top of page

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

עודכן: 7 באוק׳ 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 ה