ראשי > כללי > פרק באלכימיה מודרנית: איך לבנות חומרים חדשים ומופלאים ואז להעלם

פרק באלכימיה מודרנית: איך לבנות חומרים חדשים ומופלאים ואז להעלם

האלכימאים של ימי קדם רצו (בין היתר) למצוא דרכים להפוך מתכות פשוטות למתכות יקרות ולגלות את הכוחות המאגיים הטמונים בחומרים שונים.

בשנת 2000 הוצג לעולם חומר חדש אשר הראה תכונות מוזרות שלא היו קיימות בשום חומר אחר בטבע. אותו חומר, מעשה ידי אדם, נוצר על ידי סידור במרחב של אבני בניין פשוטות. חומרים חדשים אלו מכונים 'מטא-חומרים'. בהמשך התגלה כי ניתן לנצל חומרים אלו לשלל יישומים מופלאים למשל מתקני הסוואה והעלמות (cloaking device, כן, כן, כמו ב-'מסע בין כוכבים' ו-'הטורף').

מי הם האלכימאים החדשים, מהם אותם מטא-חומרים וכיצד ניתן להעלם בעזרתם? על כך ברשימה הבאה.

'האלכימאי', ציור מאת ג'וזף רייט, משנת 1771. המקור: וויקיפדיה.

הכל החל עם סר ג'ון פנדרי (Pendry), פיזיקאי מהאימפריאל-קולג' בלונדון ששימש גם כיועץ לחברת טכנולוגיה שעסקה בייצור חומרים מבוססי פחמן אשר יכלו להסתיר ספינות מלחמה מראדאר. פנדרי גילה כי היכולת של החומר לספוג את הקרינה נבעה לא מסוג החומר אלא בעיקר מצורת הסיבים הארוכים שלו. אז עלה במוחו הרעיון שאפשר יהיה לשלוט בתכונות של חומר על ידי כוונון המבנה הפנימי שלו בסקלה הקטנה מאורך הגל שעליו החומר אמור להשפיע.

ניקח אתנחתא הכרחית מהסיפור כדי להבהיר כמה מושגים בסיסיים (יותר או פחות). מה משותף לקרני רנטגן, אור על-סגול (UV), האור הנראה, קרינה אינפרא-אדומה, קרינת מיקרוגל וגלי רדיו? למעשה הם כולם שמות לאותה תופעה: קרינה אלקטרומגנטית. מה שמבדיל ביניהם הוא אורך הגל. הקרינה האלקטרומגנטית נוצרת משילוב של שדות חשמליים ומגנטיים משתנים ומכאן שמה.

הספקטרום האלקטרומגנטי ואורך הגל. מקור חלקי: וויקיפדיה.

האינטראקציה של קרינה אלקטרומגנטית עם חומר תלויה בתגובה של החומר לשדה חשמלי ולשדה מגנטי. אחד הדברים הנובעים מהאינטראקציה זאת הוא שבירה של אור במעבר תווך. אור העובר למשל מאוויר לזכוכית, חלקו מוחזר כמו ממראה וחלקו עובר לזכוכית ונשבר לפי חוק סְנל (ראו איור). אך שום חלק מהאור לא מקיים למשל את התרחיש הימני בציור [1]. כך קבע הטבע. לכן הדברים שניתן לעשות עם אור הם מוגבלים לשימושים המוכרים באופטיקה כגון עדשות.

אבל…אם נדמיין עולם שבו למשל התרחיש השלישי אפשרי, אז נוכל לעשות דברים שהאופטיקה הקיימת אינה מאפשרת. כמה חבל שאין בעולמנו חומר טבעי שכזה. רגע…אולי ניבנה אחד כזה בעצמנו?

חוק סְנל אנד ביונד.

