מראות קטנות עם הפתעות
22/03/2020
לכבוד יום האישה הבינלאומי, ד"ר הדס נאור, חברת צוות מדע גדול בקטנה, מספרת על מחקרה אודות פיתוח שיטה חדשה לשלב חומרים אורגניים בשכבות של מתכות: שכבות של מתכת שבתוכן מתארחות מולקולות אורגניות מאפשרות ליצור מגוון רחב של חומרים חדשים המכילים תכונות של שני המרכיבים ואף תכונות חדשות.
דמיינו קוסם עומד על הבמה ומחזיק בידו כוס המכילה מים. הקוסם זורק בעדינות פיסת זכוכית לתוך הכוס, מערבל את הכוס לכמה דקות ומוציא מראה שניתן להביט בה ולראות את האנשים המופתעים. יצרתי מאות מראות כאלה במהלך הדוקטורט, לא בבגדי קוסם אלא בחלוק מעבדה ומשקפי מגן, וכל פעם הקסם הפתיע מחדש.
העולם שלנו התברך במספר קטן של מתכות. רובן מאוד שימושיות כמו זהב, כסף, פלטינה, ועוד. בסך הכל ידוע לנו כיום על 88 מתכות. לעומתן, כמה מולקולות אורגניות ידועות? מעל תשעה מיליון. שילוב כמות קטנה של חומר אורגני לתוך המתכת מאפשר לקבל מגוון עצום של חומרים חדשים. המתכת מספקת חוזק מכני, הולכה חשמלית והולכת חום גבוהות, בעוד שהמולקולה האורגנית מאפשרת את התכונות הספציפיות לה. שילוב של שתיהן נותן קשת רחבה של תכונות בחומר אחד. לעיתים השילוב נותן העצמה (סינרגיה) של התכונות ואפילו תכונות שונות מהמצופה.
השתכנענו שתוצר השילוב הוא בעל פוטנציאל גבוה, אך כיצד ניתן לשלב שני חומרים כל כך שונים? ניתן לקחת אבקת מתכת לערבב אותה עם חומר אורגני, והנה, קיבלנו חומר אחד המכיל תכונות של שני מרכיביו, אבל לא קיבלנו את שני היתרונות הנוספים שמנינו. הרעיון להתיך את המתכת בטמפרטורות גבוהות מאוד, קרוב ל- 1000 מעלות צלזיוס ואף יותר, ואז לשלב את החומר האורגני, לא בא בחשבון מפני שהחומר האורגני מתפרק בטמפרטורות נמוכות מ-200 מעלות צלזיוס, כך שהתוצר הסופי יכיל רק מתכת. ישנן עוד שיטות רבות ומגוונות ולכל אחת יתרונות וחסרונות.
שיטה פשוטה וזולה [1] המאפשרת שילוב של החומר האורגני תוך הכנת המתכת הינה להתחיל מקטיון מתכת, כלומר יון בעל מטען חיובי שחסרים לו אלקטרונים. חומר נוסף (מכונה "מחזר") שנמצא בכלי התגובה מספק אלקטרונים לקטיון המתכת, ומתקבלת מתכת מוצקה, תהליך זה נקרא תהליך חיזור [2]. נשמע מסובך, נשמע כמו אלכימיה? ממש לא, זוהי כימיה פשוטה, קלה וידועה בספרות. על מנת לשלב את המולקולה האורגנית בתוך המתכת, מחזרים את קטיון המתכת בנוכחות המולקולה שרוצים ומתקבל חומר חדש שלמראית עין נראה מתכתי. בתוך התוצר מוחבא חומר אורגני שאינו נשטף בקלות החוצה, אבל שומר על תכונותיו. כמובן שלא ניתן לעשות את התהליך עם כל חומר אורגני ומתכת וצריך למצוא מחזר שלא משפיע על מרכיבים נוספים מלבד המתכת. לפעמים לוקח זמן רב עד שמוצאים את התנאים המתאימים לכל התהליך וזהו בעצם לב המחקר.
תוצרי השיטה שתוארו הם אבקות. המחקר שלי היה להכניס משתנה חדש שהינו המבנה: רצינו שהמתכת והחומר האורגני יסתדרו ביחד בצורה של שכבה ועדיף שכבה יחסית דקה, במקום באבקה. ככל שהשכבה יותר דקה יש לנו יתרון של הרבה מאוד שטח פנים ביחס לנפח [3]. שינוי זה אינו טריוויאלי. את השכבה הדקה יוצרים על פני משטח, במקרה זה ציפוי כסוף על פני משטח זכוכית, בדיוק כמו המראות שיש לכם בבית. כמו שלא הייתם רוצים שהמראה שלכם תישטף או תתקלף ממשטח הזכוכית כך גם כאן. במערכות כימיות, שינוי או הוספה של פרמטר אחד בכלי התגובה משנה הכל - קצב, תוצר, והאם התגובה תתרחש או לא. מצד אחד הוספת הזכוכית הרסה לא פעם את המבנה הכימי של החומר האורגני. ומהצד השני, שכבות רבות התקלפו מהזכוכית מפני שהחומר האורגני הפריע למתכת ליצור שכבה מסודרת ורציפה.
ניסיונות רבים הובילו לשישה תוצרים שונים [4]. שלוש מולקולות אורגניות הוכנסו כל אחת לשכבה אחרת של זהב, מולקולה אורגנית בעלת מטען חיובי ומולקולה אורגנית בעלת מטען שלילי הוכנסו כל אחת בנפרד לשכבת כסף, ומולקולה אנטיבקטריאלית הוכנסה גם היא לשכבת כסף. בתחילת המחקר, העבודה בגדלים ננומטרים היוותה מכשול והיה קשה למצוא שיטת אפיון המצליחה להוכיח שיש חומר אורגני בתוך המתכת, אך ככל שהתקדם המחקר מצאנו שיטות אפיון רבות המשתמשות בכל התכונות של החומר החדש. בהמשך אף נרקמו שיתופי פעולה בינינו ובין קבוצות מחקר נוספות מתחום האנרגיה הסולרית וספקטרוסקופית רמאן.
ולמה זה טוב? בראש ובראשונה מחקר לשם קידום המחקר, אנחנו יוצרים חומר חדש וחוקרים את התנהגותו. בהתבסס על מחקר שנעשה באבקות [5] הצגתי בדוקטורט יישום אפשרי, שהינו שכבת כסף מוליכה שבתוכה מתארחת המולקולה כלורהקסידין. גם הכלורהקסידין וגם הכסף ידועים ונמצאים כיום בשימוש כחומרים אנטיבקטריאלים. השילוב שלהם אחד בתוך השני בניגוד לערבוב פשוט מאפשר פעילות נגד חיידקים שהינה עוצמתית יותר ולטווח זמן ארוך יותר. ובעתיד מי יודע אולי מחקר זה יוביל לקבלת סוללות דו מימדיות זעירות המתבססות על שכבה המכילה חומר אורגני ושכבה המכילה רק מתכת, ליצירת מכשירים ביו-רפואיים חדשים וליצירה של שכבות ברזל שאינן מחלידות (עוברות קורוזיה) ועוד.
מקורות
[1] סקירה של פרופסור דוד אבניר על השיטה המתוארת בפוסט לשילוב חומר אורגני במתכת
[5] שילוב של כלורהקסידין וכסף הגורם להגברה בפעילות האנטיבקטראלית
דוקטור לכימיה בתחום של ננו חומרים בוגרת האוניברסיטה העברית. כיום בעלת הבלוג ״למה מאמא״ המנסה לשלב בין הורות, מדע וחינוך ילדים לחשיבה מדעית.
