קשה יותר מיהלום

כשחוקרים בכירים באקדמיה מבקשים להצדיק את הדרישות הגבוהות שלהם מתלמידי המחקר הכפופים להם, הם נוהגים לא פעם להסביר, "לחץ יוצר יהלומים". כלומר אם ילחצו על הסטודנטים לעבוד קשה יותר, הם יפיקו מעצמם יותר. לא בטוח עד כמה זה נכון, אבל המשפט נשען בבירור על המציאות הפיזיקלית והכימית – כשדוחסים מולקולות פחמן יחד בלחץ גבוה מאוד, עשויים בתנאים מסוימים להיווצר יהלומים, החומר הקשה ביותר המוכר לנו בטבע. ואכן היהלום נמצא בראש הסולם למדידת קשיותם של מינרלים שיצר המינרלוג הגרמני פרידריך מוס (Mohs) לפני יותר ממאתיים שנה.

אולם ההנחה שאין חומר קשה יותר אינה מובנת מאליה. במאמר שפורסם לאחרונה בכתב העת Journal of Physical Chemistry Letters, ניסו חוקרים מארצות הברית ומשבדיה להראות שלפחות להלכה יכול להתקיים חומר קשה אפילו יותר מיהלום.

יהלום, גרפיט, פולרן וגרפן. ארבעה מופעים של פחמן | udaix, Shutterstock

מבנה נדיר

הכירו את BC8: מבנה גבישי נדיר שנצפה עד כה רק בשני יסודות בכדור הארץ: גרמניום וסיליקון (צורן). לעומת זאת, למרות הדמיון הכימי של הפחמן לשני היסודות הללו, הוא אינו נוטה להתארגן במבנה הזה, לפחות בסביבה המוכרת לנו בעולמנו. ועדיין, ייתכן כי מחוץ למערכת השמש שלנו, בליבותיהם של כוכבי לכת רחוקים, קיימים תנאים קיצוניים של לחץ וטמפרטורה שבהם היהלום מאבד את יציבותו והאטומים שלו נאלצים להסתדר במבנה חדש ויציב יותר. חומר יציב הוא חומר שנשאר חזק כשמפעילים עליו לחץ. כמו כן נדרשת ממנו יציבות תרמודינמית, כלומר שכל פעם שנעשה שינוי קל במבנה המערכת, היא תשוב לשיווי משקל – למצב המוצא שלה.

ככלל, פחמן יכול להימצא בכמה מופעים (פאזות), כלומר מצבים של החומר. יהלום הוא מופע של הפחמן שכל אטום בו נמצא במרכזו של ארבעון (טטרהדרון), כלומר מוקף בארבעה אטומי פחמן המסודרים במבנה תלת-ממדי של פירמידה משולשת. צורת ארגון אחרת היא גרפיט, שבה רשתות שטוחות של אטומי פחמן נערמות זו על זו בקומות, עם קשרים חזקים בין אטומים שכנים וקשרים חלשים בין הקומות. עוד מופע מפורסם של פחמן נקרא גרפן – החומר הדק בעולם, המורכב משכבה אחת של גרפיט, שמגליו זכו בפרס נובל לפיזיקה בשנת 2010. מופעים אחרים שלו הם פולרן, פחמן אמורפי וננו-צינוריות פחמן. לפני שנים מספר הצליחו מדענים באוסטרליה לייצר בתנאי מעבדה גביש יהלום קשה במיוחד במבנה ייחודי. 

לדברי הפיזיקאי ג'ון אגרט (Eggert), מכותבי המאמר, היציבות והקשיות של היהלום נובעות מכך שהמבנה הטטרהדרלי מתאים באופן מושלם לסידור האלקטרונים הזמינים ליצירת קשר כימי באטום הפחמן. לפחמן יש ארבעה אלקטרונים כאלה, שאף הם מסודרים בצורה טטרהדרלית.

מבנה קובייתי מרוכז גוף. הדמיות מחשב-על לחיזוי דרכים ליצירת החומר BC8 מיהלום | מקור:  Mark Meamber/LLNL

קובייה של אטומים

כאן אנו מגיעים למבנה BC8, או "מבנה קובייתי מרוכז גוף", זהו מבנה של תשעה אטומים, ששמונה מהם מסודרים בקודקודי קובייה והתשיעי נמצא במרכזה של אותה קובייה. כלומר כל אטום מוקף בשמונה אטומים שכנים, שאל חלקם הוא קשור ואל חלקם לא. זהו מבנה פחות פשוט מהארבעון, אך במקרים מסוימים הוא אמור להיות יציב יותר.

המבנה הזה, כאמור, נצפה בגרמניום ובסיליקון, ומכיוון שכמו הפחמן גם להם יש ארבעה אלקטרונים פנויים ליצירת קשרים כימיים, יש יסוד להאמין שגם הפחמן אמור להיות מסוגל להתארגן בסידור כזה. הדמיות קוונטיות המבוססות על דינמיקה מולקולרית – כלומר מעקב אחרי צורת הארגון של אטומים לאורך זמן – הביאו את ההוכחה הנדרשת. לשם כך נדרשו החוקרים להיעזר במחשב-העל Frontier (חזית), שנחשב למחשב המהיר ביותר בעולם כיום לצרכים חישוביים.

ניסיונות שנעשו ליצור מבנה BC8 מלאכותי במעבדה נכשלו כליל עד כה. הפיזיקאי איוון אולייניק (Olyenik) מאוניברסיטת דרום פלורידה, שהיה ממובילי המחקר התיאורטי של המבנה המשוער, מסביר כי מההדמיות עולה שהמופע ה"פוסט-יהלומי הזה מתקיים רק בטווח צר של לחצים גבוהים וטמפרטורות גבוהות. כלומר, נכון לעכשיו ניסויים במעבדה רגילה בכדור הארץ אינם יכולים להביא את אטומי הפחמן לתנאים כאלה".

כך שבינתיים המופע האקזוטי של הפחמן נותר תחזית משוערת בלבד. ייתכן שביום מן הימים היא תתממש, אולי כשהאדם יצא אל מחוץ לגבולות מערכת השמש, בחיפוש אחרי מקומות חדשים להתיישב בהם.