עולמנו עמוס במיליארדי טונות של פלסטיק שרובו נאגר בקרקע ובלב האוקיינוסים או מתפורר לחלקיקים (מיקרופלסטיק) המרחפים באוויר ומצטברים במים, וכך חודרים לצמחים ולמחזור הדם שלנו ושל בעלי-חיים אחרים. סכנת הפלסטיק גדלה והולכת משנה לשנה, מכיוון שהוא עשוי ממולקולות ענק המכונות פולימרים אשר אינן מתפרקות במהירות. כיום ישנו מבחר מצומצם של חומרים פלסטיים מתכלים, שמהווים פחות מחמישית מכמות הפלסטיק המיוצרת ותהליכי הפירוק שלהם מסורבלים יחסית.
מחקר של ד"ר אנג׳ליקה ניאזוב-אלקן, ד"ר חיים ויסמן ופרופ' בוריס ריבצ'ינסקי מהמחלקה לכימיה מולקולרית ולמדע חומרים במכון ויצמן למדע, שפורסם בכתב-העת המדעי ACS Nano, מצא חומר מרוכב חדש וקל לפירוק על-ידי חיידקים, שנוצר מחיבור בין פולימר מתכלה לגבישים מחומר ביולוגי ונהנה משילוב יעיל של פשטות הכנה, מחיר נמוך וחוזק רב. במחקר השתתפו גם ד"ר אייל שמעוני המנוח, ד"ר שיאומנג סוי, ד"ר ישי פלדמן ופרופ' דניאל וגנר.
4 צפייה בגלריה
למעלה: יריעה מהפלסטיק החדש והמתכלה שיוצרה במעבדה במכון ויצמן למדע. למטה: תמונות מיקרוסקופ אלקטרונים המציגות את החומר במבט מלמעלה (פריים שמאלי), בחתך רוחבי (פריים אמצעי) ובתקריב של החתך הרוחבי (פריים ימני)
(צילום: מכון ויצמן למדע)
4 צפייה בגלריה
מימין: ד"ר אנג׳ליקה ניאזוב-אלקן, ד"ר חיים ויסמן ופרופ' בוריס ריבצ'ינסקי
(צילום: מכון ויצמן למדע)
בעידן הנוכחי, התעשיות השונות מאמצות בהתלהבות חומרים פלסטיים מרוכבים, הנוצרים מערבוב שני חומרים טהורים או יותר, ומאפשרים ליהנות משילוב התכונות שלהם, כמו למשל מיזוג בין קלות לגמישות ולחוזק. הפונקציונליות הרבה הפכה את הפלסטיק המרוכב למרכיב מרכזי במגוון רחב של תהליכי ייצור תעשייתיים, ממטוסים ומכוניות ועד לאופניים.
עוד כתבות במסע הקסם המדעי - מכון ויצמן למדע:
מהר יותר, חזק יותר
לפרוץ את גבולות התא
לקלף את השכבות מגידולי המוח
כדי לבחון אם ניתן ליצור חומר פלסטי מרוכב שעשוי לתת מענה לצרכים תעשייתיים תוך שמירה על ידידותיות לסביבה, החליטו החוקרים לבחור בחומרים נפוצים וזולים, שניתן לשפר את התכונות שלהם. הם זיהו כי מולקולות של טירוזין, אחת מחומצות האמינו הנפוצות, שגבישיה חזקים במיוחד, יוכלו להיות מרכיב יעיל בפלסטיק מרוכב מתכלה. אחרי שבחנו את השילוב של טירוזין עם כמה פולימרים, הם בחרו בחומר אתיל-צלולוז, נגזרת נפוצה של תאית (צלולוז), שנעשה בה שימוש רב בייצור תרופות ותכשירי טיפוח.
אֵתיל-צלולוז לבדו הוא חומר חלש שמתפורר בקלות. כדי לחבר אותו עם טירוזין, הוא הומס יחד עימו במים רותחים. לאחר קירור וייבוש, נוצר פלסטיק מרוכב חזק במיוחד, העשוי מגבישי טירוזין דמויי סיבים שגדלו לתוך האֵתיל-צלולוז והשתלבו בו. עדות לחוזקו של החומר המרוכב החדש שנוצר התבררה כאשר יריעה מהפלסטיק המתכלה בעובי של 40 מיקרון עמדה בהנפת משקולת של 6 ק״ג.
4 צפייה בגלריה
יריעה מהפלסטיק המתכלה בעובי של 40 מיקרון עמדה בהנפת משקולת של 6 ק״ג
(צילום: מכון ויצמן למדע)
4 צפייה בגלריה
שורה עליונה ותחתונה, משמאל לימין: התפתחות הדרגתית של גבישי טירוזין בתוך תמיסה של אתיל צלולוז. תמונות מיקרוסקופ אלקטרונים (שורה עליונה) ומיקרוסקופ אלקטרונים קריוגני (שורה תחתונה)
(צילום: מכון ויצמן למדע)
לצד זאת, התגלה כי לחומר ישנן תכונות ייחודיות נוספות שמגבירות את השימושיות שלו. לרוב, כאשר מחזקים חומר הוא מאבד מהפלסטיות שלו. אולם, לצד חוזקו הרב של החומר המרוכב החדש, התברר שהוא מתיח יותר מחומר הגלם המרכזי שלו – אתיל-צלולוז. שילוב החומרים יצר אפקט סינרגטי, שבא לידי ביטוי בהופעת תכונות יוצאות דופן, ועקב כך בעלות פוטנציאל רב לצרכים תעשייתיים. בנוסף, הואיל והתאית וגם הטירוזין, שגבישיו נמצאים בכמה סוגים של גבינות קשות, הם חומרים הניתנים למאכל, החומר הפלסטי המרוכב והמתכלה יכול להיות אף אכיל. האם הוא גם טעים? בינתיים, מכיוון שסביבת הייצור במעבדה אינה בטיחותית למזון, המדענים לא התנסו בכך בעצמם.
מסכם פרופ' ריבצ'ינסקי: "מחקר המשך שהתחלנו עשוי לקדם את הפוטנציאל המסחרי של החומר החדש, שכן את ההמסה במים החלפנו בהתכה, כמקובל במפעלי תעשייה; קרי, חימום הפולימרים המתכלים עד להפיכתם לנוזליים, ואז ערבובם עם הטירוזין או עם חומרים מתאימים אחרים. אם נצליח לפתור את האתגרים המדעיים והטכניים הכרוכים בתהליך הזה, ניתן יהיה לבחון ייצור של הפלסטיק המרוכב בקנה מידה נרחב".
הכתבה פורסמה במסע הקסם המדעי, מכון ויצמן למדע
