האם ניתן להפוך נחושת לזהב? למרות אינספור ניסיונות של אלכימאים במשך מאות שנים התשובה היא לא, למעט בתנאים קיצוניים כמו אלו הקיימים במרכז השמש, המאפשרים היתוך גרעיני. אבל מה לגבי הפיכת גרפיט - החומר האפור שבחוד העיפרון - ליהלום נוצץ?
מדובר בשני החומרים מורכבים מאטומי פחמן בלבד, המסתדרים בצורות שונות. במקרה זה, אפשר להפוך גרפיט ליהלום, אבל נדרש לחץ משמעותי כדי להפריד את האטומים ולארגן אותם מחדש כפי שקורא לעיתים בעומק האדמה. בפועל, לעומת זאת, לחיצה מספיק חזקה על העיפרון תשבור אותו הרבה לפני שנזכה ביהלום יקר ערך.
אז איך בכל זאת ניתן ליצור חומרים חדשים ואז להחליף בינהם ביעילות? מחקר חדש בהובלת פרופ' משה בן שלום, והדוקטורנטים מעיין ויזנר שטרן וסימון סאיה אטרי מבית הספר לפיזיקה באוניברסיטת תל אביב - שופך אור על אפשרויות חדשות ליצור חומרים בעזרת "החלקטרוניקה" - הנדוס סידורים חדשים של שכבות אטומיות בחומרים שכבתיים, כמו גרפיט, כדי לייצר תכונות ייחודיות ושימושיות.
צוות החוקרים מאוניברסיטת תל אביב מסביר כי חומרים שכבתיים דומים ללבני לגו - בעוד שקשה לפרק את הלבנה עצמה, ניתן להפריד בין השכבות ולחבר אותן מחדש בדרכים מגוונות בזכות קשרי ואן-דר-וואלס חלשים בין השכבות, וכך לקבל חומרים שונים העשויים אותן שכבות בדיוק, רק בסידור שונה. המחקר פורסם בכתב העת Nature Review Physics.
החוקרים הסבירו שכמו בלגו, גם לחומרים שכבתיים יש מיקומים מסוימים שבהן השכבות מעדיפות להתחבר (כשהבליטות בלבנת הלגו נמצאות בדיוק מעל בליטות בלבנה הסמוכה). הדבר דומה להתאמת הבליטות בלגו, רק שכאן – הבליטות הן אטומים בודדים, וההחלקה מתרחשת בקפיצות של מרחק בין אטומי (ההחלקה הכי קטנה שאפשר).
במסגרת המחקר החדש, החוקרים מפתחים שיטות להשפיע על הסידור המועדף בין השכבות ולקבוע איזה חומר יתקבל. כך למשל, הפעלת מתח חשמלי, לחץ מכני או הוספה מלאכותית של מטען, יגרמו להחלקת השכבות לעבר הסידור הרצוי. החוקרים גילו שהתקנים שכאלו יכולים להחליף ביעילות בין החומרים השונים, אפילו בטמפרטורת החדר.
הדוקטורנטית מעיין ויזנר שטרן הסבירה: "כמות החומרים השונים שניתן לקבל גדלה מהר מאוד עם מספר השכבות. עבור חומרים שכבתיים המכילים שני סוגי אטומים, למשל, ניתן ליצור שני חומרים שונים עם שתי שכבות, שישה חומרים שונים עם שלוש שכבות, ו-45 חומרים שונים עם חמש שכבות בלבד. ההחלפה בין הסידורים השונים מאפשרת הזדמנויות חדשות להחלפה של תכונות חשמליות, אופטיות ומגנטיות. למשל, ניתן להחליק לסידורים שונים של גרפיט עם שני מצבי קיטוב חשמלי, ואף לחומר מוליך על. האתגר הטכנולוגי העיקרי הוא מצד אחד לשמור על יציבות כדי שהסידור לא יתבלגן, ומצד שני, ליצור גלי צפיפות של אטומים שמחליקים במהירות בין השכבות ומאפשרים שיחלוף מחומר אחד לחומר אחר".
הדוקטורנט סימון סאיה אטרי, הוסיף: "שילוב של החלקה בין שכבות עם יישומים אלקטרוניים – מבטיח לייעל את תהליכי הייצור ולהרחיב את ההזדמנויות לשימושים טכנולוגיים פורצי דרך. המחקר מציג לא רק תכונות חדשות של חומרים, אלא גם שיטות חדשות להאיץ וליעל את המעבר בין החומרים".
פרופ' בן שלום סיכם: "הטכנולוגיה שצוות המעבדה שלנו מפתח מאפשרת לחזות ולשלוט בדיוק מרבי במבנה ותכונות החומרים. העבודה הנוכחית היא צעד משמעותי לעבר שימוש מעשי בחומרים שכבתיים בטכנולוגיות עתידיות, עם יישומים בתחומי המחשוב, האנרגיה והתקשורת".