קרוב לשלושה עשורים ניסו מדענים לשלוט ברגע ובמקום בו פלסטיק מתקשה. עד כה הניסיונות נעשו באמצעות פיתוח "זרזים רדומים", מולקולות שנשארות לא פעילות עד שהן מופעלות על ידי אור, חום או אות אחר. עם זאת, זרזים אלה נוטים להיות רגישים, יקרים וקשים לטיפול.
קבוצת מחקר מהמחלקה לכימיה באוניברסיטת בן-גוריון בנגב, בהובלת פרופ' יוסי ויצמן ופרופ' גבי למקוף, הפכה את הגישה הזו על פיה. במקום למקם את מנגנון ההפעלה בזרז, החוקרים הסתירו אותו בתוך יחידות הבנייה עצמן.
בכך יצרו החוקרים את מה שהם מכנים "מונומרים סמויים" – יחידות בנייה נוזליות ויציבות הנשארות רדומות במשך שבועות, עד שחשיפה לאור או לחום עדין גורמת להן "להתעורר" ולהתקשות לחומר דמוי פלסטיק מוצק. ''עבודה זו מציגה דרך חשיבה חדשה לפתרון בעיה כללית במדע הפולימרים. אנו מקווים שהיא תעודד מדענים אחרים לבחון את האתגרים בעבודתם מזווית חדשה", אומר ניר למקוף, סטודנט של פרופ' ויצמן, שנמנה על צוות המחקר.
5 צפייה בגלריה
תהליך יצירתו של "פלסטיק חכם"
(איור: באדיבות אוניברסיטת בן גוריון, הוכן באמצעות Gemini)
המונומרים הסמויים מורכבים ממולקולות קטנות הקרויות ''נורבורנדיאנים'' (Norbornadienes). ייחודן של מולקולות אלה הוא ביכולתן להיפתח ולהיקשר זו לזו לשרשראות ארוכות באמצעות שיטה מוכרת לייצור פלסטיק בשם Ring-Opening Metathesis Polymerization.
המנגנון במחקר, שממצאיו פורסמו בכתב העת Nature Chemistry, עובד כך שכאשר מקרינים אור אולטרה-סגול (UV) על הנורבורנדיאנים, הם משתנים לצורה אחרת הנקראת קוודריציקלן (Quadricyclane). זהו המצב ה"כבוי" של המולקולה, שבו היא אינה פעילה ואינה יוצרת קשרים כימיים. לאחר מכן, בעזרת חימום עדין ובשילוב ננו חלקיקי זהב זעירים, ניתן להחזיר את הקוודריציקלן למצב הפעיל וכך להתחיל מחדש את תהליך בניית הפולימר, לפי הצורך.
מאחר שכימאים יכולים לייצר בקלות סוגים רבים של נורבורנדיאנים, המנגנון החדש עשוי להוביל לפיתוח של מאות חומרים פלסטיים חדשים, כולל כאלה שקשה מאוד לייצר באמצעות שיטות קיימות. "במקום זרזים רדומים, יצרנו אבני בנייה רדומות של החומר עצמו. התערובת יכולה להישמר על המדף במשך שבועות, ולהתקשות לפלסטיק מוצק רק כאשר מאירים עליה או מחממים אותה", מסביר פרופ' ויצמן. "סוג ייצור זה, המופעל באמצעות אור, עשוי להפוך תהליכי ייצור, הדפסה ותיקון לבטוחים יותר, פשוטים יותר וחסכוניים יותר באנרגיה".
הנוזלים החדשים כוללים שלושה מרכיבים עיקריים: יחידות בנייה היכולות להתחבר לשרשראות ארוכות דמויות פלסטיק, זרז תעשייתי סטנדרטי שמניע את יצירת השרשראות וננו־חלקיקי זהב הפועלים כמחממים מיקרוסקופיים כאשר הם מוארים על ידי אור.
במצבם הרדום, המונומרים אינם מגיבים, גם כאשר הזרז כבר נוכח בתערובת. כאשר מקרינים אור על חלקיקי הזהב, הם מתחממים ומפעילים את המונומרים, אשר מתחברים במהירות ויוצרים חומר מוצק. ניתן להפעיל את המנגנון גם באמצעות חימום רגיל, אך ביעילות נמוכה יותר.
5 צפייה בגלריה
המבנה של החומר והדגמה של יצירת תבנית בחומר באמצעות אור. משמאל צילום רגיל של הדוגמה, ומימין צילום תרמי שמראה את פיזור החום בזמן התהליך. למטה: המבנה של החומר בגרסה שנייה לאחר שלב הכנה נוסף, והדגמה דומה של יצירת תבנית. משמאל צילום רגיל, ומימין צילום תרמי שמדגיש את אזור החימום
(איור: מתוך כתב העת Nature Chemistry)
מפני שהתגובה אינה מתרחשת עד להפעלת הגירוי, ניתן לאחסן ולהוביל את החומר כנוזל מוכן לשימוש במשך שבועות, למלא או להדפיס רכיבים ורק לאחר מכן להפעיל את ההתקשות באזורים נבחרים באמצעות אור. כך ניתן להפחית בזבוז חומרים ואנרגיה, ולהימנע מחימום ממושך של נפחים שלמים או מהכנת תערובות חדשות באופן תדיר.
המחקר מראה כי רעיון יחידות הבנייה הניתנות להפעלה מחדש מאפשר הרבה יותר מהפעלת תגובה בלבד: באמצעות ערבוב של יחידות בנייה פעילות מראש עם יחידות "רדומות", ניתן ליצור פולימרים בעלי שני אזורים שונים בעלי תכונות משולבות. אפשר גם להכין תחילה חומר רך שקל לעצבו, ולאחר מכן להפוך אותו לחומר קשה ועמיד, וכל זאת בתהליך יחיד.
חוקרים נוספים בפרויקט, כולם מאוניברסיטת בן-גוריון בנגב, כוללים את רוני ניב מקבוצתו של פרופ' למקוף, קרן יודנוב ממעבדת למקוף, גיל גורדון, אריטרה ביסוואס, אורי בן-נון ואופיר שלונצ'יק ממעבדתו של פרופ' ויצמן. המחקר נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע וקרן המדע הדו-לאומית ארצות הברית-ישראל.
