מטא-חומרים הם חומרים חכמים שהונדסו בידי אדם, ואינם מצויים בטבע. תכונותיהם של חומרים טבעיים נקבעות על ידי הרכבם הכימי (אטומים ומולקולות), ואילו התכונות הפיזיקליות של מטא-חומרים נובעות מהמבנה המרחבי שלהם. במילים אחרות: אבני הבניין המיוחדות, והאופן בו הן משתלבות זו בזו, קובעים את תכונות המטא-חומר.
מה ההבדל בין נייר שטוח לנייר מקומט?
גליון נייר שטוח ונייר מקומט עשויים מאותו החומר. אולם הגליון שטוח וגמיש, והדף המקומט קשיח וכדורי: הקימוט משנה את ההתנהגות של הנייר. "הנייר המקומט הוא מה שאנו מכנים מטא-חומר מכני: אם נשנה את הצורה שלו, הוא ישנה את התכונות שלו", אומר פרופ' יאיר שוקף, אחד השותפים למחקר והעומד בראש קבוצת המחקר בבית הספר להנדסה מכנית באוניברסיטת תל אביב.
טעות מכוונת מראש
תובנות חדשות מגיעות משיתוף פעולה בין אוניבריסטת תל אביב, אוניברסיטת ליידן ומכון AMOLF באמסטרדם. גב' אן מואסן, ד"ר ארדל אוגוז, פרופ' יאיר שוקף ופרופ' מרטין ון-הקה תכננו במכוון טעות במטא-חומר, פגם טופולוגי, וחקרו את ההשפעה שלו. "קיבלנו השראה ממסכי LCD. הם מייצרים צבעים שונים באמצעות מערכים של גבישים נוזליים קטנטנים. כשיוצרים פגמים במערכים האלה - כמו למשל כשלוחצים עם אצבע על המסך – מפרים את הסדר ומקבלים קשת של צבעים. פגמים משנים את הפעולה של המסך שלך."
השתלת פגמים באופן נשלט לתוך מטא-חומר אינה משימה קלה. צוות המחקר המציא חומר תיאורטי: מבנה שטוח, עשוי מאבני בניין משולשות, שהצדדים שלהן זזים בבליטות כלפי חוץ או שקעים כלפי פנים. בחומר מושלם, כל אבני הבניין משתלבות כמו בפאזל: כל בליטה ממוקמת מול שקע. אבל מה קורה אם מסובבים שורה של אבני בניין בפאזל, והחתיכות לא יכולות להשתלב יחד? "זה מה שאנו מכנים פגם גולבלי, או טופולוגי", מסביר פרופ' שוקף. "זוהי חוסר אחידות שלא ניתנת להסרה על ידי סיבוב של אבן בניין אחת בלבד".
תופעות מרחביות
הצוות השתמש בהדפסה תלת-ממדית על מנת לייצר את המטא-חומר הזה, שעשוי אבני פאזל מחוברות. המבנים שהודפסו איפשרו להראות איך פגם טופולוגי מייצר התנהגויות מפתיעות. החומר המושלם רך כשלוחצים עליו משני צדדים, אבל החומר הפגום שונה: צד אחד שלו מרגיש רך והשני קשיח. התופעה הזו מחליפה צדדים כשלוחצים בצד אחד ומושכים בצד השני: חלקים קשיחים הופכים רכים, וחלקים רכים הופכים קשיחים.
פרופ' שוקף אומר: "התנהגות לא סימטרית זו כתוצאה מפגם טופולוגי לא נראתה קודם. מצאנו דרך לייצר פגמים כאלה באופן מבוקר. בגלל שפיתחנו חוקי תיכנון כלליים, כל אחד יכול להשתמש ברעיונות שלנו. זו דרך חדשה להתבונן על מטא-חומרים מכניים: אנחנו משתמשים בעקרונות מפיזיקה של חומר מעובה וממתמטיקה על מנת לחקור מכניקה של חומרים. זה נפלא לראות איך חוקרים מתחומים שונים מקבלים השראה מהתוצאות שלנו".
מטא-חומרים מורכבים הנבדלים רק בכיוון של שתי אבני בניין (ירוק) מגיבים באופן מאוד שונה ללחיצה מכנית (צהוב). חצים מסמנים הזזות וצבעים מייצגים כוחות מכנים.
מן העיתונות
למאמר המלא ב Nature Physics
למאמר המשך
לסרטון הסבר
לכתבה המלאה בידען
לכתבה המלאה ב New-Tech
