תַקצִיר
מֶטָא——חומריםמכנייםהםמבניםגמישיםהמודפסיםבמדפסותתלת——ממד,עשוייםיחידותקטנותיותרהמאורגנותבתבניותהחוזרותעלעצמן。צורתהתבניותוהאופןשבוהןמסודרותבמרחבקובעיםאיךהחומריתנהגכאשרנלחץעליו。אםכלהיחידותבחומרמאורגנותלפיהכלליםהתואמיםלאופןשבוהןרוצותלשנותצורה,החומריוכללהתעוותבקלותכאשרנלחץעליו。,אלעומתזאתםהיחידותמסודרותכךשלאכולןיכולותלשנותצורהבוזמניתבאופןשבושהןהיורוצות,החומרמתוסכל,ויהיהקשהיותרלעוותאותו。עלידיתכנוןהמבנהשלמטא——חומריםביכולתנולשלוטבמידתהתסכולשלהם,ואפילולְעַצֵּבחומריםשיתעוותולכדיכלתבניתשנבחר!בחומריםהמתוכנניםלהתעוותבצורהמסוימתניתןלהשתמשלפיתוחטכנולוגיותחשובותחדשותשיוכלולסייעלאנשיםרבים。טכנולוגיותאלהעשויותאףלהפחיתאתהשימוששאנועושיםבמשאביהטבעהיקריםשלכדורהארץ。
כיצדחומריכוללהיותמתוסכל? !
כאשראתםשומעיםאתהמילהתסכול,ודאימתעוררתבכםמחשבהלגביתחושתהכעסאוהעצבנותהמציפהאתכםכשאתםמתקשיםבביצועמשימהכלשהי,כמולסייםאתשיעוריהביתבמתמטיקה,אולהתקדםשלבבמשחקמחשבמאתגר。אבלהאםידעתםכיישנםחומריםדוממיםהיכוליםאףהםלחוותתסכול吗?יתרהמזו,באפשרותנולהשתמשבתסכולהזהבשביללתכנןחומריםבעליתכונותמעניינותומיוחדותביותר!
חומריםרביםבטבעהםגבישים,כלומרהחלקיקיםהמרכיביםאותםמסודריםבמבנהשחוזרעלעצמו,כמולמשלבסָרִיגהריבועי(איור1)．לעיתיםקרובות,חלקיקיםסמוכיםרוציםלהיותבמצביםמנוגדים——לדוגמה,מִטעניםחשמלייםחיוביםושליליים,אוקיטובמגנטיהמצביעצפונהאודרומה。בסריגהריבועיהמוצגבאיור,הכדוריםהאדומיםוהכחוליםמייצגיםאתשניהמצביםהמנוגדיםהאלה。ניתןלוודאבקלותשאיןשניכדוריםסמוכיםבאותוהצבעכאשרממקמיםאותםלסירוגין,כמוסידורהמשבצותהלבנותוהשחורותבלוחשחמט。לאיור1 b),אחרישמיקמנושניכדוריםבעליצבעיםשוניםבמשולשבודדבסריג,הכדורהשלישישנמקםיהיהמתוסכל,בגללשהואלאיכוללקייםאתהכללים。הואיִרְצֶהלהיותכחולכדילהיותשונהמהשכןהאדוםשלו,אךגםירצהלהיותאדום,כדילהיותשונהמשכנוהכחול!לאמשנהעדכמהאנו(אוחוקיהטבע)ננסהלְרַצּוֹתאתכלהחלקיקיםהללו,בסריגמשולשגדול,תמידיהיוהרבהחלקיקיםמתוסכלים［2，1］．
- 迎新迎新迎新迎新迎新迎新迎新迎新迎新迎新迎新迎新迎新迎新迎新。
- 一个．בסריגריבועי,ניתןלְרַצּוֹתאתכלהחלקיקיםעלידיהקפתכלחלקיקבחלקיקיםבמצבהמנוגד(בדומהלמִטעןחשמליאולקיטובמגנטי)。B．לעומתזאתבסריגמשולש,לאחרשנְרַצֶּהשניחלקיקים,החלקיקהשלישישנמקםיהיהמתוסכל,משוםשלאיוכללהיותבמצבשונהמשנישכניו。
לים
