מדענים הצליחו לראשונה ליצור "גולדן": יריעת דקיקה של זהב המורכבת משכבה אחת ויחידה של אטומים
תכונותיו יקרות המציאות של הזהב ידועות לאנושות מאז שבני האדם למדו להפיק מחצבים. בתור מתכת, הוא מוליך חשמלי מצוין, הוא רך למדי ואינו נוטה להיקשר בקלות לחומרים אחרים. עם זאת, בטבע הוא דווקא אינו מופיע בצורתו הטהורה, אלא בעיקר בתור סגסוגת עם כסף ששמה אלקטרום (מיוונית: "ענבר").
צורפי תכשיטים נוהגים לרקע רדידי זהב דקיקים במיוחד. אך למרות כל מאמציהם, הם לא יצליחו לעולם ליצור יריעות זהב דקות יותר מאלה שנוצרו כעת לראשונה במעבדה. חוקרים משבדיה פיתחו תהליך חדש שאיפשר להם ליצור גיליונות זהב שעשויים משכבת אטומים יחידה. התהליך תואר לאחרונה בכתב העת Nature Synthesis.
חוקרים משבדיה פיתחו יצרו גיליונות זהב שעשויים משכבת אטומים יחידה. שניים מהחוקרים במעבדה | Olov Planthaber
מגרפן לגולדן
חומרים חד-שכבתיים הם אחד התחומים החמים ביותר בפיזיקה של מצב מוצק. התחום נולד לפני עשרים שנה, ב-2004, במהלך מחקר עצמאי שערכו להנאתם הפיזיקאים הבריטים קונסטנטין נובוסלוב (Novoselov) ואנדרה גיים (Geim) בזמנם הפנוי במעבדה בסוף השבוע. מתוך סקרנות הם ניסו לקלף שכבות כמה שיותר דקות של גרפיט – אחת הצורות הנפוצות של פחמן, שמשמש בין השאר למילוי עפרונות. בעזרת נייר דבק הם הצליחו ליצור יריעות פחמן בעובי של אטום בודד. ההפתעה האמיתית באה לאחר מכן, כשהתברר שלחומר החד-שכבתי שנוצר יש תכונות מכניות ואלקטרוניות מפתיעות, שבזכותן זכו השניים בפרס נובל לפיזיקה בשנת 2010. לחד-שכבה הזאת הם קראו גרפן (graphene).
עד מהרה התברר שגרפן הוא חומר חזק וגמיש מאוד, ובעל תכונות של מוליך למחצה, כלומר במתחים מסוימים הוא יכול להפוך מחומר מבודד לחומר מוליך. לתכונה הזאת יש שימושים רבים בתעשיית המחשבים; לכן תפקודם של מוליכים למחצה מתוחכמים ובעלי תכונות נשלטות חשוב מאוד הן להבנת התיאוריה הפיזיקלית והן לפיתוח יישומים טכנולוגיים מועילים.
בשנים האחרונות כבר נעשו ניסיונות לבודד חד-שכבה של אטומי זהב, שבהשראת הגרפן תיקרא "גולדן" (Goldene; במלרע). בדרך ליעד הצליחו חוקרים לכלוא שכבה של אטומי זהב בין אטומי פחמן ליריעת טיטניום, במעין כריך מתכתי-פחמני. אבל גם זה הותיר עדיין את המשימה המפרכת בפני עצמה של הוצאת הזהב מתוך הכריך.
הצליחו ליצור יריעות פחמן בעובי של אטום בודד. אילוסטרציה של מבנה יריעת גרפן | Artur Plawgo / Science Photo Library
קורות הכריך המכני
"הרעיון המקורי נועד ליישומים אחרים לחלוטין. התחלנו עם חומר בשם טיטניום סיליקון קרביד, שהסיליקון מצוי בו בתור שכבות דקות, בין הטיטניום לפחמן. הרעיון היה לצפות את החומר בזהב, אבל כשחשפנו את התרכיב לטמפרטורה גבוהה, הזהב תפס את מקומה של שכבת הסיליקון", סיפר הפיזיקאי לארס הולטמן (Hultman) מאוניברסיטת לינקופינג, הכותב הראשי של המאמר. כך נוצר הכריך, עם הזהב באמצע.
תהליך החילוץ של הזהב החד-שכבתי מהכריך דרש שימוש יצירתי בשיטות מתחום הכימיה. אחת הטכניקות השימושיות בסינתזה של ננו-חומרים נקראת גילוף (Etching), והיא נועדה לסילוק שיירים של פחמן ופלדה מתוצרים מתכתיים. לשם כך חושפים, בדרך כלל, את הזהב, או מתכת רצויה אחרת, לתמיסה מאכלת, שלפעמים משופעלת באמצעות אור.
לצורך הגילוף השתמשו החוקרים בתמיסה שנקראת מגיב מורקמי. להכנת התמיסה משתמשים בתרכובות אשלגן פריציאניד ואשלגן הידרוקסיד שהומסו במים. התברר שאכן מגיב מורקמי מסלק ביעילות רבה את הטיטניום והפחמן, אך בתוך כך הוא פולט מתוכו את האשלגן פריציאניד, שבתורו מאכל את הזהב. הזנב הציאנידי של המולקולה, שעשוי פחמן וחנקן, מתרכב היטב עם הזהב ופוגם מאוד בתהליך. כדי למנוע את זה צריך לבצע את התהליך בחושך – ואז האשלגן פריציאניד לא נוצר והגולדן נותר מוגן.
תהליך החילוץ של הזהב החד-שכבתי מהכריך דרש שימוש יצירתי בשיטות מתחום הכימיה. אחת החוקרות שוטפת את הזהב במהלך ההכנה | Olov Planthaber
אסור להתקפל
עד גילוי הגרפן, מדענים סברו שחומר כזה כנראה אינו מעשי, מכיוון ששכבה דקה במיוחד של פחמן, שעובייה אטום בודד, לא יכולה להתקיים במצב יציב ושטוח. היא נוטה מטבעה להתקפל בעת הקילוף עקב פעולתם של כוחות חשמליים שמדביקים את היריעה לעצמה ומקמטים אותה. החשש הזה אכן מתממש בתהליך הקילוף של הגולדן. כדי לסכל אותו מוסיפים לתמיסה מראש חומר פעיל שטח, שמונע את ההתקפלות.
לאחר שהצליחו לבודד את יריעות הגולדן, בחנו החוקרים את תכונות ההולכה שלו. גם כאן התברר שמדובר במוליך למחצה – דבר שנובע מהקשרים החופשיים שנותרו לכל אטום זהב כשהחומר התלת-ממדי נהיה דו-ממדי, כלומר שכבה יחידה. מסתמן שלגולדן יש יתרון על פני הגרפן בכך שאפשר לווסת את תכונות ההולכה שלו. ייתכן שהיכולת הזאת תאפשר להשתמש בו לטיהור מים ולהתקנים בתחום התקשורת.
