חומרים מתוסכלים

אריאל בלונדר ושירה שובל בשיתוף עם פרופ' ערן שרון, מכון רקח לפיסיקה, האוניברסיטה העברית, ירושלים

התערוכה חומרים מתוסכלים היא פרי שיתוף פעולה בין אריאל בלונדר ושירה שובל (אשר יצרו בעבר במשותף כמה פרויקטים מרתקים) ובין פרופ' ערן שרון ממכון רקח לפיסיקה שבאוניברסיטה העברית. התערוכה חוקרת גישות חדשות לחומרים הנובעות מפיתוח טכנולוגי ותיאורטי וממחישה דרכים חדשות להתייחס לעולם החומרי. במרכז התערוכה מחקר צורני המבוסס על תיאור מתמטי של "חומר מתוסכל" (חומר הנתון למערכת של אילוצים ומניפולציות שונות), באמצעות חיתוכי לייזר של יריעות לטקס. בתערוכה התיאור המתמטי המאפשר תכנון ושליטה ברמת דיוק גבוהה מאוד, מפגש עם חשיבה עיצובית הבוחנת שליטה מול חוסר שליטה, תהליכי עבודה ידניים מול טכנולוגיים, התמקדות על התהליך מול התוצאה ופיתוח שפה חומרית וצורנית ייחודית ופואטית.

 

חומרים מתוסכלים | Frustrated Materials

פרופ' ערן שרון, מכון רקח לפיסיקה, האוניברסיטה העברית, ירושלים

שותפים למחקר: פרופ' רז קופרמן, פרופ' אפי אפרתי, דר' שחף ערמון, דר' הלל אהרוני

כאשר מאוויים ורצונות שלנו לא ניתנים למימוש, אם בשל אילוצים חיצוניים, או משום שהם סותרים זה את זה, אנחנו מתוסכלים. במצב זה אנחנו "מתוחים", "לחוצים" או טעונים ב"אנרגיות שליליות". אולי כלפי חוץ אנחנו נראים כרגיל, אך אם מישהו יתעסק אתנו, התוצאות עלולות להיות מוזרות, עוצמתיות ובעיקר בלתי צפויות. המתחים, הלחצים והאנרגיות האגורות בנו ישתחררו כש"נצא" על אותו חסר מזל… לכן, על פי רוב, אנו מנסים למנוע תסכול, כך שנהייה בשליטה, יותר יציבים, ונגיב באופן צפוי.

גם חומרים מוצקים יכולים להיות מתוסכלים! במקרה זה, מקור התסכול  הוא גיאומטרי וניתן לתארו באופן מתמטי. ממש כמונו, גם החומר מגיב על תסכול באגירת אנרגיה, מתחים ולחצים. חומר שכזה עשוי להיראות מבחוץ רגיל לחלוטין, אך כשמתעסקים אתו , למשל מכופפים, חותכים או מחממים,  הוא מגיב באופן מפתיע ובלתי צפוי ונותן ביטוי למתחים הפנימיים החבויים בו.

באופן מסורתי אומנים ואמנים שאפו לעבוד עם חומרים שאינם מתוסכלים – התנהגותם של חומרים שכאלה צפויה וניתן לשלוט בהם בקלות יחסית. מדענים אף ידעו לחשב את התנהגותם – למשל לחשב את חוזקו וצורתו של גשר כשמכוניות נוסעות עליו. הרבה ידע ומומחיות נצברו באשר לאופן בו מונעים תסכול מחומר, למשל annealing של זכוכית או מתכת, או איך מאתרים חומר טבעי לא מתוסכל, למשל, בחירת עץ לבנייה מדויקת.