חומריםמתוסכליםמתנהגיםבאופןשונהמאודמחומריםשאינםמתוסכלים,והיינומעונייניםלהביןטוביותרמדוע。באופןכללי,קשהלנולחקוראתההתנהגויותשלחלקיקיםבודדיםבחומרנתון,כיווןשחלקיקיםאלה,הנקראיםאטוֹמים，接口םז接口ירים。בדרךכללה,מרחקיםביןאטומיםסמוכיםבחומרמוצקהםמִסֵּדֶרגודלשלאַנְגְסְטְרֶם(A)אחד,שהואעשיריתהמיליארדיתשלהמטר!לר，טרדינם10,000,000,000נגסטרים。
למרבההמז,להאטומיםהרביםשמרכיביםחומררגילמתנהגיםבדרךכללבצורהדומהמאודזהלזה。לכן,לרובניתןלהביןאתההתנהגותשלחומריםגםבלילראותאתהמצבהמדויקשלכלחלקיקוחלקיקבתוכם。בשביללחקורבקלותרבהיותרמהמתרחשבתוךחומרים,אנויוצריםמבניםבהדפסתתלת——ממדהעשויים”חלקיקים”גדולים,שניתןלראותבקלות。במבניםאלההמרחקיםבין”חלקיקים”שכניםהםסנטימטרים,ולאאנגסטרמים。אנומכניםאתהמבניםהאלהמֶטָא——חומרים,בגללשאפשרלחשובעליהםכחומרהעשוימחומר。העבודהשלנולארקמסייעתבהֲבָנַתחומריםמתוסכלים;היאגםמאפשרתלנולתכנןמטא——חומריםבעליתכונותמיוחדותונשלטות,שעלאודותיהםנפרטבהמשךהמאמר。
גייםטתאיחידה．זוהיתבניתמסוימתהחוזרתעלעצמהבמרחבליצירתהחומר。התכונותשלכלחומרנקבעותהןעלידימבנהתאיהיחידהשלווהרכּבו,והןעלידיהאופןשבותאיהיחידהמסודריםזהלצדזהבמרחב。אנומְעַצְּבִיםאתהמטא——חומריםשלנו,ולכןיכוליםלבנותאיזהתאיחידהשנִרצה。באפשרותנוגםלְסַדֵּרתאייחידהרביםזהלצדזהבצורותשונות。נסאיור2 a．ץאיור2 b，回车回车，回车，回车，回车，回车，回车，回车，回车，回车，回车，回车，回车，回车，回车，回车，回车，回车，回车，回车，回车，回车，回车，回车。כאשראנומשלביםלבני——גומירבותכאלה,אנומרכיביםמבנהלונקראמֶטָא——קובייה．ביכולתנולסובבאתהלְּבֵניםכךשיִפנולכיווניםשוניםבתוךהקובייה[3.］．אנומעונייניםלהביןכיצדהכיווניםשלהַלְּבֵניםהשונותבתוךהמטא——חומרשבָּנִינוּקובעיםאתהאופןשבוהמטא——חומריתעוותכאשרנלחץעליו。
- 。
- 一个．。B．תאייחידהיכוליםלהתעוותבקלותבאחדמשניאופנִים:כאשרמפעיליםלחץמלמעלהומלמטה,אולחלופין,בהפעלתלחץמהצדדים。C．כאשרכלתאיהיחידהמאורגניםבאותוכיוון,מתקבלתמטא——קובייהמקבילה,שבהתאיהיחידהיכוליםלהתעוותלסירוגיןבשניהאופניםהללו(האיוראומץמ-Coulaisושותפים[3.])。
נתחילעםמטא——קובייהמקבילה,שבּהכלהלבֵניםמסודרותבכיווןהמוצגבאיור2 a．כאשרלוחציםעלהמטא——קובייהמלמעלהומלמטה,הלבניםהמרכיבותאותהמתעוותותלסירוגיןלאחתמשתיהצורותהמוצגותבאיור2 b．בכלפאהבתוךהמטא——קובייההדחוסה,לבנהאחתבולטת,ובלבנההשכנהנוצרשֶׁקַע(איור2 c)．מכךניתןלהסיקכיישנהּתְּאִימוּתבסידורשלהלבניםהמרכיבותאתהמטא——קובייה。אבלמהקורהאםהמטא——קובייהלאמסודרת,כלומרכללבנהמוצבתבכיווןאחר吗?
