בדרך כלל כשאומרים "קריסטלים", או בעברית גבישים, הכוונה היא לאבני חן מבריקות בשלל צבעים וצורות. לרוב מבדילים בין גבישים טבעיים שנחצבו בטבע לבין גבישים מלאכותיים שהוכנו בתהליך זה או אחר. הגבישיםהללו משמשים לרוב להרכבת תכשיטים, נברשות וחפצי נוי שונים. יש אנשים שמאמינים ביכולות ריפוי של האבנים הטובות, וכאלה שמאמינים שלסוגי גבישים שונים יש השפעות רוחניות שונות על בני אדם שונים.

בפועל, המושג "גביש" הוא מושג הרבה יותר רחב שמגדיר קבוצה גדולה מאוד של חומרים. בהגדרה הקלאסית, גביש הוא חומר מוצק שמורכב מאטומים, יונים או מולקולות המסודרים בתבנית שחוזרת על עצמה בשלושה ממדים.

למעשה, כל המוצקים מחולקים בצורה גסה לשלוש קטגוריות. המוצקים שמסווגים כחד-גביש בנויים מיחידה אחת ומתמשכת של אטומים, יונים או מולקולות המסודרים בתבנית שחוזרת על עצמה בשלושה ממדים; מוצקים שמסווגים כרב-גביש מורכבים מהמון חד-גבישים המחוברים יחד באוריינטציות שונות; ומוצקים שמסווגים כחומר אמורפי מורכבים מאטומים, יונים או מולקולות שאינם מסודרים בתבנית בעלת סדר עקבי.

סוגים של גבישים

אם כך, חלק גדול מאוד ומגוון מהמוצקים שאנו מכירים הם גבישים. כדי לקבל מושג על המגוון הרב נזכיר שכמעט כל המתכות הן רב-גבישים בצורתן הנפוצה. גם מלחים רבים, ובתוכם מלח המאכל האהוב, הם רב-גבישים, הסוכר הוא רב-גביש, אבנים יקרות הם בדרך כלל רב-גבישים, ואבני חן באיכות גבוהה מאוד הן חד-גבישים. גם הצורן, שהוא הבסיס לכל תעשיית המיקרואלקטרוניקה, הוא חד-גביש מלאכותי. אפילו פתיתי שלג הם רב-גבישים יפהפיים.

אז אילו סוגים של גבישים קיימים?

על השאלה הזו ניתן לענות בשתי דרכים – האחת מסווגת את הגביש על פי הסידור המרחבי של האטומים שמרכיבים אותו והשניה ממיינת את הגבישים לפי התכונות הכימיות או הפיסיקליות שלהם.

בדרך הראשונה, סיווג הגבישים נעשה על ידי זיהוי הסימטריה היחודית של הגביש. קיימות שבע מערכות סימטריה שונות, וביחד עם אפשרויות שונות של סידור האטומים בכל מערכת מתקבלות בסך הכול 14 קטגוריות לסיווג גבישים אמיתיים, שנקראות סריגי בראבה. מעבר להן יש גם חצאי גביש בעלי סימטריה ייחודית ושונה.

לסידור המרחבי של האטומים בגביש יש השפעה אדירה על התכונות הכימיות והפיסיקליות של הגביש. אחת הדוגמאות לחשיבות הסידור המרחבי בגביש היא בתרכובתשל אטומי חמצן וברזל (Fe2O3), ביחסים קבועים של שני אטומי ברזל לשלושה אטומי חמצן.

כשהאטומים בגביש מסודרים בצורה קובית (סימטריה ריבועית תלת-ממדית) החומר מקבל שם חדש ונקרא מגהמיט. המגהמיט הוא חומר שימושי מאוד שמפגין יכולות מגנטיות חזקות. לעומת זאת, כשהאטומים בגביש מסודרים בצורה טריגונלית (כלומר בסימטריה משולשת), החומר נקרא המטיט, וגביש בסידור מרחבי כזה לא מציג תכונות מגנטיות בכלל!

בדרך השנייה, סיווג הגבישים נעשה לפי התכונות של החומרים שמתגבשים והקשרים הכימיים שבגביש. גביש כמו יהלום, שבו הקשר בין האטומים הוא קוולנטי (משותף), נקרא גביש קוולנטי; מלח בישול וגבישים אחרים מסוגו, שבהם הקשר בין האטומים הוא יוני, נקרא גביש יוני; הנחושת, שהגביש שלה מורכב מאטומי מתכת, נקראת גביש מתכתי; וגביש כמו סוכר, שמורכב ממולקולות הקשורות זו לזו בקשרי מימן וכוחות ון-דר-ולס, נקרא גביש מולקולרי.

