כולם להסתדר בצורות!

זו זכוכית? לא, אלה גבישים | צילום: אימג'בנק/GettyImages

ב-25 ביוני 1905, בשעת בין ערביים, יצא פְרֶדְרִיק וולְס, מנהל מִכְרֶה היהלומים פְּרֶמְיֵיר בדרום אפריקה לסיור השגרתי שלו במכרה, כשלפתע ראה משהו מנצנץ בקרני השמש האחרונות. הוא צעד כחמישה מטרים מתחת לאדמה, והנצנוץ היה כמה מטרים מעליו.

הוא טיפס על הקיר כשהוא נאחז בסדקים בסלע, הושיט את ידו והוציא מהאדמה גוש ענקי ושקוף. "זו זכוכית?", חשב לעצמו, ועלה למשרדו. הוא שלח את הגוש הענקי לבדיקות, ואחרי זמן לא רב חזרה התשובה - זהו היהלום הַגּוֹלְמִי הגדול ביותר שנמצא אי פעם - משקלו 3.106.75 קָרָט, שהם כ-621 גרם!

יהלום זה נקרא על שמו של סֶר תּוֹמָס קוּלִינָן, שהקים את המכרה. האבן הענקית הוצגה בפני מלך אנגליה אֶדוּאַרְד השביעי ביום הולדתו ה-66 ולאחר מכן לוּטְשָׁה ופוצלה לתשעה יהלומים גדולים שנקראו קולינן 1, קולינן 2 וכו'. הגדול מביניהם - שנקרא כוכב אפריקה ושקל 530.20 קרט - הוענק למלך ושובץ בְּשַׁרְבִיט המלוכה האנגלי. עוד נוצרו מהאבן הענקית 96 יהלומים קטנים ותשעה וחצי קרט של אבנים, הקטנות מדי לליטוש.

יהלום, זהב, סוכר, חול וגם ברזל - כולם עשויים מגבישים | צילום: imagenavi, GettyImages IL

יהלום, זהב, סוכר, חול וגם ברזל עשויים כולם מגבישים מִיקְרוֹסְקוֹפִּיִּים. בכתבה הזו נצא למסע אל מַעֲמַקֵּי החומרים, אל המבנים שמרכיבים אותם, ונגלה מהו גביש ואיך מבנהו משפיע על תכונותיו של החומר.

מסע בעקבות החומר

אם תסתכלו עם זכוכית מגדלת בתכשיט זהב תראו עליו שריטות וחורים זעירים שלא ניתן לראות בעין. מיקרוסקופ יגדיל את החומר פי 1,000 ומאפשר לראות בזהב פרטים קטנים עוד יותר, כמו סדקים מיקרוסקופיים ואזורים שבהם החומר אינו אחיד ורציף. מיקרוסקופ אֶלֶקְטְרוֹנִי יגדיל את הזהב פי מיליון, ויחשוף עולם חדש ומרהיב של גבישי החומר עצמם. מיקרוסקופ מִנְהוּר מגדיל עד לרמה של אטומים, וכך אפשר להביט בסידור הגבישי של אטומי היסוד בזהב.

האטומים הם קוביות המשחק שמהן בנוי העולם שסביבנו, וכל יסוד בנוי מסוג מסוים של אטומים: גוש זהב בנוי מאטומי היסוד זהב, וגוש נְחוֹשֶׁת בנוי מאטומי היסוד נחושת. קשרים בין האטומים יוצרים חומרים חדשים – מים, למשל, הם חיבור של אטומי מימן וחמצן.

האטומים הם קוביות המשחק שמהן בנוי העולם שסביבנו | צילום: Arctic-Images, GettyImages IL

המדענים מכירים ארבעה מצבי צְבִירָה: מוצק, נוזל, גז וּפְלַזְמָה. כשמקררים חומר במצב צבירה גזי אטומי החומר מתקרבים זה לזה והחומר מגיע למצב צבירה נוזלי. כשממשיכים לקרר את החומר נוצרים קשרים חזקים יותר בין האטומים, הם מסתדרים במקומות קבועים והחומר עובר למצב צבירה מוצק.

מתחילים מהבסיס

החומרים המוצקים הם בדרך כלל בעלי סידור אטומי מחזורי ארוך טְוַוח, כלומר, מבנה תלת-ממדי שחוזר על עצמו. זה דומה לחלת דבש בכוורת שבנויה מִמְּשׁוֹשִׁים: כל משושה נוגע באחר, וכולם ביחד יוצרים את החלה.

גביש מושלם מורכב מיסוד אחד או ממספר קטן של יסודות, אבל במציאות גביש כזה אינו קיים: תמיד יהיו בו אטומים זרים, מעין זיהום של החומר, שנקרא גם אי-ניקיון. לפעמים יש בגביש מקום שבו חסר אטום, והפגם הזה קרוי הֵיעָדְרוּת. שני אלה משפיעים על תכונותיו של הגביש: נוכחות של אטומים זרים בחומר יכולה לגרום לו לקבל צבע שונה, ואילו חֶסְרוֹנָם יכול להפוך חומר לשביר יותר.

גביש מושלם מורכב מיסוד אחד או ממספר קטן של יסודות | צילום: Wesley Hitt, GettyImages IL

הכי קשה הוא גם הכי רך

איך נראה הגביש? האם יכול להיות שחומר אחד ייצור גבישים בצורות שונות? בחקר הגבישים, קְרִיסְטָלוֹגְרַפְיָה, נהוג למיין את הגבישים לפי שבע צורות עיקריות - קובייה, תיבה, מַעוֹינוֹן וּמִנְסָרָה מרובעת. עד לא מזמן חשבו שאלה הצורות היחידות בהן גבישים מופיעים, אבל באחרונה הצליח פרופ' דני שכטמן, חוקר ישראלי מֵהַטֶּכְנּיוֹן, לגלות גבישים שצורותיהם שונות מעט, וְתַּגְלִיתו עוררה סערה בעולם המדעי.

גבישים יכולים להסתדר בצורות שונות כשהחומר נמצא בתנאי לחץ או טֶמְפֶּרָטוּרָה שונים. האטומים של אותו חומר יסתדרו במבנה מסוים בטמפרטורה אחת ובמבנה אחר בטמפרטורה אחרת. הפחמן הוא דוגמה מצוינת לעניין: במצב מוצק הוא יכול להתקיים כיהלום, כִּגְרָפִיט (חומר שמשמש גם לכתיבה), או כְּמוֹלֶקוּלָה כדורית.

גבישים יכולים להסתדר בצורות שונות | צילום: אימג'בנק/GettyImages

הסתכלו על היהלום, שנוצר במעמקי האדמה בלחצים עצומים ובטמפרטורות גבוהות (1,000-1,500 מעלות צֶלְזְיוּס). זהו החומר הכי קשה בטבע, לכן משתמשים בו כדי לחתוך חומרים אחרים (כמו סכין עשוי יהלום החותך זכוכית, לדוגמא).

הגרפיט הוא צורה נוספת של יסוד הפחמן: האטומים שלו מסודרים בצורת משושים ולא במבנה קובייתי מיוחד כמו ביהלום. המשושים מסודרים בשכבות. כל משושה קשור למשושה אחר בקשר חזק, אבל בין השכבות יש קשרים חלשים יותר. התוצאה: הגרפיט - בשונה מהיהלום - הוא חומר רך שממנו מכינים עפרונות. כשאתם כותבים מישורי הפחמן המשושים מחליקים זה על גבי זה, נפרדים ונשארים על הנייר.

>>הכתבה המלאה התפרסמה במגזין גליליאו צעיר