חיבור מתכת לכל סוגי המשטחים

באמצעות תהליך “ננו-פיסול” כזה, מתכות כגון אלומיניום, טיטאניום או אבץ ניתנות לקישור קבוע עם כמעט כל סוגי החומרים האחרים, להפוך למשטחים דוחי מים, או לשפר את התאימות הביולוגית שלהן לגוף. מגוון היישומים האפשריים של “סופר חיבורים” אלו רחב במיוחד, החל מעבודות מתכת בתעשייה

[תרגום מאת ד”ר נחמני משה]

האופן שבו ניתן להשתמש במתכות תלוי בעיקר בתכונות של פני השטח שלהן. צוות חוקרים גילה כיצד ניתן לשנות את התכונות של פני השטח מבלי להשפיע על היציבות המכאנית של המתכות או לשנות את המאפיינים שלהן. השיטה החדשה מבוססת על תהליך איכול אלקטרוכימי שבמהלכו השכבה החיצונית ביותר של המתכת עוברת חספוס ברמה המיקרומטרית באופן מבוקר.

באמצעות תהליך “ננו-פיסול” כזה, מתכות כגון אלומיניום, טיטאניום או אבץ ניתנות לקישור קבוע עם כמעט כל סוגי החומרים האחרים, להפוך למשטחים דוחי מים, או לשפר את התאימות הביולוגית שלהן לגוף. מגוון היישומים האפשריים של “סופר חיבורים” אלו רחב במיוחד, החל מעבודות מתכת בתעשייה וכלה בפיתוח שתלים בטוחים יותר בתחום של טכנולוגיה רפואית. “הטכנולוגיה שבה השתמשנו כעת בשביל להתאים את משטחי המתכת הייתה ידועה בעבר רק בתחום המוליכים למחצה. השימוש בתהליך זה בצורה הזו הוא חדש לחלוטין”, אמר ד”רJürgen Carstensen , אחד מכותבי המאמר. במסגרת התהליך, פני השטח של המתכת מומרים למוליכים למחצה, וכך ניתן לשנות אותם כרצוננו. “בשיטה זו, הצלחנו לפתח תהליך חדשני – שבניגוד לתהליכי איכול אחרים – אינו פוגע במתכת ולא משפיע על יציבותה”, מדגיש החוקר. “בדרך זו, אנו מסוגלים לחבר באופן קבוע סוגי מתכות שלא ניתן היה לחברן בעבר, כמו נחושת ואלומיניום”.

פני השטח של מתכות מורכבים מסוגים רבים ושונים של גבישים וגרעינים, חלקם יציבים פחות מאחרים מבחינה כימית. חלקיקים בלתי יציבים אלו ניתנים להרחקה ספציפית מפני השטח של המתכת בעזרת איכול ממוקד. שכבת פני השטח העליונה ביותר עוברת חספוס כתוצאה מתהליך האיכול, תוך כדי יצירת מבנה תלת ממדי. תהליך זה משנה את התכונות של פני השטח בלבד, אולם לא את המתכת עצמה. הסיבה לכך נעוצה בעובדה כי האיכול מתרחש בעומק של 20-10 מיקרומטרים בלבד – שכבה בעובי של כרבע מהקוטר של שיערת אדם. השינוי המתחולל כתוצאה מהאיכול בולט לעין: פני השטח שטופלו הופכים למעין רשת מחוספסת. “אם, למשל, אנו משפשפים משטח מתכת בעזרת נייר זכוכית גם אז אנו נקבל שינוי במראה, אולם – שינוי זה מתרחש ברמה דו-ממדית בלבד, והוא אינו משנה את התכונות של פני השטח”, מסביר החוקר הראשי. בעזרת תהליך האיכול החדש, נוצר מבנה תלת-ממדי בעל זיזים זעירים. אם מכניסים לאחר מכן פולימר המתקשר לכל אחד מהמתכות, המשטחים מתחברים זה לזה בכל הכיוונים כעין תצרף תלת-ממדי. “חיבורים תלת-ממדיים אלו כמעט ולא מתפרקים. במסגרת הניסויים שלנו, בדרך כלל המתכת או הפולימר הם אלו שנשברו, אולם לא החיבור עצמו”, אמרהMelike Baytekin-Gerngross, הכותבת הראשית של הפרסום.

אפילו שכבה דקיקה של שומן, כזו הנותרת על המשטח לאחר מגע שלו עם האצבעות, אינה משפיעה על החיבור. “במהלך המחקר שלנו אפילו מרחנו שכבת גריז על משטחי המתכת. החיבור עדיין קישר בין המשטחים”, הסבירה החוקרת הראשית. השיטה החדשה מייתרת גם את הצורך בניקוי מפרך של המשטחים כשלב מקדים. בנוסף, החוקרים חשפו את החיבורים לחום וללחות ברמות קיצוניות, על מנת לדמות את תנאי הסביבה. גם תנאים אלו לא השפיעו על יציבות המשטחים המחוברים. החוקרת הראשית מסכמת ואומרת: “החיבורים שלנו יציבים במיוחד ועמידים לתנאי מזג אוויר קיצוניים.” בנוסף, השפעת לוואי שימושית של השיטה טמונה בכך שתהליך האיכול הופך את משטחי המתכת לדוחי מים. מבנה הזיזים המתקבל מתפקד בדומה למבוך תלת-ממדי ארוז בצפיפות ללא חרירים היכולים לארח מולקולות מים. לפיכך, במתכת טמונה הגנה פנימית מפני שיתוך. “למעשה, אנחנו לא מכירים את התופעה הזו, כלומר – תוצא לוטוס (Lotus Effect), במתכות טהורות ללא הוספת ציפוי דוחה מים”, מסבירה החוקרת הראשית.

“קשת היישומים הפוטנציאלים רחבה במיוחד, החל מתעשיות עיבוד המתכת בתחומי בניית אניות ומטוסים, עבור בטכנולוגיות הדפסה והגנה מפני שריפות וכלה ביישומים רפואיים,” מסבירה החוקרת. מאחר ותהליך הננו-איכול לא רק שמייצר מבנים תלת-ממדיים הניתנים לקישור פיזי טהור ללא צורך בכימיקלים, האיכול יכול גם להרחיק חלקיקים מזיקים מפני המשטח, תוצאה חשובה במיוחד בטכנולוגיות רפואיות. בשתלים רפואיים משתמשים בדרך כלל במתכת טיטאניום. במטרה לקבע את הטיטאניום במקומו, יש צורך בתוספת של כמויות קטנות של אלומיניום. אולם, מתכת האלומיניום עצמה עלולה לגרום לתופעות לוואי בלתי רצויות בגוף. “במסגרת התהליך שלנו, ניתן להרחיק את חלקיקי האלומיניום מפני השטח של שכבת המתכת ולקבל בכך משטח נקי לחלוטין, שהוא הרבה יותר מתאים לגוף האנושי. לאור העובדה כי אנו מאכלים את השכבה החיצונית ביותר בלבד וברמה מיקרומטרית, היציבות של השתל בכללותו אינה נפגמת”, מסבירה החוקרת. החוקרים הגישו עד כה ארבע בקשות לפטנט בנוגע להמצאה שלהם ותאגידים שונים העוסקים בתחום כבר הביעו עניין רב בתהליך החדשני וביישומים האפשריים הגלומים בו.

הידיעה על המחקר

תקציר המאמר