ללמוד מנחשון הים: ייצור חומרים מחושלים מתחת למים

כתב העת Science: חוקרים בטכניון פענחו את תהליך ההיווצרות של "עדשות מחוסמות" בסביבה תת-ימית

קבוצת המחקר, מימין לשמאל: ד"ר אלכס קצמן, ד"ר אירינה פולישצ'וק, פרופ' בעז פוקרוי, יעל אטינגר וסטס קוזצ'קביץ'

קבוצת המחקר, מימין לשמאל: ד"ר אלכס קצמן, ד"ר אירינה פולישצ'וק, פרופ' בעז פוקרוי, יעל אטינגר וסטס קוזצ'קביץ'

קבוצת מחקר בינלאומית, בראשות פרופ' בעז פוקרוי וחוקרים מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון, גילתה כיצד מייצר נחשון הים Ophiocoma wendtii חומרים הדומים לזכוכית מחוסמת, וזאת בתנאים השוררים מתחת למים. הממצאים, שפורסמו היום בכתב העת המדעי היוקרתי Science, צפויים להוביל לפיתוח דרכים חדשות לייצור חומרים קרמיים חזקים למגוון שימושים.

החוקרים חשפו את מנגנון ההגנה הייחודי של עדשות עמידות במיוחד הממוקמות על זרועותיו של ה- Ophiocoma wendtii – נחשון ים המתגורר בשוניות מתחת למים. על זרועותיו של אורגניזם זה מתפתחות מאות עדשות ממקדות אור בתהליך העשוי לסייע בפיתוח חומרים קרמיים עמידים. העדשות, העשויות גיר, חזקות ומדויקות, ופענוח המבנה הגבישי והננומטרי שלהן העסיק בשלוש השנים האחרונות את פרופ' בעז פוקרוי ואת קבוצת המחקר שלו בטכניון.

פרופ' פוקרוי חוקר חומרים הנוצרים על ידי יצורים חיים ומפיק חומרים מלאכותיים דומים בשיטות השואבות השראה מהטבע. צדפים, פנינים, עצמות ושריון-צב הם דוגמאות לביו-מינרלים – מינרלים הנוצרים על ידי האורגניזם עצמו.

"מה שמרשים בביו-מינרלים הוא שהם עשויים מהחומרים הזמינים לאורגניזם – גיר, לדוגמה," אומר פרופ' פוקרוי. "מהנדסים לעולם לא יבחרו גיר כחומר בנייה עמיד, אבל הטבע עושה זאת, ובהצלחה, על ידי אסטרטגיות שונות של חיזוק והקשחה. יתר על כן, בעלי החיים האלה מייצרים את הביו-מינרליים בתנאים הנתונים בטבע, בלי תנורים ומכשירי לחיצה המשמשים במעבדות. לכן ברור שלנו, כמדענים וכמהנדסים, יש הרבה מה ללמוד מהתהליכים האלה."

 

פרופ' בעז פוקרוי מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון

פרופ' בעז פוקרוי מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון

בשנת 2001 פורסם בכתב העת Nature מאמר של פרופ' ג'ואנה אייזנברג (שהייתה מאוחר יותר המנחה של פרופ' פוקרוי בפוסט-דוקטורט שלו בהרווארד), ובו תיאור ראשון של המערכת האופטית המתוחכמת של נחשון הים – Ophiocoma wendtii, העשויה מעדשות מיקרוסקופיות הבנויות מחומר הקרוי קלציט. עדשות אלה ממקדות את אור השמש ומקרינות אותו על מרכזים עצביים המעבירים את המידע לשאר הגוף דרך מערכת העצבים.

"עדשות ה- Ophiocoma wendtii מיוצרות בים הפתוח, לא במעבדה, ולמעשה גילינו אסטרטגיה לחיזוק של חומר פריך ולהגדלת עמידותו, בתנאים טבעיים," אומר פרופ' פוקרוי. "מדובר ב'הנדסת גבישים' ובחיסום בלי חימום ובלי לחיצה – תהליך שעשוי להיות יעיל מאוד במדע ובהנדסה של חומרים."

