גביש כמו-מחזורי (קוואזי קריסטל) טבעי שהגיע מהחלל החיצון

עודכן ב: 7 אוק 2020

כאשר מדעני פרינסטון בחנו רסיסים זעירים של מטאוריט שנחת על כדור הארץ לפני כ-15,000 שנה, הם גילו משהו מדהים. ראשית, המומחים גילו כי רסיסי הסלע מורכבים ממינרל נדיר להפליא הנקרא קאטירקייט (Khatyrkite) - דבר שלעצמו די מדהים. אבל זו לא היתה ההפתעה היחידה. הקאטירקייט הכילה מבנה גבישי שנראה כאילו הוא מתריס נגד חוקי הפיזיקה הארצית. למעשה הוא נראה די חוצני. למרות שחוקרים חשפו פעמיים חומרים עם מבנה גבישי דומה במטאוריט קאטירקייט, התגלית החדשה אינה זהה לממצאים הקודמים. כל שלושת הקלסטרים שונים זה מזה, אם כי נראה שלכל אחד מהגבישים הכמו-מחזוריים (Quasicrystals) האלה יש מאפיין משותף.


למרבה הפלא, לא נמצא מבנה נוסף כמו שלושת הקוואזי קריסטלים ממטאוריט הקאטירקייט שקיים באופן טבעי בשום מקום אחר על כדור הארץ. וזה מעלה שאלה מסקרנת: אם המבנים האלה הם כל כך נדירים, האם הם בכלל מכוכב הלכת שלנו? יכול להיות שאנו מתמודדים עם משהו שבדרך כלל נמצא רק בחלל החיצון?

הדגימה ממטאוריט הקאטירקייט

ובכן, אחד המדענים הבולטים ביותר כדי לענות על שאלה זו הוא פרופ' פול שטיינהרדט (Paul Steinhardt) מאוניברסיטת פרינסטון (Princeton University), שהיה מעורב מקרוב במחקר הקוואזי קריסטל במטאוריט הקאטירקייט. כדי לקבוע בדיוק מה הכיל הסלע, היה על שטיינהרדט להפוך לבלש. בשנת 2009 הדגימה היחידה הידועה של קאטירקייט הוחזקה במוזיאון ההיסטוריה של הטבע של פירנצה (Florence Museum of Natural History) באיטליה.


כאשר שטיינהרדט ועמיתו לוקה בינדי (Luca Bindi) שלחו דגימה זו לגיאולוג לינקולן הוליסטר (Lincoln Hollister) מפרינסטון, ראשית הייתה אכזבה. בתחילה, הוליסטר האמין כי הקוואזי קריסטל הוא כנראה תוצר לוואי של תהליך תעשייתי על כדור הארץ ולא משהו שהגיע מהחלל החיצון. אך לאחר מחקר נוסף, הוליסטר, בינדי ושטיינהרדט הגיעו בסופו של דבר למסקנה כי לא יתכן כי המבנה הוא מעשה ידי אדם. זה היה בין היתר בזכות חומר אחד במטאוריט: סטיסהוביט (Stishovite). הגרסה הזו של צורן דו-חמצני (silicon dioxide) - שהיא עצמה נדירה ביותר - הצהיר הוליסטר, "זה לא משהו שיוצר במפעל אלומיניום על פני כדור הארץ."


שטיינהרדט הבין שהקוואזי קריסטל הזה לא נוצר על ידי בני אדם; במקום זאת הוא נוצר באופן טבעי. זה היה ממצא מדהים. אחרי הכל, מדענים האמינו בעבר שקוואזי קריסטלים - שיוצרו במתכוון במעבדות כבר בשנת 1987 - אינם יציבים מספיק כדי להתרחש בטבע. אולם כעת נותרה רק שאלה אחת: האם הקוואזי קריסטל נוצר על כדור הארץ או במקום אחר?


