בחודש מרץ 1995, כתב העת הנחשב לכימיה, Accounts of Chemical Research, פרסם רשימה של שמונה אתגרים הניצבים בפני התחום. בדומה ל"גביע הקדוש" מהסעודה האחרונה של ישו, שלפי האגדה משלחות רבות של אבירים יצאו לחפש אחריו בימי הביניים, האתגרים הללו נחשבו לגביעים קדושים של הכימיה – מטרות נכספות שהגשמתן תשפר מאוד את ידיעתנו המדעית או את הטכנולוגיה שלרשותנו.
נשאלת השאלה כמה התקדמנו ב-26 השנים שחלפו מאז הוגדרו האתגרים הללו? בכולם הושגה התקדמות משמעותית, אך בחלקם עוד נותרה עבודה רבה. אף שלא נוכל לסקור כאן בפירוט את כולם, ננסה להציג את ההתפתחויות שחלו בשלושה מהמרכזיים שבהם.
בחזרה ל"בחזרה לעתיד"?
הגביע הקדוש: מוליכי-על בטמפרטורת החדר
מה זה: מוליכות-על היא תופעה שבה ההתנגדות החשמלית של חומרים מסוימים, הקרויים מוליכי-על, נעלמת ויורדת לאפס. בנוסף הם דוחים בעוצמה שדות מגנטיים, תכונה שנקראת אפקט מייסנר. התופעות הללו מופיעות כמעט בבת אחת כשמקררים את מוליך-העל אל מתחת לטמפרטורת סף, הקרויה טמפרטורה קריטית. מעליה הן נעלמות לחלוטין. מוליכות-העל מאפשרת ליצור זרמים חשמליים ובעיקר שדות מגנטיים חזקים מאוד.
מוליכי-העל הראשונים היו חומרים פשוטים, כגון מתכות טהורות, וטמפרטורת הסף שלהם הייתה נמוכה במיוחד ועמדה על כמה מעלות מעל האפס המוחלט, כלומר כ-260-270 מעלות צלזיוס מתחת לאפס. תהליך הקירור לטמפרטורות הללו יקר מאוד, ודורש שימוש בהליום נוזלי, שהטמפרטורה שלו היא כארבע מעלות מעל האפס המוחלט. לכן השימושים המעשיים של מוליכי-על היו מוגבלים מאוד בהתחלה.
פריצות דרך משמעותיות לא איחרו לבוא. בשנת 1957 פיתחו הפיזיקאי ג'ון ברדין (Bardeen) ותלמידי המחקר שלו לאון קופר (Cooper) ורוברט שריפר (Schrieffer) הסבר תיאורטי להתנהגות האלקטרונים בחומר שמאפשרת את תופעת העל-מוליכות. על התיאוריה הזאת, שנקראת BCS על פי ראשי התיבות של שמותיהם, הוענק לשלושתם פרס נובל בפיזיקה ב-1972. במקביל החלו להתגלות חומרים נוחים יותר לשימוש שנקראו "מוליכי-על בטמפרטורה גבוהה". השם קצת מטעה, שכן גם הם דרשו קירור משמעותי, אך תכונת מוליכות-העל החלה בהם מעל לנקודת הרתיחה של חנקן נוזלי (כ-195 מעלות צלזיוס מתחת לאפס), שהוא חומר קירור זול למדי וקל בהרבה לשימוש לעומת הליום נוזלי.
9 צפייה בגלריה
פרס נובל בפיזיקה על הסבר התיאורטי של מוליכות-על. משמאל: ג'ון ברדין, רוברט שריפר ולאון קופר
(צילום: אתר פרס נובל)
עם זאת, גם מוליכי-העל בטמפרטורה גבוהה סבלו ממגבלות רבות. נוסף על הקושי בקירורם, אלה חומרים מסובכים לייצור, שדרשו דרגת ניקיון גבוהה מאוד. עדיין לא נמצא חומר שפועל כמוליך-על בטמפרטורת החדר, כלומר 25 מעלות צלזיוס. אין פלא שהאתגר הזה הוכתר ב-1995 כאחד הגביעים הקדושים של הכימיה.