ג'ון פנדרי, זוכרים אותו? זה בדיוק מה שהוא הגה במאמר תיאורטי ופרסם את זה בכתב עת מדעי בשנת 1999. הרעיון הוא שעל ידי הטמעת מערך מסודר של לולאות נחושת קטנות (שאינן מגנטיות באופן טבעי) בתוך חומר אחר ניתן יהיה לעורר תגובה מגנטית. בתגובה לקרינה, נוצר על הלולאות זרם חשמלי המייצר שדה מגנטי (תופעה דומה מתרחשת באנטנות הקולטות גלי רדיו). את אופי התגובה המגנטית נוכל להנדס לפי דרישה על ידי קביעת המבנה.

שנה לאחר מכן מומש הרעיון על ידי דייוויד סמית, פיזיקאי ניסיוני אז מאוניברסיטת קליפורניה וכיום מאוניברסיטת דיוק. בהסתמך על הרעיונות של פנדרי הוא הצליח ליצר חומר שהתגובה שלו לשדות מגנטיים וחשמליים הייתה כזאת שלא קיימת בטבע [2].

מערך טבעות נחושת ליצירת מטא-חומר עם מקדם שבירה שלילי. המקור נאס"א, לקוח מוויקיפדיה.

כעת, כאשר בידי המדענים דרך ליצר חומרים חדשים בעלי תכונות אשר לא היו קיימות לפני כן בטבע, היה זה רק עניין של זמן עד שיישומים אקזוטיים יחלו לבצבץ. למיודעינו פנדרי היה רעיון כיצד לנצל את החומרים החדשים להסתרת חפצים ובמהלך כנס הזכיר את גלימת ההעלמות של הארי פוטר. זמן קצר לאחר מכן פנה אליו סמית והודיע לו שבכוונתו לבנות מתקן העלמות כזה. ואכן ב-2006 הציגו שניהם מכשיר העלמות. כיצד עשו זאת?

אנו רואים דברים מכיוון שאור נתקל בהם, משנה מסלולו על ידי החזרה או שבירה ומגיע אל עינינו. מכיוון שבעזרת מטא-חומרים אנו יכולים לשלוט על התגובה לאור באופן נקודתי, הרעיון הוא לגרום לאור לעקוף את המכשול ולהתאחד חזרה לגל המקורי כך שלא יהיה ניתן לדעת שהיה מכשול. דבר זה דומה לאבן בולטת המפריעה לזרימה של מים בנחל. המים עוקפים את האבן מצידיה. אם נתרחק מהאבן מספיק לא נוכל לדעת על פי צורת הזרימה על קיומה של אותה אבן. הרעיון מודגם יפה בסרטון שהפיקה האוניברסיטה עם הפרסום. הם שמו גליל מתכת, הקרינו עליו בקרינת מיקרוגל והראו שכאשר הם הציבו את מתקן ההעלמות סביבו הקרינה במרחב מתנהגת כאילו הגליל איננו.

וכעת הזמן לפזר מעט את האופטימיות. א) ההדגמה היתה בקרינה בתחום המיקרוגל ולא באור הנראה. זאת מכיוון שקל יותר לבנות את המבנים הדרושים להסתרה: האלמנטים צריכים להיות קטנים מאורך הגל ובמיקרו גלים הוא יחסית גדול. ב) המתקן היה מותאם לתחום צר מאוד של אורכי גל אך הראיה שלנו היא בתחום רחב של אורכי גל (400-700 ננומטר). כלומר כיום מתקן כזה יוכל לדוגמא להעלים רק את הצבע הצהוב אבל לא את כל התמונה. ג) ישנן בעיות של בליעת אור במתקן שפוגעות באפקט ההסתרה. אם אור נבלע במתקן, גל האור שאחריו אינו זהה לגל האור שלפניו. ד) כיום ניתן להסתיר רק חפצים קטנים.

אך בעיות במדע וטכנולוגיה טיבן להיפתר בדרך זו או אחרת וכבר ב-2009 התפרסמו עבודות על מתקני הסתרה בתחום אורכי-גל רחב יותר. כולי תקווה שכבר החלו לעבוד על מכשירי אנטי-העלמות.

לקריאה נוספת:

Metamaterial Revolution: The New Science of Making Anything Disappear – Discover magazine

דר. אהרון האופטמן על 'גלימת העלמות טכנולוגית'

דר. גלי וינשטיין על 'להיעלם עם הארי: מדענים מפתחים גלימת היעלמות'.

