בובה רוסית מברונזה

בובה רוסית מברונזה

מאת דר. משה נחמני

בובה בתוך בובה, ואז עוד בובה, הנעטפות מהחוץ פנימה – כך מתאר החוקר את המולקולה החדשה שלו, המורכבת מאטום אחד הממוקם בתוך כלוב המצוי בתוככי מסגרת אטומית. לנוכח שטח הפנים הגדול של חומרים אלו, הם עשויים לתפקד כזרזים יעילים במיוחד.

 
מרתקים במיוחד הן התמונות שהחוקרים משתמשים בהן על מנת להסביר את התרכובות הכימיות הללו ואת תכונותיהן. במעבדה עצמה, החומר לא נראה מרשים במיוחד – אבקה דקיקה בצבע אפור-שחור, אולם המודלים של המבנה מופיעים בצבע ובצורות מגוונות כעין קן בתוך קן, כלוב בתוך כלוב. אבקות אלו, לנוכח פני-השטח הגדולים שלהם, מעניינים כשלב זמני לפיתוח זרזים יעילים. מבנים דומים, המבוססים על אטום הסיליקון יוכלו לשמש בתאים סולאריים על מנת לקלוט אור מהשמש באופן יעיל יותר.
 
רוב האנשים מתארים לעצמם את המתכות כחומרים אחידים בעלי מבנה די רגיל. תרכובות המתכת המתוארות במחקר זה הן ההיפך הגמור מכך – על שולחנו של החוקר הראשי מצויה ערמה גבוהה של מודלים שונים וצבעוניים של כלובים בעלי כדוריות צהובות המייצגות אטומי נחושת וכדוריות כחולות המייצגות בדיל. לא ניתן להתעלם מהדמיון של מודלים אלו לתרכובות המכונות "באקי-כדורים" – פולרנים. גם כאן, המבנים הגיאומטריים מורכבים ממשולשים, מחומשים ומשושים. אולם, הם לא מורכבים מאטומי פחמן: מתכות כבדות, כגון בדיל ועופרת יכולות גם הן ליצור מבני כלובים מעין אלו.
 
"ביסודו של דבר אנו מעוניינים במבני סגסוגות בלתי רגילים," אומר החוקר הראשי Faessler. ברונזה לדוגמה: תערובת זו של נחושת ובדיל, אשר התגלתה עוד בימי קדם ואשר השאילה את שמה לעידן שלם בתרבות האנושית, היא בעלת מבנה גבישי; האטומים של שני הרכיבים מפוזרים באופן אחיד לאורך ורוחב הגביש כולו וארוזים יחדיו בצפיפות.
 
חומרי הברונזה החדשים ממעבדתו שלFaessler שונים – החוקרים התיכו צורה טהורה במיוחד של סליל נחושת יחד עם גרגירי בדיל בתנאים מוגדרים במיוחד – מוגנים מאוויר ומלחות בתוך תווך של הגז האציל ארגון. בשלב הבא, התוצר המתקבל נאטם בתוך אמפולה המורכת מהמתכת טנטלום יחד עם מתכת אלקלית כגון אשלגן. נקודת ההתכה של המתכת טנטלום היא 3000 מעלות צלזיוס ועל כן היא מתאימה במיוחד ככלי קיבול שבו ניתן להגיב ולחבר יחדיו מתכות שונות, שתיים או יותר.
 
זו הצורה שבה צברי המתכת החדשים, הכלואים אחד בתוך השני בדומה לבובה רוסית, התקבלו. כאשר הברונזה מחוממת יחד עם המתכת האלקלית, כגון אשלגן או נתרן, לטמפרטורה של 800-600 מעלות צלזיוס, מתכות אלו מתפקדות כעין מספריים החותכים את רשת הסגסוגת ואז מחברים את עצמן בין הפיסות ובכך מייצבות את הצברים האטומיים.
 
לבדם, צברים אלו לא מסוגלים להתארגן בעצמם לכדי שכבות אחידות ודחוסות היוצרות גבישים. צברים אלו מורכבים ממחומשים בעלי 20 אטומי בדיל בכל אחד מהם – מערך שבו תבניות החוזרות על עצמן אינן מתאפשרות בתנאים רגילים. אולם, "הונאה" קטנה ושימוש באטומי אשלגן כדבק יכולים ליצור את הגביש הזה, הנראה כרגיל לחלוטין. בשנה הקודמת זכה המדען הישראלי דן שכטמן בפרס הנובל לכימיה בגין התגלית של תופעה דומה – המבנים המכונים קוואזי-גבישים בעלי סימטריה מחומשת.
 
"הצברים שלנו הם יחידות קטנות. הם, כביכול, ערמות של אטומים שאינם מחוברים לשכנים שלהם". מאפיין זה הופך אותם כאידיאליים ליישומי קטליזה: "מאחר והם בעלי גודל קבוע," מסביר החוקר הראשי, "הם הרבה יותר טובים בהכוונת תגובות כימיות מאשר זרזים רגילים." תגובות הידרציה, לדוגמה, בהן אטומי מימן מתחברים לשרשראות של מולקולות אורגניות בעלות אטומי חמצן, למשל, בסינתזה של חומרי טעם מלאכותיים. באופן רגיל, משמשות כיום מתכות יקרות כגון רודיום ליישום זה. אולם, סגסוגות פולריות חדשות המכילות אטומי מגנזיום, קובלט ובדיל משמשות לאותה המטרה.
 
"לשם פיתוח תגובה יעילה אנו נדרשים לזרז בעל שטח פנים גדול מאוד." השיטה הקלאסית להשגת יעד זה הינה בערבוב של שתי תמיסות מלחי מתכת לקבלת ננו-חלקיקים זעירים במיוחד. "הממצאים שלנו מהווים ספקטרום מלא של גדלים," מסביר החוקר. בעזרת השימוש בצברי מתכת אנו מסוגלים להתאים בצורה מדויקת את הזרז לצרכים שלנו."