למוליכי-על יש שימושים רבים, בעיקר במקומות שבהם צריכים שדות מגנטיים חזקים. דוגמה אחת היא מכשירי MRI המקוררים בחנקן נוזלי ומשתמשים בשדות כאלה לדימות של הגוף. בשימוש אחר מנצלים את הדחייה העזה של מוליך-על משדות מגנטיים לצורך ריחוף. כך לדוגמה פועלות רכבות הריחוף המגנטי המוכרות בעיקר מהמזרח הרחוק. גם מאיצי חלקיקים יהיה זול יותר לבנות ולתפעל אם לא יידרש קירור בלתי פוסק של מוליכי-העל המשמשים ליצירת שדות מגנטיים. כל השימושים האלה יוזלו מאוד אם נוכל לייצר מוליכי-על בטמפרטורת החדר.
מוליכי-על כאלה יוכלו גם לייעל את תפקוד רשת החשמל ולצמצם את ההפסדים בה. חובבי סדרת סרטי "בחזרה לעתיד" ישמחו בוודאי לשמוע שבאמצעות מוליכי-על בטמפרטורת החדר יהיה אפשר להלכה, בעזרת ריחוף מגנטי, לבנות התקנים מרחפים קטנים כמו ה"הוֹבֶרְבּוֹרְד" – הסקייטבורד המעופף המוצג בסרט השני. במציאות סביר יותר להניח שאלה יהיו התקנים שירחפו מעל משטח ספציפי המייצר שדות מגנטיים, בדומה לרכבות ריחוף מגנטי.
מה התחדש: מאז שהתגלו מוליכי-העל הראשונים, נחקרו חומרים רבים בתקווה למצוא מוליך-על בטמפרטורת החדר. החיפוש התעצם במיוחד בעשורים האחרונים, ועקב המורכבות של החומרים הוא נוגע כיום יותר לכימאים מאשר לפיזיקאים. בניגוד למוליכי-העל הראשונים שהיו פשוטים יחסית בהרכבם וחלקם אף היו יסודות מתכתיים, מוליכי-העל החדשים מורכבים מיסודות רבים יותר, ויש שפע של אפשרויות שעוד לא נוסו לחומרים חדשים. אחת הבעיות היא שאין כיום תיאוריה שמאפשרת לחזות אם חומר יהיה מוליך-על, ובמיוחד לא מה תהיה הטמפרטורה הקריטית שלו.
בשנים האחרונות התגלו כמה מוליכי-על בטמפרטורות גבוהות מאוד, אחד מהם אף מעל אפס מעלות צלזיוס – אך התכונה הזו מתקיימת רק בלחץ עצום, בשעה שרוב מוליכי-העל שהתגלו בעבר פעלו בלחץ אטמוספרי רגיל. עדיין עומד בעינו האתגר לגלות חומר שיהיה מוליך-על בטמפרטורת החדר ובלחץ אטמוספרי רגיל, או קרוב לכך.
למרות ההתקדמות הרבה בחקר מוליכי-העל, עדיין איננו בטוחים לגמרי איך הם פועלים. תיאוריית BCS מסבירה רק את מוליכי-העל מהסוג הראשון, כלומר אלה שפועלים בטמפרטורות קריטיות נמוכות. למוליכי-על בטמפרטורה גבוהה עדיין אין הסבר תיאורטי מוסכם, פרט לכך שברור כי המנגנון שלהם שונה. השאלה הזאת נותרה פתוחה ונחקרת כבר עשרות שנים, כך שאין ספק שעוד צפויות התפתחויות מעניינות בתחום הזה בעתיד ומחקרים רבים מתפרסמים בו חדשות לבקרים.
שמש במיכל הדלק
הגביע הקדוש: פוטוסינתזה מלאכותית – הפקת דלק מאנרגיית השמש
מה זה: תהליך הפוטוסינתזה שעושים צמחים, אצות וחיידקים מסוימים נמצא בבסיסה של המערכת הביולוגית בכדור הארץ: בזכותו יש לנו חמצן לנשימה, אף כי מבחינת הצמחים החמצן הוא רק תוצר לוואי. התהליך עצמו נועד להמיר את אנרגיית השמש לאנרגיה כימית זמינה בצורת מולקולות סוכר. החמצן נוצר בתהליך הזה מפירוק מולקולת המים: אטום החמצן משתחרר כגז, ואילו שני אטומי המימן מגיבים עם מולקולות אחרות לייצור סוכרים.
