חומר חדש לספיגת כמות שיא של פחמן דו-חמצני

כימאים מאוניברסיטת UCLA בארה”ב ומאוניברסיטה בדרום-קוריאה דיווחו על “מידת הנקבוביות האולטימטיבית של ננו-חומר”, בהשיגם שיאים עולמיים הן עבור מידת הנקבוביות והן עבור יכולת האחסון של פחמן דו-חמצני בסוג חשוב של משפחת חומרים המכונים “שלדות אורגניים-מתכתיים”

כימאים מאוניברסיטת UCLA בארה”ב ומאוניברסיטה בדרום-קוריאה דיווחו על “מידת הנקבוביות האולטימטיבית של ננו-חומר”, בהשיגם שיאים עולמיים הן עבור מידת הנקבוביות והן עבור יכולת האחסון של פחמן דו-חמצני בסוג חשוב של משפחת חומרים המכונים “שלדות אורגניים-מתכתיים”.

חומרים ממשפחת שלדות אורגניים-מתכתיים (הערך בוויקיפדיה), המתוארים לעיתים כ”ספוגים גבישיים”, מכילים חרירים זערוריים ברמה הננומטרית המסוגלים לאחסן בתוכם גזים שבד”כ מסובך לאחסנם ולשנעם. תכונת הנקבוביות הינה גורם מכריע לאחסון כמויות גדולות של גזים בנפחים קטנים והיא חיונית עבור לכידת פחמן דו-חמצני.

ממצאי המחקר החדש יוכלו להוביל לפיתוח אנרגיה נקייה יותר ולאפשרות ללכידת פליטות פחמן דו-חמצני בכדי למנוע את הגעתן לאטמוספרה ובכך להמשיך ולתרום להתחממות העולמית, להעלאת גובה פני-הים ולהגברת חומציות האוקיאנוסים. המחקר פורסם בכתב-העת המדעי היוקרתי Science.

“במחקר זה אנו מדווחים על שיעור הנקבוביות האולטימטיבי של ננו-חומר; אנו סבורים כי שיעור זה מהווה את הסף העליון, או קרוב אלו מאוד, של נקבוביות בחומרים,” אמר הכותב הראשי של המאמר Omar Yaghi, פרופסור לכימיה וביוכימיה מאוניברסיטת UCLA.

“נקבוביות מאפשרת לעשות המון מתוך מעט,” מציין החוקר. “במקום להשתמש רק בשטח-הפנים החיצוני של חלקיק, אנו עושים בו חרירים זערוריים ומגבירים בכך משמעותית את שטח הפנים הכולל שלו.”

במחקר זה מדווחים המדענים על שני חומרים שלא רק ששוברים את השיא העולמי במידת הנקבוביות, אלא שגם עושים זאת בפער גדול. שני החומרים הם MOF-200 ו- MOF-210, שהוכן באוניברסיטת סיאול שבדרום קוריאה.

“לא רק שסיפקנו התקדמות גדולה בחקר חומרים אלו,” אומר החוקר הראשי, “אלא ששני החומרים הללו מיוחדים בכך שהם מתקרבים לגבול המעשי שניתן להשיג במשפחת חומרים זו. אולי נוכל לתכנן מבנים טובים יותר, אך הדבר לא יהיה קל.”

חומרים אלו, שפותחו ע”י החוקר Yaghi עצמו בתחילת שנות התשעים, הינם כעין פיגומים המורכבים ממוטות הקשורים יחדיו, ואשר יוצרים בכך חרירים המתאימים בגודלם בדיוק ללכידת פרודות של פחמן דו-חמצני. רכיבי חומרים אלו ניתנים לשינוי כרצוננו ומעבדת החוקרים הללו הכינה כבר מספר מאות של חומרים אלו, בעלי מבנים ומאפיינים מגוונים. מאז שנת 1999, חומרים אלו מחזיקים בשיא הנקבוביות של כל חומר שהוא וניתנים להפקה מחומרי-מוצא זולים, כגון תחמוצת אבץ (מרכיב טיפוסי בקרם הגנה) והחומר טרפתלאט, ממנו מכינים בקבוקי פלסטיק.

המדען וצוות מחקרו גילו את המפתח להכנת מבנים נקבוביים ביותר, אודותיהם דווח בכתב-העת המדעי Nature עוד בשנת 2004. מאז, כימאים החלו במרוץ מדעי לפיתוח חומרים בעלי שטחי-פנים נרחבים יותר ויותר. כעת, הכינו החוקרים חומר נקבובי ביותר המסוגל לאחסן כמות כפולה של גז מזו אשר הייתה קיימת בשנת 2004. “אם ניקח גרם אחד של החומר החדשני (MOF-200) ונפרוס אותו לכל אורכו, הוא יוכל לכסות מגרשי כדורגל רבים, וזה יהיה גם הנפח הפנוי עבור הגז הלכוד,” מסביר החוקר. “זה ממש קסום – ארבעים טונות מהחומר שווים לפני-השטח של כל מדינת קליפורניה.”

“וזו רק ההתחלה של השימוש בחומרים אלו,” הוא מוסיף. “מכיוון שעכשיו אנו יכולים להשתמש בהם כתבנית לבניית חומרים חדשים ולפיתוח תכונות חדשניות. הדרישות להכנת חומר יעיל לשם לכידת פחמן דו-חמצני הינן קיבולת ובררנות גבוהות. דיווחנו כיצד אפשר להשיג בררנות גבוהה עבור פחמן דו-חמצני; כעת אנו מראים כיצד ניתן להשיג קיבולת גבוהה. היישומים התעשייתיים עבור חומרים אלו כבר החלו להיות מפותחים. חברות רבות עוסקות בפיתוח חומרים ממשפחה זו.”

החומרים החדשים (MOF-200/210) לוכדים את הכמות הגדולה ביותר שהושגה אי-פעם גם עבור הגזים מימן ומתאן.

בחודש פברואר של שנה זו החוקר, וצוות מדענים נוספים מאוניברסיטת UCLA, פרסמו בכתב-העת המדעי Science כיצד הם הצליחו ליצור “גן” סינתטי שמסוגל ללכוד פליטות של פחמן דו-חמצני. על בסיס ממצאי המחקר החדש, ניתן כעת לפתח את הגן הסינתטי עם החומרים החדשים ולהשיג בכך שטח פנים הרבה יותר גדול. “משפחת החומרים הזו הינה ייחודית וחסרת תקדים במידת הרבגוניות במספר, גיוון ואפשרויות ההרכב שלה.”

המפתח היה בגילויו של החוקר Hiro כיצד להרחיק לחלוטין את פרודות הממס מהחרירים ובכך לאפשר להם לשמש ללכידת פרודות הגז,” מסביר החוקר הראשי.

הידיעה מהאוניברסיטה