לפני שנגיע לתשובה לחידה, בואו נבין קצת יותר מהם גבישי הקוואזי קריסטל המסתוריים האלה. הסיפור מתחיל עם פרופ' דן שכטמן (Prof. Daniel Shechtman), אשר בתחילת שנות השמונים הועסק במכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה של מרילנד (Maryland’s U.S. National Institute of Standards) ובמהלך עבודתו גילה תגלית מפתיעה. שכטמן בחן סגסוגת מנגן ואלומיניום ונתקל בתבנית גבישית שמעולם לא ראה. הפורמט הרגיל של מבני קריסטל הוא של תבניות סימטריות חוזרות ונשנות - למשל משולשים או קוביות. אך מה ששכטמן ראה היה קלסטר שבתוכו כל צורה הייתה שונה. זה היה קוואזי קריסטל.

משטח קוואזי קריסטל אלומיניום-פלדיום-מנגן (Al-Pd-Mn)

קוואזי קריסטל, בעברית גביש כמו-מחזורי או גביש קווזיפריודי הוא גביש שבניגוד לגבישים רגילים, שהם בעלי סריג מחזורי, הוא בעל סימטריה שאיננה מסתדרת עם מחזוריות. סימטריה משולשת, מרובעת או משושית מאפשרת מחזוריות במישור, ואילו לגבישים כמו-מחזוריים ישנה סימטריה שאינה מתיישבת עם מחזוריות במישור (כמו למשל סימטריה מחומשת או מתומנת) וניתן להסבירה על ידי הדוגמה של ריצוף פנרוז. היא יוצרת קווזיפריודיות במישור אך מחזוריות במישור הניצב לו.


פרופ' פאט תיאל (Prof. Pat Thiel), מדענית חומרים מאוניברסיטת איווה סטייט (Iowa State University), נתנה דוגמה מעשית של הנחת אריחים במטרה להמחיש את תכונותיהם של קוואזי קריסטל. בראיון בשנת 2011, הסבירה הפרופסורית, "אם אתה רוצה לכסות את רצפת האמבטיה שלך, האריחים שלך יכולים להיות מלבנים או משולשים או ריבועים או משושים. כל צורה פשוטה אחרת לא תעבוד, מכיוון שהיא תשאיר מרווחים, בקוואזי קריסטל, דמיינו שאטומים נמצאים בנקודות של האובייקטים בהם אתם משתמשים. מה שדני [שכטמן] גילה זה שהסימטריה המחומשת עובדת." אבל בעוד שמשולשים או ריבועים משתלבים זה בזה, הקוואזי קריסטלים בצורת מחומש משאירים מרווחים בתבנית שלהם. החללים הללו מתמלאים במה שתיאל מכנה אטומי דבק (glue atoms).


עם זאת, כמה מדענים לעגו במשך שנים לממצאי הקוואזי קריסטל של שכטמן, מכיוון שהם פשוט לא האמינו שניתן לבטל לחלוטין את הידע המקובל לגבי מבני גביש. למעשה, מנהל המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה של מרילנד אף ביקש משכטמן לעזוב את תפקידו. בהודעה לעיתונות של אוניברסיטת איווה משנת 2011, נזכר שכטמן, "זמן רב זה הייתי אני נגד העולם. הייתי מושא ללעג ולהרצאות על יסודות הקריסטלוגרפיה. מוביל ההתנגדות לממצאי היה לינוס פאולינג (Linus Pauling) חתן פרס נובל פעמיים - האליל של האגודה האמריקנית לכימיה (American Chemical Society) ואחד המדענים המפורסמים ביותר בעולם."


מאמר של רויטרס משנת 2011 אף ציטט את פאולינג באומרו: "אין דבר כזה קוואזי קריסטל - רק קוואזי מדענים." ובהודעה לעיתונות של אוניברסיטת איווה הסביר שכטמן את עמדתו של עמיתו המדען, "במשך שנים, עד יומו האחרון של פאולינג, הוא נלחם נגד מחזוריות קוואזית בגבישים. הוא טעה, וכעבור זמן, נהנתי מכל רגע של הקרב המדעי הזה, בידיעה שהוא טעה."