האתגר שהוגדר ב-1995 היה למצוא דרך לבצע פוטוסינתזה מלאכותית: לנצל את אור השמש לפירוק מים למימן וחמצן במערכת יעילה וזולה. אומנם גז המימן אינו תוצר של תהליך הפוטוסינתזה בטבע, אך עבורנו הוא שימושי מאוד כדלק שאפשר לאגור בשעת הצורך, למשל בתא דלק. כך נוכל לנצל את אנרגיית השמש בצורה יעילה ובעיקר לאחסן אותה לשימוש בבוא הזמן, שכן כיום איננו יכולים לאגור ישירות את אור השמש או את החשמל המופק ממנו.
המערכת המלאכותית שניצור לא צריכה לחקות את כל התהליך הטבעי שעושים הצמחים. מספיק לצרכינו שהיא תחקה את תהליך פירוק המים, שמבצעת מולקולת הכלורופיל. תנאי חשוב נוסף הוא שהמערכת המלאכותית לא תשתמש בחומרים נדירים ויקרים: פלטינה למשל נפוצה במיוחד במערכות כאלה מאחר שאלקטרודות פלטינה נוחות מאוד לשימוש כשרוצים לפרק מים באמצעות חשמל, אך היא גם מתכת יקרה ונדירה מאוד.
כבר בשנות ה-90 הדגימו חוקרים מערכת של "עלה מלאכותי" המקבל אנרגיה רק מאור ופולט מימן, אך היא הסתמכה על פלטינה וחומרים נדירים נוספים. תהליך הפוטוסינתזה בטבע לא זקוק כלל לחומרים נדירים כאלה, ומתבסס כמעט לגמרי על יסודות כימיים נפוצים.
9 צפייה בגלריה
די אם נצליח לחקות חלק מהפעילות הביולוגית. מבנה הכלורופלסט, שבו מתבצעת הפוטוסינתזה
(צילום: shutterstock)
מה התחדש: ב-26 השנים האחרונות פותחו מערכות רבות שנועדו לנצל את אור השמש, או חשמל המופק ממנו, לפירוק זול של מים ולייצור זול של מימן. מאחורי חלקן עומדים חוקרים מישראל. מחקרים חדשים מנסים לשלב רכיבים טבעיים של צמחים עם רכיבים מלאכותיים כדי לייצר מערכת זולה שתוכל לבצע פוטוסינתזה ביעילות. למרות זאת אין עדיין מערכת שיכולה להתחרות מסחרית בייצור מימן מדלקי מחצבים כמו נפט, פחם וגז טבעי. רוב המימן כיום מיוצר בתגובה כימית בטמפרטורה גבוהה בין גז טבעי לקיטור.
תהליך ייצור החשמל בתאים סולריים והשימוש בו לפירוק מים באלקטרוליזה אינו יעיל מספיק גם הוא: קשה להשוות בין היעילות של הפוטוסינתזה הטבעית לזאת של תאים סולריים. לכאורה התאים מנצלים שיעור גבוה יותר של אנרגיית שמש. אך הייצור שלהם מסובך הרבה יותר מהצמחת עלים עבור צמחים. התקדמנו כברת דרך משמעותית, אך המטרה עדיין לא הושגה.
עם זאת, לאור השיפורים המתמשכים יש סיבות טובות לאופטימיות. יתכן מאוד שבעתיד הלא רחוק נצליח לייצר מערכת זולה, קלה לייצור וללא חומרים נדירים, שתנצל את אור השמש לפירוק מים לחמצן ומימן. מערכת כזו תאפשר לנו להשתמש באופן הרבה יותר יעיל באנרגיית השמש, מאחר שנוכל לאגור עודפי אנרגיה בשעות היום בצורת מימן, שהוא דלק, ולנצל אותן כשחשוך או מעונן. היא גם תאפשר לאנושות לנצל הרבה יותר אנרגיה סולרית לעומת המצב הקיים, שבו דלקי מחצבים הם עדיין מקור האנרגיה העיקרי בעולם. יש למה לשאוף!
