גולשים על המים

חיכוך הוא אחת הבעיות העתיקות ביותר שבני אדם מנסים לפתור ולמנוע. בציור קיר משנת 2400 לפני הספירה נראים מצרים השופכים נוזל, כחומר סיכה, לפני מזחלת–נגררת המשמשת להעברת פסל. כיום דרושים חומרי סיכה בכל מקום שבו פועלים חלקים נעים, במכונות שונות, וכן במחשבים, במטוסים ובטילים. מדענים רבים, במקומות שונים בעולם, מחפשים דרכים להפחתת חיכוך, ומנסים לפתח חומרי סיכה חדשים ויעילים.

שיטה אחת שמשתמשים בה כבר יותר מחמישים שנה היא סיכת הגבולות: כל אחד מהמשטחים המתחככים מכוסה בשכבה דקה, בעובי של מולקולה אחת, של חומר סיכה. המולקולות בחומר הסיכה כוללות ”ראשים“ בעלי מטען חשמלי חיובי, ולכן הן נצמדות לפני השטח של משטח החומר המתחכך, ו“זנבות“ המיטלטלים כלפי חוץ. הגלישה, או ההחלקה

של המשטחים המתחככים, מתחוללת בין הזנבות של חומר הסיכה משני הצדדים, ובכך מופחתים את החיכוך והבלאי של המשטחים באופן משמעותי.

פרופ‘ יעקב קליין מהמחלקה לחקר חומרים ופני השטח במכון ויצמן למדע, יחד עם מדענים מאוניברסיטת אוקספורד באנגליה, הראה שכאשר מערכת של משטחים מתחככים המצופים במולקולות סיכה כאלה פועלת מתחת למים, החיכוך פוחת ב- 99% או יותר. מדוע פוחת החיכוך במידה רבה כל כך מתחת למים? פרופ‘ קליין ושותפיו למחקר חקרו ומצאו, שמולקולות המים נמשכו ל“ראשים“ בעלי המטען החיובי של חומר הסיכה, ויצרו סביבם שכבה שפעלה כמעין ”מגלשת מים“ (המשטח המתחכך מייצג את המגלשה, הראשים של מולקולות חומר הסיכה מייצגים את השטיחון שעליו יושב הגולש, ושכבת המים שביניהם מקטינה עד למינימום את החיכוך ביניהם). כלומר, כשהמערכת פועלת מתחת למים, הקטנת החיכוך נובעת לא מהאחיזה המופחתת שבין ”זנבות“ המולקולות של חומר הסיכה, אלא מהפחתת האחיזה בין ראשי המולקולות הללו לבין המשטח עצמו, כתוצאה מנוכחות המים ביניהם. כך מתקבלת סיכה יעילה בהרבה.

בחינה נוספת של התופעה העלתה, כי כאשר מוסיפים מים למשטחים מתחככים, הפער שבין המשטח לבין שכבת חומר הסיכה גדל בדיוק בגודל של מולקולת מים. בניסוי אחר, שבו הוחלף חומר הסיכה בחומר ש“ראשי“ המולקולות שלו כיסו רק חלקים מהמשטח, ולא את כולו, נכנסו פחות מים לרווחים שבין ה“ראשים“ לבין המשטח, וההפחתה הכוללת ברמת החיכוך הייתה קטנה יותר. בשלב זה החליטו המדענים לבחון את התיאוריה שלהם בדרך נוספת. הם יצרו מעין ”אטם“ שאינו חדיר למים, מסביב ל“זנבות“ המולקולות של חומר הסיכה. במצב זה הם הוסיפו מים למערכת, ובחנו את רמת החיכוך. התוצאה: רמת החיכוך פחתה בדיוק באותה מידה כמו במערכת הרגילה. כלומר, המים באמת משפיעים באמצעות הפחתת החיכוך בין ”ראשי“ המולקולות של חומר הסיכה לבין המשטח, ולא באמצעות השפעה כלשהי על תכונות ה“זנבות“ של המולקולות האלה.

”ממצאים אלה עשויים להוביל לפיתוח יישומים רפואיים שונים“, אומר פרופ‘ קליין. ”אורגניזמים חיים משתמשים בחומרי סיכה, למשל בין פרקים, כדי למנוע בלאי של רקמות, או בין איברים חיים אחרים. ייתכן שהם עושים זאת באמצעות ’סיכת הגבולות‘ שתיארנו. אם אכן אלה הם פני הדברים, כי אז ממצאי המחקר הזה עשויים להוביל, בעתיד, לפיתוח דרכים להפחתת חיכוך בשתלים אורטופדיים, לטיפולים רפואיים חדשים בבעיות פרקים, וכן להבנה טובה יותר של תהליכי חיכוך במערכות ביולוגיות שונות“.