מהו החומר הקל בעולם

מאז ומתמיד דחף יצר התחרות את האנושות עד לקצה גבול יכולתה. כדוגמה לכך די אם נסתכל על המירוץ לירח בין ברית המועצות לארצות הברית בשנות ה-60 של המאה הקודמת. אז יצר התחרות בין שתי המעצמות הגדולות בעולם אפשר את הגשמתה של שאיפה עתיקת יומין שנחשבה בלתי אפשרית במשך שנים רבות. התחרות הזו הסתיימה כשהאדם הראשון צעד על הירח ב-1969.

גם בעולם המדע תחרות היא כוח מניע לגילויים חדשים. בעולם הכימיה ומדע החומרים, לדוגמה, ניטשת תחרות קשה על הזכות להגיד, "מצאנו את החומר הכי חזק, או הכי גמיש, את החומר המבודד האולטימטיבי או את החומר המוליך הטוב בעולם".

התחרות על הקלילות

אחת מהתחרויות המרתקות והממושכות ביותר היא החיפוש אחר החומר הקל ביותר בעולם. משפחת החומרים שמחזיקה בתואר "החומרים הקלים בעולם" היא משפחת האירוג'ל. אירוג'ל הוא חומר מוצק מלאכותי. המבנה המיקרוסקופי הייחודי שלו מקנה לו כמה תכונות מיוחדות, ביניהן צפיפות חומר נמוכה בצורה קיצונית. ובמילים אחרות, זה חומר מאוד קל.

צפיפות החומר מוגדרת כיחס בין המסה של החומר לנפחו, ומבטאת בצורה פיסיקלית את התכונה "קל" או "כבד". כאשר המסה של חומר קטנה מאוד יחסית לנפח שהחומר תופס, החומר "קל", וכאשר המסה של חומר גדולה יחסית לנפח שהחומר תופס, החומר "כבד".

ג'ל, ובעברית תקריש, הוא חומר שמורכב מרשת תלת-ממדית סבוכה ודלילה של קשרים צולבים וביניהם חומר נוסף. רוב הג'לים המוכרים הם נוזליים, כלומר החומר הכלוא בתוך הרשת התלת-ממדית הוא נוזל. השלד התלת-ממדי, יחד עם הנוזל הכלוא, יוצרים יצור כלאיים שמפגין תכונות אופייניות למוצק יחד עם תכונות אופייניות לנוזל.

אירוג'ל, לעומת זאת, הוא ג'ל מוצק. בצורה הפשטנית ביותר מדובר בג'ל נוזלי שיובש. בתהליך ייבוש מיוחד הצליחו להוציא את כל הנוזל שהיה כלוא ברשת הקשרים הצולבים ולהחליפו באוויר. לאחר הייבוש מתקבל חומר שמורכב ממערכת קשרים צולבים שביניהם יש רק אוויר.

זהו הסוד של החומר הקל בעולם – רובו בעצם אוויר. החומר הקל ביותר במשפחת האירוג'לים מורכב כמעט כולו מאוויר, יותר מ-99.99 אחוז מנפחו! האירוג'ל הראשון התגלה במעבדתו של הכימאי סטיבן קיסטלר כבר בשנת 1931. מאז ועד היום התחום ממשיך להתפתח, עם השנים פותחו עוד ועוד אירוג'לים מחומרים שונים. כיום ישנם אירוג'לים מבוססי צורן, אלומיניום, בדיל ופחמן.

בעשורים האחרונים, יחד עם ההתקדמות המרשימה שנעשתה בתחום הננוטכנולוגיה, גם תחום האירוג'ל התפתח רבות. בשנים האחרונות אירוג'לים הבנויים מננו-צינורות אפשרו ליצור חומרים קלים יותר, גמישים יותר וחזקים יותר.

