ראשי > כללי > טבע בשני מימדים, חלק א' – נפלאות הגרפן

טבע בשני מימדים, חלק א' – נפלאות הגרפן

בשנת 1884 פרסם אדווין א. אבוט את הנובלה שטוחלנדיה (מישוריה בהוצאה חדשה יותר בעברית, Flatland במקור) ובה מסופר על עולם מישורי ובו קיימים שני מימדי מרחב בלבד. תושביו של עולם זה הם מצולעים המחולקים למעמדות לפי מספר הצלעות שלהם. הספר נכתב כסאטירה ומותח ביקורת על ההיררכיה החברתית בחברה הוויקטוריאנית שבה חי אבוט.

אנחנו, לעומת זאת, חיים בעולם תלת-מימדי, לפחות בהקשר של המרחב הסטנדרטי. במקרים מסוימים ניתן לוותר על אחד המימדים בתיאור המציאות הפיזיקלית. הכוונה היא שעבור תיאור מדעי של תופעות פיזיקליות מסוימות, אחד מהמימדים יכול להיות חסר חשיבות במקרים שבהם הוא קטן מאוד (למשל עובי של דיסקה דקה) או גדול מאוד (למשל אורך של צינור ארוך) ביחס לשאר.

למרות שאיני מכיר יצורים דמויי מצולעים בעולמינו, ישנם מקרים בטבע שבהם דו-המימדיות היא אמיתית ואינה קשורה לקירובים. אני אפריד את הדיון לשתי רשימות נפרדות. ברשימה זאת אני אספר על חומר ייחודי בעל מבנה דו-ממדי, וברשימה הבאה אספר על דו-ממדיות הנובעת מתנאים מיוחדים הנוצרים בתוך חומר בעל מבנה תלת-ממדי.

עטיפת הספר שטוחלנדיה בהוצאה השישית של הגרסה האנגלית. המקור: ויקיפדיה.

הגְרָפֶן – חומר בשני מימדים

ליסוד פחמן יש כמה תצורות שבהן הוא מופיע כמוצק בטבע. השתיים המפורסמות ביותר הן גביש היהלום והגרפיט, שאינן דומות אחת לשניה כלל. היהלום שקוף, עמיד לשריטות ומבודד חשמלית, והגרפיט אטומה (צבע כסוף מתכתי), רכה ומוליכה חשמלית. ההבדלים נובעים מסידור האטומים והמבנה הגבישי. הגרפיט, החשובה לעניינינו, בנויה ממספר רב של שכבות זהות שבכל אחת מהן מסודרים האטומים על גבי קודקודיהם של משושים המרצפים את אותו מישור (ראו איור). שכבה בודדת, הזהה לאלה המרכיבות את הגרפיט, נקראת גְרָפֶן (graphene).

(א) גוש של גביש גרפיט, (ב) איור סכמטי של סידור באטומים בגרפיט, (ג) איור של משטח גרפן. המקורות: ויקיפדיה וויקיפדיה.

קיומו של הגרפן כחומר בפני עצמו היה שנוי במחלוקת במשך שנים רבות, והיו אף שטענו שהוא אינו יציב ולכן אינו יכול להתקיים. למרות זאת, תכונותיו נחקרו באופן תיאורטי מכיוון שכדי לחשב את תכונותיו של גביש גרפיט, נוח קודם לחשב את תכונותיה של שכבה אחת ואז להכליל את התוצאות למבנה השלם. בדרך לגילויו של הגרפן היו שתי בעיות עיקריות: כיצד לייצר שכבה בעובי אטום בודד, ובמידה וכבר ישנה אחת כזאת, כיצד למצוא ולזהות אותה.