9 צפייה בגלריה
כיום הייצור הרבה פחות יעיל ממה שהיינו רוצים. מיכל מימן על רקע טכנולוגיות לייצור אנרגיה ממקורות מתחדשים
(צילום: shutterstock)
המנועים הזעירים של התגובות הכימיות
הגביע הקדוש: אנזימים מלאכותיים
מה זה: אנזימים הם מולקולות ביולוגיות, בדרך כלל חלבונים, שמזרזות תגובות כימיות. חלק ניכר מהתגובות הכימיות המתרחשת בתוך תאים חיים, וגם בגוף האדם, יוצאות לפועל רק מכיוון שאנזימים מזרזים אותן. אלמלא כן היה נדרש להן זמן בלתי סביר להתרחש. אומנם גם חומרים אחרים מסוגלים לזרז תגובות כימיות – למשל מתכות מסוימות, אך בדרך כלל אנזימים עושים זאת ביעילות רבה יותר.
הבעיה היא שלא לכל תגובה כימית יש בטבע אנזים שמזרז אותה. קשה למשל למצוא אנזים טבעי שיזרז תגובות שאינן מתרחשות בתאים של יצורים חיים או שכוללות חומרים שאינם נמצאים ביצורים חיים. גם כשאנזימים כאלה קיימים, הפקתם עלולה להיות יקרה מאוד.
לפיכך, ייצור אנזימים מלאכותיים הוגדר גביע קדוש נוסף של הכימיה: התכנון והייצור של מולקולות מלאכותיות שהמבנה שלהן מזכיר את זה של מולקולות ביולוגיות גדולות המסוגלות לזרז תגובות, כמו אנזימים.
9 צפייה בגלריה
שימושים תעשייתיים ורפואיים. הדמיה של אנזים שתוכנן במחשב נקשר למולקולת היעד
( מקור: Ross Anderson, University of Bristol)
מה התחדש: במשך השנים נעשו לא מעט ניסיונות לפתח אנזימים מלאכותיים. בין השאר נעשה שימוש ברב-סוכרים – מולקולות המורכבות מיחידות רבות וחוזרות של סוכרים כמו גלוקוז. במקרים אחרים השתמשו בחלבונים טבעיים שעברו שינויים כדי שיתאימו לזירוז התגובה הרצויה.
גם כיום איננו יודעים לתכנן אנזימים מלאכותיים לפי דרישה, אפילו עבור תגובות שאנחנו מכירים את הזרזים המתאימים להן, לא כל שכן תגובות שטרם נמצא עבורן זרז כימי מתאים. מה שכן למדנו כבר הוא לתכנן בצורה יעילה יותר אנזימים מלאכותיים, על ידי חיזוי מראש של המבנה הרצוי שיאפשר להם לזרז תגובות. גם מגוון התגובות שאנו כבר יודעים לזרז התרחב מאוד, וקיימות גם גרסאות משופרות מלאכותית של אנזימים טבעיים שמסוגלות לזרז תגובות שאנזימים טבעיים אינם מעורבים בהן כמעט. חלבונים מלאכותיים כבר יוצרו, אם כי עדיין יש קשיים ניכרים בייצור חלבונים בעלי פעילות ביולוגית מתאימה ורצויה.
לפיתוח זרזים יעילים יש חשיבות רבה לא רק בתעשייה הכימית, שבה הם יקלו עלינו לייצר כימיקלים נחוצים, אלא גם במערכות ביולוגיות שבהן נוכל לעודד תגובות כימיות שכיום קשה ליזום. לזרזים מלאכותיים כאלה עשוי להיות גם פוטנציאל רפואי, אם נשתמש בהם לקידום תגובות רצויות בתוך תאים סרטניים, למשל,שיפגעו בהם. בעתיד נראה ללא ספק יותר ויותר מערכות מלאכותיות שמסוגלות לזרז תגובות כימיות ביעילות המשתווה לזו של אנזימים טבעיים ואף עולה עליה. אך נראה שעדיין רחוק היום שבו נוכל לייצר לפי דרישה זרז מלאכותי מתאים לכל תגובה כימית.
