ראשי > כללי > מדוע לחקור משהו שאין לו שימוש? על גבישים נוזליים

מדוע לחקור משהו שאין לו שימוש? על גבישים נוזליים

התקופה היא סוף המאה ה-19, ובמעבדה בפראג מישהו רואה משהו מוזר שהוא לא מבין.

במכון לפיזיולוגיה של צמחים באוניברסיטה של פראג מנסה כימאי בשם פרידריך רייניצר (Reinitzer) לברר את הנוסחה הכימית ואת המסה המולקולרית של חומר בשם Cholesteryl benzoate. לשם כך הוא מנסה לקבוע את טמפרטורת ההתכה של החומר. רייניצר מבחין שב-145.5 מעלות צלזיוס הגביש המוצק הופך לנוזל חלבי-עכור בעל צורות פנימיות משתנות, ובטמפרטורה 178.5 מעלות צלזיוס העכירות והמבנה הפנימי של הנוזל נעלמים והוא הופך לשקוף וצלול. האם לחומר יש שתי טמפרטורות התכה שונות?

Cholesteryl_benzoate
איור 1: תיאור סכמטי של מבנה המולקולה של Cholesteryl benzoate. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Shaddack.

בהתחלה מניח רייניצר שככל הנראה הוא לא הצליח להפיק את החומר בצורה טהורה מספיק כך שהוא מזוהם בחומרים אחרים. הוא מבצע פעולות נוספות של טיהור וזיקוק החומר אך זה לא משנה את התוצאות.

בניסיון להבין את התופעה יצר רייניצר במרץ 1888 קשר עם פיזיקאי גרמני צעיר בשם אוטו ליימן (Lehmann) שהתמחה במיקרוסקופיה. לאחר בחינת החומר ליימן הגיע למסקנה שכאשר הנוזל נמצא במצב העכור יש לו מבנה פנימי מיוחד שמזכיר תכונות של גביש. לעומת זאת, במצב הצלול הנוזל אינו מפגין כל סדר פנימי, דבר התואם למצב רגיל של נוזלים. ליימן קבע כי המצב הנוזלי עם הסידור הפנימי דמוי הגביש הוא מצב צבירה חדש וקרא לו 'גביש נוזלי' (Liquid crystal). במאי 1888 הציג רייניצר את תוצאותיו בכנס לעמיתיו.

בתחילה הקהילה המדעית לא קיבלה בברכה את הרעיון של מצב צבירה חדש. הטענה העיקרית היתה שרייניצר וליימן רואים, ככל הנראה, ערבוב בין רכיבים מוצקים לרכיבים נוזליים. ובכל זאת, הרעיון של גבישים נוזליים קיבל משנה תוקף עם השנים כאשר ניסויים ורעיונות תיאורטיים פותחו וסוגים נוספים של גבישים מסוג זה התגלו. המחקר בנושא התנהל בעצלתיים ולא עורר עניין רב מחוץ לאוניברסיטאות מכיוון שהרושם היה שמדובר בתופעה איזוטרית, מעניינת אמנם, אך כזאת שאין לה שימוש.

***

אז מהם בעצם גבישים נוזליים?

גביש הוא חומר מוצק שהמולקולות שמרכיבות אותו מסודרות במרחב באופן מחזורי. הקשרים בין המולקולות אינם מאפשרים להן לנוע באופן חופשי. חישבו למשל על המולקולות ככדורים הנמצאים על פינותיה של קוביה בודדת. כעת על ידי ריצוף כל המרחב בקוביות כאלה נקבל גביש הנקרא 'קוּבי פשוט'. בחומרים במצב נוזלי המולקולות אינן מקיימות סדר מרחבי ואינן קשורות באופן חזק אחת לשניה כך שהחומר יכול לשנות בקלות את צורתו ולזרום.

גבישים נוזליים הם חומרים שנמצאים במצב ביניים בין נוזל לגביש. מצד אחד חומרים אלה זורמים כנוזלים, ומצד שני המולקולות שלהם מסודרות בכיוונים קבועים כמו בגביש. מולקולות אלה הן בדרך כלל בצורת מוט או דסקה, ויש להן נטייה להסתדר כך שכולן מצביעות לאותו כיוון. ניתן להשפיע על הסדר הפנימי של מולקולות הנוזל הגבישי בעזרת כוחות מכאניים, מגנטיים או חשמליים והם רגישים גם לטמפרטורה ולצפיפות.

LiquidCrystal-MesogenOrder-Nematic
איור 2: המחשה של אחד הסידורים האפשריים של מולקולות בגביש נוזלי. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על יד המשתמש Kebes.

