تتمتع البلورة الواحدة بالعديد من المزايا، والتي تنشأ من عدم وجود حدود نووية نموذجية للبلورات "العادية". وتشمل هذه المزايا القوة الميكانيكية والمقاومة العالية للحرارة وتحسين التوصيل الكهربائي والحراري
نجح الباحثون في التخنيون في زراعة بلورة ذهبية مفردة مسامية، لأول مرة. البحث، الذي نشر في مجلة Nature Communication، أجرته طالبة الدكتوراه ماريا كويبمان كريستوسوف تحت إشراف البروفيسور بيز بوكروي من كلية علوم وهندسة المواد.
قد تكون المادة البلورية متعددة البلورات أو أحادية البلورية. البلورة المفردة هي مادة مصنوعة من ذرات مرتبة في ترتيب دوري طويل المدى، في حين أن البلورات المتعددة هي مادة مصنوعة من بلورات مفردة. تتميز البلورات المتعددة بخصائص مختلفة عن تلك الموجودة في البلورة الواحدة، وهو اختلاف ناتج عن اختلاف ترتيب الذرات.
البلورة الواحدة ليست اختراعًا بشريًا؛ وهو موجود في الطبيعة في مواد مختلفة. فالألماس، على سبيل المثال، عبارة عن بلورة واحدة من الكربون. في الطبيعة، هناك كائنات حية قادرة على تكوين بلورات مفردة ذات مظهر "غير بلوري"، أي أن شكلها مستدير وليس لها شوارب مستقيمة. في بعض الأحيان تكون هذه البلورات مسامية، أي مسامية. يقول البروفيسور بوكروي: "توجد بلورات في الطبيعة ذات شكل معقد للغاية ولا تحتوي على شعر مستعار على الإطلاق، وهي في الواقع بلورة واحدة". "على سبيل المثال، العمود الفقري لقنفذ البحر عبارة عن بلورة واحدة. وأي شخص ليس خبيرًا في هذا الموضوع سيجد صعوبة في تصديق أن هذه الأشكال هي بلورة واحدة."
تتميز البلورات الأحادية الاصطناعية، التي يتم إنتاجها (تنميتها) في المختبر، عادةً بمظهر أكثر "بلورية"، أي تهديب مميز. حتى الآن، لم يتم إنتاج أي بلورات تقريبًا في مختبرات مستديرة ومسامية كما هو الحال في الطبيعة، نظرًا لأن عملية الإنتاج هذه تمثل تحديًا علميًا وهندسيًا معقدًا للغاية. "من الممكن بالطبع إنتاج بلورات مفردة "بلورية" في المختبر ومن ثم معالجتها حتى تصل إلى الشكل المعقد المطلوب، ولكن هذه عملية مكلفة وطويلة، وفي الواقع مستحيلة عندما نريد الحصول على بلورة مسامية في النهاية. ولهذا السبب يتم استثمار الكثير من الجهد في تطوير طرق لتنمية بلورات مفردة."
يعتمد نجاح باحثي التخنيون في زراعة بلورة مسامية في المختبر على عملية مبتكرة طورها الاثنان: المعالجة الحرارية لطبقات رقيقة من الذهب والجرمانيوم. ينتج عن هذا العلاج قطرات سائلة يبلغ حجمها عشرات الميكرونات. يسمح تبريد القطرات للذهب بالتبلور أثناء إنشاء نقطة نوية واحدة، وبالتالي إنشاء بلورة مفردة مسامية. كشفت الاختبارات الشاملة للمنتج، باستخدام المعدات المتقدمة في مركز الفحص المجهري الإلكتروني في التخنيون، أن هذه بلورات مفردة يبلغ قطر قنواتها عشرات النانومترات.
توضح ماريا كويبمان: "إن دافعنا لتطوير التكنولوجيا الجديدة هو دافع علمي بحت، ولكن من الواضح أن مثل هذه المواد لديها إمكانات تطبيقية واسعة النطاق. تتمتع البلورة الواحدة بالعديد من المزايا، تنبع من عدم وجود حدود نووية نموذجية للبلورات "العادية". وتشمل هذه المزايا القوة الميكانيكية والمقاومة العالية للحرارة وتحسين التوصيل الكهربائي والحراري.
يتم إجراء الأبحاث المذكورة بدعم من معهد راسل بيري لأبحاث تكنولوجيا النانو في التخنيون، وبتمويل منحة ERC المقدمة للبروفيسور بوكروي من الاتحاد الأوروبي، وبالتعاون مع المسرع (السينكروترون) في غرونوبل ، فرنسا.
حصل البروفيسور بيز بوكروي على ثلاث شهادات في كلية علوم وهندسة المواد في التخنيون، وعاد إليها في عام 2009 بعد حصوله على درجة ما بعد الدكتوراه في جامعة هارفارد (تحت إشراف البروفيسور جوانا أيزنبرغ) وفي مختبرات بيل. يقول: "كانت الإقامة في الولايات المتحدة مثيرة للاهتمام للغاية، ومن حسن الحظ أنني حصلت على وظيفة هنا في إسرائيل في النهاية. هناك حافزان مهمان آخران للعودة هما منحة ألون المرموقة وفرصة أن تكون جزءًا من مركز راسل بيري في التخنيون. ليس لديه سوى أشياء جيدة ليقولها عن طلاب التخنيون - "إنهم ليسوا أقل جودة من طلاب جامعة هارفارد". يتكون فريقه من تسعة طلاب دراسات عليا.
بالفعل في مرحلة الدكتوراه، وتحت إشراف البروفيسور إميل زولوتويافكو، بدأ البروفيسور بوكروي في الانخراط في هندسة المواد المستوحاة من الطبيعة. "في كثير من الحالات، تتفوق الطبيعة علينا، نحن المهندسين، من حيث المنتجات التي تنتجها. أركز على التمعدن الحيوي - أي تعلم الآليات التي تتكون بها الكائنات الحية من المعادن. ومن المهم بالنسبة لي أن أشير إلى أنني أدرس هذه العمليات ليس لتقليدها كما هو الحال في مجال المحاكاة الحيوية، ولكن للحصول على الإلهام لعمليات هندسية مفيدة. ولهذا أسميها الهندسة المستوحاة من الحياة الحيوية. يتم تطبيق أحد أهدافي وهو اكتشاف كيفية إنتاج الأسطح والمواد المركبة بخصائص محسنة مستوحاة من الطبيعة."
