מנוע השחייה המלאכותי המהיר ביותר בטבע

תגלית חדשה של אוניברסיטת תל אביב: ערבוב של גבישים כיראליים (שלא ניתן לחפוף ביניהם על ידי סיבוב במרחב), עם מתכות, יוצר חומר חדש, מעין "מנוע טבעי", שכאשר מניחים אותו על המים, הוא יכול לשוט על המים ולשאת על גופו משקל של עד פי 40 ממשקלו. החוקרים מקווים שהתגלית תאפשר פיתוח של חומרים מסוג חדש למגוון שימושים.

מהם מנועי טבע?

המחקר נערך בהובלת ד"ר איתי כרמלי תחת מעבדתו של פרופ' שחר ריכטר מהמלחקה למדע ולהנדסת חומרים בפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן והמרכז לננוטכנולוגיה באוניברסיטת תל אביב. המחקר נעשה בשיתוף עם פרופ' אוסוואלדו דיאגוז ופרופ' טוביה מילוא מאוניברסיטת תל אביב, פרופ' חגי כהן ממכון ויצמן וכן חוקרים נוספים מאוניברסיטת בן -גוריון ותל אביב, מאוסטרליה ומארה"ב.

החוקרים מסבירים כי 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 שלו להתפזר על פני המים ולגרום לתנועתו. האפקט שמסביר תופעה זו נקרא  'אפקט מרנגוני' והוא נוגע להשפעתו של מעבר חומר ממקום למקום על מתח הפנים.

במחקר הנוכחי, צוות המחקר מאוניברסיטת תל אביב גילה חומרים חדשים שמתנהגים בצורה דומה, וכאשר מניחים אותם על המים, הם מתחילים להסתובב. כיוון תנועתם (עם או נגד כוון השעון), נקבע על ידי המבנה המולקולה שמרכיבה אותם. חומרים אלו שוקלים מספר מיליגרמים בודדים, אך החוקרים גילו כי הם יכולים לסחוב מטען הכבד פי 40 ממשקלם וגם להאיץ את המהירות. החוקרים מעריכים כי זהו "השחיין המלאכותי" המהיר ביותר שעולם המדע מצא עד היום.

חומר חדש שמתנועע גם בחושך

"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 שהופכות אותם למושא מחקר מעניין", מסביר פרופ' ריכטר ומרחיב "כיוונו את המחקר לסינתזה וגילוי של חומרים היברידיים המורכבים ממולקולות כיראליות וננו מתכות, אשר ינועו בעזרת אור. וכמו שקורה הרבה פעמים במחקר, להפתעתנו גילינו תופעה קצת שונה: אחד ממאות החומרים שיצרנו, התחיל להסתובב על פני המים באופן עצמאי גם בחושך".

בהמשך, ד"ר סלין בוניו שעבדה ביחד עם ד"ר כרמלי על הפרויקט, הבינה שהם יצרו אפקט מרגוני מיוחד: "המבנה של המולקולות הכיראליות, בשילוב העובדה שחלקן מסיס במים וחלקן נדיף, יצר גביש שאינו יציב, שהמולקולות שלו משתחררות וגורמות לסיבוב החלקיק שאותו עזבו, 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", אומר פרופ' ריכטר.

^{פרופ' שחר ריכטר}

הבסיס למנועים חדשים וירוקים?

"כל התהליך נעשה באמצעות ערבוב של גבישים כיראליים עם מתכות, כך שחלקם  נעים בכיוון השעון וחלקם נעים בכיוון ההפוך, תלוי בכיראליות של המולקולות שמהן 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 דרמטית עד כדי כך שאפילו באמצעות מצלמה מהירה היה קשה לכמת את התנועה בשלמותה", אומר ד"ר כרמלי.

"לאחר מכן, החלטנו  גם לנסות ולהוסיף משקל למולקולות ולתת להן לגרור את הגביש. התנועה של המולקולות המשיכה גם עבור משא השוקל פי 40 מהן. אנחנו מצליחים לחזות היום בדיוק של כ-80% את תנועת הגבישים, ומאמינים שתגלית חדשה זו טומנת בחובה  את האפשרות ליצור בעתיד מנועים חדשים וירוקים".