כתב סתרים עם טפלון

קוד סודי, או בעצם סוג של כתב סתרים מגניב - שאפשר לכתוב, להעלים ולפענח כמה פעמים שרוצים, ואיך אפשר "לראות" כיוון של מולקולות.

ציוד

• סליל טפלון, עדיף רחב ועבה (יש בכל חנות לחומרי בניין)
• עט או טוש על בסיס אלכוהול
• מספריים

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון:

פולי-טטרה-פלואורו-אתילן

טפלון, או בשמו הכימי פּוֹלִיטֶטְרָהפְלוּאוֹרוֹאֶתִילֶן, הוא חומר שהתגלה במקרה בשנת 1938 בארצות הברית, כאשר ניסו לייצר גז קירור למקררים. גז קירור לא התקבל – אבל התקבל חומר בעל תכונות מיוחדות, כאשר הידועה ביותר שלו היא חלקלקותו ושדברים לא נוטים להידבק אליו. מסיבה זו אחד השימושים הנפוצים ביותר בטפלון הוא ציפוי 'נון-סטיק', כלומר מונע הידבקויות, במחבתות וסירים.

מטפלון אפשר לייצר גם סרטים רכים למגע מצד אחד, וחזקים מאוד בפני מתיחה מצד שני – שאפשר לכרוך אותם בקלות על דברים אחרים. באינסטלציה תכונות אלו הקנו לטפלון שימוש מיוחד: שרברבים מלפפים רצועות טפלון על הברגות של צינורות וחלקי אינסטלציה בעת הרכבתם. החוזק הרב של הטפלון מונע ממנו להיקרע בעת ההברגה של המחברים, כאשר נוכחותו בין בין חלקי ההברגה אוטמת אותה מפני מעבר מים, והחלקלקות שלו (חיכוך נמוך) מונע מההברגות להיתקע ומאפשר פתיחה שלהן בקלות בעת הצורך.

סרט טפלון מלופף לצרכי אטימה על הברגות אינסטלציה לפני הרכבה | מקור: ויקיפדיה, נחלת הכלל

מכל החלקים בשמו הכימי הארוך של הטפלון (פּוֹלִי-טֶטְרָה-פְלוּאוֹרוֹ-אֶתִילֶן), החלק החשוב ביותר להבנת המתרחש בניסוי הוא ההתחלה – פולי. זו תחילית המסמלת שהחומר שייך למשפחת הפולימרים.

פולימרים הם קבוצה של חומרים שמה שמאפיין אותם ברמה החלקיקית, כלומר ברמה של החלקיקים הקטנים שבונים את החומר, זה שהם בנויים מהרבה (פולי, ביוונית) יחידות (מֶר) המחוברות זו לזו. התוצאה היא חומר המורכב מהרבה מולקולות ענקיות, לרוב בצורת שרשרת ארוכה הבנויה מהרבה יחידות המחוברות זו לזו. כל ה'פלסטיקים' הם למעשה סוג-של פולימרים.

מבנה כימי של טפלון (משמאל) ופוליאתילן – ממנו מייצרים שקיות פלסטיק (ימין). הקווים מיצגים קשרים כימיים. H מייצג אטומי מימן, C – פחמן, F – פלואור. n – מסמל שהיחידה חוזרת על עצמה פעמים רבות בשרשרת ארוכה.

סידור שרשראות

הפולימרים בנויים כאמור (לרוב) משרשראות ארוכות. במהלך השנים גילו החוקרים שייצרו פולימרים, שלאופן סידור השרשראות יש השפעה על תכונות החומר:

פלסטיק שבו שרשראות הפולימר מבולגנות וחסרות כל סדר (כמו פסטה ארוכה) – יהיה לרוב רך יחסית וחלש.

פלסטיק שבו שרשראות הפולימר קשורות זו לזו במעט קשרים – ייצור חומרים גמישים, ש'חוזרים לעצמם' אחרי מתיחה קלה - כמו גומי.

פלסטיק שבו שרשראות הפולימר קשורות זו לזו בהרבה קשרים – ייצור חומר קשיח ועמיד לחום.

ופלסטיק שבו שרשראות הפולימר מסודרות בכיוון מסויים – יהיה חזק מאוד בכיוון הסידור (וחלש יותר במאונך לכיוון הסידור) – וזה המצב בטפלון ובשקיות פלסטיק (בישראל הן מכונות לרוב שקיות ניילון, אך מבחינה כימית זו טעות. ניילון הוא פלסטיק אחר, השקיות בנויות מחומר בשם פּוֹלִיאֶתִילֶן).

הסיבה לשוני הזה בעמידות שונה לאורך ולרוחב נובע מכוחות כימיים: הכוחות שקיימים בתוך השרשראות – לאורכן, הם קשרים כימיים תוך מולקולריים, קשרים קוולנטים – חזקים, ואילו הכוחות שמדביקים את השרשראות זו לצד זו אלו קשרים כימיים בין מולקולריים – חלשים (בעיקר קשרים מסוג ואן דר-ולס).

זה כאילו סוג-של מצב צבירה שמשתנה בפלסטיק עם סידור המולקולות: פלסטיק מבולגן יותר דומה לנוזל (ולכן רך) ופלסטיק מסודר יותר דומה לגביש מסודר של מוצק.

יצרני הטפלון, וגם שקיות הפלסטיק, מצליחים באמצעות מתיחת החומר בעת ייצורו לכוון את המולקולות שלו בכיוון הרצוי להם – כך שהתוצר הסופי שייווצר יהיה חזק בכיוון שבו הם מעוניינים: בסרט טפלון לאורך הסרט, ובשקית - במאונך לכיוון הנשיאה שלה. גם כשמייצרים סיבים לבגדים (למשל "פוליאסטר") צריך שהסיב יהיה חזק למתיחה לאורכו, וגם שם סידור המולקולות חשוב.

ועל כך מבוסס הניסוי: מתיחת סרט הטפלון במאונך לסרט מרחיקה בקלות את המולקולות של הטפלון זו מזו, והופכת את הכתוב עליו ללא קריא, לעומת זאת מתיחת סרט הטפלון לאורך מחזירה את המולקולות שהורחקו זו מזו למקומם הראשוני, והכתוב נחשׂף. 

מתיחה של סרט הטפלון לרוחב "מוחקת" את הכיתוב בגלל הפרדת השרשראות | צילומי מסך מתוך סרטון מדע בבית

הניסוי הפשוט עם השקית ועם סליל הטפלון הם הדגמה נדירה יחסית – שבה אנחנו יכולים לדעת סידור של מולקולות – ששייכות לעולם ה'מיקרו', עולם החלקיקים הקטנים, באמצעות פעולה שאנחנו מבצעים בעולם המאקרו – עולם החפצים הגדולים בו אנחנו חיים.