גביש הוא חומר מוצק, לרוב פריך (חסר גמישות ושביר), שמבחינה מיקרוסקופית / מולקולארית מאופיין בסדר רב מאוד: הוא מורכב מיחידה בסיסית שחוזרת על עצמה שוב ושוב ושוב מיליארדי-מיליארדי פעמים באותו סדר, הדבר דומה למרצפות שמרצפות ריצפה, למשל, רק שהריצפה היא דו-מימדית (שטוחה), וגביש הוא תלת מימדי (אולי דימוי טוב יותר לגביש הוא קובייה ענקית שבנוייה מאותה אבן 'לגו').
מבנה פנימי של גביש מלח בישול (NaCl), הנקודות הירוקות מיצגות יוני נתרן, והכתומות כלור
בעולמנו המאקרו-סקופי (של העצמים הגדולים, ההפך מעולם מיקרוסקופי) אנחנו יודעים שכדי ליצור מבנה מסודר צריך מאמץ כדי לבנות אותו. מה שמעניין בקשר לגבישים שהם דוגמא לתופעה בטבע המכונה: self assembly, כלומר – 'בנייה עצמית'.
חומרים הבונים בעצמם מבנה מורכב ללא צורך בהשקעת מאמץ או סידור או בנייה מצד גורם חיצוני. (דוגמא נוספת לבנייה עצמית היא יצירת מבנים דמויי תא אנושי, המכונה 'ליפוזום' כאשר ממיסים מולקולות של 'חומרים פעילי שטח', כמו סבון, בתוך מים). אפשר להבין את תהליך ההתגבשות בעזרת הדוגמא הבאה: נניח שיש לנו ארגז מלא בקיסמי שיניים, שזרקנו פנימה בצורה מבולגנת, עכשיו נתחיל לנער את הארגז – הקיסמים יתחילו לנוע ולזוז (דומה למצב צבירה נוזל או מומס) ועכשיו נתחיל להוריד לאט לאט את עוצמת הניעור עד שנעצור: אם נסתכל בארגז בסיום התהליך סביר להניח שנראה שהקיסמים הסתדרו מעצמם במבנה מקביל אחד לשני, ואחד על השני. כלומר – המבנה הפנימי של היחידה הבסיסית (הקיסם הארוך והדק) יצר גם סדר ברמה גבוהה יותר- גביש.
גבישים שונים (התמונות באדיבות אתר ויקיפדיה)
בכל אופן – יש שתי שיטות עיקריות ליצירת גבישים: גיבוש מנתך, וגיבוש מתוך תמיסה:
גיבוש מנתך: מתיכים את החומר שרוצים לגבש על ידי חימום, החומר הופך ממוצק לנוזל, ואז מקררים באיטיות את החומר. המולקולות/האטומים/היונים שמרכיבים את הנוזל מתחילים לנוע יותר ויותר לאט במהלך הקירור ומסתדרים בצורה של גביש (ומפסיקים לנוע בחופשיות).
גיבוש מתוך תמיסה: ממיסים את החומר שרוצים לגבש בתוך חומר אחר: למשל ממיסים סוכר במים, או אפילו ריבוזום במים. ובאיטיות מתחילים לאדות את הממס, לאט לאט ריכוז המומס עולה (כי הממס מתאדה ונעלם) ובסוף מגיע לריכוז כזה שהממס לא יכול להכיל אותו בתמיסה (התמיסה הופכת ל'רוויה', עבור מלח בישול תמיסה בריכוז של כ 36% היא רוויה) והמומס מתחיל להתגבש מתוך התמיסה (התהליך מתרחש באופן טבעי כל הזמן בים המלח למשל, ובתעשיות ייצור מלחים מהים, כאשר השמש מאדה את מי הים). בסרטון הבא ניתן לראות את התהליך והתוצאה:
שיטה אחרת לגיבוש מתוך תמיסה מתבססת על שינויי מסיסות עם הטמפרטורה:ממיסים חומר בתוך ממס חם ואז לאט לאט מקררים את התמיסה, עם ירידת הטמפ' המסיסות של החומר בתוך הממס יורדת ובסוף (לאחר שהמסיסות מגיעה לנקודת הרוויה) המומס מתחיל להתגבש מתוך התמיסה.כדי ליצור גביש מסודר ויפה – כל תהליכי הגיבוש צריכים להעשות באיטיות רבה. כמו-כן מאוד עוזר להכניס גרעין גיבוש: פיסה קיימת של גביש מאוד עוזרת לתהליך הגיבוש עצמו – סביב ה'גרעין' המקורי.
גיבוש אינו דבר פשוט, ויעיד על כך פרס הנובל בכימיה לשנת 2009 על גילוי מבנה הריבוזום: כדי לזהות את המבנה היה צורך לגבש את הריבוזום, ומדענים רבים ברחבי העולם ניסו זאת ללא הצלחה, עד פריצת הדרך של פרופ' עדה יונת...ישנם גם הרבה חומרים שלא יוצרים גבישים: חומרים שהכוחות הבין-מולקולרים ביניהם חלשים מאוד ולא יכולים ליצור 'סידור עצמי': דוגמא לכך הם מרגרינה וחמאה. או חומרים שהמולקולות שלהם בנויות שרשראות ארוכות שמסתבכות אחת בשנייה וגם לא יכולות להסתדר – כמו רוב הפולימרים (הפלסטיקים). חומרים לא גבישיים (מכונים חומרים בעלי מבנה אמורפי, חסר-צורה) מאופיינים בכך שאין להם בעצם טמפרטורת היתוך חדה, אלא שהם פשוט מתרככים והולכים עם החימום (תחשבו על חמאה, היא גמישה גם כשהיא מוצקה, וכך גם רוב מוצרי הפלסטיק הגמישים).
מאת: ד"ר אבי סאייג
המחלקה לנוירוביולוגיה ומכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
