חוקרי האוניברסיטה העברית פיצחו את התורפה המרכזית של הקרח: באמצעות שילוב של גבישים צמחיים ו"דבק מולקולרי" הנדסי, הם יצרו חומר חדשני החזק פי 10 מקרח רגיל וסופג פי 70 יותר אנרגיה. התגלית, שזכתה לשם BioPykrete, עשויה להוות את הבסיס לבנייה ירוקה ותשתיות עמידות באזורים הקרים ביותר בכדור הארץ.
קרח הוא חומר זמין, זול וחזק באופן מפתיע, אך יש לו חיסרון מרכזי אחד: סדקים מתפשטים בו במהירות והוא נוטה להתנפץ ללא אזהרה מוקדמת. מחקר חדש בהובלת פרופ' עידו ברסלבסקי מהפקולטה לחקלאות, המזון והסביבה באוניברסיטה העברית, מציע פתרון פורץ דרך לבעיה זו.
גלריה
בדיקת החוזק של 'סופר-קרח': דגימה ברוחב 2 סנטימטרים ובגובה 1 סנטימטר מונחת במכונת בדיקת הלחיצה
(צילום: מתוך המחקר)
במחקר, שפורסם בכתב העת המדעי Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, החוקרים פיתחו חומר מורכב שזכה לשם BioPykrete, שבשונה מקרח רגיל הוא חזק פי 10 בלחיצה - קרוב לחוזקו של בטון סטנדרטי - ומסוגל לספוג פי 70 יותר אנרגיה לפני שהוא נשבר.
הרעיון לחיזוק קרח מוסיף על רעיון שקיים זמן רב: כבר במלחמת העולם השנייה נערכו ניסויים ב"פייקריט" (Pykrete) – תערובת של קרח ונסורת עץ, שהייתה חזקה מקרח רגיל ונמסה לאט יותר. אולם, צוות המחקר מהאוניברסיטה העברית לקח את התפיסה הזו לרמה המולקולרית.
החוקרים שילבו בקרח ננו-גבישי של תאית (ננו-צלולוז) – חלקיקים זעירים וקשיחים שמקורם בצמחים, שבעת הקפיאה יצרו רשת תלת-ממדית סביב גבישי הקרח המיקרוסקופיים. בנוסף, תכננו החוקרים חלבון הנדסי ייחודי הפועל כ"דבק מולקולרי", שקצה אחד שלו נצמד לקרח והקצה השני נצמד לצלולוז.
החוקרים הסבירו כי כשסדק מתחיל להיווצר בקרח רגיל, הוא מתפשט במהירות, אך ב-BioPykrete רשת הצלולוז והחיבור המולקולרי משמשים כמחסום פיזי שבולם את התקדמות הסדק, מנתב אותו מחדש ומונע ממנו לגדול. הוספת החלבון ההנדסי הכפילה את חוזקו של החומר ואת רמת האנרגיה שהוא מסוגל לספוג בהשוואה לתערובת קרח וצלולוז ללא החלבון.
פרופ' עידו ברסלבסקי במחקר קודם
(צילום: פרופ' עידו ברסלבסקי)
פרופ' עידו ברסלבסקי הסביר: "ביקשנו ללכת מעבר לערבוב פשוט של סיבים בתוך קרח, ולשלוט באופן שבו החומרים השונים מתחברים ברמה המולקולרית. התוצאה משנה לא רק את חוזק הקרח, אלא גם את אופן השבירה שלו. במקום להתנפץ פתאום, החומר מסוגל לספוג אנרגיה רבה ולהתעוות בהדרגתיות".
להמצאה החדשה עשויות להיות השלכות משמעותיות על תשתיות ובנייה באזורים הארקטיים והאנטרקטיים, שבהם שינוע חומרי בנייה קלאסיים כמו בטון ופלדה הוא יקר, מורכב ובעל חתימה פחמנית גבוהה. מכיוון שהחומר מבוסס בעיקרו על קרח ורכיבים צמחיים, הוא מציע חלופה מתכלה וידידותית לסביבה לבנייה בתנאי קור קיצוניים. עם זאת, החוקרים מציינים כי מדובר בהוכחת היתכנות ראשונית, ובמחקרי ההמשך ייבדק כיצד החומר מתנהג לאורך זמן, כיצד הוא מגיב למחזורים חוזרים של קפיאה והפשרה, וכיצד ניתן לשפר עוד יותר את חוזקו באמצעות שיטות הקפאה חדשות וחלבונים נוספים.
