מזה כמעט שישים שנה מדענים מתווכחים על קיומו של "יהלום משושה" – חומר מסתורי שמקורו בהתנגשות מטאוריטים. חישובים תיאורטיים ניבאו שהחומר הזה אמור להיות הרבה יותר קשה אפילו מיהלום רגיל, שהוא החומר הקשה ביותר שקיים בטבע בכדור הארץ. כעת הצליחו חוקרים לייצר אותו במעבדה, ובדקו אם התחזיות התקיימו.
היהלום נחשב לחומר הקשה ביותר שקיים בטבע. התכונה הזו הופכת אותו לא רק לאבן חן מבוקשת אלא גם למכשיר חיוני. מוצאים אותו בראשי מקדחים שחודרים לתוך סלעים קשים, במסורים שחותכים מתכות ועוד כהנה וכהנה. הקשיות הזאת נובעת מהדרך שבה אטומי הפחמן מסודרים בו – מבנה תלת-ממדי צפוף וחזק שצורתו מזכירה קובייה.
עוד כתבות באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי:
חיידק הפה שמשפיע על סרטן השד
מסתמן: אוטיזם אינו באמת תופעה “של בנים”
הפרחים האדומים שמושכים ציפורים – ומסננים דבורים
אבל אטומי פחמן יכולים להתחבר יחד בכמה צורות, ולכל צורה כזאת יש תכונות כימיות אחרות. אחת המעניינות שבהן נקראת לונסדלייט (Lonsdaleite), או יהלום משושה. עקבות של החומר הזה זוהו לראשונה לפני עשרות שנים, בשרידי המטאוריט “קניון דיאבלו” שפגע בכדור הארץ לפני כחמישים אלף שנה. אטומי הפחם בלונסדלייט מסודרים במבנה תלת-ממדי דומה לזה של היהלום המוכר, אבל הסימטריה שלהם אינה ריבועית, אלא משושה. לכאורה מדובר בשינוי קטן, אך הוא עשוי להשפיע מאוד על התכונות המכניות שלו.
3 צפייה בגלריה
אטומי הפחמן בלוסנדיילט מסודרים במבנה תלת-ממדי דומה לזה של היהלום המוכר, אבל הסימטריה שלהם אינה ריבועית, אלא משושה. המבנה המולקולרי של לוסנדיילט (משמאל) לעומת יהלום רגיל
(איור: ויקימדיה, Materialscientist, Shutterstock, tersetki)
עם זאת, כבר עשרות שנים מתנהל ויכוח בין מדענים בשאלה אם לונסדלייט הוא באמת חומר נפרד ושונה. חוקרים רבים טענו שמדובר ביהלום רגיל שעבר זעזוע עצום כשהמטאוריט התנגש בכדור הארץ, ולכן המבנה הפנימי שלו התעוות ונראה שונה במיקרוסקופ. העובדה שמעולם לא נמצא גביש גדול ונקי של לונסדלייט הקשתה מאוד להגיע להכרעה בסוגיה, מכיוון שכל הדגימות שנבדקו היו זעירות, מלוכלכות ומעורבות בשברי יהלומים רגילים.
הדמיות מחשב תיאורטיות חזו שגביש טהור של לונסדלייט יהיה קשה בכחמישים אחוז לעומת יהלום רגיל. התחזית הזו הניעה מעבדות רבות בעולם לנסות לסנתז אותו, אבל הניסויים הניבו בעיקר תערובות פחמן לא מסודרות שלא אִפשרו למדוד את התכונות של החומר.
גבישים מלאכותיים
במחקר חדש, שפורסם לאחרונה בכתב העת Nature, דיווחו חוקרים שהם הצליחו לייצר במעבדה גבישי לונסדלייט טהורים בגודל של כמה מילימטרים – כמות גדולה במידה ניכרת מכל מה שהתקבל בעבר.
המפתח היה חומר המוצא: גרפיט – הפחמן הרך שבחוד העיפרון. אבל הפעם החוקרים לא השתמשו בגרפיט רגיל, אלא בגרסה מסודרת במיוחד שלו, שבה השכבות מיושרות יחד כמעט לגמרי, עם סטייה של פחות ממעלה אחת בין שכבה לשכבה. בנוסף, במקום להפעיל על הגרפיט לחץ עז מכל הכיוונים כדי לאלץ אותו להידחס, כמו שנעשה בניסויים קודמים, החוקרים הפעילו לחץ עצום מכיוון אחד בלבד, בניצב לשכבות, ובאותו זמן חיממו את החומר באופן הדרגתי. הלחץ המכוון הזה חייב את אטומי הפחמן להיקשר לפחמן שבשכבות הסמוכות ולכן מנע מהשכבות להחליק זו על גבי זו. כך אטומי הפחמן ננעלו במבנה תלת-ממדי חדש עם סימטריה משושה.
3 צפייה בגלריה
עקבות של לוסנדיילט זוהו לראשונה לפני עשרות שנים, בשרידי המטאוריט "קניון דיאבלו" שפגע בכדור הארץ לפני כחמישים אלף שנה. המאובן
(צילום: Science Photo Library/Reuters)
כעת, משהיה בידיהם לבסוף גביש טהור, יכלו החוקרים לבדוק ישירות עד כמה הלונסדלייט באמת קשה. בדיקותיהם הראו שלונסדלייט אכן קשה יותר מיהלום רגיל, אבל פחות מכפי שציפו. במקום שיהיה קשה יותר ב-50 אחוז, הפער ברמת הקושי הוא 16 אחוז בלבד.
נוסף על מידת הקשיות שלו יש למבנה המשושה יתרונות נוספים. ראשית, הוא גמיש וקשיח יותר מיהלום רגיל, כלומר קשה יותר לעוות או לשבור אותו תחת עומס. בנוסף הוא עמיד יותר לחום: בשעה שיהלום רגיל שנמצא בסביבה לוהטת מתחיל בשלב מסוים להתחמצן, עד שהוא נהרס, לונסדלייט שורד גם בטמפרטורה גבוהה יותר בשישים מעלות צלזיוס בלי לאבד את תכונותיו. שני היתרונות האלה – העמידות המכנית והעמידות לחום – הן בדיוק התכונות הדרושות לחומר שיהיה מסוגל לחתוך ולקדוח בתנאים קיצוניים.
הממצאים שופכים אור על ויכוח מדעי ארוך שנים, אבל גם פותחים שלל אפשרויות מעשיות חדשות. מאחר שכעת יש בידינו מתכון שימושי לייצור לונסדלייט טהור, העמידות יוצאת הדופן שלו לחום וללחץ עשויה להפוך אותו לחומר מבוקש בתעשיות שבהן יהלומים רגילים מגיעים עד קצה גבול היכולות שלהם. חיתוך בטמפרטורות גבוהות, קידוח בתנאי לחץ קיצוניים, או ציפוי של רכיבים שחשופים לשחיקה מתמשכת הם תחומים שבהם לונסדלייט עשוי להציע יתרון ממשי על פני היהלום הישן והטוב.
דניאל חייקלסון, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
