רף חדש לחוזקם של חומרים מתכתיים

חוקרים מהטכניון ומאוניברסיטת ג’ורג’ מייסון חקרו את התכונות המכניות של חלקיקי ניקל ננוממטריים בלחיצה. החוזק המקסימלי של חלקיקים אלה, 34 ג’יגה פסקל, גבוה פי 3 מחוזקם של סיבי ברזל מיקרוניים

חוקרים מהטכניון ומאוניברסיטת ג’ורג’ מייסון הציבו רף חדש לחוזקם של חומרים מתכתיים במסגרת המחקר נחקרו התכונות המכניות של חלקיקי ניקל ננוממטריים בלחיצה. החוזק המקסימלי של חלקיקים אלה, 34 ג’יגה פסקל, גבוה פי 3 מחוזקם של סיבי ברזל מיקרוניים, שהם המבנים המתכתיים בעלי החוזק המקסימלי הגבוה ביותר שנמדד אי פעם. הישג זה מבוסס על שליטה חסרת תקדים בתצורת דפנות החלקיקים ועל ציפויים במעטפת העשויה מתחמוצת ניקל
מבחני דחיסה של חלקיקי ניקל, כפי שהם נראים במיקרוסקופ אלקטרונים סורק ברזולוציה גבוהה. a ו-c מציגים את החלקיקים לפני הדחיסה. b ו-d – אחרי הדחיסה
מבחני דחיסה של חלקיקי ניקל, כפי שהם נראים במיקרוסקופ אלקטרונים סורק ברזולוציה גבוהה. a ו-c מציגים את החלקיקים לפני הדחיסה. b ו-d – אחרי הדחיסה
חוקרים מהטכניון ומאוניברסיטת ג’ורג’ מייסון הציבו רף חדש לחוזקם של חומרים מתכתיים. במסגרת המחקר נחקרו התכונות המכניות של חלקיקי ניקל ננוממטריים בלחיצה. החוזק המקסימלי של חלקיקים אלה, 34 ג’יגה פסקל, גבוה פי 3 מחוזקם של סיבי ברזל מיקרוניים, שהם המבנים המתכתיים בעלי החוזק המקסימלי הגבוה ביותר שנמדד אי פעם. הישג זה מבוסס על שליטה חסרת תקדים בתצורת דפנות החלקיקים ועל ציפויים במעטפת העשויה מתחמוצת ניקל.

המחקר שהתפרסם בכתב העת Nature Communication סולל דרך לחקר התנהגותם של חומרים מתכתיים תחת לחצים חד-ציריים סופר-גבוהים. כך אומרים החוקרים שהובילו אותו, פרופ’ יוג’ין רבקין מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון ופרופ’ יורי מישין מאוניברסיטת ג’ורג’ מייסון. “חוזק של חומר הוא תכונה חשובה הקובעת את טווח היישומים האפשריים שלו,” מסביר פרופ’ רבקין. “ברמה האטומית נקבע החוזק על ידי סוג הקשרים הכימיים בין האטומים. לדוגמה, יהלום הוא חומר חזק מאוד בגלל הקשרים הקוולנטיים החזקים בין אטומי הפחמן המרכיבים אותו. אלומיניום, לעומת זאת, חלש מאוד כי הקשר בין האטומים שלו חלש.”

חומרים חזקים הם כמובן יעד מרכזי במדע ובטכנולוגיה, ולכן עובדות קבוצות מחקר רבות על יצירת חומרים חזקים. בחומרים יש גבול חוזק תאורטי – בדומה למהירות האור המהווה את הגבול העליון למהירות של חומר ואנרגיה. לדברי פרופ’ רבקין, “אנחנו שואפים להתקרב לגבול העליון של חוזק החומר, אבל בפועל היינו רחוקים ממנו מאוד בגלל פגמים במבנה הגבישי. לכן אנחנו חוקרים כבר שנים רבות את האפשרות לשפר את איכות הגביש ועל ידי כך להגדיל את חוזקו.”

החוקרים השותפים למחקר. מימין לשמאל: הדוקטורנט נמרוד גזית, הפוסט-דוקטורנט ד”ר עמית שרמה פרופ’ יוג’ין רבקין
החוקרים השותפים למחקר. מימין לשמאל: הדוקטורנט נמרוד גזית, הפוסט-דוקטורנט ד”ר עמית שרמה פרופ’ יוג’ין רבקין
ב-2011 הצליחו פרופ’ רבקין ושותפיו בטכניון, בסטנפורד ובפרינסטון פרופ’ דן מרדכי, פרופ’ ביל ניקס ודיוויד סרולוביץ לייצר חלקיקי זהב ננומטריים בחוזק התאורטי העליון. זאת הודות למבנה המיוחד של החלקיקים שיצרו. עם זאת, חוזק זה אינו גבוה בהשוואה למתכות אחרות, ולפיכך ניסו החוקרים ליישם את השיטה החדשה גם בניקל.

במחקר הנוכחי, שנערך בשילוב של כלים ניסויים וחישוביים, יוצרו חלקיקי ניקל שהפגינו עמידות גבוהה הרבה יותר מזו של חלקיקי הזהב. לדברי פרופ’ רבקין, “הופתענו במיוחד מפני שהחלקיקים שלנו גילו עמידות גבוהה גם ביחס לתוצאות חישוביות קודמות של החוזק התיאורטי של חלקיקי הניקל.”

כדי להבין את הממצאים ביצעו החוקרים אפיון מדוקדק של חלקיקי הניקל ואימתו את השערתם: חלקיקים בעלי פינות קהות עומדים בלחצים גבוהים יותר מאלה שפינותיהן חדות. בעקבות התגלית הם פיתחו אלגוריתם ייחודי שמפיק חלקיקים ננומטריים מגוונים מבחינת אופי הפאות שלהם. ואכן, החלקיקים המעוגלים יותר עמדו בלחצים גבוהים הרבה יותר, ואילו החלקיקים בעלי הפינות החדות קרסו בשלב מוקדם יחסית. כאמור, המחקר סולל דרך להבנה וליצירה של חלקיקים חזקים יותר ממתכות שונות.

למאמר המלא ב- Nature Communication