סיפור הפרוורים: על הבדלים קטנים בקצוות שגורמים לשינויים גדולים בתכונות החומר

כשבת הטוחן ננעלה במצוות המלך בתוך חדר שהכיל גלגל טוויה והמון קש נחלץ לעזרתה עוץ-לי-גוץ-לי (ולא מטוב לב) וטווה במקומה מהקש זהב.

גם האלכימאים של ימי קדם שאפו להמיר עופרת לזהב.

מה בעצם מבדיל זהב מעופרת?

זהב ועופרת שניהם יסודות הנבדלים במספר הפרוטונים בגרעין. לזהב יש 79 פרוטונים ולעופרת 82. שלושת הפרוטונים האלה חשובים. הם משנים לחלוטין את התכונות הכימיות של החומר ולכן עופרת וזהב אינם נמצאים באותו הטור בטבלה המחזורית. תיאורטית, אם ניקח עופרת ונגרע מגרעינה שלושה פרוטונים נקבל זהב. אך גם אם תהליך זה אפשרי, הוא יהיה יקר מאוד ולא יעיל כלכלית מאוד מאוד.

בין הדברים המשותפים לעופרת וזהב היא העובדה ששניהם מוצקים בטמפרטורת החדר (27 מעלות צלזיוס או 300 קלווין). זאת ועוד, האטומים שמרכיבים את שני החומרים האלה מסודרים במבנה גבישי מחזורי המכונה face-centered-cubic או בקיצור FCC. גביש הוא מבנה מחזורי שניתן לתאר על ידי תא יחידה זהה שמשוכפל לכל כיוון במרחב. מקובל לצייר תא יחידה של גביש FCC כקוביה עם אטום בכל אחת מהפינות ועוד אטום על כל דופן (ראו איור 1). זאת אינה הדרך היחידה לבטא את תא היחידה של גביש זה, אך זו הדרך הנוחה ביותר.

איור 1: תא יחידה של מבנה גבישי מסוג FCC. נקודה באיור מייצגת אטום. לקבלת הגביש המחזורי יש לשכפל את תא היחידה לכל הכיוונים במרחב. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה ונערך על ידי המשתמשים Daniel Mayer, DrBob, User:Stannered.

אז עופרת וזהב נבדלים במספר הפרוטונים בגרעין, אך זהים במבנה הגבישי שלהם. נבחן כעת מקרה הפוך.

יהלום הוא אולי החבר הטוב ביותר של בחורה משנות ה-50 אבל הוא גם חומר קשיח המשמש לא רק כתכשיט אלא למטרות חריטה והוא שקוף לאור נראה. גרפיט לעומתו היא חומר רך שאינו מעביר דרכו אור ומשתמשים בו, בין היתר, בחוד העיפרון. המוזר הוא ששני החומרים האלה מורכבים מאטומי פחמן בלבד וההבדל היחיד ביניהם הוא סידור האטומים בגביש. יהלום מורכב מאטומי פחמן המסודרים בצורה מחזורית שמכונה, בצורה לא מפתיעה, 'סידור יהלום'. גרפיט מורכב מאטומי פחמן שמסודרים ביריעות שטוחות מרוצפות על פני קודקודי משושים, כאשר הקשר הכימי בין שכבה לשכבה הוא חלש (ראו איור 2). זאת הסיבה שנוח להשתמש בחומר בחוד העיפרון, מכיוון שכאשר גוררים את החומר על פני דף, מספר שכבות ניתק ונשאר על הדף כסימנים של כתיבה.

איור 2: גבישי גרפיט (ימין) ויהלום (שמאל) הם אלוטרופים של פחמן. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש User:Itub.

יהלום וגרפיט הם ביטויים לצורות שונות לסידור אטומי פחמן כגביש. הצורות השונות לסידור מכונות בעגה 'אלוטרופים'. שתי הצורות אינן האפשרויות היחידות עבור פחמן, אבל נחזור לזה בהמשך.

לסידור המחזורי של גביש השפעה מכרעת על התכונות האופטיות (צבעים, שקיפות ועוד) והחשמליות (הולכה חשמלית ועוד) של החומר. יש אינספור דוגמאות לכך, אך הפעם ברצוני להתמקד בשתיים הקשורות להשפעות של קצוות הגביש.

תכונות הגביש בד"כ מוגדרות עבור הנפח (מה שמכונה בעגה bulk) אבל יש לזכור שלגביש יש קצה, ויש מקרים שהקצה הזה חשוב. הרעיון מאחורי גביש מחזורי הוא שיש סידור שחוזר על עצמו בכל כיוון במרחב, אבל אם הגענו לקצה הגביש אז הסידור המחזורי מופר, ומשהו הולך להשתנות באזור הזה. לפעמים המשהו הזה הוא בעל משמעות עבורנו.

