ספיר: ה"קסם" החבוי באבני חן שקופות

 האם אי פעם התפעלתם מהכחול הבוהק של ספיר? אבן חן מסנוורת זו, המוערכת בזכות יופיה, טומנת בחובה "כוח על מדעי" סודי שיכול לחולל מהפכה בטכנולוגיה. פריצות דרך אחרונות של מדענים סינים פתחו את המסתורין התרמי הנסתרים של גבישי ספיר, ומציעים אפשרויות חדשות לכל דבר, החל מטלפונים חכמים ועד חקר החלל.

למה לא'האם ספיר נמס תחת חום קיצוני?

דמיינו מגן שמש של כבאי זוהר כלבן בלהבה, אך נותר צלול כבדולח. זהו הקסם של ספיר. בטמפרטורות העולות על 1,500 מעלות צלזיוס - חמות יותר מלבה מותכת - אבן חן זו שומרת על חוזקה ושקיפותה.

מדענים במכון הסיני לאופטיקה ומכניקה עדינה בשנגחאי השתמשו בטכניקות מתקדמות כדי לחקור את סודותיו:

• מבנה-על אטומי: האטומים של ספיר יוצרים סריג משושה, כאשר כל אטום אלומיניום נעול במקומו על ידי ארבעה אטומי חמצן. "כלוב אטומי" זה עמיד בפני עיוות תרמי, ומתגאה במקדם התפשטות תרמי של פחות מ...t 5.3 × 10⁻⁶/°C (זהב, לעומת זאת, מתרחב כמעט פי 10 מהר יותר).
• זרימת חום כיוונית: כמו רחוב חד-סטרי, חום זורם דרך ספיר ב-10-30% מהר יותר לאורך צירי גביש מסוימים. מהנדסים יכולים לנצל את "האניזוטרופיה התרמית" הזו כדי לתכנן מערכות קירור יעילות במיוחד.

חומר "גיבור-על" שנבדק במעבדות קיצוניות

כדי לדחוף את הספיר לקצה גבול היכולת שלו, חוקרים דימו את התנאים הקשים של החלל החיצון וטיסות היפרסוניות:

• סימולציית כניסה חוזרת של רקטותחלון ספיר בקוטר 150 מ"מ שרד להבות של 1,500 מעלות צלזיוס במשך שעות, ללא סדקים או עיוותים.
• מבחן סיבולת לייזרכאשר הותזו באור עז, רכיבים מבוססי ספיר החזיקו מעמד בחומרים מסורתיים ב-300%, הודות ליכולתם לפזר חום מהר פי 3 מנחושת.

מפלאי מעבדה לטכנולוגיה יומיומית

ייתכן שכבר יש לך טכנולוגיית ספיר מבלי לשים לב לכך:

• מסכים בלתי ניתנים לגירודהאייפון המוקדמים של אפל השתמשו בעדשות מצלמה מצופות ספיר (עד שהעלויות עלו).
• מחשוב קוונטיבמעבדות, פרוסות ספיר מכילות ביטים קוונטיים עדינים (קיוביטים), ושומרות על מצבן הקוונטי פי 100 יותר זמן מסיליקון.
• מכוניות חשמליותאבטיפוס של סוללות רכב חשמלי משתמשות באלקטרודות מצופות ספיר כדי למנוע התחממות יתר - משנה את כללי המשחק עבור כלי רכב בטוחים יותר ובעלי טווח ארוך יותר.

הקפיצה של סין במדע הספיר

בעוד שספיר נכרה במשך מאות שנים, סין כותבת מחדש את עתידה:

• גבישים ענקייםמעבדות סיניות מגדלות כיום מטילי ספיר במשקל של מעל 100 ק"ג - גדולים מספיק כדי לבנות מראות טלסקופ שלמות.
• חדשנות ירוקהחוקרים מפתחים ספיר ממוחזר מסמארטפונים ישנים, ובכך מקצצים את עלויות הייצור ב-90%.
• מנהיגות עולמיתהמחקר האחרון, שפורסם בכתב העת של גבישים סינתטיים, מסמן את פריצת הדרך הגדולה הרביעית של סין בתחום החומרים המתקדמים השנה.

העתיד: המקום שבו ספיר פוגש מדע בדיוני

מה אם חלונות יכלו לנקות את עצמם? או טלפונים נטענים מחום הגוף? מדענים חולמים בגדול:

• ספיר לניקוי עצמיננו-חלקיקים המשובצים בספיר יכולים לפרק ערפיח או לכלוך כאשר הם נחשפים לאור שמש.
• קסם תרמואלקטריהמרת חום פסולת ממפעלים לחשמל באמצעות מוליכים למחצה מספיר.
• כבלי מעלית חלללמרות שיחס החוזק-משקל של ספיר עדיין תיאורטי, הוא הופך אותו למועמד למבנים-על עתידניים.