בהמשך לסדרת "סליחות ממדענים" שפרסמנו לקראת יום הכיפורים, בחרנו להרחיב על סיפור ידוע נוסף – סיפורו של פרופ' דן שכטמן מהטכניון. פרופסור דן שכטמן מהטכניון זכה בפרס נובל לכימיה בשנת 2011, אך הדרך להכרה בתגליתו הייתה רצופה בהתנגדויות ואף בעלבונות אישיים. בשנת 1982 גילה שכטמן סוג חדש של סדר אטומי, שלימים כונה קוואזי־גביש, שלא התיישב עם הגדרת הגבישים שהייתה מקובלת באותה תקופה. המאמר הראשון שניסה לפרסם בנושא נדחה, ואחד הכימאים המובילים בעולם אף כינה אותו בזלזול "קוואזי־מדען".

פרסומת

בתחילת שנות ה־80 של המאה הקודמת היה דן שכטמן חבר סגל בפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון. באותה תקופה הוא חקר סגסוגות מתכת שקוררו במהירות, בתהליך המכונה חיסום [1], במטרה לפתח סגסוגות בעלת תכונות משופרות, ובהן חוזק ועמידות. 

בתהליך זה מחממים את הסגסוגת עד להתכתה, ואז מקררים אותה. קצב הקירור משפיע על סידור האטומים שמתקבל בחומר המוצק: קירור מהיר של סגסוגת מותכת מקצר את הזמן שבו אטומים יכולים לנוע ולהסתדר מחדש לפני ההתמצקות, ולכן עשוי להשפיע על הפאזות הנוצרות בה. פאזות אלו הן סוגי המבנים בחומר, שלכל אחד מהם סידור אטומי והרכב כימי אופייניים. במהלך הקירור נוצרים מוקדים זעירים של חומר מוצק – גרעיני התגבשות. במקרים רבים, גרעיני התגבשות קטנים מקנים לסגסוגת חוזק וקשיות גבוהים יחסית, מכיוון שבמבנים כאלה יש גבולות רבים יותר בין הגרעינים, ואלו מקשים על החומר להתעוות.

באותן שנים, גבישים הוגדרו כמבנים בעלי סדר מחזורי ארוך טווח: מבנה בסיסי של אטומים, הקרוי "תא יחידה", אשר חוזר על עצמו במרווחים קבועים במרחב. משפט ההגבלה הקריסטלוגרפי [2] קובע אילו סימטריות סיבוביות יכולות להתקיים במבנים מחזוריים כאלה. 
בשנת 1982 חקר שכטמן סגסוגת שהורכבה מהיסודות אלומיניום ומנגן, שאותה בחן באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים חודר (TEM), המאפשר להעביר אלקטרונים דרך דגימה דקה, וכך למדוד את תכונותיה (להרחבה על דרך פעולתו של מיקרוסקופ האלקטרונים ניתן לקרוא בפוסט קודם [3]). 

שכטמן הופתע לגלות גבישים בעלי סימטריה מחומשת, שאינה מתיישבת עם כללי המחזוריות של משפט ההגבלה הקריסטלוגרפי. מבנים מסוג זה קיבלו בהמשך את השם קוואזי־גבישים. מבחינה מתמטית, לא ניתן ליצור מבנה מחזורי בעל סימטריה מחומשת, מכיוון שתאי היחידה לא יכולים למלא את המרחב תוך שמירה על סימטריה זו. ניתן להמחיש זאת בעזרת הדוגמה הדו־ממדית של מחומשים משוכללים [4]: לא ניתן לכסות באמצעותם את רצפת הבית באופן מושלם, מכיוון שבין המחומשים ישארו רווחים. לעומת זאת, כולנו מכירים את מבנה חלת הדבש, המורכב ממשושים משוכללים הצמודים זה לזה באופן שיוצר כיסוי מושלם ומחזורי במישור.

אם כן, ישנם מבנים מחזוריים ומבנים שאינם מחזוריים, ושכטמן היה הראשון לזהות מבנים אטומיים בעלי סדר ארוך טווח שאינו מחזורי. דוגמה שעשויה להמחיש באופן חזותי את נושא הסדר שאינו מחזורי היא התבנית היפה המכונה ריצוף פנרוז, על שם המתמטיקאי רוג'ר פנרוז, שפיתח אותה בשנות ה־70 של המאה הקודמת. נזכיר שזו המחשה דו־ממדית בלבד, ואילו גבישים וקוואזי־גבישים הם מבנים תלת־ממדיים.

