בהשראת הטבע: חוקרים בטכניון שינו את התכונות המגנטיות של חומרים

ביו-מינרלים הם מבנים הנוצרים בטבע כמעט על ידי כל בעלי החיים למגוון רחב של מטרות, למשל בניית העצמות התומכות בגופנו או הצדפה המגינה על הרכיכה שבתוכה. מבנים אלה מאופיינים ברובם בתכונות מכניות מעולות – קשה מאוד לשבור אותם. אחת הסיבות לכך היא העובדה כי בתוך המבנה האי-אורגני של המינרל משולבות מולקולות אורגניות (חלבונים), המשמשות מעין “דבק” ומונעות מסדקים להתקדם בתוך המינרל.

פרופ’ בעז פוקרוי

בהשראת תופעה זו, חוקרים במעבדה של פרופ’ בעז פוקרוי גידלו גבישים של המינרל מנגן-קרבונט (MnCO3) בנוכחות חומצות אמינו – אבני הבניין של החלבונים. מתברר שבדומה למה שקורה בטבע, גם בתהליך המלאכותי האמור מצליחות המולקולות האורגניות (חומצות האמינו) להשתלב במבנה הגבישי של המינרל. מולקולות אלה מרחיקות את יוני המנגן והקרבונט זה מזה ויוצרות עיוותים במבנה של הגביש המארח.

הדוקטורנט ערד לנג

לאחר מכן מדדו החוקרים את התכונות המגנטיות של הגבישים שהתקבלו. במדידה, שנערכה בטמפרטורה נמוכה מאוד (2 K, בערך 270- מעלות צלזיוס), התברר כי החומר החדש (מנגן-קרבונט המכיל בתוכו את חומצות האמינו) מאופיין בהיענות מגנטית (magnetic susceptibility) גבוהה יותר משל החומר המקורי, כלומר, הוא מושפע בקלות רבה יותר מהפעלה של שדה מגנטי חיצוני. בנוסף, ככל שכמות חומצת האמינו שבחומר עולה, התגובה של החומר לשדה מתחזקת אף יותר. עוד התברר כי טמפרטורת הסף, שהיא הטמפרטורה המרבית שבה החומר מתנהג בצורה מגנטית (נקראת גם טמפרטורת ניל, Neel temperature), ירדה כתוצאה מהכנסת חומצות האמינו. הסיבה לשינויים אלה היא התרחקות האטומים זה מזה בתוך הגביש, הגורמת להיחלשות של האינטראקציות המגנטיות בתוכו, ובכך להשפעה חזקה יותר של השדה החיצוני.

אילוסטרציה של השינויים בתכונות המגנטיות של מנגן-קרבונט כתוצאה משילוב של חומצות אמינו

מאמר זה מציג בפעם הראשונה את האפשרות לשליטה בתכונות מגנטיות של חומרים באמצעות שילוב מולקולות אורגניות (שאינן מגנטיות בעצמן). הוא מתווה את הדרך לשימוש במולקולות קטנות ולא רעילות לשינוי התכונות המגנטיות של מגוון רחב של חומרים המשמשים בתחומים רבים ובהם רפואה ומיקרואלקטרוניקה.

תמונות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק של גבישי מנגן-קרובנט, ללא (a) ועם (b) חומצות אמינו המשולבות בתוך הגביש. קנה מידה: 200 ננומטר

למאמר בכתב העת Advanced Materials  לחצו כאן