תגלית מדעית של בית הספר לכימיה באוניברסיטת תל אביב מציעה זוית ראיה חדשה על התעלומה המדעית - כיצד נוזל זורם הופך לפתע לחומר קשיח וכמעט קפוא, מבלי לשנות את המבנה שלו? השאלה הזו, המוכרת בשם "מעבר הזכוכית", מעסיקה פיזיקאים כבר יותר ממאה שנה. המחקר מציע דרך ניסויית ותיאורטית חדשה להתבונן בתהליך החמקמק - באמצעות מעקב אחר תנועתם של חלקיקים זעירים המשמשים כמעין "חיישנים" בתוך החומר.
המחקר נערך על-ידי פרופ' חיים דימנט ופרופ' יעל רויכמן מבית הספר לכימיה באוניברסיטת תל אביב, יחד עם קבוצת המחקר של פרופ' סטפן אגלהאף מאוניברסיטת דיסלדורף, ופורסם בכתב העת Nature Physics .
המחקר עוסק בחומרים קולואידיים - תרחיפים של חלקיקים מיקרוסקופיים בנוזל - הנחשבים למודל אידיאלי לחקר מעבר הזכוכית. כאשר ריכוז החלקיקים נמוך, המערכת מתנהגת כנוזל רגיל. אך ככל שהצפיפות עולה, החלקיקים מגבילים זה את תנועתו של זה, עד שהמערכת כולה "נתקעת" ומקבלת תכונות של מוצק אמורפי, בדומה לזכוכית.
החידוש המרכזי של החוקרים הוא השימוש בחלקיקים קטנים וניידים במיוחד, המשולבים בתוך מערכת של חלקיקים גדולים יותר העוברים את המעבר לזכוכית. בעוד שהחלקיקים הגדולים מאבדים בהדרגה את יכולת התנועה שלהם, החלקיקים הקטנים ממשיכים לנוע - ובכך מאפשרים למדוד כיצד משתנה התווך שסביבם.
באמצעות מיקרוסקופיה מתקדמת, נמדדה התנועה המתואמת של זוגות חלקיקים קטנים: כיצד תנועה של אחד משפיעה על האחר, לאורך כיוונים שונים ובמרחקים משתנים. התוצאות מציירות תמונה ברורה: כאשר המערכת נוזלית, התנועה "מתפשטת" למרחקים גדולים דרך הנוזל. אך ככל שמתקרבים למצב הזכוכיתי, ההתפשטות הזו נבלמת, והמערכת מתחילה להתנהג כמו חומר מוצק שסופג את התנע במקום להעבירו.
2 צפייה בגלריה
פרופ' חיים דימנט ופרופ' יעל רויכמן מבית הספר לכימיה באוניברסיטת תל אביב
(צילום: אוניברסיטת תל אביב, מתוך המחקר)
החוקרים זיהו שלושה סימנים מובהקים למעבר: שינוי חד באופן שבו דעיכת הקורלציות תלויה במרחק, הופעה של אורך אופייני חדש שגדל עם צמיגות החומר, ואף תנועות מנוגדות בין חלקיקים סמוכים - עדות להיווצרות התנגדות לגזירה, תכונה בסיסית של מוצקים. תוצאות הניסוי אימתו בדיוק רב תחזיות תיאורטיות שהתקבלו על-ידי אותו הצוות לפני מספר שנים.
צוות החוקרים מציין כי מעבר לחשיבותם להבנה עמוקה יותר של מעבר הזכוכית, לממצאים יש השלכות רחבות. השיטה החדשה עשויה לשמש לחקר ג'לים, חומרים רכים, מערכות פעילות ואפילו רקמות ביולוגיות - תחומים שבהם קשה לזהות מתי מערכת מפסיקה "לזרום" ומתחילה להתקשות. במובן זה, החלקיקים הזעירים משמשים כעדים מיקרוסקופיים לרגע שבו נוזל מאבד את אופיו.
פרופ' חיים דימנט מסכם: "חשיבותו של המחקר אינה רק בזיהוי סימנים חדשים למעבר הזכוכית, אלא בנקודת מבט חדשה על התופעה כולה". לדבריו, "הממצאים מראים שמעבר הזכוכית אינו מתמצה רק בהאטה הדרגתית של תנועת החלקיקים, אלא מלווה בשינוי עמוק באופן שבו החומר מעביר תנע מנקודה לנקודה. השימוש בחלקיקי סמן קטנים כגששים הידרודינמיים פותח אפשרות לבחון את ההופעה של תכונות מוצקות עוד לפני שהמערכת חדלה לזרום בפועל, ועשוי לספק כלי חדש לחקר חומרים רכים ומערכות מורכבות שבהן המעבר מנוזל למוצק קשה למדידה".
