חדשות

חוקרים מבית הספר לכימיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, פיתחו מערכת מהפכנית, המבטלת כמעט לחלוטין את החיכוך בין משטחים. הפיתוח החדש קיבל את הכינוי "על-סיכה", והוא מסוגל לבטל כמעט לחלוטין את החיכוך בין משטחים מיקרומטרים (מיקרומטר הוא אלפית המילימטר). בשביל מה זה טוב, אתם שואלים? ובכן, ביטול חיכוך בין משטחים יכול למנוע שחיקה ולחסוך אנרגיה רבה - החל בהארכת חיי מנועי מכוניות וכונני מחשב, דרך מניעת בלאי במסבי לוויינים, וכלה בשיפור פעולת מזרקים רפואיים ואפילו מפרקי גופנו.

מערכת סופר-על לביטול חיכוך

נושא החיכוך מעסיק את עולם המחקר כבר שנים רבות, וחוקרים רבים מחפשים את הפתרונות לצמצומו או אף לביטולו. לפיתוח החדש אחראיים פרופ' מיכאל אורבך ופרופ' עודד הוד מהאוניברסיטה, בשיתוף עם פרופ' מינג מא ופרופ' קוואנשואי ז'נג, מאוניברסיטת צינגחואה שבבייג'ין. מחקרם פורסם בכתב העת היוקרתי Nature Materials.

"חיכוך הוא כוח פיזיקלי בסיסי המופיע בכל מנגנון מכני. לעיתים קרובות החיכוך הוא חיוני לפעולת המערכת, אך פעמים רבות הוא גם גורם לשחיקה ולאובדן אנרגיה," מסביר פרופ' אורבך. "קיימות הערכות לפיהן כ-30% מהאנרגיה המסופקת על-ידי דלק בכלי-רכב אובדת עקב חיכוך, ולכך יש להוסיף את הנזק הכרוך בשחיקה ובבלאי. מסיבה זו מנסים מדענים בכל העולם לפתח מערכות, שיפחיתו משמעותית את רמת החיכוך בין גופים.

כבר בשנת 1993 הוטבע המונח "על-סיכה" על ידי קבוצת חוקרים יפניים, שהוכיחו כי מצב של חיכוך אולטרה-נמוך אפשרי מבחינה תיאורטית. עם זאת, עד היום לא יושמה מערכת על-סיכה ממשית במנגנונים מכניים שגודלם מעל ננומטרים ספורים (ננומטר הוא מיליונית המילימטר)".

לעשות סדר במבנה האטומי

במחקרם יצאו פרופ' אורבך ופרופ' הוד מנקודת הנחה, כי כשמניחים זה על גבי זה שני משטחים בעלי מבנה מולקולרי זהה – המשטחים יתקבעו בהתאמה אחד לשני, ולכן התנועה שלהם תהיה קשה וכרוכה בחיכוך רב. אולם אם מוצאים חומרים שהמבנה המולקולרי שלהם שונה, ומחליקים אותם זה על זה – התנועה תתרחש בקלות וכמעט ללא חיכוך. "דמיינו לעצמכם שני קרטוני ביצים המונחים זה על זה בהתאמה מלאה. קשה יהיה להניע אותם זה גבי זה. אולם אם רק נשנה את הכיוון בו הם מונחים – התנועה תהיה קלה בהרבה", מסביר פרופ' הוד.

לצורך הניסוי הם ציפו שני רכיבים מכניים בחומרים בעלי מבנה אטומי דומה, אך לא זהה. את הראשון ציפו בגרפן, העשוי שכבות פחמן בעובי אטום אחד בלבד, ומבנהו הגבישי דמוי כוורת משושים, ואת השני בגרפן לבן, הדומה לו מאוד במבנהו, אך נבדל ממנו בגודל המשושים. כתוצאה מהבדל זה, ידעו החוקרים כי לעולם לא תהיה התאמה מלאה בין שני המשטחים, והניחו כי הם יחליקו זה על זה בקלות, בכל כיוון. זאת בניגוד לשני משטחים העשויים מאותו חומר, שהם בעלי מבנה זהה, ולכן ננעלים זה בתוך זה, בדומה לקרטוני הביצים.

"המחקר מבוסס על עבודה תיאורטית שביצענו, שחזתה כי הממשק בין משטח של גרפן לבין משטח גרפן לבן, צפוי להציג על-סיכה ללא תלות בכיווניות היחסית של המשטחים", אומר פרופ' הוד. "המשמעות היא שאם נצפה שני רכיבים מכניים הנעים זה על זה, האחד בגרפיט (רב שכבה של גרפן) והשני בגרפיט לבנה (רב שכבה גרפן לבן), אנו צפויים לקבל על-סיכה יעילה ביותר".

עמיתיהם של פרופ' הוד ופרופ' אורבך באוניברסיטת צינגחואה ביצעו סדרת ניסויים, שהוכיחה את התיאוריה הלכה למעשה. התוצאות המרשימות הושגו במשטחים ריבועיים בעלי צלע באורך 3 מיקרון, ושטח מגע הגדול פי מיליון מניסויים קודמים. "המדידות של עמיתינו הסיניים, שנתמכו בחישובים שלנו, הראו חיכוך אולטרה-נמוך בין שני המשטחים, כשהם מחליקים זה על זה בכל זווית שהיא," אומר פרופ' הוד. "למעשה, מדובר בעל-סיכה המקטינה את החיכוך פי אלף בהשוואה לרמת החיכוך המכנית המוכרת לכולנו מחיי היומיום".

החיים ללא חיכוכים

הממצאים המעודדים, אשר מהווים למעשה פריצת דרך, יכולים להשפיע על חיינו בתחומים רבים. חלקם בעלי פוטנציאל לשימוש טכנולוגי כבר היום. "אנחנו צופים אינספור יישומים לטכנולוגיית העל-סיכה שפיתחנו. משטחים שגודלם מספר מיקרונים, כמו אלה שבנינו, יכולים להתאים כבר היום למכשירים זעירים, כמו רכיבי שעונים מכניים ואוטומטים, הנחשבים היום לפריטי אספנות יקרים, ולהתקנים מיקרו-אלקטרו-מכניים דוגמת חיישני תאוצה ולחיישנים כימיים", מסכם פרופ' אורבך ומוסיף "אנו מאמינים שבעתיד יפותחו גם משטחים גדולים יותר, שיותקנו במנועי מכוניות, במסבי לוויינים, ואולי אף בגוף החי. מערכות על-סיכה כאלה יחסכו כמות אדירה של אנרגיה, וימנעו בלאי ושחיקה בכל סוגי המנגנונים, החל במנועים ובמזרקים רפואיים, וכלה במפרקים שבגופנו".