לשם השוואה, זכוכית מחוסמת ובטון דרוך מיוצרים על ידי מאמצי לחיצה – כוחות הדוחסים את החומר ומשאירים אותו במצב דחוס יותר ממצבו הטבעי. חיסום זכוכית, לדוגמה, מבוצע על ידי חימום החומר וקירורו המהיר. בתהליך זה מתקרר החלק החיצוני של החומר מהר יותר מחלקו הפנימי וכך דוחס אותו.

חוקרי הטכניון גילו כי השלב המכריע בייצור עדשת ה- Ophiocoma wendtii הוא המעבר מפאזה אמורפית – הפאזה שבין נוזל ומוצק – לפאזה הגבישית. בשלב זה מתבדלים מכלל החומר חלקיקי קלציט ננומטריים העשירים במגנזיום ומאופיינים בצפיפות גבוהה יותר ברמה האטומית. השוני בין ריכוזי המגנזיום בחלקיקי הקלציט השונים יוצרת דרגות שונות של קושי, צפיפות ולחץ באזורים שונים בחומר. החלקיקים העשירים במגנזיום לוחצים על החלק הפנימי של העדשה בתהליך התגבשותה וכך "מחסמים" אותה לחומר גבישי שקוף וקשיח מאוד.

 

נחשון הים Ophiocoma wendtii

נחשון הים Ophiocoma wendtii

"הטבע מפגין יצירתיות רבה בשיפור יכולותיו של האורגניזם בהקשרים שונים כגון חוזק, חישה והגנה עצמית, וכאן אנחנו רואים יעילות רבה בשימוש שעושה ה-Ophiocoma wendtii בחומרי הגלם הזמינים ומייצר בתנאים הנתונים עדשות חזקות ומדויקות מאוד," אומר פרופ' פוקרוי.

כעת יוכלו מדענים ומהנדסים לרתום את האסטרטגיה שהתגלתה במחקר לטובת הקשחה וחיסום של חומרים קרמיים מלאכותיים המשמשים במגוון יישומים – מעדשות אופטיות ועד מנועי טורבו ושתלים ביו-רפואיים.

תהליך היווצרותן של עדשות הקלציט פוענח בשורה ארוכה של ניסויים במתקנים שונים ובהם מאיץ החלקיקים בגרנובל (צרפת) ומיקרוסקופ "טיטן" בטכניון. האנליזה המכנית (האנליטית והניסויית) בוצעה על ידי פרופ' ניקולא פוגנו מאוניברסיטת טרנטו באיטליה, אוניברסיטת קווין מרי בלונדון וקרן אדוארדי אמלדי בסוכנות החלל האיטלקית. במאמר שותפים פרופ' פוקרוי ו-9 חוקרים נוספים מהטכניון: ד"ר אירינה פולישצ'וק, אביגיל ברכה, יעל אטינגר-גלר, סטס קוזצ'קביץ', ד"ר אלכס קצמן, ד"ר ירון קאופמן, ד"ר דוד לוי ולאוניד בלוך. השותפים בחו"ל הם פרופ' פופה גילברט מאוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון, ד"ר גורדון קלר ממוזאון הטבע במחוז לוס אנג'לס, פרופ' ניקולא פוגנו, ד"ר פול זסלנסקי מבית החולים שָריטֶה בברלין ומדענים ממאיץ החלקיקים בגרנובל. המחקר נערך בתמיכה של מכון ראסל ברי למחקר בננוטכנולוגיה בטכניון, מלגת אלון והמועצה האירופית למחקר.

למחקר המלא לחצו כאן: https://goo.gl/JekGCk

מימין: תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים חודר של דגימות דקות שהוכנו מהעדשות שעל זרוע ה- Ophiocoma wendtii. המחקר הנוכחי מגלה את נוכחותם של ננו-חלקיקים עשירים במגנזיום המשתלבים באופן קוהורנטי בגביש הקלציט. משמאל: תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים סורק של אחת העדשות שעל זרוע האורגניזם. למרות צורתן העקמומית של העדשות, כל עדשה היא גביש יחיד.

מימין: תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים חודר של דגימות דקות שהוכנו מהעדשות שעל זרוע ה- Ophiocoma wendtii. המחקר הנוכחי מגלה את נוכחותם של ננו-חלקיקים עשירים במגנזיום המשתלבים באופן קוהורנטי בגביש הקלציט. משמאל: תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים סורק של אחת העדשות שעל זרוע האורגניזם. למרות צורתן העקמומית של העדשות, כל עדשה היא גביש יחיד.