9 צפייה בגלריה
עדיין רחוק היום שבו נוכל לייצר זרז מלאכותי בהתאמה לכל דרישה. מבנה תלת-ממדי של חלבון
(צילום: shutterstock)
מה עם השאר?
במאמר המקורי הוגדרו שמונה גביעים קדושים. מאחר שחמשת הנותרים היו טכניים יותר, נפרט אותם רק בקצרה.
האתגר הראשון שהוזכר היה למצוא דרך לבצע תגובות כימיות שיביאו להחלפת קשרי פחמן-מימן בקשרים אחרים. הקשרים האלה הם בין אבני הבסיס של הכימיה האורגנית, והם גם יציבים מאוד. לכן קשה לכימאים למצוא תגובה כימית שתמיר קשר למימן בקשר לקבוצה כימית אחרת.
החלפה כזאת תאפשר להקנות למולקולות תכונות רצויות בקלות יחסית, ולכן היא חשובה. יתר על כן, יצורים חיים מצליחים לעשות את זה לא פעם בקלות יחסית באמצעות אנזימים. מציאת דרך מוצלחת לביצוע תגובות כאלו בצורה הרצויה תקדם מאוד את התעשיה הכימית, ובכלל זה תקל עלינו לייצר תרופות וחומרים רבים אחרים. אף על פי שאנחנו עדיין לא שם, אין ספק שחלה התקדמות בנושא ואנו הולכים ומתקרבים אל היעד.
גביע קדוש שני הוא היכולת לצפות באופן ישיר במצבי מעבר של תגובות כימיות. במשך למעלה ממאה שנה פיתחו כימאים מודלים שמסבירים איך תגובות כימיות מתרחשות, אך לא יכלו לראות אותן בפועל ולצפות במנגנונים שלהן. יכולנו לדעת אילו חומרים מגיבים ואילו חומרים נוצרים, אבל תהליך התגובה עצמו נותר "קופסה שחורה" שיכולנו רק לשער מה מתרחש בה. בשני העשורים האחרונים התפתח מאוד השימוש בהבזקי אור קצרים במיוחד, של מיליונית השנייה ואפילו פחות ממיליארדית השנייה, לצפייה בתגובות כימיות בזמן אמת, למשל מעבר אטומי מימן בין מולקולות מים, וכימאים כבר חזו כך ביותר ויותר תגובות כימיות. ככל שתשתפר איכות הצילום נוכל ללמוד יותר ויותר על ההתנהגות של אטומים ושל מולקולות.
תחום נוסף, שהיה בחיתוליו ב-1995, הוא שליטה וביצוע פעולות באטומים בודדים. מאז חלה התקדמות רבה וכימאים יכולים לבצע פעולות רבות ומתוחכמות יותר עם אטומים בודדים, כגון סידור שלהם בצורות רצויות. עם זאת, עדיין איננו יכולים לעשות כל פעולה שנרצה עם אטומים בודדים.
חזונו של הפיזיקאי ריצ'רד פיינמן, שהציע לאחסן כמויות גדולות של מידע על פני שטחים זעירים של חומר באמצעים ננוטכנולוגיים, כלומר באמצעות שינויים בקנה מידה של אטומים בודדים או מולקולות קצרות, נותר עדיין רחוק. עם זאת, אנו מתקרבים אליו בהדרגה. מאחר שמדובר בהתעסקות עם אטומים בודדים, קיימת מחלוקת בשאלה מדובר בכימיה או בפיזיקה. בקנה המידה הקטן הזה הגבולות בין התחומים מטושטשים.
הנושא הרביעי הוא בניית מולקולות מלאכותיות משתכפלות. על פי התיאוריה המקובלת כיום, החיים בכדור הארץ החלו כשנוצרה לראשונה מולקולה שמסוגלת לשכפל את עצמה, בדומה ל-DNA כיום. אך יש גם הבדל – ה-DNA נעזר לשכפולו במנגנונים ביוכימיים רבים שקיימים בתא, אך למולקולות הראשונות לא היו מנגנונים כאלה כאלה שיעזרו להן להשתכפל, כי הרי עדיין לא היו תאים.
