תגלית בטכניון: נוזל ננומטרי המתקיים בחיבור בין חומרים שונים
10 אפריל, 2011
חוקרים מהטכניון גילו כי השכבה הננומטרית הנמצאת בין חומרים שונים היא גם מוצקה וגם נוזלית. התגלית התפרסמה בעיתון Science ומעניקה הסבר לתופעות שונות, כמו התנהגות הצומת בתוך חצי-מוליך או מדוע מתכות וחומרים קרמיים מתקשים להיצמד זה לזה
החוקרים ייצרו שכבת נוזל-מוצק בעובי של 4 אטומים המסבירה מדויע קשה להצמיד מתכת לחצי-מוליך, או מתכת לחומר קרמי
חוקרי הטכניון גילו את מהותה של השכבה הננומטרית הנמצאת בין חומרים שונים ומצאו כי היא בעלת אופי שהוא גם מוצק וגם נוזל. בכך הוסיפו נדבך חיוני לתיאוריה של גיבס (Gibbs) משנת 1878. אשר נתנה הסבר חלקי לתהליכים המתרחשים במגע בין חומרים שונים. התגלית התפרסמה בגיליון האחרון של כתב העת המדעי Science.
תופעה מסתורית
"בשנות ה-80 התגלה כי קיימת שכבה דקה מאוד בין גבישים. שכבה זו כל-כך דקה שלא ניתן להגדירה כנוזל או כמוצק", אמר דיקן הפקולטה להנדסת חומרים בטכניון, פרופ' וויין קפלן (Wayne D. Kaplan). "עד היום לא היה ברור מדוע השכבה הזו קיימת והאם מדובר במצב מצב זמני, או שקיים שיווי משקל וקיומה הוא מצב קבוע. היה ידוע שהיא קיימת במצבים שונים, כמו במפגש בין גבישים קרמיים ובפני השטח של קרח (דמוי מים), אך התקיים ויכוח גדול על הגורם לתופעה ועל מהותה".
המשותף לקרח ולחצי-מוליך
בסדרת ניסויים שבוצעו במסגרת עבודת הדוקטורט שלה, הוכיחה ד"ר מור ברעם (Mor Baram), בהנחיית פרופסור קפלן ובשיתוף עם ד"ר דומיניק שטאן (Dominique Chatain) ממכון המחקר הצרפתי CNRS, שהשכבה קיימת במפגש בין מתכות לבין חומרים קרמיים וכנראה גם בין מתכות לבין מוליכים למחצה. "תופעה זו מאפשרת לנו להחליק על הקרח, היא פוגעת בתכונות מכניות של חומרים קרמיים בטמפרטורות גבוהות, אך כנראה דווקא תורמת ליציבות של התקני מיקרו-אלקטרוניקה", אמר קפלן.
החוקרים ביצעו ניסויים שלא נעשו בעבר, תוך שימוש במיקרוסקופ אלקטרוני חדיש מסוג Tian ובמערכת Focused Ion Beam. מדובר במכשיר דמוי מיקרוסקופ אלקטרוני אשר פולט יונים במקום אלקטרונים אל משטח המטרה. כתוצאה מכך ניתן להשתמש בו כדי לייצר מבנים ננומטריים. החוקרים ציפו גביש ספיר (Sapphire) בשיכבה דקה של זהב בעובי של 0.06 מיקרון בלבד. שכבות דקות כאלה אינן יציבות, לכן הם חיממו את הדגמים עד שהם הגיעו לשיווי משקל שבמהלכו התפרקה שכבת הזהב למיליארדי גבישונים זעירים של זהב.
במקביל היה מונח על הספיר מאגר של אלמנטים לגביהם החוקרים ידעו מראש שיש להם תפקיד בשכבה הקיימת בין חומרים שונים (בניסוי הנוכחי: צורן וסידן). כאשר המערכת הגיעה לשיווי משקל, התניידו הסידן והצורן אל המשטח שבין הזהב והספיר ונוצרה השכבה הדקה שהם חקרו, שעובייה הוא 0.0012 מיקרון (1.2 ננומטר) בלבד. עובי שהוא שווה ערך ל-4-5 אטומים בלבד.
השלכות טכנולוגיות
קפלן: "הצלחנו למדוד את האנרגיה האצורה בין הזהב לבין הספיר בנוכחות השכבה הדקיקה, והוכחנו שנוכחות השכבה הזו מורידה את האנרגיה של משטח הביניים ולכן משפרת את עמידותו". לגילוי המדעי של חוקרי הטכניון יש משמעויות טכנולוגית מעניינות. שכן הבנת התפתחות ותכונות שכבת הנוזל-מוצק הדקיקה מאפשרת לשפר את עמידות החיבור בין חומרים קרמיים לבין מתכות, שהם שני סוגים של חומרים שאינם "אוהבים" להיות במגע זה עם זה.
בעיה זו מוכרת למשל בתחום הנדסת הטילים כאשר מנסים לחבר בין כיפת הטיל לבין המבנה המתכתי שלו, בתחום הנדסת האלקטרוניקה כאשר מנסים לחבר בין שבב-חצי מוליך לבין מוליך מתכתי, ובתחום הנדסת המכונות כאשר מצפים את הלהבים של מנועי סילון שבכבה קרמית כדי לחזק את עמידותם.
כתבות נוספות העשויות לעניין אותך