קוואזי קריסטל תְּרֵיסָרוֹן של Ho-Mg-Zn נוצר כתְּרֵיסָרוֹן מחומש

אבל התגמול הראוי על כך שהוא צודק בקשר לקוואזי קריסטל היה פרס נובל לכימיה, שקיבל שכטמן בשנת 2011. ואם אתם חושבים שרעיון של גבישים שנוצרו במעבדות נראה רחוק מחיי היומיום, חשבו שוב. למעשה, דוגמאות למבנים כאלה עשויים להיות בביתכם אפילו כרגע. מכיוון שקוואזי קריסטלים מעכבים את הולכת החום, הם אידיאליים הן למחבתות מונעות הדבקות והן לנורות לד, כמו גם למכשירים כירורגיים. ופרופסור בסאם שחשירי (Prof. Bassam Shakhashiri) מאוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון (University of Wisconsin-Madison) אןמר כי פוטנציאל הקוואזי קריסטל כחומר יתממש רק בעתיד.


עבודתה הראשונית פורצת הדרך של פרופ' תאיל בנושא קוואזי קריסטל עסקה בדגימות מעשה ידי אדם. האמונה הרווחת היתה כי קוואזי קריסטלים פשוט הפכפכים מדי להיווצרות טבעית. אולם תאוריה זו אותגרה על ידי הניתוח של שטיינהרדט ובינדי של הקאטירקייט שמצאו במוזיאון בפירנצה. שטיינהרדט חיפש עדויות לקוואזי קריסטלים שנוצרו באופן טבעי עוד משנת 1999, אך רק כעבור עשר שנים הוא נתקל בדגימה של הקאטירקייט בפירנצה. לאחר שהתברר כי הדגימה אכן הכילה קוואזי קריסטלים שנוצרו באופן טבעי, שטיינהרדט חש צורך לחקור הלאה.


שטיינהרדט העביר רסיס של הקאטירקייט מפירנצה למכון הטכנולוגי של קליפורניה (California Institute of Technology). שם, גילו מדענים כי הדגימה מכילה איזוטופי חמצן, שהצביעו על כך שהיא חייבת להיות ממטאוריט. במילים אחרות, הקוואזי קריסטלים נוצרו באופן טבעי - אך לא על כדור הארץ. ונראה כי ההיווצרות אירעה לפני יותר מארבעה מיליארד שנים - בערך בזמן שהשמש שלנו התחילה להיווצר.

קוואזי קריסטל טבעי Al71 Ni24 Fe5 ממטאוריט הקאטירקייט.

כעת כששטיינהרדט יכול היה להיות בטוח במקורם החוצני של גבישי הקוואזי קריסטל שלו, הוא הבין שהוא צריך למצוא עוד חומר כזה. אך מאיפה הגיעה דגימת הקאטירקייט של מוזיאון פירנצה? בשיחה עם המגזין קוואנטה (Quanta) בשנת 2014 אמר שטיינהרדט, "היינו צריכים לגלות כיצד הסלע הגיע למוזיאון. כל מה שהיה לנו זו קופסה.”


וזה מחזיר אותנו למדוע שטיינהרדט היה צריך להפוך לבלש; בקיצור, הוא היה צריך לאתר את מקור הקאטירקייט. בעודו נובר ברישומי המוזיאון של פירנצה, הוא הצליח למצוא מכתב. במכתב נטען כי הקופסה המכילה את דגימת הקאטירקייט הגיעה מאמסטרדם בהולנד וכי אספן בעיר בשם ניקולס קוקואק (Nicholas Koekoek) מכר אותה למוזיאון. אבל, באופן מתסכל, לא ניתן היה למצוא שום זכר לקוקואק הספציפי הזה - שם טיפוסי בהולנד.


ואז הגיע המזל. בעוד שהחוקר העמית של שטיינהרדט בינדי היה בארוחת ערב בפירנצה, הוא שעשע את שאר האורחים בסיפור על מטאוריט הקאטירקייט המסתורי ועל קוקואק החמקמק. באופן מדהים, אחת האורחות אמרה שהיא מכירה אישה מבוגרת בשם קוקואק שמתגוררת ברחוב שלה באמסטרדם. כאשר אותה אורחת חזרה לאמסטרדם, היא שאלה את שכנתה גברת קוקואק אם היא מכירה אספן עם שם משפחה זהה. והתברר שאכן כן, האיש המדובר, ניקולס קוקואק, הוא בעלה המנוח. הידיעה הזו הספיקה כדי להעלות את בינדי הישר לטיסה מפירנצה לאמסטרדם.