נסתכלעלמבנהפשוטהמורכבמארבעלבניםהמוצמדותזולזובריבוע(איור3)．כפישניתןלראותבמקראהצבעיםבאיור3,כלצבעמייצגאתהכיווןשאליוהלבנהפונהבריבוע。אםאנודוחפיםפאהאחתבריבועבןארבעהלבניםהזה,אומושכיםאותה,נוכללבחוןכיצדשארהפאותמתעוותות。הריבועהמוצגבאיור3לאמתוסכל。לעומתזאתלאמשנהמאיזהכיווןנפעיללחץעלהריבועהמוצגבאיור3 b，。הלבנהשבצדאחדשלפאהנתונהרוצהשפאהזותנועלכיווןאחד,ואילוהלבנהשבצידהּהשנישלאותההפאהרוצהשהפאהתנועבכיווןההפוך。תסכולבמטא——קובייהגורםלהלהיותקשיחהיותרבהשוואהלמטא——קובייהלאמתוסכלת,אותואמת,כיווןשישלהפעילכוחרביותרכדילהתגברעלהתסכולולעוותאתהמטא——חומר。
- איור3 -מצביםאפשרייםשלמטא——קובייה。
- 一个．כאשרתאיהיחידהמאורגניםבמבנהתואם,ניתןלְרַצּוֹתאתכולםבובזמן,ונוצרמבנהאשרקללדחוסאותו。ניתןלראותזאתבאיורעלידיהחיציםהצהובים,המצביעיםעלכיווןהעיוותשלכלפאה。B．אםתאיהיחידהמאורגניםכךשלאניתןלְרַצּוֹתאתכולםבוזמניתלפחותפאהאחתבמבנהתהיהמתוסכלת。מצבזהמוצגבאיורעלידיהחיציםהלבניםהכפולים,המדגימיםתחרותביןשניכיווניםמנוגדיםשלהעיוות。ךר。צבעיהקוביותמצביעיםעלהכיווןשבוכלתאיחידהממוקם。C．עיצבנומטא——קובייהשתתעוותלצורהרצויה(פרצוףמחייך)1,כאשרמפעיליםעליהלחץ(האיוראומץמ-Coulaisושותפים[3.])。
טים:
בשביללנתחאתכלהמטא——קוביותהאפשריות,לרבותאלההמורכבותמהרבהיותרמארבעלבנים,בָּנִינוּמודלמתמטי,המאפשרלנולדעתאםמטא——קובייהנתונההיאמתוסכלתאותואמת。המודלשפיתחנואיפשרלנולזהותאתכלהמטא——קוביותהתואמות,כלומרכאלושיכולותלהתעוותללאתסכולבאףאחדמתאיהיחידהשבתוכן。באמצעותהמודלהזהגילינוכימספרהמטא——קוביותהתואמותהואעצוּם!גדולכלכך,שביכולתנולְעַצֵּבמטא——קובייהשבהיתקבלעלפאהאחתשלהכלדפוסעיוותשבונחפוץ。לדאיור3 cכךשכאשרנלחץעליהמלמעלהומלמטה,היאתתעוותעםבליטותושקעיםשייצרופרצוףמחייךעלחזיתה1．אםנלחץעלהחזיתשלהעםאותודפוסמסויםשלפרצוףמחייך,המטא——קובייהתתעוותיחסיתבקלות。לעומתזאתאםנלחץעליהעםדפוסאחר,כמודפוסשטוחלדוגמה,יהיהקשהיותרלעוותמטא——חומרזה。המודלהמתמטישפיתחנומאפשרלנולנבאכיצדקשיחוּתהמטא——קובייהתִּגדלכתלותבתסכולשנייצרעלידידפוסהלחיצהבונשתמש。במיליםאחרות,הראינוכיהיכולתלעוותמטא——חומרתלויהלארקבכוחשאנומפעיליםעליואובסוגהגומישממנוהמטא——קובייהיוצרה,אלאבמידהרבהגםבתאימוּתשביןהתבניתשעימהאנולוחציםלביןהמבנההייחודישלאותהמטא——קובייה。
י
המטא——קוביותשפיתחנוהןמערכתמעניינת,שבאמצעותהניתןלחקורתאימוּתותסכולהמתרחשיםבחומר。כאשראנומשלבים”לבנים”זהוֹתבעלותדפוסחוזרהמונָּחותבכיווניםשונים,כדיליצורמטא——קוביותגדולות,אנויכוליםלתכנןחומריםשכלאחדמהםמתעוותבאופןמסויםכאשרמופעלעליולחץ。היכולתלשלוטעלהצורהשבההחומרמתעוות,עשויהלהיותשימושיתלמגווןסוגיטכנולוגיות。למשל,תָּאֲרוּלכםרובוטשיוכללכוונןאתקשיחוּתהזרועשלוכדילתפוסדבריםביעילוּתרבהיותר。לחלופין,מטא——חומריםיוכלולְשַׁמֵּשׁליצירתשתליםרפואיים,אורגלייםתותבותהמותאמיםבדיוקלגוףשאליוהםמוכנסיםאומחוברים。השימושבמטא——חומריםעשויגםלהפחיתאתהשימוששאנועושיםבמשאביהטבעהיקריםשלכדורהארץ。כעתתוכלולהיווכחכימטא——חומריםאינםרקחומריםמענייניםשיכוליםללמדנועלתסכול;הםעשוייםגםלעזורלנולשפרחייםשלאנשים,ולסייעבשמירהעלכדורהארץ!