כיום ידועים הרבה מאוד חומרים שבהם קיים מצב הצבירה של נוזל גבישי. חלקם מורכבים ממולקולות אורגניות (שרשראות של פחמן ומימן) וחלקם משילוב של מולקולות אורגניות ואי-אורגניות. נוכל למצוא אותם בממברנות (דְפנות) של תאים, תמיסות של סבון ובמסכים שטוחים.

רגע, מה?

איך קשורים גבישים נוזליים למסכים שטוחים?

***

אור הוא גל אלקטרומגנטי (שדה חשמלי ושדה מגנטי) שמתנדנד על מישור שניצב לכיוון ההתקדמות שלו (ראו איור 3) חישבו על מקל שנעוץ במשטח קרטון. המקל מסמן את כיוון התקדמות קרן האור ומשטח הקרטון את מישור התנודות של הגל. כיוון תנודת הגלים בקרני אור השמש, למשל, הוא בדרך כלל אקראי. אם כיוון התנודה של כל קרני האור (על המישור הניצב להתקדמות) הוא אחיד נקרא לאור הזה מקוטב. ישנם חומרים, כמו למשל הפלסטיק במשקפי השמש, שבולעים את כל קרני האור שאינן מקוטבות בכיוון מסוים. התוצאה היא שרוב האור לא עובר, וזה שכן עובר מקוטב בכיוון מסוים.

Electromagnetic_wave
איור 3: גל אלקטרומגנטי המתקדם ימינה. השדה החשמלי (אדום) מתנודד למעלה ולמטה והשדה המגנטי ימינה ושמאלה. בכל נקודה בציר Z ניתן לצייר מישור ועליו למצוא את כיוון השדה החשמלי והמגנטי, וזהו הקיטוב. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש P.wormer.

אם נעביר אור לא מקוטב דרך רכיב מקטב, האור שיצא יהיה כמובן מקוטב. אם נקרין את האור המקוטב הזה דרך רכיב מקטב נוסף שזוויתו מאונכת נבחין שכל האור נבלע ברכיב השני מכיוון שהוא לא מעביר אור בזווית הקיטוב הזאת.

זה הרעיון עליו מבוסס פיקסל בודד במסכי ה-LCD (בלעז: Liquid Crystal Display). מדובר בשני מקטבים מסובבים ב-90 מעלות אחד ביחס לשני וביניהם נוזל גבישי. מקור אור הממוקם מאחורי המסך מקרין אור אל תוך המקטב הראשון, והאור יוצא ממנו מקוטב.

מולקולות של גביש הנוזלי יכולות להשפיע על קיטוב של אור העובר דרכן. אם המולקולות מסודרות כולן בניצב למישור המקטב הראשון הן אינן משפיעות על קיטוב האור שעובר ולכן האור יבלע ברכיב השני שמעביר רק אור מקוטב בזווית ניצבת. התוצאה היא שהפיקסל חשוך. ניתן לסדר את המולקולות במספר שכבות עוקבות כך שבשכבה הראשונה המולקולות מקבילות לכיוון הקיטוב ולאורך השכבות זוויתן משתנה באופן הדרגתי ורציף לכיוון ניצב. במצב זה המולקולות יגרמו לקיטוב האור להסתובב ב-90 מעלות והאור יוכל לצאת דרך המקטב השני (ראו איור 4).

פיקסל
איור 4: תיאור סכמטי (מאוד!) של ההבדל בין פיקסל מואר לפיקסל חשוך במסך LCD.

על ידי הפעלה של שדה חשמלי על הגביש הנוזלי ניתן לסובב את המולקולות מהמצב של העברת אור למצב החוסם. במילים אחרות, ניתן להדליק ולכבות את הפיקסל בעזרת הפעלת מתח חשמלי. האור היוצא מכל פיקסל עובר דרך רכיב מסנן שגורם לו להיות אדום, ירוק או כחול. מספר רב של פיקסלים שמסודרים בצפיפות אחד ליד השני על גבי משטח ריבועי יכולים לשמש להצגת תמונה אם נפעיל עליהם את המתחים החשמליים הנכונים. סביר להניח שהמסך שממנו אתם קוראים את השורה הזאת ברגע זה הוא בדיוק כזה.

***

פעמים רבות נדרשים מדענים להסביר מדוע הם חוקרים נושאים שאין בהם שימוש מיידי. התשובה צריכה כבר להיות ברורה: א) הצורך לדעת היא סיבה מספקת, ב) אף פעם אי אפשר לחזות למה ימצא שימוש בעתיד.

מודעות פרסומת
  1. עדיין אין תגובות.
  1. No trackbacks yet.

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: