מדענים קימטו חומר בעובי אטום – וגילו דרך חדשה לשלוט בחשמל

חוקרים מארה"ב ובריטניה גילו כי שינוי כמעט בלתי נראה בצורה של גרפן – חומר דק במיוחד – יכול להשפיע בצורה דרמטית על הדרך שבה חשמל עובר בו. במחקר שפורסם בכתב העת "Advanced Materials" נמצא שקמטים שגודלם פחות ממיליארדית המטר מסוגלים לשנות את התכונות החשמליות של החומר. הממצא עשוי לפתוח בעתיד אפשרות לייצר רכיבים אלקטרוניים שבהם ניתן לשלוט בזרם באמצעות כיפוף ועיצוב בלבד, ללא צורך בשינוי ההרכב הכימי.

6+

גרפן הוא חומר דק במיוחד העשוי מפחמן. כדי להבין עד כמה הוא דק, אפשר לדמיין משטח שעוביו שכבת אטומים אחת בלבד. למרות הממדים הזעירים, מדובר בחומר חזק מאוד שמסוגל להוליך חשמל היטב, ולכן מדענים בוחנים כבר שנים כיצד ניתן להשתמש בו בטכנולוגיות עתידיות.

במחקר החדש ביקשו החוקרים לבדוק מה קורה כאשר המשטח הדקיק אינו ישר לחלוטין. הם בחנו קמטים טבעיים זעירים שנוצרו בגרפן, אשר גודלם היה פחות ממיליארדית המטר, וגילו שהעיוות הקטן משפיע בצורה ניכרת על מעבר החשמל באזור.

6+

אפשר לדמיין את הקמטים כמעין פסי האטה זעירים לזרם החשמלי. כאשר הגרפן מתעקם בצורה חדה, המטענים החשמליים שבתוכו משנים מעט את מיקומם. כתוצאה מכך נוצר באזור הקמט צד בעל מטען מסוג אחד ומולו צד עם מטען מנוגד – בדומה לסוללה זעירה במיוחד.

"דמיינו שאתם מכופפים סרגל גמיש, אלא שהכיפוף נדחס לתוך מרחב קטן ממיליארדית המטר", הסביר סאתוויק אג'אי איינגר, שהוביל את המחקר בעת עבודתו באוניברסיטת רייס. "בקנה המידה הזה, האלקטרונים בגרפן נעים מעט לכיוון צד אחד ויוצרים שני קטבים חשמליים מנוגדים, כמו הקצוות של סוללה זעירה".

6+

החוקרים מצאו שההשפעה החשמלית שנוצרה בקמטים הייתה חזקה במיוחד. הקיטוב שנמדד הגיע לעוצמה הגבוהה עד פי 10 מיליון מזו שנצפתה במערכות גדולות בהרבה שבהן כיפוף של חומר יוצר תגובה דומה. עוד התברר כי הגורם החשוב ביותר אינו בהכרח גודל הקמט, אלא מידת החדות שלו.

"התברר שחדות הקמט משמעותית הרבה יותר מהגודל הכללי שלו", אמר איינגר. "זה אומר שאנחנו עשויים להיות מסוגלים לכוון את ההתנהגות החשמלית באמצעות שליטה מדויקת בעקמומיות בקנה המידה הננומטרי".

6+

המשמעות האפשרית היא שבעתיד מה שנראה כמו פגם בחומר עשוי להפוך דווקא לכלי שימושי. אם מדענים יצליחו ליצור קמטים מדויקים במקומות הרצויים, הם יוכלו אולי לקבוע כיצד החשמל יעבור בתוך רכיב זעיר באמצעות הצורה שלו בלבד. הדבר עשוי להיות שימושי במיוחד בחיישנים ובמכשירים אלקטרוניים דקים מאוד.

פרופ' פוליקל אג'איאן מאוניברסיטת רייס הסביר: "העבודה שלנו מראה שאפילו קמט רגיל יכול להפוך למאפיין אלקטרוני יוצא דופן כשמסתכלים עליו בקנה מידה אטומי". לדבריו, העובדה שצורת הגרפן לבדה יכולה לשנות את התנהגותו החשמלית פותחת אפשרות לתכנן חומרים באמצעות המבנה הפיזי שלהם, במקום להוסיף להם חומרים אחרים.

6+

עם זאת, מדובר עדיין במחקר בסיסי. בגלל גודלם הזעיר של הקמטים, החוקרים הסתמכו לצד המדידות גם על מודלים ממוחשבים כדי להבין את התופעה. מחקרים נוספים יצטרכו לאשר את התוצאות ולבדוק האם ניתן לשלוט באפקט בצורה מדויקת מספיק כדי להשתמש בו בטכנולוגיה ממשית.

הרעיון שכיפוף גרפן עשוי ליצור שינוי חשמלי הוצע כבר לפני קרוב ל-20 שנה, אך עד כה היה קשה להשיג ראיות ישירות לתופעה. המחקר החדש מאפשר למדענים לבחון בצורה מפורטת יותר כיצד עיקום זעיר משפיע על החשמל בחומר.

6+

גרפן מעורר עניין מדעי רב בזכות השילוב החריג בין דקות קיצונית, חוזק ויכולת הולכת חשמל. לאורך השנים נבדקו אפשרויות להשתמש בו בין היתר בחיישנים, אלקטרוניקה ומערכות סינון. החידוש במחקר הנוכחי הוא ההבנה שגם הצורה עצמה יכולה להפוך לכלי לשליטה בתכונות החומר. במקום לשנות את ההרכב שלו, ייתכן שבעתיד יהיה אפשר ליצור קמטים ועיקולים זעירים בנקודות מתוכננות וכך לקבוע כיצד רכיב אלקטרוני יתפקד.

כפי שסיכם איינגר: "הטבע כבר יוצר עבורנו את הקמטים הזעירים האלה. ההבנה כיצד הם משפיעים על ההתנהגות החשמלית מעניקה למדענים כלי נוסף לתכנון טכנולוגיות עתידיות באמצעות המבנה של החומר עצמו".