מה חזק יותר מיהלום? יהלום משושה ננומטרי – ועכשיו גם הצליחו לייצר אותו במעבדה

שאלת הטריוויה הקלאסית "מהו החומר הכי חזק בעולם?" נענית כמעט תמיד מיד בקריאה "יהלום!". אך עבור מדעני חומרים התשובה קצת יותר מאתגרת, כי הם יודעים שצריך לברר לאיזה יהלום בדיוק אנחנו מתכוונים.

היהלום הרגיל, זה שמעטר אצבעות של נשים רבות ברחבי העולם, אכן נחשב למינרל הטבעי הקשה ביותר בעולם. מדובר בחד-גביש שנוצר בלחצים ובטמפרטורות גבוהות. הוא בנוי מאטומי פחמן שמסודרים במבנה קובייתי וקשורים זה לזה בקשר קוולנטי.

אבל לא כל היהלומים זהים, צפיפות שונה של פגמים בגביש ונוכחות של אטומים מזהמים שנכלאו בין אטומי הפחמן עלולים להשפיע באופן דרמטי על קשיותו. הסידור המרחבי המדויק של אטומי הפחמן משמעותי אפילו יותר.

ב-1967, בקניון דיאבלו שופע המטאוריטים, התגלה לראשונה יהלום שאטומי הפחמן בו מסודרים במבנה משושה. מגליו בחרו לקרוא לו לונסדלואיט, על שם הקריסטלוגרפית פורצת הדרך קייטלין לונסדייל. הסידור המרחבי המשושה מאפשר לאטומים להיארז בצורה צפופה יותר, ולכן יש לו פוטנציאל להיות חזק ב-58 אחוז יותר מיהלום רגיל.

הגביש המיוחד נוצר במהלך התרסקות של מטאוריט שהכיל גרפיט – צורה נפוצה אחרת של חומר פחמני. הכוח העצום של ההתנגשות, שתורגם ללחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה, הפך את הגרפיט ליהלום ששמר על הסידור האטומי המשושה של הגרפיט.

הפוטנציאל התעשייתי שיש לחומר שחזק מיהלום הביא לניסיונות לשחזר אותו באופן מלאכותי. רובם כללו לחצים וטמפרטורות גבוהות, אך לאכזבת החוקרים, ולמרות עדויות לנוכחות של מבנה סידורי משושה, הגבישים שהתקבלו לא היו קשים יותר מיהלומים רגילים. הסיבה לכך הייתה ככל הנראה שהגבישים המלאכותיים היו רווים בפגמים, ואלו גרמו לתכונות הנחותות שלהם ביחס ליהלומים טבעיים.


מלחצי היהלום ששימשו בייצור ננו-לונסדלואיט נקי | צילום: האוניברסיטה הלאומית של אוסטרליה ANU

יהלום קטן וחזק

לאחרונה הצליחו מדענים אוסטרלים לייצר בתנאי מעבדה מתונים יחסית לונסדלואיט ננומטרי, כלומר בקנה מידה של מיליארדיות המטר. הפיתוח החדש טומן בחובו הבטחה, משום שכשמתעסקים בחומרים, פעמים רבות קטן יותר משמעו גביש טהור יותר ונקי יותר מפגמים. החוקרים מאמינים שבמקרה של הננו-לונסדלואיט, היעדר הפגמים ייצור יהלום חזק יותר, וסוף סוף הפוטנציאל של יהלום עם מבנה מרחבי משושה יתממש.

כמובן, היהלום גם יהיה קטן ביותר. ייתכן שמחקרי ההמשך יבדקו את האפשרות לייצר יהלום גדול יותר שישמור על מידת הטוהר והניקיון של הננו-לונסדלואיט.

כחומר מוצא השתמשו החוקרים בפחמן אמורפי – חומר פחמני שהאטומים שלו אינם מסודרים במבנה גבישי אלא בסידור אקראי יותר שקצת דומה לזכוכית. את הפחמן הזכוכיתי הניחו בתוך מלחציים כשבשני צדיו מצויים יהלומים שיכולים ללחוץ בעוצמה רבה על החומר שמונח ביניהם בלי להינזק.

התהליך הזה מאפשר לייצר לונסדלואיט בטמפרטורה נמוכה יחסית של 400 מעלות, לעומת 1,000 מעלות שנדרשות בתהליכים אחרים. החיסכון הזה באנרגיה וחומר המוצא הזול מייעלים מאוד את התהליך ומוזילים את התוצר שלו.

החוקרים מעידים שהם כמעט החמיצו את התגלית משום שהתוצר קטן כל כך. רק בזכות הקפדה על פרטים ושיתופי פעולה עם קבוצות מחקר נוספות הצליחו לאמת את הממצאים. היהלום הננומטרי החדש לא יכבוש את עולם התכשיטים, אבל מצפים שיהיו לו, אפילו בגודלו המזערי, שלל שימושים תעשייתיים, בעיקר בשלבי החיתוך והליטוש של חומרים קשים במיוחד.

2 תגובות

  • נסים

    מה בין חוזק לקושי

    יש הבדל בין קושי המוגדר כהתנגדות לחדירת גוף זר. לבין חוזק המוגדר כהתנגדות למתיחה. אם כן,
    צריך להחליט האם היהלום הוא חומר קשה ביותר או חזק ביותר.

  • דני

    תוכל להבהיר את עניין המבנה?

    איתן - תודה על המאמר המעניין. ובכל זאת, שאלה -
    בשיעורי כימיה לימדו אותנו שיהלום הוא קשה מאוד בגלל המבנה המרחבי שלו. המבנה הזה נראה כמו משושה מרחבי כשכל אטום מחובר לארבעה אחרים במרחב בצורת טטראדר.
    ראה: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Diamond_and_graphite2.jpg
    במה זה שונה מלנסדלאיט?
    תודה, דני