איור 1: ריצוף פנרוז, מתוך ויקיפדיה. המבנה מסודר, אך אין הזזה במרחק ובכיוון קבועים אשר יוצרת  מחזוריות.

התגלית של שכטמן זוהתה באמצעות תבנית עקיפה [5] שהתקבלה במיקרוסופ האלקטרונים החודר. תבנית עקיפה נוצרת מפיזור של קרינה אלקטרומגנטית (כמו אור או קרני X) או של אלקטרונים המוחזרים מהמבנה הנמדד. כאשר המבנה מחזורי או בעל סדר מסוים, ההחזרים יגיעו לגלאי בזוויות קבועות, מה שיגרום להופעת נקודות אור, שמהן ניתן ללמוד על הסדר המאפיין את הדגימה הנמדדת (ראו באיור 2). אם חומר חסר סדר סימטרי (אמורפי), הקרניים לא יחזרו בזוויות קבועות, ולא נבחין בנקודות ברורות.

איור 2: תבנית עקיפה של קוואזי־גביש בעל סימטריה מחומשת, שהתקבלה במיקרוסקופ אלקטרונים. התמונה מתוך אתר האקדמיה המלכותית השוודית למדעים [6].

שכטמן עבד בקבוצת המחקר של ויליאם בוטינגר, שלא היה מוכן לקבל את מסקנותיו בדבר קיומם של גבישים בעלי סימטריה מסוג חדש. בוטינגר אמר לו באופן ישיר: "דני, אתה בושה לקבוצת המחקר שלי. אני לא יכול להישאר איתך באותה הקבוצה". אך היו גם מי שתמכו בשטכמן – פרופ' קאהן וחוקרים נוספים מתחומי הקריסטלוגרפיה, שאף היו שותפים לכתיבת המאמר הראשון שהציג את התגלית המפתיעה [7]. 

מתנגד בולט נוסף לתגליתו של שכטמן היה הכימאי הנודע לינוס פאולינג, זוכה שני פרסי נובל – האחד לכימיה והשני לשלום. בכנס מדעי הכריז פאולינג בהתייחסו לממצאיו של שכטמן: "אין קוואזי־גבישים, יש רק קוואזי־מדענים". פאולינג טען ששכטמן ושותפיו שגו בכיול המדידות. לאחר שהובהר לפאולינג שלא הייתה טעות במדידות הוא התנצל על האשמת השווא, אך עדיין לא הסכים לקבל את הממצאים או לחזור בו מהתבטאותו הפוגענית. 

מעניין אם פאולינג היה מקבל את התגלית אילו היה בחיים בשנת 2011, אז זכה שכטמן להכרה הגבוהה ביותר על גילוי הקוואזי־גבישים: פרס נובל לכימיה.

סיפורו של פרופ' דן שכטמן מהטכניון אינו אומר שעלינו להתעלם מביקורת או להיאחז ברעיון ללא ראיות. הלקח ממנו הוא ש"לא" היא תשובה שנשמע לא פעם כאשר אנו עוסקים בתחומים חדשניים, ואין בה לבדה סיבה לרפות את ידינו. עלינו לזכור שגם אנשים בעלי ידע ומעמד עלולים לטעות בהערכת רעיון, ועם זאת – נצפה מהם להעביר ביקורת לגופו של עניין, ולא לגופו של אדם. כאשר אנו מאמינים בכיוון מסוים, עלינו לבחון אותו לעומק, לאסוף ראיות ולהיות מוכנים לבצע תיקונים, אך לא לוותר רק משום שאחרים עדיין אינם רואים את מה שאנחנו רואים. לפעמים ה"לא" כלל אינו מסמן את סוף הדרך, אלא מזמין אותנו לבסס את טענותינו, לבחון מחדש את מסקנותינו, ובעיקר –  להמשיך בדרך שהתחלנו. 

עריכה: סמדר רבן

1. חיסום – בוויקיפדיה בעברית
2. משפט ההגבלה הקריסטלוגרפי – בוויקפדיה באנגלית
3. על מיקרוסקופ אלקטרונים – פוסט במדע גדול, בקטנה
4. אי אפשר לרצף מישור במחומשים: "מאה שנים של מחומשים" – פוסט במדע גדול, בקטנה
5. עקיפה ועיקרון הויגינס, אתר "דעמדע״
6. אתר פרס נובל
7. המאמר הראשון של פרופ' שכטמן על גילוי מבנה הקווזי־גבישים