שתי הבעיות נפתרו על ידי אנדרה גיים וקוסטיה נובוסלוב (Geim & Novoselov), פרופסור מאוניברסיטת מנצ'סטר ותלמידו, דבר שזיכה אותם בפרס הנובל לפיזיקה לשנת 2010. (כהערת אגב, אני ממליץ ללחוץ ולקרא על גיים, שהיה פה בארץ גם לפני וגם אחרי שזכה בפרס, על זכייתו בפרס האיג-נובל בעקבות הרחפת צפרדעים ועל התנגדותו לחרם אקדמי על ישראל). גיים ונובוסלב מצאו דרך כה פשוטה לייצור חתיכות גרפן בעזרת נייר דבק, עד שכל אחד יכול לנסות אותה בבית (אני קצת מגזים). כמו כן, הם מצאו את התנאים שבהם ניתן להבדיל בין פיסות גרפן, בעובי שכבה אטומית אחת, לפיסות עבות יותר בעזרת מיקרוסקופ אור פשוט. מאז נמצאו שיטות נוספות, מדויקות ומתוחכמות יותר לייצור מבוקר של שכבות גרפן ולזיהויים.


אנדרה גיים. המקור: וויקיפדיה.

כעת, כאשר היו סוף סוף בידיהם פיסות גרפן, יכלו המדענים לבדוק באופן ניסיוני את כל התחזיות התיאורטיות המשונות שחושבו במשך השנים. אחת התכונות המעניינות שקיומן נחזה באופן תיאורטי בגרפן היתה 'הולכה בליסטית של נושאי מטען'. אסביר על מה מדובר.

אלקטרונים שתורמים להולכה החשמלית של גבישים אינם מתנהגים בדיוק כמו אלקטרונים חופשיים בואקום. האלקטרונים הנעים בתוך הגביש מושפעים מהשדות האלקטרוסטטיים שנוצרים על ידי האטומים המרכיבים אותו. אותה השפעה של הגביש על האלקטרונים אמנם מורכבת מאוד, אך ניתן לתחום אותה לתוך מושג הנקרא 'מסה אפקטיבית'. התוצאה של התרגיל הזה היא שנוכל להמשיך ולהתייחס לאלקטרון כחופשי, אך נצטרך לקחת בחשבון שמסתו בפועל, המסה האפקטיבית, אינה המסה של האלקטרון החופשי. היא אינה קבועה ותלויה בסוג הגביש ואפילו בכיוון התנועה של האלקטרון.

כפי שכבר הזכרתי, את תכונות הגרפן חישבו הפיזיקאים התיאורטיים הרבה לפני שמישהו חשב שיהיה זה אפשרי לשים יד על פיסה של החומר. אחת התכונות המשונות שהם מצאו היתה שבתנאים מסוימים החלקיקים נושאי המטען בגרפן אינם מתנהגים כאלקטרונים בגביש ולא ניתן כלל להגדיר להם מסה אפקטיבית. ההתנהגות שנחזתה היתה דומה יותר לחלקיקים חסרי מסה. דבר זה היה מפתיע מאוד, מכיוון שאם הוא אכן נכון, יש לצפות שההולכה החשמלית בשכבות אלה תהיה גבוהה מאוד ביחס לגבישים אחרים, ושהאלקטרונים שאינם בדיוק אלקטרונים ינועו במהירויות גבוהות מאוד, ללא הפרעה מהגביש, במה שמכונה 'תנועה בליסטית'.

המהירות של אלקטרונים בתגובה להפעלת שדה חשמלי (מוביליות) בגרפן אכן נמצאה גבוהה מגדר הרגיל. דבר זה הוביל למחשבות על אפליקציה הנדסית לאפקט: טרנזיסטור בליסטי (ניתו לקרא הסבר קצר על מהו טרנזיסטור בפוסט קודם שלי או בוויקיפדיה). בטרנזיסטור זה ההולכה החשמלית, בזמן שהטרנזיסטור פתוח, תתבצע דרך משטח גרפן. בגלל המהירות הגבוהה של האלקטרונים, נוכל לבנות טרנזיסטורים שיגיבו במהירות רבה יותר מטרנזיסטורים רגילים, ויאפשרו עבודה בתדירויות גבוהות מאוד.

הידד לגרפן!

————————————————————————–

לקריאה נוספת:

ברשימה זאת התמקדתי רק באחת התכונות של גרפן; מדובר בטיפה בים. מי שמעוניין להעמיק בתכונות ושימושים נוספים של הגרפן מוזמן לקרא מאמר של אנדרה גיים שהתפרסם בעברית בסיינטיפיק-אמריקן ישראל (כולל הפניה למקורות נוספים) או לעיין בדף הוויקיפדיה באנגלית על גרפן.

מודעות פרסומת

להשאיר 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: