תגלית חדשה באוניברסיטת תל אביב: במהלך מחקר התגלה מעין מנוע כימי "טבעי", שכאשר מניחים אותו על המים, הוא יכול לשוט במהירות גבוהה וגם לשאת על גופו משקל רב, ביחס למשקלו.
החומר במים
(צילום: אוניברסיטת תל אביב)
המחקר הניסיוני והתאורטי נערך בהובלת ד"ר איתי כרמלי, במעבדתו של פרופ' שחר ריכטר מביה"ס להנדסת חומרים בפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן והמרכז לננוטכנולוגיה, אוניברסיטת תל אביב. המחקר נעשה בשיתוף עם פרופ' אוסוואלדו דיאגוז, פרופ' טוביה מילוא מאוניברסיטת תל אביב, פרופ' חגי כהן ממכון וויצמן וכן חוקרים נוספים מאוניברסיטת בן -גוריון, ותל אביב, מאוסטרליה ומארה"ב.
החוקרים הסבירו כי כבר במאה ה-17 התגלתה תופעה מרהיבה: אם לוקחים פיסות של "קמפור", חומר המופק מעץ הודי, ושמים אותן על פני המים - חתיכות העץ מתחילות "לרקוד" על פני המים. ההסבר הכימי-פיזיקלי מאחורי תופעה זו הוא מנועי טבע.
הקמפור הינו חומר מסיס חלקית וגם נדיף, מה שמאפשר למולקולות הקמפור להתפזר על פני המים ולגרום לתנועה. האפקט המסביר תופעה זו נקרא על שם "מרגוני", והוא נוגע להשפעת מעבר חומר ממקום למקום והשפעתו על מתח הפנים.
במחקר הנוכחי, צוות החוקרים מאוניברסיטת תל אביב גילה חומרים חדשים המתנהגים בצורה דומה. כאשר מניחים את אותם חומרים על המים, הם מתחילים להסתובב, כאשר כיוון התנועה (עם או נגד כוון השעון) נקבע על ידי מבנה המולקולה שמרכיבה אותו.
המשקל של חומרים אלו הוא מספר מיליגרמים בודדים, אך החוקרים גילו כי הם יכולים לסחוב מטען השוקל פי 40 ממשקלם וגם להאיץ את המהירות. החוקרים מעריכים כי זהו זה ה"שחיין המלאכותי" המהיר ביותר שעולם המדע מצא עד היום.
פרופ' ריכטר הסביר: "במחקר זה עסקנו בחומרים עם כיראליות כימית. חומרים כיראליים הם מולקולות הבנויות מאותן חומרי יסוד ועם סימטריה הפוכה, כמו יד ימין ושמאל שלנו. לחומרים אלה ישנן תכונות מיוחדות ההופכות אותם למושא מחקר מעניין. כיוונו את המחקר לסינתזה וגילוי של חומרים היברידים המורכבים ממולקולות כיראליות וננו מתכות אשר ינועו בעזרת אור. וכמו שקורה הרבה פעמים במחקר, גילינו להפתעתנו תופעה קצת שונה. אחד מהחומרים שיצרנו, אחד ממאות ניסיונות, התחיל להסתובב על פני המים באופן עצמאי גם בחושך".
הוא הוסיף כי "מאוחר יותר ד"ר סלין בוניו, שעבדה יחד עם ד"ר כרמלי על הפרויקט, הבינה שיצרנו אפקט מרגוני מיוחד. המבנה של המולקולות הכיראליות, בשילוב העובדה שחלקן מסיס במים וחלקן נדיף, יוצר גביש שאינו יציב, ואשר בו המולקולות משתחררות וגורמות לסיבוב החלקיק ממנו הן משתחררות וכך נוצר המנוע. ברמה המולקולרית, האינטראקציות גורמות לשינוי מקומי של תכונות המים, וליתר דיוק, של מתח הפנים של המים, מה שמייצר גרדיאנט לא אחיד של ריכוזים על פני המים ובתוצאה מכך תנועה פורטית".
ד"ר כרמלי הוסיף: "כל התהליך נעשה באמצעות יצירה של גבישים כיראליים מעורבים עם מתכות, כך שחלקם נעים בכיוון השעון וחלקם נעים בכיוון ההפוך, תלוי בכיראליות של המולקולות מהן הם מורכבים. גילינו שהכיראליות גורמת להפרשים באנרגיית ההמסה של הגביש, מה שגורם לסיבוב הגביש בכיוון מסוים. לאחר תגלית זו, התחלנו לחשוב במעבדה אילו עוד שימושים ופיתוחים פיזיקליים אפשר לייצר לאפקט זה. כאשר הוספנו למים עם החלקיקים ההיברידים חומר מחזר (מוסר אלקטרון- כמו מחזר שנותן פרח) הוא האיץ את סיבוב החלקיק בצורה דרמתית עד כדי כך שאפילו באמצעות מצלמה מהירה היה קשה לכמת את התנועה בשלמותה. לאחר מכן, החלטנו גם לנסות ולהוסיף משקל למולקולות ולתת להן לגרור את הגביש . התנועה של המולקולות המשיכה גם עבור משא השוקל פי 40 מהמולקולות. אנחנו מצליחים לחזות היום בדיוק של כ-80% את תנועת הגבישים, ומאמינים שתגלית חדשה זו טומנת בחובה את האפשרות ליצור בעתיד מנועים חדשים וירוקים".
