אם זכוכית קשיחה מדוע היא נשברת כל כך בקלות? קיקו

נוסח השאלה המלא: אם זכוכית היא קשיחה מדוע היא נשברת בקלות כל כך ומה בעצם קורה בתהליך בהתייחסות למבנה החומר?

דווקא בגלל שזכוכית היא קשיחה, ובגלל שהיא לא גמישה – היא נשברת בקלות. האם ראית פעם פלסטלינה שנשברת, אפילו אם זורקים אותה הכי חזק שאפשר? – אני מניח שלא.
חומרים שעמידים בפני שבירה הם או חומרים רכים מאוד – כמו בצק, פלסטלינה או שקית פלסטיק. או חומרים קשים אבל גמישים – כמו קפיץ פלדה, קנה או מוט במבוק (שעושים ממנו חכה). לתופעה הזו שמו לב גם חז"ל ולכן טבעו את המשפט: "לעולם יהיה אדם רך כקנה ואל יהיה קשה כארז" לא מומלץ להיות קשה – כי חומרים קשים ולא גמישים נוטים להישבר (למשל בזמן סופה ורוח). דווקא הקנה הגמיש, אשר מתכופף לכל כיוון אליו נושבת הרוח עמיד בפני שבירה, כאשר הנמשל בבני אדם ברור.

הצמח קנה מתכופף ברוח. צילום: Darkone, תמונה באדיבות ויקיפדיה

בשפה העברית חסרות מילים לתאר את כל מגוון התכונות של החומר, באנגלית נהוג לציין מספר סוגי קשיחות / קשיות שונות:
קשיות-Hardness: חומרים הנמצאים בראש בקבוצה זו הם היהלום, הזכוכית ופלדות קשות. רוב החומרים הקשים בסוג קושי הזה שבירים.
קשיות-Toughness: חומרים קשים בראש קבוצה זו הם הפלדה, למשל, אבל המאפיין אותם הוא עמידות בפני מכות (או הפעלת כוח באופן כללי) התכונה מודדת למעשה כמה כוח יש להפעיל עד שהחומר ישבר.
קשיות-Stiffness: מאוד דומה לקודם, רק שכאן ההתייחסות היא לחומרים אלסטיים בלבד, ומודדת את מידת העיוות של החומר בהפעלת כוח.
(ויש גם קשיות-Rigidity שהיא גם סוג של מדד לגמישות החומר).
(אגב, הייתה כאן הדגמה יפה לחשיבות דיוק והקצאת המונחים במדע, בגלל שבשפה העברית ישנה מילה אחת לתיאור תכונות שונות, קשה היה אפילו לשים לב להבדלים בין סוגי הקושי)
אומנם יש חפיפה חלקית בין החומרים בעלי Hardness -Toughness גבוהים, אבל חשוב לדעת שמדובר בשתי תכונות חומרים שונות, כאשר כמו שאמרתי, חומרים בעלי קשיות-Hardness גבוהה הם בדרך כלל שבירים, אלא אם הם נמצאים גם בראש רשימת הקשיות-Toughness.
פרמטרים אלו ואחרים (כמו עמידות בפני מתיחה, לחיצה, פיתול, כוחות גזירה, כיפוף) מרכיבים מדד של 'חוזק (Strength, לא לבלבל עם חוזק-Strong) חומרים' – ובאמת יש הרבה סוגים של חוזק: עמוד בטון, למשל, עמיד מאוד מאוד בפני לחצים, אבל פחות עמיד במתיחה, ובמכות (הוא נשבר אם מכים עליו), כבל פלדה – לא עמיד כלל בפני לחצים (מתגלגל ומתקפל בכל הפעלת כוח), אבל מאוד עמיד בפני מתיחה. ולכן – בניינים בהם קיים לחץ עצום- בונים מבטון, ומנופים וגשרים תלויים שצריכים לעמוד בפני כוחות מתיחה – בונים בעזרת כבלי פלדה.

מבחינת ההתייחסות למבנה החומר -
זכוכית (וגם יהלום לצורך העניין) – בנויים ממה שנקרא 'שריג אטומרי': בחומרים אלו – כל אטום קשור לאטום אחר בקשר כימי קוולנטי, לרוב מספר קשרים לכל אטום, כך שכל גוש החומר הגדול הוא למעשה מולקולה אחת גדולה.

זכוכית מנופצת, תמונה באדיבות ויקיפדיה

המשמעות היא מעניינת – כאשר אנו מסתכלים על גרגיר חול (שעשוי מקוורץ, הוא סיליקון חמצני, SiO₂) או על יהלום (שבנוי מאטומי פחמן, C, בלבד הקשורים זה לזה ברשת תלת מימדית) אנו למעשה רואים את המולקולה עצמה! ולכן חומרים אלה מתאפיינים בקושי-Hardness אבל לא מתאפיינים בגמישות – מצד אחד כל אטום ואטום 'תפוס' בחוזקה רבה על ידי קשרים קוולנטים, אבל מצד שני כל תזוזה מרחיקה את האטומים זה מזה לזווית או למרחק כזה ששובר את הקשר. ולכן – כאשר זכוכית נשברת למעשה – נשברים קשרים כימיים קוולנטים. תהליך השבירה הוא מאוד מהיר (יותר ממהירות הקול) ועדיין לא ברור לגמרי איך מתרחש (מחקר עכשווי מתנהל במכון ויצמן על תהליך השבירה עצמו). מתכות, בניגוד לזכוכית, מאוד עמידות בפני מכות, בזכות המבנה המיוחד של 'ים האלקטרונים' ממנו הם בנויים – שדווקא מאפשר לאטומים מהם בנוייה המתכת לזוז בלי לשבור את הקשר.

מאת: ד"ר אבי סאייג
המחלקה לנוירוביולוגיה ומכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.