מה קורה לכימיה כשהיא נכנסת למים?
כימיה מסוג חדש, המבוססת על יחסי גומלין בין מולקולות מים, עשויה להניב חומרים חדשניים שהם עמידים בלחץ אבל גם מגלים גמישות וידידותיים לסביבה
יש יולדות שמעדיפות ללדת במים. נראה שיש משהו, בסביבה מיימית, שמשנה במידה משמעותית את התחושות והתוצאות, ולא במקרה - בני-אדם, כמו כל יצור חי אחר, מורכבים בעיקר ממים, וחשיבותם של מים במערכות ביולוגיות ידועה היטב.
גם כימיה מסוג חדש, המבוססת על יחסי גומלין בין מולקולות במים, עשוי להניב חומרים חדשניים, שהם עמידים בלחץ אבל גם מגלים גמישות - שילוב בלתי-אפשרי ברוב החומרים הנוצרים בשיטות הרגילות.
ד"ר בוריס ריבצ'ינסקי וחברי קבוצת המחקר שהוא עומד בראשה, במחלקה לכימיה אורגנית שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע, יישמו באחרונה את הגישה המקורית הזאת כדי ליצור מסנן לננו-חלקיקים, שלא רק הופך את תהליך מיון החלקיקים לפי גודל לפשוט יותר, אלא גם מתפרק לצורך ניקוי ואפשר למחזר אותו בקלות. ממצאיהם התפרסמו באחרונה בכתב העת המדעי Nature .Nanotechnology
מחפש מערכת חדשה לקשר
כמעט כל החומרים השימושיים המיוצרים כיום מבוססים על קשרים כימיים חזקים ובלתי-הפיכים, הקרויים קשרים קוולנטיים. הקשרים האלה - אותם אפשר למצוא, בין היתר, בפולימרים, אשר מהווים בסיס לכל החומרים הפלסטיים - מעניקים לחומרים חוזק, אבל במצבים רגילים אין להם יכולת להשתנות בקלות: ייצורם מחייב עיבוד מורכב, וקשה למחזרם.בניגוד למצב הזה, מערכות הקרויות "סופרה-מולקולריות" מתחברות באמצעות יחסי גומלין שאינם קוולנטיים. מערכות סופרה-מולקולריות הן בעלות יכולת הרכבה עצמית, והן מסוגלות להתאים את עצמן - לעיתים, לדוגמה, הן מסוגלות לתקן את עצמן - ולכן פשוט לייצר אותן ולמחזר אותן. אבל, עד כה, יתרון הגמישות של המערכות האלה עלה להן בחוזק; כלומר, בחיסרון יחסי של תכונת החוזק.
ד"ר ריבצ'ינסקי וחברי קבוצתו, ובהם ד"ר חיים ויסמן, ותלמידי המחקר אלישע קריג ואליה שירמן, ביחד עם ד"ר אייל שמעוני מהמחלקה לתשתיות למחקר כימי, חוקרים את הקשרים שאינם קוולנטיים בין מולקולות, הידועים בשם "קשרים הידרופוביים".
מולקולות הידרופוביות הן "שונאות מים": כאשר שמים אותן במים, הן יוצרות קשרים, בדומה לטיפות שמן שמתמזגות. ניתוח הכוחות הכימיים הפעולים בחיבורים האלה רומז על כך שהקשרים ההידרופוביים עשויים להיות חזקים, יחסית, אבל הם גם ניתנים להתאמה, ידידותיים לסביבה, וזול להפיק אותם.
האם הקשרים האלה מספיק חזקים כדי להשתמש בהם בייצור חומרים חדשים, אשר יתחרו בחומרים הקיימים, בעלי הקשרים הקוולנטיים?
מערכות סופרה-מולקולריות הן מועמדות טובות ליישומים מיוחדים כמו מסננים לננו-חלקיקים. המסננים הקיימים - שמטרתם למיין חלקיקים אשר קוטרם אינו עולה על מספר מיליארדריות המטר - הם יקרים, מסובך להשתמש בהם, והם נסתמים ונשברים בקלות. מסנן שניתן למחזרו - כלומר, שהקשרים הכימיים שהוא יוצר עם החומר נשברים ומתחברים מחדש - יכול היה להתגבר על הבעיות האלה.
מים בששון
המדענים יצרו מולקולות בעלות מרכיב הידרופובי גדול, המיסו אותן במים, ושפכו את התמיסה על חומר מסנן סטנדרטי, בעל חורים גדולים. במקום לעבור דרך החומר המסנן, נקשרו המולקולות ויצרו רשת תלת-ממדית, מחוררת בחורים אחידים בגודל מספר ננו-מטרים.
התברר, כי הרשת שיצרו משמשת מסנן מצוין לננו-חלקיקים. כשהעבירו המדענים תמיסה המכילה ננו-חלקיקי זהב דרך הרשת, התקדמו רק החלקיקים הקטנים מחמישה ננו-מטרים (שהוא סף קריטי עבור יישומים רבים) מעבר לקרום הסופרה-מולקולרי.
כאשר המיסו המדענים את הקשרים ההידרופוביים באמצעות אתנול, אפשר היה לאסוף את הננו-חלקיקים ולהשתמש במסנן שנית. המדענים חזרו על התהליך שוב ושוב, וגילו כי אפשר להמיס וליצור את רשת המסנן מספר רב של פעמים, ללא כל פגיעה ביעילותו וביכולותיו.
בהמשך ביקשו המדענים לבדוק האם הרשת יכולה להיות בררנית ומדויקת יותר במיון החלקיקים. לשם כך הם יצרו מבנה תלת-ממדי עבה מעט יותר. אחרי שהעבירו את תמיסת הננו-חלקיקים דרכו, הם בדקו את הרשת מתחת למיקרוסקופ אלקטרונים.
פגישה מפתיעה
פגישה מולקולרית
מגזין מכון ויצמן
איך מפגישים בין שתי מולקולות? מתברר כי על מנת שיתקיימו יחסים חמים בין מולקולה אחת לשנייה, צריך תחילה דווקא לקרר אותן. וגם מלכודת מגנטית לא תזיק
כפי שציפו, החלקיקים הקטנים יותר חדרו עמוק יותר לתוך החומר, בעוד שהחלקיקים הגדולים "נתקעו" קרוב יותר לפני השטח - באופן שאיפשר להפריד בין המידות השונות בקלות.
ד"ר ריבצ'ינסקי סבור, כי לאחר שיכלול ומחקר נוספים עשויות הרשתות לסינון ננו-חלקיקים להיות חלופות יעילות וירוקות לשיטות שבשימוש כיום. ייתכן שהשיטה יכולה לשמש גם למיון מולקולות ביולוגיות כמו חלבונים ודנ"א.
"השיטה הזאת עשויה להיות כלי זול וקל לשימוש, כמעט ללא בזבוז של חומר. אבל הדבר הכי טוב הוא, שהצגנו יישום חדש לגמרי לקשרים שאינם קוולנטיים: הראינו כי הם יכולים להיות חזקים והפיכים בעת ובעונה אחת, ולהוות בסיס טוב לחומרים חדשים, יעילים וירוקים יותר מחומרים קיימים".
חברת "ידע", המקדמת יישומים תעשייתיים על-בסיס המצאות של מדעני מכון ויצמן למדע, הגישה בקשה לרישום פטנט על הרשתות האלה
המאמר התפרסם במגזין מכון ויצמן למדע.
לפנייה לכתב/ת 
טכנולוגיה ירוקה
צילום: shutterstock
מולקולת מים
צילום: Dbc334, Ephemeronium cc