אף שלגברת קוקואק לא היתה כל ידיעה על שבר הקאטירקייט, היא אפשרה לבינדי לגשת לרישומים של בעלה המנוח. ורישום, במה שגברת קוקואק כינתה "יומנו הסודי של בן זוגי", הוביל לעניין מסקרן: ככל הנראה, האספן קנה את הדגימה ממישהו בשם טים ברומניה. אך בעוד שמידע זה נראה בתחילה מבטיח, הוא הוביל בסופו של דבר למבוי סתום.


בשיחה עם מגזין קוואנטה, נזכר שטיינהרדט, "בילינו שישה שבועות בניסיון למצוא את [טים] ולא קיבלנו אפילו שמץ של רמז. שלחתי את לוקה בחזרה לאישה הזו כדי לראות אם היא יודעת משהו על טים הרומני. היא לא. אבל היא חשפה שבעלה נהג לנהל יומן סודי סודי." והפריט הזה היה אמור להיות אינפורמטיבי יותר.


היומן "הסודי הסודי" הראה שקוקואק קנה את דגימת הקאטירקייט מלאונרד ראזין (Leonard Razin) מהמכון הרוסי לפלטינה (Russia’s Institute of Platinum) בסנט פטרסבורג (St. Petersburg). גם בינדי שמע על ראזין, מכיוון שהאיש הודיע ​​על הממצא הראשון של קאטירקייט בשנות השמונים. אז קוקואק רכש את הקאטירקייט, שלאחר מכן מכר אותו למוזיאון בפירנצה; באותו זמן, דגימה נוספת של המינרל הייתה אטרקציה בסנט פטרסבורג.


שטיינהרדט חיפש את ראזין במטרה לקבל מידע נוסף. לרוע המזל, ראזין לא יכול היה לספק מיקום מדויק לממצא. כל מה שהיה ידוע הוא שהדגימה התגלתה בהרי קוריאק (Koryak Mountains). וכיוון שזהו רכס ההרים השני בגודלו בסיביר, זה לא עזר הרבה.


נראה היה כאילו שטיינהרדט ובינדי חזרו להתחלה. אולם, ככל הנראה, ברצונו להמשיך, החליט שטיינהרדט לקרוא מחדש את דוחו של ראזין מ-1985 על הקאטירקייט. זה הניב פרט מבטיח, מכיוון שהתייחס לוולרי קריאצ'קו (Valery Kryachko) מסוים שהיה מעורב בממצא. ואז הגיעה פריצת דרך. כשדפדף בפרסום מדעי רוסי ראה שטיינהרדט שקריאצ'קו כתב מחקר בשנת 1995. שטיינהרדט נזכר ברגע שמצא את שמו של קריאצ'קו. "פתאום, עברנו מכלום לאולי - אולי, אולי זה הבחור שלנו", הסביר. הפיזיקאי הצליח לאתר את קריאצ'קו - כעת בשנות ה-60 לחייו - בבירת רוסיה במוסקבה. ועם מחסום השפה שנפתר באמצעות גוגל טרנסלייט, קריאצ'קו שמח לספר את מה שהוא יודע.


התברר שכשקריאצ'קו היה סטודנט לתואר שני, ראזין העסיק אותו בחיפוש אחר פלטינה. בסוף שנות ה-70 קריאצ'קו טס במסוק למיקום בסיביר כל כך מרוחק עד שהיישוב הקרוב ביותר היה במרחק מאות קילומטרים. באופן ספציפי יותר, המסוק נחת על יד נחל שנקרא ליסטווניטוביי (Listvenitovyi) הממוקם באזור בשם ברינגבוסקי (Beringovsky) בהרי קוריאק שבמזרח סיביר - שהוא כשלעצמו חלק מבודד של המדינה. ושם קריאצ'קו עבד פעם בחיפוש אחר פלטינה. אף על פי שלא היה שום סימן למתכת היקרה, הסטודנט נתקל בכמה גושים מתכתיים מוזרים.


