הכירו את הגרפן, החומר ששווה נובל
גְרָפֵן, צורה מבודדת חדשה של פחמן, הוא מקור עשיר לפיסיקת יסוד חדשנית וליישומים מעשיים. אנדרה גיים, זוכה פרס נובל לפיסיקה לשנת 2010, מסביר על נפלאות הפחמן
חשבו לרגע על העיפרון הצנוע. ייתכן שלא תתפלאו אם נספר לכם שמכשיר הכתיבה הזה, שכה נפוץ כיום, ניצב פעם בפסגת הרשימה של צעצועי ההיי-טק הנחשקים.
למען האמת, אפילו הוטל פעם איסור לייצא את העיפרון הפשוט בשל היותו נכס צבאי אסטרטגי. אבל החדשות הלא כל כך צפויות לגביו הן שכל פעם שמישהו מותח קו באמצעות עיפרון, הסימן הנוצר מכיל פיסות של החומר החדש והלוהט ביותר בפיזיקה ובננו-טכנולוגיה: גְרָפֵן (graphene).
ננו חלקיקים
פרס נובל לפיסיקה ניתן למגלי הגרפן
שי זמיר
גרפן, שכבות פחמן בעובי אטום אחד בלבד, זיכו הבוקר את אנדרה גיים וקונסטנין נובוסלוב בפרס נובל לפיסיקה לשנת 2010
גרפן נוצר מגרפיט, המילוי השחור שבתוך העיפרון: סוג של פחמן טהור הבנוי משכבות שטוחות של אטומים המונחות בערמה זו על גבי זו.
המבנה השכבתי של גרפיט התגלה כבר לפני מאות שנים. באופן טבעי ניסו הפיזיקאים ומדעני החומרים לפצל את המינרל הזה ליריעות המרכיבות אותו - ולו בשביל ההזדמנות לחקור חומר שאולי יתברר כי ניחן בגיאומטריה בעלת פשטות כה אלגנטית.
גרפן הוא השם שניתן ליריעה יחידה מסוג זה. הוא עשוי כל כולו מאטומי פחמן הקשורים יחדיו ברשת מחזורית של משושים הערוכה במישור שעוביו אטום אחד בלבד.
איך יוצרים גרפן?
אבל במשך שנים רבות נכשלו כל הניסיונות ליצור גרפן כישלון מוחץ. הגישה המוקדמת הפופולרית ביותר הייתה שיש להחדיר מולקולות בין המישורים האטומיים של הגרפיט כדי שישמשו טריז שיפריד את המישורים אלה מאלה, כלומר ליישם טכניקה הקרויה קילוף כימי.
אף שכמעט אין ספק ששכבות גרפן אכן ניתקו מן הגרפיט בשלב ביניים של התהליך, הן מעולם לא זוהו ככאלה. במקום זאת התוצר הסופי שהתקבל היה בדרך כלל עיסה של חלקיקים גרפיטיים שחורים הדומה לפיח רטוב. ההתעניינות המוקדמת בקילוף כימי דעכה והתפוגגה.
כעבור זמן קצר נקטו הנסיינים גישה ישירה יותר. הם פיצלו גבישי גרפיט לפרוסות דקיקות יותר ויותר על ידי גירודם או שפשופם במשטח אחר. למרות גסות השיטה, המוכרת בשם פיצול מיקרו-מכני, למרבה הפלא, ביצועיה היו מרשימים.
חוקרים הצליחו לקלף שכבות גרפיט דקיקות שעוביין פחות מ-100 מישורים אטומיים. כבר ב-1990, למשל, בודדו פיזיקאים גרמנים מאוניברסיטת RWTH שבעיר אָאכֵן שכבות גרפיט שהיו דקות כל כך עד שהיו שקופות לאור.
עיפרון ננו
לאחר עשר שנים שכלל אחד מאתנו (קים) את הפיצול המיקרו-מכני בעבודה משותפת עם יואנבו ז'אנג, שבאותו הזמן היה תלמיד מחקר באוניברסיטת קולומביה. בעזרת השיטה המשופרת הם יצרו גרסת היי-טק של העיפרון: "עיפרון ננו", כמובן.
"כתיבה" בעיפרון הננו הניבה פרוסות גרפיט שעוביין כמה עשרות שכבות אטומיות בלבד. אבל החומר שנוצר היה גרפיט דק ולא גרפן. איש כבר לא האמין שהחומר יכול להתקיים בטבע.
קִצה של ההנחה הפסימית הזאת הגיע ב-2004. אחד מאתנו (גיים), בשיתוף פעולה עם קוסטיה ס' נובוסלוב, שהיה אז פוסט-דוקטורנט, ושותפיו באוניברסיטת מנצ'סטר באנגליה, עסק במחקר של שלל גישות ליצירת דגימות של גרפיט דקות עוד יותר.
בתקופה זו מרבית המעבדות התחילו ניסיונות כאלה בפיח, אבל גיים ועמיתיו התחילו באקראי בשבבי גרפיט שנותרו לאחר שבירה מכנית של גרפיט, ודרך זו התבררה כמשתלמת להפליא.
הם פשוט הצמידו שבב כזה לסרט הדבקה פלסטי, קיפלו את הצד הדביק של הסרט על הפתית ואז הפרידו את שני החלקים במשיכה, וכך פיצלו את הפתית לשניים.
הנסיינים חזרו על הפעולה שוב ושוב, והרסיסים שהתקבלו נעשו דקים יותר ויותר. כשהיו בידי החוקרים רסיסים דקים רבים, הם בחנו בעיון רב את החתיכות - ונדהמו לגלות שעוביין של כמה מהן היה אטום אחד בלבד. ההפתעה הייתה גדולה עוד יותר כשראו שחתיכות הגרפן שזה עתה זוהו היו בעלות איכות גבישית גבוהה ויציבות כימית אפילו בטמפרטורת החדר.
חזק להפליא, מוליך נהדר
גילוי הגרפן בפועל חולל שטף של התעניינות מחקרית בין-לאומית. לא זו בלבד שמדובר בחומר הדק ביותר האפשרי, הוא אף חזק להפליא וקשיח. יתרה מזאת, בצורתו הטהורה הוא מוליך אלקטרונים בטמפרטורת החדר מהר יותר מכל חומר אחר.כיום עסוקים מהנדסים במעבדות ברחבי העולם בחקירת החומר הזה כדי לקבוע אם אפשר לעבדו למוצרים דוגמת מבנים סופר-קשיחים, צגים חכמים, טרנזיסטורים בעלי מהירות-על ומחשבים הפועלים באמצעות מבנים זעירים המכונים נקודות-קוונטיות (quantum dots).
ובינתיים טבעו המוזר של הגרפן בקנה המידה האטומי מאפשר לפיזיקאים לחקור תופעות שחייבים לתארן באמצעות פיזיקת קוונטים יחסותית.
חקירת תופעות כאלה, שהן מן האקזוטיות ביותר בטבע, הייתה עד עתה נחלתם הבלעדית של אסטרופיזיקאים ופיזיקאים שהתמחו בחלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה, ולשם כך הם הסתייעו בטלסקופים שמחירם עשרות מיליוני דולרים או במאיצי חלקיקים שמחירם עשרות מיליארדי דולרים.
גרפן מאפשר לנסיינים לבדוק את תחזיותיה של מכניקת הקוונטים היחסותית בעזרת מתקנים הניצבים על שולחן המעבדה.
המאמר המלא התפרסם במגזין "סיינטיפיק אמריקן - ישראל" בהוצאת אורט.
לפנייה לכתב/ת 
גרפן
חתן הנובל אנדרה גיים