לאחרונה נפתחה הדרך שעשויה להוביל לשינוי עמוק בגישה לחומרים. מחקרים תיאורטיים וניסויים פיתחו דרך לתיאור מתמטי מדויק של חומר מתוסכל, לחישוב צורתן התלת-ממדית של יריעות דקות מחומר שכזה ולתגובתן לחיתוכים ואילוצים שונים. התיאור מתבסס על גיאומטריה דיפרנציאלית, ענף של מתמטיקה המתאר משטחים ומרחבים עקומים (איינשטיין השתמש בכלים שכאלה לבניית תורת היחסות הכללית), ומאפשר להגדיר במדויק את התסכול הגיאומטרי של גוף. במקביל, פותחו שיטות ניסוייות המאפשרות לייצר גופים מתוסכלים באופן נשלט. על ידי שליטה בתכונות מקומיות של החומר, ניתן "לתכנת" יריעות כך שתהפוכנה מתוסכלות, בדיוק לפי התכנון. השיטות שואבות השראה מהאופן בו יריעות טבעיות משנות צורה. למשל עלה גדל, מדוזה שוחה, או לב פועם משנים את צורתם בעקבות תסכול גיאומטרי הנובע מהתפלגות לא אחידה של התנפחויות והתכווצויות. השילוב של תיאוריה חדשה עם שיטות ייצור, אפשר לראשונה לרתום את הפוטנציאל הצורני האדיר הטמון בתגובה המורכבת של יריעות מתוסכלות, ולהשתמש בו כדרך חדשה לעיצוב משטחים תלת-ממדיים. במידה מסוימת, היריעות המתוסכלות הפכו להיות צפויות ומובנות יותר, מבלי לאבד את הרב-גוניות והמורכבות שלהן. כעת כבר אין צורך להפטר מתסכול גיאומטרי. נהפוך הוא, אפשר להשתמש בו כדי ליצור מבנים שטרם נראו.

מעבר לעניין המדעי בחומרים מתוסכלים, עולה המחשבה מהן האיכויות האסטטיות והצורניות הייחודיות לחומרים שכאלה – חומרים שלא היו בנמצא עד כה. עבודתן של אריאל ושירה הנה הראשונה שחוקרת היבט זה. לצורך כך בחרו מבנה מתוסכל פשוט לייצור – יריעת גומי הנוצרת משתי יריעות המודבקות זו לזו בעודן מתוחות. ההדבקה מונעת מכל יריעה לחזור למצבה הרפוי ומכאן התסכול. שני חלקי היריעה נאבקים זה בזה, כשכל אחד מנסה להפטר מהמתח בו הוא שרוי. תוצאות מאבק זה קובעות את צורת היריעה. הצורות המתקבלות הנן תלת-ממדיות, ומתאפיינות בקימורים ופיתולים. שירה ואריאל חקרו את תגובת היריעות לחתכים שונים. בעוד שחתך בחומר לא מתוסכל נשאר בדיוק כפי שנוצר, החתכים בחומר המתוסכל נפתחים ויוצרים כיפופים גדולים ביריעה. צורת הכיפופים אינה זהה – היא תלויה בפרמטרים המבטאים את התסכול בחומר, למשל מידת המתיחות או כיוונן , ובפרמטרים של החתך עצמו – כיוונו, אורכו וההתעקלות שלו.

התבוננות בעבודות ממחישה את האיכויות הייחודיות לחומרים מתוסכלים: תגובה חריפה, שונות גדולה כתלות בפרמטרים ויצירת צורות תלת-ממדיות רכות ומפותלות. קשה מאוד ליצור מבנים שכאלה מחומרים לא מתוסכלים ובדומה למקרה האנושי, תגובת החומר משקפת לצופה חלק מהתסכול בו היה שרוי לפני חיתוכו. חלקה השיטתי של העבודה מראה כי אכן יש דרך להבין ואף לחזות את מאפייני ההתנהגות של החומר, אולם כשמערכת החתכים נהיית מורכבת יותר ויותר, תגובת היריעה לא ניתנת לחיזוי. בשלב זה, למדען אין עוד יכולת לתרום להבנת המערכת. הוא פוסע צעד לאחור ומשאיר את הזירה לאמן.

back to top