קריאצ'קו העביר אז את החומר המוזר לראזין. ולמעשה, זו הייתה הפעם האחרונה שהוא שמע על הנושא עד ששטיינהרדט ובינדי יצרו עימו קשר אחרי כל אותן שנים. אבל היו גם חדשות טובות: קריאצ'קו יכול היה לאתר את המיקום המדויק בו מצא את הקאטירקייט. חלק זה של המדינה מפשיר רק כמה שבועות בשנה - כלומר החלון למחקר היה צר. שטיינהרדט נזכר, "אם היית שואל את רוב הגיאולוגים, כולם היו מסכימים שהסיכוי למצוא משהו היה זעיר, וכנראה שזה היה מרדף אחרי אווז בר. מצד שני, הדרך היחידה שהיה בה סיכוי הייתה ללכת עם ולרי [קריאצ'קו]."


אז זה בדיוק מה שהם עשו. בשנת 2011 קבוצה בת 13 אנשים - שכללה את שטיינהרדט, בינדי ואת קריאצ'קו עצמו - עשתה את דרכה למקום המרוחק בתקופת ההפשרה הקצרה. על מנת להגיע לשם, הצוות נסע על פני הטונדרה בעזרת שני חתולי שלג מיישוב כורים בשם אנאדיר (Anadyr). ובסך הכל לקח לחוקרים ארבעה ימים של נסיונות בתנאים קשים כדי להגיע לנחל ליסטווניטוביי.


במקום, הצוות הרכיב מעבדה זמנית לניתוח דגימות והחל לחפור בחימר, שהיה בגוון כחול-ירוק יוצא דופן. הנחל עצמו, היה לא יותר מאשר זרימה קלושה של מים קפואים. בתהליך החפירה מישהו תמיד עמד על המשמר עם מקלע בכדי להגן על הצוות מפני איום הדובים. נראה כאילו החופרים היו ברי מזל. ביום הראשון לתהליך, בינדי הבחין בחתיכת סלע בתוך החימר שהוא זיהה כשבר מטאוריט. עם זאת, במשך יותר משבוע המדענים המשיכו לנבור ב-1.5 טון חימר - שהניבו כמה קילוגרמים של דגימות אפשריות ואז הגיע הזמן לחזור הביתה.

Luca Bindi, Valery Kryachko and Paul Steinhardt (left to right)

"למחרת אנחנו נוסעים החוצה דרך ההרים, ואנחנו מסתכלים אחורה והכל לבן", אמר מאוחר יותר שטיינהרדט על עזיבתם. "יצאנו ממש יום לפני שהחורף הגיע." לאחר שהמדענים חזרו לארה"ב, היה זה הוליסטר ואחרים בפרינסטון שניתחו את הדגימות. התוצאות של הניתוח עודדו את החוקרים. הם הצליחו להחזיר לפחות תשעה גרגרי חומר שזוהו מאוחר יותר כשברי מטאוריט.


שברי מטאוריט אלה לא רק הכילו סגסוגות נחושת ואלומיניום שנצפו לעיתים נדירות, אלא שהם כללו קוואזי קריסטלים שנוצרו באופן טבעי. הוליסטר והאחרים בילו כשנתיים נוספות בניתוח תערובת החומר בקאטירקייט ובחיפוש אחר תיאוריה לכיצד היא נוצרה.


החוקרים מאמינים כי ככל הנראה, התערובת של הקוואזי קריסטלים וחומרים אחרים נוצרו בתחילה כתוצאה מהתנגשות מאסיבית בין שני אסטרואידים. בנוסף, חושבים שהחומר הנדיר שנמצא בקאטירקייט נוצר במקור על ידי כמה תהליכים לא ידועים בערפילית השמש - ענן אבק החלל שיצר את השמש שלנו ובסופו של דבר את כוכבי הלכת שאנו מכירים.


אפשרות נוספת היא שהמרכיבים הלא שגרתיים יותר של המטאוריט - כולל הקוואזי קריסטלים - יכולים היו להיווצר מחיבור אלים של אסטרואידים. אך המדענים שמחים להודות בכך שיש להם עוד הרבה מה ללמוד על אופן התגבשותם של קוואזי קריסטלים טבעיים. כפי שאמר שטיינהרדט בשנת 2016, "זה מאוד מאוד מוקדם ללימודים מסוג זה." זו הפעם הראשונה שההרכב המסוים הזה נמצא בטבע, מה שמרמז שאנחנו עדיין רק על סף ההבנה של צורת החומר המוזרה הזו.


צור קשר

ישראל-Q

info@q-israel.com

  • YouTube
  • Facebook