תהליך ייצור זכוכית בטמפרטורת החדר מאפשר שילוב של מולקולות אורגניות בתוך הזכוכית. לתוצר שימושים רבים בתעשייה.

מכירים את התקופות האלו שפתאום כולם מסביבכם חולים? אז דמיינו לרגע שאתם יכולים לבנות סביבכם כדור מזכוכית שקופה המאפשרת לראות את הסביבה, לחוש את האוויר וליצור אינטראקציות עם אנשים ודברים אך אותו כדור מיוחד גם מגן מהווירוסים וקרני השמש הקופחת. חלום. עכשיו ניקח את כל המודל הזה ונקטין אותו לגודל של כמה מיקרומטרים, כעובי של שערה בודדת ואפילו קטן יותר לגודל ננומטרים בודדים, קטן אפילו יותר מחיידק. ברמה המולקולרית, כבר מעל 30 שנה, חלום זה הופך למציאות. ניתן להכניס מולקולות אורגניות (מולקולות המכילות אטומי פחמן ומימן) ומולקולות ביולוגיות (אנזימים, תרופות, חלבונים וכדומה) לתוך ״כלוב״ עשוי זכוכית. זהו בעצם חומר מרוכב [1] העשוי זכוכית ובתוכה משובצות מולקולות אורגניות וביולוגיות כך שהמטריצה הזכוכיתית מגנה על המולקולות המתארחות בתוכה מתנאי הסביבה.

התהליך הקלאסי ליצירת זכוכית מחול דורש טמפרטורות גבוהות מאוד, מעל 1500 מעלות צלזיוס.  מולקולות אורגניות וביולוגיות נשרפות או מתפרקות בטמפרטורות נמוכות מאוד, מתחת ל-200 מעלות צלזיוס. אם כך, כיצד ניתן לשלב בין שני החומרים? המפתח הוא בתהליך שפותח לראשונה באמצע המאה ה-19, המאפשר להכין זכוכית בטמפרטורת החדר – תהליך ה"סול ג'ל".

 סול ג'ל הינו תהליך לקבלת פולימר [2] אי אורגני (פולימר שאינו מכיל פחמן הקשור למימן בשרשרת הראשית). התהליך מתבצע במספר שלבים [3]. בשלב הראשון, אבני הבניין הראשוניות (מונומרים) מגיבות זו עם זו לקבלת תרחיף [4] הנקרא ״סול״. החלקיקים המוצקים מהווים את אבני הבניין ליצירת ג׳ל, מערך תלת ממדי מוצק המוכל בנוזל בדומה לג׳לי שאכלנו כילדים או ג׳ל לשיער. ניתן לייבש את הג׳ל לקבלת תוצר קרמי/זכוכיתי יבש (נקרא קסרוג׳ל או ארוג׳ל). אחד מהמונומרים הנפוצים בתהליך זה הינו (TEOS (Tetraethyl orthosilicate שבו הסיליקון קשור לארבעה אטומי חמצן.
ראו איור:

בסרטון תוכלו לראות הכנת סול ג'ל במעבדה:

התוצר המתקבל בתהליך הסול ג׳ל הינו רשת תלת מימדית העשויה תחמוצות כמו סיליקה SiO2, טיטניה TiO2, אלומינה ודומות להן, חומר זה נקרא קרמי ומבנהו כשל ספוג זכוכיתי. המבנה הספוגי מאפשר לארח מולקולות אורגניות או ביולוגיות בתוך החללים של הזכוכית. ניתן לשלב את החומר האורגני בתוך החומר הקרמי במספר דרכים ובשלבים שונים של הכנת הסול ג׳ל. המטריצה הזכוכיתית מעלה את יציבות המולקולה האורחת לתנאי הסביבה, דוגמה לכך היא העובדה שאנזימים המשולבים בסול ג׳ל  מתפקדים בטווחי pH (חומציות) רחבים יותר מאשר אנזימים חופשים בתמיסה [5].

כדורי סיליקה בצילום במיקרוסקופ אלקטרונים סורק:

כאמור, יתרון משמעותי של תהליך הסול ג׳ל הינו שיצירת המטריצה הזכוכיתית מתבצעת בטמפרטורת החדר דבר המאפשר שילוב של חומרים בעלי טמפרטורת התכה או פירוק נמוכות, אך זהו אינו היתרון היחיד. שינויים קטנים של פרמטרים כמו טמפרטורה, חומר מוצא, pH או ממס הנעשים במהלך הכנת הזכוכית מאפשרים לקבל תוצרים מגוונים השונים זה מזה בתכונות החומר. דבר זה מאפשר להתאים בין תכונות הזכוכית לשימוש הרצוי.  בנוסף התוצר יכול להתקבל בתצורות שונות כמו: צינורות, ספרה (כדור), שכבות, אבקה, סיבים ועוד.   

  תהליך הסול ג׳ל כבר מזמן יצא מכותלי המעבדה לתעשייה ויש לו שימושים רבים: תעשיית החלונות החכמים נעזרת בסול ג׳ל. חלונות חכמים יהפכו כהים יותר כאשר השמש מסנוורת, וכך יחסכו אנרגיה רבה בחימום/קירור הבית. מוצרי סול ג׳ל משמשים גם ליצירת ציפויים דוחי אבק ואדים. תחשבו שבקיץ אתם לא צריכים לנקות את השמשה של האוטו מהאבק או בחורף מהגשם. תחום נוסף הנעזר בסול ג׳ל הינו תעשיית התרופות והקוסמטיקה. חשוב לציין שחלק מתוצרי הסול ג׳ל מאושרים לשימוש בגוף האדם. חברה ישראלית בשם ״סול ג׳ל טכנולוגיות״ פיתחה מסנן קרינה הלכוד בכדורי זכוכית קטנטנים המונעים מהחומר הפעיל של מסנן הקרינה להגיע למחזור הדם [6].

 אז בפעם הבאה שאתם עומדים באיילון בפקקים, הרימו מבטכם לעבר החלונות הגדולים של גורדי השחקים וחישבו על המולקולות הקטנות שנמצאות בתוך הזכוכית - אנחנו מגנים עליהן בשביל שהן יגנו עלינו מפגעי הסביבה.

מקורות וקריאה נוספת:

[1] מה הוא חומר מרוכב באתר מדע גדול, בקטנה

[2] הסבר מקיף לפולימרים מהאתר של מכון דוידסון

[3] פירוט של שלבי הכנת הסול ג׳ל בעזרת משוואות כימיות

[4] מה זה תרחיף באתר מדע גדול, בקטנה

[5] על תפקוד אנזימים משולבים בסול ג'ל

[6] כתבה על סול ג׳ל טכנולוגיות