תחום מחקר רחב שעוסק בחקר המבנה הגבישי הוא הקריסטלוגרפיה. קריסטלוגרפים משקיעים את מרצם בפענוח המבנה המרחבי של האטומים בגביש כלשהו ובגילוי היסודות המרכיבים אותו. החוקרים מקרינים על הגביש קרני רנטגן או קרן אלקטרונים, הקרניים עוברות עקיפה, (דיפרקציה בלעז), כתוצאה מהאינטראקציה שלהם עם אטומי הגביש, ותבנית ההתאבכות שנוצרת מאפשרת ללמוד על המבנה המרחבי של הגביש ועל סוג האטומים שבו.

חשוב לציין ששני פרסי הנובל האחרונים בכימיה שהוענקו לישראלים היו על מחקרים בעלי מאפיינים קריסטלוגרפיים. פרופ' דן שכטמן זכה בפרס נובל על גילוי הגבישים למחצה במהלך ניסוי בקריסטלוגרפיה בעזרת קרן אלקטרונים, ופרופ' עדה יונת זכתה בנובל על פענוח מבנה הריבוזום. המבנה פוענח בתהליך שבו הריבוזומים גובשו תחילה יחד לגביש מולקולרי, ולאחר מכן נאסף מידע על המבנה בעזרת ניסויים קריסטלוגרפיים.

היופי שבגביש

גבישים קיימים במגוון צורות, צבעים וגדלים. צורתם נקבעת בעיקר על פי הסימטריה הפנימית של הגביש ועל פי ההבדלים בקצבי הגדילה שלו לכיוונים שונים.

לדוגמה, נסתכל על מלח הבישול, בשל הסימטריה הפנימית הקובית שלו, גבישי מלח בישול, שמוכרים גם בתור מינרל הקרוי "הליט", יתאפיינו בעיקר בזוויות ישרות, משום שקצב הגדילה של המינרל הזה דומה בכל הכיוונים והתוצר שמתקבל הוא קובייתי. אם קצב הגדילה היה מהיר יותר לכיוון אחד, היינו מקבלים גביש ארוך ומלבני.


גביש הליט | התמונה לקוחה מוויקיפדיה

אף שכבר פותחו טכנולוגיות ליצירת גבישים כדי לענות על צרכים תעשייתיים אלה ואחרים, הטבע הוא עדיין ספק הגבישים הגדול ביותר. לעתים הוא מפתיע את כל עולם המדע ומייצר גבישים שעולים על כל דמיון. צפו בסרטון הבא שמציג תמונות ממערת גבישי ענק שהתגלתה במקסיקו לפני כחמש שנים, גילוי המערה הותיר את החוקרים והגיאולוגים פעורי פה.

 


מערת גבישי ענק במקסיקו 

 

הגבישים המדהימים האלו נוצרו בתנאים קיצוניים ובמשך שנים רבות. במערה שוררים טמפרטורה של כ-150 מעלות ומאה אחוזי לחות, והתנאים האלה נותרו ללא שינוי במשך שנים רבות ואפשרו גידול אטי ומבוקר בממדים חסרי תקדים.

הגביש, אם כן, הוא חלק בלתי נפרד מכל צעד ושעל בחיינו, החל בקפה של הבוקר שבו אנו ממיסים גבישי סוכר, דרך הסמארטפון שלנו שעובד על בסיס גבישי סיליקון וכלה בשימושים מתקדמים ובמחקרים פורצי דרך. אין ספק – ה"קריסטל" הוא יותר מסתם אבן מנצנצת.

איתן אוקסנברג
מאסטרנט, המחלקה לחומרים ופני שטח
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 ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.

4 תגובות

  • יאיר

    Bravais lattice

    אשמח אם תוכלו לפרט יותר על חבורות הסימטריה של הגבישים השונים וההבדל ביניהם.

  • מאיה

    מה זאת אומרת קצב גדילה? איך גביש גדל?

  • יאיר

    הגבישים בסרטון גדלים מחלחול

    הגבישים בסרטון גדלים מחלחול המים דרך האדמה.
    כלומר במשך תקופה ארוכה נוספים עוד ועוד שכבות על הגביש.

  • יאיר

    http://davidson.weizmann.ac

    http://davidson.weizmann.ac.il/online/askexpert/chemistry/%D7%90%D7%99%D...