בתכונות מכניות הגודל קובע

“גבישים הם כמו אנשים: הפגמים שבהם עושים אותם מעניינים”

(סר פרדריק צ’רלס פרנק)

מבנים אשר גודלם קטן ממיקרון אחד נפוצים בשנים האחרונות כאבני ייסוד בתעשיית הננו-טכנולוגיה. התכונות המכניות של מבנים אילו שונות לחלוטין ממבנים “גדולים” (נפחיים) העשויים מאותו החומר. מעבר לחשיבות בהעמקת ההבנה שלנו כיצד חומרים בסקאלות ננומטריות מתכופפים תחת עומס, הבנת הגורמים המשפיעים על התכונות המכניות חשובה במתן קווים מנחים לייצור רכיבים ננו-מכניים ושליטה בתכונותיהם. למשל, החוזק לכניעה של מבנים בעלי מימדים תת-מיקרוניים תלוי במימדי ובצורת הגוף וגדול במספר סדרי גודל מזה של גופים גדולים מאותו החומר. כך מתקבל שננו-חלקיקי זהב הם בעלי חוזק לכניעה הגדול פי עשרה מזה של חרב פלדה. דוגמא נוספת לתכונה המיוחדת לגדלים ננומטריים היא אופי המעוות של מבנים אלה, אשר מתרחש “בהתפרצויות” מעוות, ולא באופן הדרגתי.

על מנת להבין ולשלוט בתכונות אלו, עלינו להבין את הגורמים השולטים באופי המעוות. ידוע מזה עשרות שנים שהגורם למעוות בלתי-הפיך (פלסטי) של חומרים בעלי מבנה גבישי הוא יצירה ותנועה של פגמים קוויים במבנה האטומי הנקראים נקעים. מציאת הקשר בין התכונות המורכבות של נקעים ובין השפעתם על חוזק החומר הינו אתגר גדול במדע. חרף מורכבות הבעיה, הצפיפות העצומה של הנקעים בחומרים נפחיים מאפשרת לטפל בהשפעתם בצורה אפקטיבית, מבלי לרדת לעומקו של הקשר בינם ובין המעוות הפלסטי באופן כמותי. על בסיס הנחה זו מבוססים רוב חישובי האלמנטים סופיים. ברם, ככל שאנו מקטינים את גודל הדגמים, לא ניתן יותר להתייחס לנקעים באופן אפקטיבי וכלי האלמנטים הסופיים מגיעים לקצה גבול היכולת שלהם.

מטרת המעבדה לסימולציות בננו-מכניקה בהנחיית ד”ר דן מרדכי היא מציאת פתרונות חישוביים ואנליטיים לשאלות הנדסיות בננו-מכניקה ותכונות החומר. במסגרת המחקר אנו מפתחים ועושים שימוש בכלים חישוביים אטומיים ומזוסקופיים, אשר בשילוב עם עבודה אנליטית וסימולציות אלמנטיים סופיים, יאפשרו לנו להבין את התכונות המכניות בעולם הננומטרי. למשל, באמצעות סימולציות דינמיקה מולקולארית, בהם אנו מתארים את תנועת האטומים המרכיבים את החומר, ובאמצעות חישוב אלמנטים סופיים, אנחנו חוקרים את התכונות המכניות של ננו-חלקיקים מתכתיים ולומדים על היווצרותם של נקעים והשפעתם על חוזק החלקיקים. לאחרונה כלי חישוב אלה אפשרו לנו אף לזהות לפרטים את מנגנון הקפיצה למגע בין שני משטחים בעלי שטח מגע ננו-מטרי.

כלים חישוביים חדשניים אלה דורשים עוצמה חישובית רבה, והם מבוצעים על מחשבים מקביליים, אשר פורשים את החישוב על פני מספר ליבות בו זמנית. המחשב המרכזי שהוקם במעבדה הינו מחשב מקבילי של חברת TTN/SGI, הכולל כ-200 ליבות עם מעבדי Intel® Xeon®. מחשב זה מתווסף לציוד התשתיתי הטכניוני בו כבר נעשה שימוש במסגרת המחקר במעבדה. מחשבים עתירי ביצועים אלה מאפשרים לנו להרחיב את גבולות החישוב שלנו ובכך להתקרב צעד נוסף לעבר הבנת התכונות המכניות במימדים ננומטריים.