"סאיינס" מגלה: הובהרה תיאוריה בת 133 שנים חוקרי הטכניון גילו את מהותה של השכבה הננומטרית הקיימת בין חומרים – בעלת אופי מוצק וגם נוזל

54בכך הוסיפו נדבך חיוני לתיאוריה של גיבס משנת 1878, אשר הסבירה חלקית מה מתרחש במגע בין חומרים שונים; לגילוי יש השלכות מרחיקות לכת על שיפור החיבור בין חומרים שונים

חוקרי הטכניון גילו את מהותה של השכבה הננומטרית הנמצאת בין חומרים שונים ומצאו כי היא בעלת אופי מוצק וגם נוזל. בכך הוסיפו נדבך חיוני לתיאוריה של גיבס משנת 1878, אשר הסבירה חלקית מה מתרחש במגע בין חומרים שונים. כך מגלה כתב העת המדעי היוקרתי "סאיינס".

"בשנות ה-80 התגלה כי קיימת שכבה דקה מאוד בין גבישים, עד כדי כך דקה שלא ניתן להגדירה כנוזל או כמוצק", מסביר פרופסור וויין קפלן, דיקן הפקולטה להנדסת חומרים בטכניון. "החוקרים ברחבי העולם לא הצליחו עד כה להבין מדוע השכבה הזו קיימת והאם זה מצב זמני או שהוא נמצא בשיווי משקל ולכן קבוע. החוקרים ידעו שהוא קיים במפגש בין גבישים קרמיים, כמו גם בפני שטח של קרח (דמוי מים), אך עדיין התקיים ויכוח גדול על הגורם לתופעה ועל מהותה".

בעבודת הדוקטוראט שלה הוכיחה ד"ר מור ברעם, בהנחיית פרופסור קפלן ובשיתוף עם ד"ר דומיניק שטאן ממכון המחקר הצרפתי CNRS, בסידרה ארוכה של ניסויים, שהשכבה קיימת במפגש בין מתכות לבין חומרים קרמיים וכנראה גם בין מתכות לבין מוליכים למחצה. "תופעה זו מאפשרת לנו להחליק על הקרח, פוגעת בתכונות מיכניות של חומרים קרמיים בטמפרטורות גבוהות (החוזק שלהן יורד), אך כנראה דווקא תורמת ליציבות של התקנים חדישים במיקרו-אלקטרוניקה", אומר פרופסור קפלן.

חוקרי הטכניון עשו ניסויים שלא נעשו בעבר, תוך שימוש במיקרוסקופ "טיטן" החדיש וב-FIB, שהוא "בית מלאכה" ברמה ננומטרית. הם ציפו ספיר בשיכבה דקה של זהב – 0.06 מיקרון (לשם השוואה – קוטר שערה הוא 80-100 מיקרון). שכבות דקות כאלה אינן יציבות. החוקרים חיממו את הדגמים עד שהם הגיעו לשיווי משקל, דהיינו: על הספיר נוצרו כתוצאה מהתפרקות השיכבה מיליארדי גבישונים זעירים של זהב. במקביל היה מונח על הספיר מאגר של אלמנטים לגביהם החוקרים ידעו מראש שיש להם תפקיד בשכבה הקיימת בין חומרים שונים (בניסוי שלהם – צורן וסידן). בגלל שהמערכת הגיעה עם פירוקה לשיווי משקל, הסידן והצורן התניידו אל המשטח שבין הזהב והספיר ובאופן טבעי נוצרה השכבה הדקה, בעובי של 0.0012 מיקרון (1.2 ננומטר), ברוחב של 4-5 אטומים בלבד.

"הצלחנו למדוד את האנרגיה האצורה בין הזהב לבין הספיר בנוכחות השכבה הדקיקה והוכחנו בזאת שנוכחות השכבה הזו מורידה את האנרגיה של משטח הביניים ולכן משפרת את עמידותו", מבהיר פרופסור קפלן.

לגילוי המדעי של חוקרי הטכניון יש השלכה טכנולוגית, שכן ההבנה הזו מאפשרת לשפר את עמידות החיבור בין חומרים קרמיים לבין מתכות, שני סוגי חומרים ש"לא אוהבים" להיות במגע זה עם זה. כמו למשל – כיפת הטיל המחוברת לטיל או מוליך מתכתי בין שבב לבין המחשב וכן הציפוי הקרמי על הלהב במנוע סילון שתפקידו להגן על הלהב.

בתמונה: פרופ' וויין קפלן