—————————————————————————————

[1] למי שלמד פיזיקה: בכדי לקבל את התרחיש הימני אני צריך מקדם שבירה שלילי לחומר הימני וחומר כזה אינו קיים בטבע.
[2] בעצם הם הצליחו ליצור מבנים אשר הגיבו לשדה אלקטרומגנטי כמו חומרים בעלי פֶרְמיטיביות (מקדם דיאלקטרי) ופֶרְמאביליות שליליות כאשר חומרים כאלו, כאמור, לא קיימים בטבע.

מודעות פרסומת
  1. 10/02/2012 בשעה 12:23 pm

    תודה, נושא מרתק!
    לפני כשנה מישהו סיפר לי שפיתחו גלימת העלמות. כמובן שהייתי מאוד סקפטי, הפשלתי שרוולים ופתחתי את גוגל. נתקלתי בדברים דומים למה שאתה מציין, וגם בפתרון שונה לגמרי – גלימות שמקרינים עליהן את הנוף שמאחוריהם. כמובן שהכיוון השני הוא רק גימיק, כי רק מי שמסתכל בדיוק מזוית המקרן יכול להתרשם מהאפקט…

  2. 18/02/2012 בשעה 12:22 pm

    dgilad :
    גלימות שמקרינים עליהן את הנוף שמאחוריהם. כמובן שהכיוון השני הוא רק גימיק, כי רק מי שמסתכל בדיוק מזוית המקרן יכול להתרשם מהאפקט…

    "טכנולוגיה" דומה הודגמה בסרט האחרון בסדרת "משימה בלתי אפשרית", "קוד הצללים". שם הוצג מסך שמסתיר אנשים שפועלים אחריו ע"י כך שהוא מקרין את תמונת המסדרון בו הוא מוצב, כך שהמסדרון נראה ע"י המתבונן כאילו הוא ריק.
    כמו שציינת, זווית ההסתכלות על המסך היא קריטית, ואכן המסך בסרט עקב אחרי עיני השומר והתמונה שהציג השתנתה בהתאם.
    כמובן שפתרון זה בעייתי כי, בין היתר, :
    א. הוא לא מציג תמונה תלת ממדית והתמונות שמוקרנות לשתי העיניים זהות.
    ב. הוא לא תומך ברבוי מתבוננים, ואכן, —- SPOILER —- כשהגיע אדם נוסף לעמדה, המערכת התבלבלה, קפצה מתמונה לתמונה ונחשפה

  3. 18/02/2012 בשעה 3:53 pm

    בזמן שביצעתי את התחקיר לרשימה אכן ניתקלתי בטכנולוגיה ששניכם מזכירים. הפתרון הזה לבעיית ההעלמות נראה משעשע למדי אך פחות מעניין מדעית מנושא המטא-חומרים.
    עם זאת, יש לזכור שפעמים רבות הפתרון הפשוט מתברר כיעיל יותר. דוגמא נחמדה לכך שראיתי ברשת היא השאלה איך משאבת הדלק יודעת מתי המיכל מלא ומפסיקה לבד. אני הייתי מהמר על חיישן אלקטרוני כל שהוא, אבל הפתרון שבשימוש הוא פתרון מכאני די פשוט. ומי שרוצה לדעת איך זה עובד מוזמן לקרא את ההסבר של עידו גנדל ב-ynet:
    http://www.ynet.co.il/articles/0,7340,L-4175041,00.html

  4. רועי.ס
    23/06/2014 בשעה 4:43 pm

    בשביל מכשיר אנטי-היעלמות אפשר פשוט להשתמש בסונאר.

    • 23/06/2014 בשעה 7:43 pm

      כן, נראה שאתה צודק. כתבתי את המשפט, כמובן, בבדיחות הדעת 🙂

  1. 28/09/2012 בשעה 3:18 pm

כתיבת תגובה

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s

%d בלוגרים אהבו את זה: