“תוצאות מפתיעות”: מחקר חושף לראשונה מה קורה בקצהו של הסדק

סדקים מחלישים חומר שנשבר, את זה רבים יודעים, אך קיומם הם הדבר הקובע את מידת חוזקו של חומר באופן כללי. סדקים מרכזים כמות עצומה של אנרגיה באזור הקצה שלהם, כשהמאמצים באזור המיקרוסקופי הזה יכולים להגיע מבחינה מתמטית עד אינסוף. בטבע, בניגוד לתחזיות התיאורטיות, מנגנון מיקוד המאמצים המופעל ברגע של יצירת סדק בחומר משתנה בין חומר לחומר, וכמובן שיש גבול לכל מאמץ אנרגטי המתבטא בסופו של תהליך בשבר של החומר. לדוגמה, הזכוכית היא חומר שמציב גבול חלש יחסית למאמצים האינסופיים שסדק מרכז בקצה שלו – ועל כן היא נשברת בקלות כשהוא נוצר. לעומתה, באלומיניום או בפלדה מתרחש בקצה הסדק מנגנון אחר, אשר מונע ממאמצי הסדק לשבור את החומר.

במחקר שפורסם לאחרונה ביצעו חוקרים באופן יזום “רעידות אדמה” קטנות בחומר פרספקס (perspex, סוג של זכוכית אקרילית שקופה) והפנו את ה”זרקורים” על ההתנהגות המסתורית המתרחשת בקצוות סדקים בזמן שבירה. מחקר זה, שבוצע לאחרונה על ידי פרופ’ ג’אי פיינברג ונרי ברמן ממכון רקח לפיסיקה, פורסם בעיתון היוקרתי Physical Review Letters. המחקר חשף, לראשונה, את ההתנהגות בסביבה הקרובה של קצה הסדק. למעשה, זאת הפעם הראשונה בעולם שאזור זעיר זה, בו שבירת חומרים מתרחשת, נצפה בניסוי מעבדה.

אחד הממצאים החשובים במחקר הוא שקצה הסדק עובר פאזה במהירות התקדמות קריטית, בה הוא משנה לחלוטין את אופיו. מעבר הפאזה אנלוגי למעבר הפאזה המאפיין את המעבר של המים לקרח. “הקושי המרכזי בצפייה בקצה הסדק הוא הגודל המיקרוסקופי של האזור, המסוגל לנוע במהירות הקול (כ-ק”מ/שנייה)”, מסביר פרופ’ פיינברג. “למרות המדידה המאתגרת, הצלחנו לראשונה לבצע הדמיה של הסדקים הרצים במהירות הקול, וגילינו דרכה את הצורה שבה החומר עצמו מתארגן על מנת למנוע את הלחצים הגדולים הנמצאים בקצה הסדק. כלומר החומר מושפע מהתהליך של יצירת הסדק. הצורה שהתגלתה התבררה כשונה לחלוטין מהציפיות המתוארות בספרות המדעית בעשרות שנים האחרונות”.

אין מדובר בעבודה הראשונה של פרופ’ פיינברג בנוגע לאינסופיות של מאמצי סדקים. בפרסום קודם בכתב העת היוקרתי Nature, הסביר פרופ’ פיינברג כי “כשחקרנו את תופעת החיכוך במעבדה, גילינו שתחילת תהליך ההחלקה, בעצם, מתוארת על ידי התקדמותן של רעידות אדמה השוברות את המגעים בין כל שני גופים המתחככים זה על זה. ‘רעידות האדמה’ אלו המתחילים בנקודה חלשה ומתקדמים במהירות המתקרבת למהירות הקול. כדי להבין את התנהגותן, המצאנו שיטה המאפשרת לנו לעקוב אחרי מהלכי רעידות האדמה הללו באמצעות צילום מהיר (כמיליון תמונות בשנייה) של שטח המגע בכל נקודת מגע בין שני לוחות המחליקים זה  על זה.. מדידות אלו הראו שרעידות האדמה מהוות את המנגנון שדרכו חיכוך מתנהל. זאת הייתה הפעם הראשונה שמישהו מדד דבר כזה. מעבר לכך, הראנו כי לרעידות אדמה תכונות שמקבילות לחלוטין לתכונותיהם של סדקים נעים. במחקר הנוכחי, ניצלנו את הידע הזה כדי לפענח את התנהגותם של חומרים בהשפעת המאמצים האדירים הנוצרים בקצה של סדק בזמן שבו חומרים נשברים”.

למחקר עשויות להיות השלכות רבות, היות ותוצאותיו מערערות את התפיסה הבסיסית בנוגע לתכונותיהם ויציבותם של חומרים. התפיסה המסורתית מניחה כי בזמן השבירה החומר הוא די פסיבי, דהיינו הוא מושפע על ידי הלחצים האדירים המופעלים עליו – אך הוא אינו משפיע על מאמצים אלו, ובוודאי לא אמור היה להשפיע על צורת ההתארגנות של המאמצים המופעלים עליו. “לאור התוצאות המפתיעות של המחקר, אנו חייבים לקחת את ההדדיות הזאת בחשבון”, מבהיר פרופ’ פיינברג. זאת ועוד, המודלים החדשים שיפותחו יצטרכו לכלול את תהליכי ‘מעבר הפאזה’ המתרחשים כאשר חומר נכנע ללחצים המופעלים עליו – ואולי זה יהיה המפתח בהבנת השוני הגדול בחוזקם של חומרים – בעיקר בנוגע לחומרים שדומים מאוד בכל יתר התכונות המכאניות המאפיינות אותם.

מחקר עתידי של פרופ’ פיינברג ינסה לבחון כיצד ניתן להשפיע על האזור המיקרוסקופי של הסדק על מנת לשנות את ההתנהגות והחוזק של חומרים ברבדים השונים. אפיונו של אזור קריטי זה הוא הצעד הראשון לקראת שינוי תכונותיו בצורה יזומה, אפשרות מרתקת שבעזרתה ייתכן ויתאפשר להנדס בצורה משכילה את התכונות של חומרים חדשים, וליצור חומרים חזקים יותר לתועלת האנושית.

פרופ’ גאי פיינברג מסכם: “בהרבה מקרים, השגת הבנה חדשה מובילה לדרכים חדשות ‘לכוון’ ולשנות התנהגות טבעית. אנו מצפים (ומקווים) שהשגת ההבנה החדשה הזאת בהתנהגותו של החומר בקצה של סדק, תוביל לפיתוח של חומרים חדשים שניתן יהיה ‘לכוון’ את חוזקם”.

למאמר המדעי