קו השבר

 

זכוכית היא חומר שחי בשני עולמות. מצד אחד, היא נראית קשיחה ומוצקה. מצד שני, המבנה המולקולרי הפנימי שלה אינו דומה למבנה של חומרים מוצקים רגילים, הבנויים כגביש סריגי מאורגן. האטומים והמולקולות בזכוכית ממוקמים באי-סדר, בערבוביה, המזכירים נוזל. אלא שמדובר בנוזל שאינו זורם. משחת שיניים, למשל, שהיא סוג של זכוכית, "תזרום" בכיוון פתח שפופרת משחת השיניים רק אם לחץ על השפופרת.

בעשורים האחרונים פותחו במקומות שונים בעולם חומרים מתקדמים הקרויים "זכוכית מתכתית", שהיא למעשה מתכת המאורגנת במבנה זכוכיתי (גביש לא סריגי). זכוכיות מתכתיות אלה מתאפינות בחוזק רב, בקשיחות, בעמידות, ובמשקל קל, ובנוסף, קל יחסית למגנט אותן. תהליך הייצור של זכוכיות מתכתיות מבוסס על המסת המתכת וקירורה במהירות רבה מיד לאחר מכן, כך שהחומר המתעבה אינו מספיק להתארגן בגבישים סריגיים, והאטומים והמולקולות שלו "נלכדים" פחות או יותר במקום שבו נמצאו כשהחומר היה נוזלי. כאשר עושים זאת תוך ערבוב מתכות שונות - מתקבלת זכוכית מתכתית.

כאשר, למשל, מפילים כדור על משטח של חומר גבישי סריגי, הכדור קופץ חזרה, אבל, בשל הפגמים המצויים בסריג הגבישי, הוא מאבד בהדרגה את האנרגיה הקינטית, ומאט ומקטין את קפיצותיו עד לעצירה מוחלטת. לעומת זאת, לזכוכית מתכתית אין מבנה גבישי מסודר, ולכן לא יכולים להתקיים בה פגמים מבניים. לכן, כאשר חוזרים על הפעולה הזאת (השלכת כדור על לוח) עם לוח של זכוכית מתכתית, הכדור חוזר וקופץ פעמים רבות. במילים אחרות, הזכוכית המתכתית כמעט שאינה שואבת אנרגיה מכנית, מה שמקנה לה יעילות רבה מאוד ומשרטט בשבילה "מסלול קידום עתידי" בשורה של יישומים תעשייתיים, בתחומי המיחשוב וההנדסה.

אבל מה גבולות האלסטיות של הזכוכית המתכתית? מה גבולות הכוח שלה? מתי, ותחת איזה לחץ, היא תגיב באופן פלסטי ותישבר בכל זאת? מה הדינמיקה של התפתחות שבר בזכוכית מתכתית? אלה השאלות שעמדו במרכז המחקר שערכה קבוצתו של פרופ' איתמר פרוקצ'יה, מהמחלקה לפיסיקה כימית במכון ויצמן למדע. כדי לבחון את תהליכי השבירה, נדרשו המדענים לעקוב אחר תהליכים המתחוללים במהירות רבה, ונראים באופן שונה מנקודות מבט שונות.

 

המדענים ביצעו תצפיות מדוקדקות בתגובות של זכוכית מתכתית ללחצים שונים, שחלקם הובילו לשבירת הלוח. ניתוח התוצאות ושיקלול מורכב שלהן איפשר להם להבין את דינמיקת השבר, ולאחר מכן לפתח דרך לניבוי הדרך שבה לוחות של זכוכית מתכתית יגיבו ללחצים ומתי, ותחת איזה לחץ, ובאילו תנאים, עלולים הלוחות האלה להגיב באופן פלסטי (ולהישבר), ולא באופן אלסטי, כלומר בגמישות.