מימון
מחקרזהמומןבאופןחלקיעלידיהקרןהלאומיתלמדעשלישראל,ועלידיהארגוןלמחקרמדעיבהולנד。
מילוןמונחים
תסכול(沮丧)：↑חוסרהיכולתלמלאבוזמניתכמהדרישותסותרות。［https://en.wikipedia.org/wiki/Geometrical_frustration］．
גביש(水晶)：↑חומרמוצקשמרכיביומאורגניםבצורהמסודרת。［https://en.wikipedia.org/wiki/Crystal］．
סריג(晶格)：↑מבנהחזרָתיששומרעלמראהוגםלאחַרשמזיזיםאותובכיווניםשונים。［https://en.wikipedia.org/wiki/Bravais_lattice］．
אטום(原子)：↑היחידההקטנהביותרשלחומררגילשממנועשוייסודכימי。［https://en.wikipedia.org/wiki/Atom］．
מטא——חומר(Meta-material)：↑חומרמלאכותיאשרתכונותיותלויותבעיקרבמבנההמהונדסשלהַתָּאיםהמרכיביםאותו。［https://en.wikipedia.org/wiki/Metamaterial］．
►►►►►►►►►►►►►►►：↑דפוסשחוזרעלעצמוומרכיבחומרגבישי。［https://en.wikipedia.org/wiki/Unit_cell］．
מטא——קובייה(Meta-cube)：↑מטא——חומרהבנוימ”לבנים”בצורתקוביות,שחוזרותעלעצמן,ומונחותבכיווניםשונים。
ינטרסים
המחבריםמצהיריםכיהמחקרנערךבהעדרכלקשרמסחריאופיננסישיכוללהתפרשכניגודאינטרסיםפוטנציאלי。
תודות
המחבּרמודהליערהשוֹקֶףולחביבהסִירוֹטָהעלהערותיהןוהצעותיהןהמועילותבתהליךכתיבתמאמרזהוהצגתו。
הערתשוליים
1.↑ראובסרטוןזה——תכנוןקומבינטורישלמטא——חומריםמכנייםמורכבים。
מאמרהמקור
↑库莱，C.， Teomy, E.，德罗伊斯，F.， Shokef, Y.，和van Hecke, M. 2016。织构机械超材料的组合设计。自然．535:529 - 532。doi: 10.1038 / nature18960
מקורות
[1]↑万尼尔，g.h. 1950。反铁磁性:三角形的伊辛网。理论物理。牧师。79:357 - 364。doi: 10.1103 / PhysRev.79.357
[２]↑韩，Y.，肖凯夫，Y.， Alsayed, A. M.， Yunker, P.， Lubensky, T. C.， and Yodh, A. G. 2008。弯曲胶体单层的几何挫折。自然．456:898 - 903。doi: 10.1038 / nature07595
[3]↑库莱，C.， Teomy, E.，德罗伊斯，F.， Shokef, Y.，和van Hecke, M. 2016。织构机械超材料的组合设计。自然．535:529 - 532。doi: 10.1038 / nature18960