 
לבנה במשקל 2.5 ק"ג על אירוג'ל במשקל 2 גרם | מקור: NASA

שובר שיאים

רק בשנתיים האחרונות היו שתי פריצות דרך בתחום. עד לפני שנתיים החומר הקל בעולם התהדר בצפיפות חומר של 4 גרם לליטר, אך אז אירוג'ל מבוסס גרפיט נישל אותו מהפסגה כשהציג צפיפות חומר של 0.9 גרם לליטר. לאחרונה נשבר גם השיא הזה כשאירוג'ל מבוסס גרפן כבש את הפסגה, עם צפיפות חומר של 0.2 גרם לליטר. כדי להבין את המספרים האלה יש לזכור שלנוזל כמו מים יש צפיפות חומר של 1,000 גרם לליטר.

החומר המופלא הזה זכה לכינויים רבים ההולמים את אופיו, ביניהם "עשן קפוא" ו"אוויר מוצק". ההרכב המוזר של החומר מעניק לו כמה תכונות מיוחדות. קוביית האוויר הכלוא הזו עמידה בתנאים קשים של לחץ וטמפרטורה. היא חזקה מספיק כדי לשאת משקל של יותר מפי אלף ממשקלה העצמי (ראו בתמונה) ולעמוד בלחצים הכרוכים בשיגור לחלל.

בנוסף, הרשת המסועפת של קשרים צולבים, יחד עם האוויר הכלוא בתוכה, לא מאפשרים לחום לעבור בחומר, לכן "העשן הקפוא" הוא מבודד חום מעולה, עד פי 40 יותר יעיל מהפיברגלס האיכותי ביותר. כמו כן, רשת הקשרים הצולבים התלת-ממדית יוצרת חומר שמזכיר בצורתו ספוג. היחס בין שטח הפנים של הספוג הזה לנפחו הוא אדיר. אם ניקח גרם של אירוג'ל ונשטח אותו לחומר מוצק אחיד ודק, שטחו יהיה כשטח של שני מגרשי כדורגל. לספוג הזה יכולת ספיחה אדירה – אחד החומרים במשפחה יכול לספוח כמות נוזלים גדולה עד פי 900 ממשקלו העצמי, והוא עושה את זה במהירות אדירה.

פרח על חתיכת אירוג'ל מבודד מאש | מקור: NASA

קל וחוסך באנרגיה

אוסף התכונות יוצא הדופן הזה הפך את האירוג'ל לחומר עם פוטנציאל שימוש אדיר. בתעשיית החלל מנצלים כבר כיום חלק גדול מתכונותיו. תודות ליכולת העמידה שלו בלחצים ויכולת הספיחה שלו, הוא משמש כקולט אבק חלל בלוויני נאס"א. יכולת הבידוד שלו הפכה אותו גם למרכיב משמעותי בחליפות החלל שנאס"א מפתחת.

האירוג'ל סומן כחומר "ירוק", שהשימוש בו יכול לסייע לשמירה על קיימוּת כדור הארץ. בזכות בידוד החום המעולה שלו והעובדה שהוא כמעט שקוף, הוא משמש לציפוי חלונות ומאפשר ליצור כיפות ענק שמכניסות למבנה אור רב אך במקביל מונעות ממנו להתחמם יתר על המידה. שילוב התכונות הזה מאפשר לחסוך אנרגיה על הארת המבנה בלי לשלם מחיר אנרגטי על קירור נוסף של המבנה בגלל חדירת חום מהסביבה.

אחד האירוג'לים המתקדמים ביותר סומן ככלי פוטנציאלי לטיפול בדליפות נפט בים במקרה של תאונה באסדת הקידוח או במיכליות הענק שמעבירות נפט ממקום למקום על פני הגלובוס. אירוג'ל מבוסס פחמן, עם יכולת ספיחה עצומה, יכול בתיאוריה לשמש כספוג ענק לדלקים ולמנוע את הנזק הסביבתי העצום שגורמת כל דליפה של דלק לים.

כל עוד יצר התחרות מפעפע בעורקי חוקרים ברחבי העולם ודוחף אותם ואת האנושות כולה להישגים מרשימים יותר ויותר, סביר להניח שנראה חומרים נוספים עם תכונות מדהימות ומפתיעות. בעולם החומרים לפעמים המציאות עולה על כל דמיון.