לצורתה המקורית אחרי תאונת טוטאל-לוס. לדברי פרופ’ רבקין, גילויו של אפקט זיכרון הצורה בחלקיקי מתכת ננומטריים ומיקרומטריים עשוי לסייע בתכנון וביצירה של רכיבים והתקנים תת-מיקרומטריים שיהיו יציבים וחסינים בפני נזקים. “כולנו מכירים, לדוגמה, את תקלות הטעינה בסמארטפונים הנובעות משחיקת האזור שאליו מתחבר כבל ההטענה. ייצור אזור זה מחומרים בעלי יכולת ריפוי עצמי ימנע את השחיקה האמורה ואת הצורך בתיקון. שימוש אפשרי נוסף הוא הובלה מבוקרת של תרופות ליעדים בגוף החולה, וזאת על ידי החדרת תרופה לעקבה שתפלוט אותה החוצה בעקבות חימום.”

למאמר המלא ב- Advanced Science לחצו כאן

פרופ’ יוג’ין רבקין וד”ר לאוניד קלינגר

לסרטון המציג את המחקר

הסרטון מציג הדמיית מחשב של טיפול תרמי של החלקיק במחשב. אפשר לראות את האטומים מדלגים על שטחו של החלקיק. האטומים שנעים מרחק רב צבועים בכחול. רוב תנועות האטומים מוגבלות למדרגות ולקצוות שבין האזורים השטוחים. כך מתועלים האטומים לעבר האזור ה”דקור” וממלאים אותו.