דלק מימן יוצר בהשראת הפוטוסינתזה בטבע

פירוק מים לצורך יצירת מימן הוא אתגר המעסיק בעשורים האחרונים קבוצות מחקר רבות ברחבי העולם. זאת משום שדלק מימן הוא תחליף ירוק ואקולוגי לדלקים הקיימים: הוא מיוצר ממשאב זול וזמין - מים - וגם תוצר הלוואי של רכב מוּנע-מימן הוא מים, בניגוד לעשן המזהם הנפלט מכלי רכב המונעים בבנזין. במאמר שהתפרסם בכתב העת Nature Catalysis מציגה פרופ'-משנה גליה מעין מהפקולטה לכימיה ע"ש שוליך בטכניון קומפלקס מולקולרי, או אשכול-מולקולות מלאכותי, המשפר באופן דרמטי את יעילות פירוק המים על ידי חשמל. זאת באמצעות ביומימטיקה - תחום הנדסי המתבסס על השראת הטבע (ביו - חיים, מימטיקה - חיקוי). בטכניון אמרו כי במקרה הספציפי מדובר בהשראת תהליכי פוטוסינתזה בטבע.

האיור מציג את קומפלקס המנגן בטבע (משמאל) לעומת הקומפלקס שפיתחה פרופ'-משנה מעין. אפשר לראות שמוטיב המנגן-חמצן-מנגן-מים (צבוע בוורוד בתמונה), הממלא תפקיד חשוב בפעילות הקומפלקס בטבע, מופיע כמה פעמים בקומפלקס המלאכותי שפותח בטכניון(צילום: דוברות הטכניון)

בטכניון הסבירו כי פוטוסינתזה היא תהליך טבעי שהתפתח במהלך האבולוציה בצמחים, בחיידקים ובאצות. בתהליך זה משמשת אנרגיית השמש להמרה של מים ופחמן דו-חמצני לחומר אורגני ולחמצן. תהליך זה חיוני לחיים על פני כדור הארץ, שכן כל בעלי החיים שאינם מסוגלים לבצע פוטוסינתזה, ובכללם האדם, ניזונים משרשרת המזון שראשיתה בחיידקים הפוטוסינתטיים. יתר על כן, גם החמצן שאנו נושמים מקורו בפוטוסינתזה.

אחד היסודות החיוניים בתהליך הפוטוסינתזה הוא מַנְגַּן (Manganese), שסמלו הכימי Mn. בהשראת הטבע נעשו נסיונות רבים לגייס את המנגן כזָרָז (קטליזטור) בפירוק מים לצורך ייצור מימן - תהליך הנקרא אלקטרוליזה של מים. מולקולת המים H2O מכילה אטום חמצן ושני אטומי מימן, ופירוקה מבוצע על ידי הזרמת אנרגיה חשמלית. זאת באמצעות קתודה ואנודה - הקתודה מחזרת את המים, כלומר תורמת להם אלקטרונים ומושכת אליה את החמצן; והאנודה לוקחת מהם אלקטרונים ומושכת אליה את המימן. האתגרים בתהליך זה רבים, שכן במקרים רבים נדרשת השקעה של אנרגיה רבה כדי להתניע את התהליך. יתר על כן, זרזים רבים נהרסים בתהליך זה ומביאים לקיצו.

מדגים את ביצועי הזרז החדש במונחים של ייצור חמצן. החץ השחור מצביע על המתח המינימלי הדרוש לתהליך - מתח נמוך ב-50% בממוצע מהמתח הנדרש בהתקנים קיימים לפירוק מים(צילום: דוברות הטכניון)

הקומפלקס המולקולרי שפיתחה פרופ'-משנה מעין צפוי לשנות את המצב. לקומפלקס האמור, שהוא למעשה מולקולה מורכבת בשם Mn12DH, תכונות ייחודיות שמקנות לו יתרונות רבים בפירוק מים. בניסויים שנעשו בקומפלקס זה נמצא כי הוא מייצר כמות גדולה של אלקטרונים (זרם חשמלי) וכמות משמעותית של חמצן ומימן, וזאת בהשקעה אנרגטית נמוכה יחסית. לא פחות חשוב, הוא יציב - כלומר אינו נהרס במהירות כפי שקורה למולקולות אחרות המשמשות כזרז.

לדברי פרופ' מעין, "בטבע, האבולוציה יצרה סביב המנגן מעטפת חלבונים המייצבת אותו ומונעת את התפרקותו. בהשראת המבנה הטבעי פיתחנו מעטפת אורגנית שמאפשרת את מסיסותו של קומלפקס המנגן במים ומייצבת אותו".

פרופ'-משנה גליה מעין(צילום: דוברות הטכניון)

נעמה גלוז(צילום: דוברות הטכניון)

רוב העבודה המתוארת במאמר נעשתה על ידי הסטודנטית נעמה גלוז במסגרת לימודי התואר השני שלה בהנחיית פרופ'-משנה מעין. גלוז ממשיכה את המחקר על קומפלקס המנגן הייחודי במסגרת לימודי הדוקטורט. במחקרים ראשוניים היא הצליחה להראות כי הקומפלקס מסוגל לפרק מים על ידי חשיפה לאור ממנורה פשוטה. כך יהיה אפשר בהמשך לייצר חמצן ומימן בכמויות גדולות במהירות רבה מאוד, והרעיון העתידי הוא להסתמך בתהליך זה על אנרגיית השמש בלי להיזקק לחשמל.