אומן הזכוכית

חוקרים מהטכניון ומגרמניה פענחו את תהליך היווצרותן של מחטי הזכוכית של ספוגי הים הצוֹרָנִיים. התגלית חושפת את העיקרון שמאפשר ייצור טבעי של זכוכית ללא חימום

פרופ’-אמריטוס אמיל זולוטויאבקו מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים

ספוגיים (“ספוגי-ים”) הם האורגניזמים הרב-תאיים העתיקים והפרימיטיביים ביותר – ראשיתם לפני יותר מחצי מיליארד שנים. יצורים אלה חיים בעיקר במים מלוחים וניזונים מחלקיקים של חומר אורגני. למרות פשטותם, כמה משפחות של ספוגיים פיתחו במהלך האבולוציה יכולת לייצר (synthesize) מחטי זכוכית – אלמנטים מבניים ייחודיים ומדויקים המספקים לספוג תמיכה מבנית, חוזק מכני והגנה מפני גורמים עוינים. המחט (ספיקולה) בנויה מתחמוצת צוֹרָן (סיליקה) ואורכה בין מיקרונים בודדים לכמה מילימטרים. מחטים אלה נוצרות כמבנים מסועפים תלת-ממדיים, המהווים דוגמה לסימטריה במערכות ביולוגיות (תמונה 1).

יצירת מחטי הזכוכית על ידי הספוג שוֹנָה לחלוטין מתהליכים מלאכותיים של עיבוד זכוכית, המצריכים חימום של החומר לכ-1,000 מעלות צלזיוס. המנגנון הטבעי של יצירת מחטי הזכוכית בטמפרטורת מי הים נחשף כעת לראשונה במאמר שכתב פרופ’-אמריטוס אמיל זולוטויאבקו מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון יחד עם שותפיו בגרמניה ובראשם ד”ר איגור זלוטניקוב מהאוניברסיטה הטכנית בדרזדן. המחקר, שפורסם בכתב העת Science Advances, מציג את העיקרון של בניית מחטי הזכוכית בספוגי סיליקה (Demospongiae) – הקבוצה הגדולה ביותר במערכת הספוגיים. פענוח מבנה המחט מבוסס על ניסויים שנערכו ב- ESRF – מאיץ האלקטרונים האירופי בגרנובל, צרפת. ניסויים אלה בוצעו באמצעות שימוש בקרני X בשיטות המתקדמות ביותר: ננוטומוגרפיה ודיפרקציה תחת קרן ממוקדת.

החוקרים גילו שמחט הזכוכית נבנית סביב סיב אורגני שקוטרו כ-3 מיקרונים. סיב זה בנוי בעיקר מסיליקטאינים – חלבונים פעילים אנזימטית המזרזים את גידול תחמוצת הצורן. תהליך זה מבוקר על ידי תאים מתמחים הקרויים סקלטרוציטים (תאים בוני שלד).

תגלית מעניינת במיוחד נוגעת לסידור החלבונים בסיב. החלבונים מאורגנים בבלוקים ננומטריים המסודרים במבנה מחזורי ייחודי: משושה דמוי-גביש. הנקבוביות בתוך מבנה זה מלאות בסיליקה אמורפית. לדברי פרופ’ זולוטויאבקו, “הבלוקים הננומטריים של חלבון ושל סיליקה אמורפית בנויים בסדר מחזורי היוצר נקודות חדות מאד בתבנית דיפרקציית קרני X (תמונה 2). דפוס זה מספק מידע מקיף לגבי הסימטריה ותהליך הסיעוף של המחטים.”

בין השאר גילו החוקרים כי “הגזע העיקרי של המחט צומח במאונך למישור הבסיסי של סריג המשושה של החלבון, והקוצים שצומחים לצדדים מוּנְחים על ידי מישורים פירמידליים הניצבים בזווית של כ-66 מעלות יחסית למישור הבסיס. כך מתקבלת הצורה של טטראפוד – מפגש בין ארבעה קוצים. מצאנו גם מישורים נוספים שאחראים להיווצרות הסתעפויות דמויות מזלג (תמונה 1).”

לדברי פרופ’ זולוטויאבקו, “מנקודת ראות הנדסית יש כאן תהליך מרתק שבו הטבע יוצר, מחומרים זמינים, מבני זכוכית מורכבים ביותר בטמפרטורות נמוכות – תהליך שהאדם עדיין לא הצליח לממש. אנחנו מעריכים שהמחקר שלנו, המפענח את מנגנון ההיווצרות של מחטי הזכוכית המסועפות בספוגיים, עשוי לספק השראה לתהליכי ייצור של חומרים ננו-גבישיים שימושיים ללא צורך בחימום לטמפרטורות גבוהות.”

למאמר המלא לחצו כאן

המבנים המסועפים של מחט הזכוכית של ספוג הים

תוצאות של דיפרקציית קרני X המסבירות את תהליך הסיעוף

לסרטון המתאר את היווצרות מחטי הזכוכית.