המחקר שעשוי לסייע בהפחתת זיהום אוויר

חוקרים מהאוניברסיטה העברית בירושלים ואוניברסיטת קליפורניה בברקלי השיגו לראשונה תובנות חדשות על אופן הפעילות של זרזים כימיים, המשמשים ליצירת דלקים, חומרי פלסטיק ודשנים. הבשורה לצרכנים: בעתיד יהיה ניתן לייצר זרזים יעילים וסביבתיים יותר שיסייעו בהפחתת זיהום האוויר ויוזילו את עלויות הייצור.

במחקר ראשון מסוגו שנערך בהובלתם של ד"ר אלעד גרוס מהמכון לכימיה והמרכז לננוטכנולוגיה באוניברסיטה העברית ופרופסור דין טוסט מהמכון לכימיה באוניברסיטת קליפורניה בברקלי, הושגו תובנות חדשות לגבי אופי פעילותם של זרזים כימיים. לראשונה בעולם, נצפתה פעילות כימית על פני חלקיקי פלטינה בודדים. חלקיקים אלו דומים לחלקיקים מהם מורכבים הזרזים בתעשייה הכימית.

ד"ר אלעד גרוס (מימין) ופרופ' דין טוסט(צילום: רוי קלטשמיט - אוניברסיטת קליפורניה, ברקלי)

באוניברסיטה העברית הסבירו כי מרבית החומרים התעשייתיים שמקיפים אותנו וחיוניים לתפקודנו היומיומי במאה ה-21, כגון דלקים, מוצרי פלסטיק או דשנים, אינם מגיעים ככאלה ישירות מן הטבע, אלא עוברים תהליכים כימיים המשנים אותם בכדי שיתאימו לצורכי האדם. בכדי ששינויים כימיים אלו יתבצעו בצורה יעילה ויהפכו בהצלחה חומר מצורתו הגולמית בטבע לדלק עבור המכונית או דשנים לגינה, נעשה שימוש בזרזים (קטליזטורים). הזרזים מורכבים ברובם מחלקיקי מתכות קטנטנים, למשל פלטינה, ברזל, פלדיום או כסף, בגודל ננומטרי, המאפשר ניצול מרבי של תכונותיהם הכימיות.

עוד הסבירו באוניברסיטה העברית כי דוגמה לשימוש בזרזים כאלה הוא למשל בתהליך ייצור הדשנים לחקלאות. מרבית הדשנים, מיוצרים כיום בתהליך מלאכותי שבו נעשה שימוש בחלקיקי ברזל כזרזים. חלקיקי הברזל גורמים לכך שמולקולות מימן ומולקולות חנקן, שבדרך כלל אינן מגיבות זו עם זו, יתפרקו וייצרו חומר חדש - אמוניה, שהינו חומר הגלם המרכזי ביצירת דשנים.

אף על פי שזרזים משמשים ליצירת חומרים שונים בתעשייה הכימית כבר יותר ממאה שנה, ישנם עדיין פרטים רבים הקשורים לתהליך ולאופן שבו הם פועלים שאינו ידוע לקהילה המדעית. הסיבות לפערי הידע הללו נובעים מגודלם הקטן של החלקיקים שלא מאפשר לבחון ולמפות את התגובה הכימית על פני חלקיק בודד. כתוצאה מכך, היכולת לתכנן ולבנות זרזים יעילים יותר שייתנו מענה לצרכים אנרגטיים עכשוויים היא מוגבלת.

אלומת אור ומחט דקה

במחקר השתמשו החוקרים באור אינפרה אדום בעל בהירות גבוהה מאוד. החוקרים מיקדו את אלומת האור הבהירה אל עבר מחט דקה שהקצה שלה הוא בקוטר 20 ננומטרים. מחט זו שימשה כמעין "אנטנה" המרכזת את האור באזור הקרוב לפני השטח של החלקיק ובכך אפשרה לזהות בצורה נקודתית את המולקולות הנמצאות על פני החלקיק הננומטרי. על ידי סריקה של החלקיק בעזרת המחט, תוך כדי הקרנה באור אינפרה-אדום, ניתן לאבחן היכן ובאילו תנאים מתרחש התהליך הכימי על פני החלקיק.

החוקרים הבחינו שהפעילות הכימית של הזרזים מתרכזת בקצוות החלקיק, לעומת זאת, פעילות כימית פחותה נצפתה במרכז החלקיק. הסיבה להבדלים, כך הסבירו החוקרים, נעוצה באופי השונה של אטומי הפלטינה במרכז החלקיק, שהינו שטוח ומסודר, לעומת קצוות החלקיק שהינם פחות מסודרים ואינם אחידים. אטומי מתכת שנמצאים על פני החלק השטוח של החלקיק מוקפים באטומים זהים להם ולכן תהיה להם יכולת מוגבלת לייצר אינטראקציה עם מולקולות חיצוניות. לעומת זאת, אטומים שנמצאים בקצוות החלקיק, באזורים בהם יש חוסר אחידות ברמה האטומית והם אינם מוקפים לגמרי באטומי מתכת, יוכלו ליצור אינטראקציה חזקה יותר עם מולקולות חיצוניות ולהוביל להתרחשות של תגובה כימית שתהפוך את המולקולה לתוצר הרצוי.

מסקנות החוקרים איששו טענה ידועה בעולם הזרזים הכימיים שדווקא אזורים שאינם מושלמים, ובהם יש צפיפות גבוהה של "פגמים" אטומיים, הינם הפעילים ביותר מבחינה כימית.

ד"ר גרוס אמר: "תוצאות המחקר הוכיחו, בפעם הראשונה, שניתן לצפות בפעילות כימית מוגברת באזורים בעלי צפיפות פגמים גבוהה על פני חלקיקים בודדים. מסקנות המחקר יאפשרו תכנון עתידי טוב יותר של זרזים כימיים, וייצור זרזים יעילים יותר שמסוגלים להפוך חומרים שמצויים בטבע לתוצרים בעלי ערך מוסף גבוה".