איך הופכים נוזל לזכוכית? ניפוץ תעלומה בת 100 שנה

כיצד נוזל הופך לפתע לחומר קשיח מבלי לשנות את המבנה?

לתעלומה זו, הידועה בשם "מעבר הזכוכית" (glass transition), נמצא פיתרון הודות לפרופ' חיים דימנט ופרופ' יעל רויכמן מביה"ס לכימיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, יחד עם קבוצת המחקר של פרופ' סטפן אגלהאף מאוניברסיטת דיסלדורף.

לאחר יותר ממאה שנה של מחקרים, פרופ' דימנט ופרופ' רויכמן סיפקו דרך חדשה להתבונן בתהליך המעבר בין מצבי צבירה, באמצעות מעקב אחר תנועתם של "חיישנים" זעירים בתוך החומר.

חיישנים זעירים בחומר זכוכיתי: כך הצליחו לראות את המעבר לנוזל קפוא

צוות המחקר התמקד בחומרים קולואידיים (תערובת של חלקיקים מיקרוסקופיים בנוזל) ומצא שכאשר ריכוז החלקיקים נמוך, המערכת מתנהגת כנוזל רגיל; ככל שהצפיפות עולה, כך החלקיקים מוגבלים בתנועתם, עד שהמערכת כולה "נתקעת" ומקבלת תכונות של מוצק, בדומה לזכוכית.

אותם חלקיקים קטנים וניידים השתלבו בתוך מערכת של חלקיקים גדולים יותר העוברים את המעבר לזכוכית; בעוד שהחלקיקים הגדולים איבדו בהדרגה את יכולת התנועה שלהם, החלקיקים הקטנים המשיכו לנוע – ובכך איפשרו למדוד כיצד משתנה החלל סביבם.

^{תנועת החלקיקים הקטנים בזכוכיות קולואידליות}

תנועות מנוגדות ומרחקים מתפשטים: מה קורה לחלקיקים כשהנוזל מתקשה?

החוקרים עקבו אחר זוגות של חלקיקים זעירים בעזרת מיקרוסקופים מתקדמים, ובדקו איך תנועה של אחד מהם משפיעה על השני.

קבוצת המחקר מצאה שכאשר המערכת נוזלית, התנועה "מתפשטת" למרחקים גדולים דרך הנוזל; ככל שהמערכת מתקרבת למצב הזכוכיתי, ההתפשטות נבלמת, והמערכת מתחילה להתנהג כמו חומר מוצק שסופג את התנע במקום להעבירו. 

החוקרים זיהו סימנים למעבר בין הנוזל למוצק; לדוגמה, תנועות מנוגדות בין חלקיקים סמוכים, אשר מעידות על היווצרות "התנגדות לגזירה" (shear strength) – כלומר, היכולת של חומר להתנגד לעיוות, אשר אופיינית למוצקים. סימנים אלו אימתו בדיוק רב תחזיות תיאורטיות של אותו הצוות מלפני מספר שנים.

הגשש בנוזל: חשיבות הממצאים מעבר לפיזיקת הזכוכית

לממצאי המחקר יש השלכות רחבות: השיטה החדשה יכולה לשמש לחקר ג'לים, חומרים רכים, מערכות פעילות ואפילו רקמות ביולוגיות – תחומים שבהם קשה לזהות מתי מערכת מפסיקה "לזרום" ומתחילה להתקשות.

החלקיקים הזעירים בעצם משמשים כ"גששים" מיקרוסקופיים אשר עדים לרגע שבו נוזל מאבד את אופיו, ומאפשרים לבחון את "ההופעה של תכונות מוצקות עוד לפני שהמערכת חדלה לזרום בפועל."

לדברי פרופ' דימנט, "חשיבותו של המחקר אינה רק בזיהוי סימנים חדשים למעבר הזכוכית, אלא בנקודת מבט חדשה על התופעה כולה." ממצאי המחקר "מראים שמעבר הזכוכית אינו מתמצה רק בהאטה הדרגתית של תנועת החלקיקים, אלא מלווה בשינוי עמוק באופן שבו החומר מעביר תנע מנקודה לנקודה."