תיאוריית עולם ה-RNA גורסת שהמולקולה הזאת הייתה RNA. הגביע הקדוש הוגדר כיכולת ליצור באופן מלאכותי מולקולה שתוכל להשתכפל מעצמה בתנאים המתאימים ובנוכחות הכימיקלים הנחוצים. מאז 1995 כבר ייצרו מדענים מולקולות מלאכותיות, המבוססות על החומר הגנטי הקיים ומסוגלות לשכפל את עצמן. רובן משתכפלות בקצב לא מעריכי, בניגוד לתאים חיים או לטכנולוגיית השכפול PCR שנמצאת בשימוש למשל בבדיקות לזיהוי נגיף הקורונה, או שהן דורשות תנאים מורכבים יחסית כדי להשתכפל, כך שנותר עוד לאן להתקדם.
הבנה מעמיקה של התנאים שבהם נוצרו המולקולות המשתכפלות הראשונות ומה הן היו תעניק לנו הבנה טובה הרבה יותר של מקור החיים. נכון לעכשיו לא ברור עד כמה דומות המולקולות שנוצרו במעבדה למולקולות המשתכפלות הראשונות שנוצרו בטבע והחלו את החיים עלי אדמות. האם בסופו של דבר נצליח להגיע אף למטרה רחוקה יותר, של ייצור תא חי מלאכותי לחלוטין? ייתכן, אך המטרה הזאת נמצאת עדיין הרחק מעבר לאופק.
ולבסוף, כתב העת הציע את הגביע הקדוש של שליטה באטומים בעזרת אור. המטרה כאן היא למצוא דרכים לשלוט בהתנהגות של אטומים ומולקולות בעזרת הבזקי אור, בדרך כלל של לייזר. כך למשל נוכל להחליף חלק מהחומרים הכימיים המשתתפים בתגובות ולהשתמש במקומם באור לפעולות דומות. בניגוד לפוטוסינתזה, האור משמש כאן לא רק כמקור אנרגיה אלא ממש ככלי שתפקידו לתמרן אטומים בודדים.
רבים מהמדענים המובילים בתחום, במיוחד בשנות ה-80 וה-90 היו ישראלים או שלפחות עבדו בישראל. חלקם פעילים עד היום. ביניהם נמצאים דוד טנור ממכון ויצמן למדע ורוני קוזלוב מהאוניברסיטה העברית, שהיה חלק מצוות שהדגים לפני חמש שנים איך אפשר ליצור קשר כימי באמצעות הבזקי אור.
גם בנושא הזה חלה התקדמות רבה ב-26 השנים האחרונות, אך עדיין נותר מה לחקור: אחת המטרות כיום היא לנצל את הטכנולוגיה לפיתוח מחשבים קוונטיים. פרס נובל בפיזיקה הוענק לפני שנתיים לטכנולוגיה הקשורה לנושא.
האם זה הכול?
הנושאים הללו הוגדרו כגביעים קדושים לא מתוך גחמה – כולם נושאים מורכבים שדורשים מאמץ מחקרי רב כדי להגיע בהם לפריצת דרך, ולפענוח שלהם יהיו השלכות מדעיות וטכנולוגיות לא מבוטלות. זה לא אומר כמובן שהם באמת הלב של העשייה המדעית בעולם הכימיה כיום, ואכן לינוס פאולינג (Pauling), מגדולי הכימאים במאה ה-20, שקיבל לעיונו טיוטה של הרשימה, השיב לעורכי כתב העת כי אף אחד משמונת הגביעים הקדושים הללו אינו מעניין אותו כלל והציע נושאים חלופיים. הרשימה פורסמה לאחר מותו, ועמה גם מכתב התשובה שלו.
עם זאת, כימאים רבים יסכימו שמדובר במטרות חשובות, וחוקרים זכו בפרסי נובל על הישגיהם בכמעט כל אחת מהן. סביר להניח שכמעט כל הכימאים בקיאים לפחות בחלק מהתחומים הללו. מה יקרה עם הגבעים הקדושים הללו בעתיד? יהיה מעניין לבחון את זה שוב בשנת 2045, במלאות חמישים שנה להגדרתם.
אורי טייכמן, מכון דוידסון לחינוך מדעי