שבבים או צ'יפים הם בעצם מעגלים שמיוצרים ישירות על פני פיסות שטוחות של גבישי סיליקון טהורים מאוד וכאלה שהסידור שלהם זהה בכל נקודה, ללא טעויות (בעגה: חד-גביש או single crystal). מכיוון שמעבד של אינטל ברובו הוא רשת של טרנזיסטורים, ואלה מיוצרים מסיליקון, הרעיון לייצר את המעגל ישירות על פני פיסת סיליקון היה אז ועודנו היום רעיון גאוני. פרוסות הסיליקון עליהן מיוצרים השבבים נחתכות מנקניק ארוך של סיליקון חד גבישי שמיוצר בתהליך מיוחד. אך יש לתת את הדעת באיזה זווית יש לחתוך את הפרוסות מתוך הנקניק. זווית החיתוך תשפיע על תכונות פני השטח של הפרוסה והרי המעגל מיוצר רק על פני השטח ולא בנפח.

מדוע זווית החיתוך של הגביש משפיעה על תכונות פני השטח של הסיליקון?

לשם פשטות בואו ונניח גביש דו-ממדי שסידורו המחזורי קובי פשוט, כלומר ניתן לייצוג על ידי רשת של ריבועים שבכל קודקוד מוצב אטום. כעת שימו לב שזוויות שונות של חיתוך מובילות לפני שטח עם צפיפות אטומים שונה (ראו איור 3, המרחק בין האטומים בקצוות, כלומר על קו החיתוך, שונה). אם נניח שצפיפות נושאי המטען בפני השטח תלויה בצפיפות האטומים, אז נקבל שזווית החיתוך תשפיע על ההולכה החשמלית בפני השטח (שאינה זהה לזאת בתוך הנפח).

איור 3: חיתוך המישור לאורך הקווים האדומים או הצהובים גורם ליצירת דפנות הנבדלות בצפיפות האטומים.

לדוגמה נוספת ואף מוזרה יותר נחזור לפחמן.

הזכרתי בראשית הרשימה שני אלוטרופים של פחמן: יהלום וגרפיט. יש לפחמן אלוטרופים נוספים שהתגלו עם השנים וזיכו את מגליהם בפרסים והוקרה. ישנו ה- bucky-ball שנראה כמו כדורגל וזיכה את מגליו בפרס נובל בכימיה 1996, ישנו הגרפן שהוא שכבה אחת, בסידור משושים כמו בגרפיט, שעל גילויו הוענק פרס נובל לפיזיקה בשנת 2010, וישנו גם ה-carbon-nanotube או בקיצור CNT שהוא, באופן קונספטואלי, שכבת גרפן מגולגלת לצינור.

איור 4: אלוטרופים של פחמן. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Michael Ströck.

במהלך שנות ה-2000 צינוריות הפחמן רכבו על גל של הייפ מדעי. כולם היו משוכנעים שזהו חומר העתיד שיפתור את כל הבעיות ויביא שלום עולמי. חוקרים נשכרו באוניברסיטאות ומענקי מחקר פוזרו בנדיבות. שנים עברו, שלום עולמי לא הגיע והייפ הגרפן החליף את הייפ ה-CNT, אבל זה נושא לרשימה אחרת. לא מעט שימושים מעניינים אכן יצאו מהמחקר ואפשר לקרוא עליהם בדף הוויקיפדיה על CNT.

מה שמעניין אותי כאן הוא שלא כל צינוריות הפחמן נולדו שוות. חלקן מוליכות חשמלית כמו מתכת וחלקן מתנהגות חשמלית כמו מוליך למחצה. מהי הסיבה לשוני בין צינוריות שונות, שהרי כולן שכבות פחמן מסודרות כצינור?

מסתבר שההבדל בין צינוריות שונות נובע מהכיוון בו גולגלו (באופן קונספטואלי בלבד, הצינוריות אינן מיוצרות על ידי גלגול). האלקטרונים בגביש מתנהגים כסוג של גלים וכיוונים שונים של סגירת המשטחים לצינוריות מייצר תנאי שפה אלקטרוניים שונים לגלים אלה. עובדה זאת גורמת לכך שבכיווני סגירה מסוימים מתקבלת צינורית עם התנהגות מתכתית ובכיוונים אחרים התנהגות של מוליך למחצה (ראו הסבר חלקי באיור 5).

איור 5: דרכים שונות של סגירת מישור גרפן ל-CNT מובילות לתכונות הולכה חשמלית שונות.

סרטון קצר על מהי CNT, מהם סוגי הסגירה השונים ואיך זה נראה במציאות:

לסיכום, לא רק סוג האטומים קובעים את תכונות החומר, אלא הסידור הגבישי. זאת ועוד, לא רק הסידור הגבישי קובע את תכונות החומר אלא לפעמים לצורת הקצה שלו משמעות גדולה. מוזר אבל נכון.