המערכות המלאכותיות לביקוע מים הקיימות היום אינן יעילות ביותר ולעיתים נדרש אובדן כימיקלים נוספים להפעלתן המלאה. בהקשר זה, פיתוח שיטות חדשות ויעילות לביקוע מים הינו חשוב ביותר
פיתוח מערכות יעילות לביקוע מים למימן ולחמצן, ביקוע המונע מאור השמש, הינו בין האתגרים החשובים ביותר הניצבים היום בפני המדע, והוא נתמך ביכולתו האפשרית וארוכת הטווח של גז המימן לשמש כדלק נקי ובר-קיימא. אולם, מערכות מלאכותיות הקיימות היום אינן יעילות ביותר ולעיתים נדרש אובדן כימיקלים נוספים להפעלתן המלאה. בהקשר זה, פיתוח שיטות חדשות ויעילות לביקוע מים הינו חשוב ביותר.
כעת,גישה ייחודית שפותחה ע”י פרופסור דוד מילשטיין ועמיתיו מהמחלקה לכימיה אורגנית במכון ויצמן, מספקת שלב חשוב בהתגברות על אתגר זה. במהלך מחקרם זה, הצוות הדגים סוג חדש של יצירת קשר כימי בין אטומי חמצן ואפילו הצליח להגדיר את המנגנון האחראי לכך. למעשה, זהו ייצור של חמצן גזי (מולקולארי) באמצעות יצירת קשר כימי בין שני אטומי חמצן שמקורם בפרודות המים, אותן פרודות שהיוו בעבר את “צוואר הבקבוק” של תהליכי ביקוע מים. ממצאי המחקר פורסמו לאחרונה בכתב-העת היוקרתי Science.
הטבע, תוך שימוש במסלול שונה לחלוטין, פיתח תהליך יעיל ביותר: פוטוסינתזה – המבוצעת ע”י צמחים – המהווה את המקור לכל כמות החמצן בכדור הארץ. למרות ההתקדמות המרובה בהבנת תהליכי ומרכיבי הפוטוסינתזה, הבנה מלאה של מערכת זו עדיין לא קיימת. מאמצים כלל-עולמיים נרחבים הושקעו בפיתוחן של מערכות פוטוסינתטיות מלאכותיות שבסיסן תצמידים מתכתיים המשמשים כזרזים – אך הצלחתן של מערכות אלו עדיין מועטה ביותר.
הגישה החדשה שפותחה לאחרונה במכון ויצמן מחולקת לרצף תגובות, המוביל לשחרור של מימן וחמצן כתוצאה משלבים רציפים המונעים ע”י אנרגית חום ואור, והמתווכים ע”י רכיב ייחודי – תצמיד מתכתי מיוחד שפותח בקבוצתו של מילשטיין במחקר קודם. יתרה מכך, התצמיד שהם פיתחו – תצמיד מתכתי שליבתו האטום רותניום (ruthenium) – הינו תצמיד “חכם” שבו הן המרכז המתכתי והן הקבוצות האורגניות המחוברות אליו משתפות פעולה יחדיו בעת ביקוע פרודות המים.
הצוות גילה כי בערבוב התצמיד עם מים הקשרים הכימיים שבין המימן והחמצן מתבקעים, כאשר אטום מימן אחד נקשר לחלק האורגני בעוד האטום השני, יחד עם אטום חמצן (יחדיו קבוצת הידרוקסיל, OH) נקשר לאטום המתכת.
גרסה מותאמת זו של התצמיד מספקת את הבסיס לשלב הבא של התהליך – “שלב החום”. כאשר תמיסת המים מחוממת למאה מעלות צלסיוס, מתחיל להשתחרר גז מימן מהתצמיד – מימן המהווה מקור לדלק נקי.
אולם, החלק המעניין ביותר הינו השלב השלישי “שלב האור”, מסביר מילשטיין. “כאשר חשפנו את התצמיד השלישי הזה לאור בטמפרטורת החדר, לא רק שנפלט החוצה גז חמצן, אלא שהתצמיד המתכתי חזר למצבו המקורי כך שניתן למחזרו לעוד ועוד תגובות מסוג זה.”
תוצאות אלו ראויות לציון עוד יותר באם נזכור שהיצירה של קשר כימי בין שני אטומי חמצן בעקבות תצמיד מתכתי מלאכותי הינה מאורע נדיר ביותר, ועד היום לא היה ברור אם אכן יוכל להתרחש. בנוסך לכך, קבוצתו של מילשטיין הצליחה גם בזיהוי מנגנון חסר-תקדים ומקורי של תהליך זה. ניסויים נוספים הצביעו כי במהלך השלב השלישי האור מספק את האנרגיה הדרושה הגורמת לשתי קבוצות הידרוקסיל לחבור יחדיו ליצירת מי-חמצן (H2O2), המתפרקים במהירות לאטום חמצן ופרודת מים. “מאחר ומי-חמצן נחשבים לפרודה בלתי-יציבה, מדענים תמיד התעלמו משלב זה כיוון שהעריכו כי הוא בלתי-סביר; אולם אנו הוכחנו אחרת,” מסביר מילשטיין. יתרה מכך, הצוות סיפק הוכחה שמראה כי הקשר שבין שני אטומי החמצן נוצר באותה הפרודה – ולא בין אטומי חמצן שמקורם בפרודות נפרדות, כפי שסברו עד עתה – וכי מקורו של קשר זה הוא במרכז מתכתי זהה.
גילוי זרז מלאכותי יעיל לביקוע מים באמצעות אנרגיית האור לחמצן ולמימן הינו יעד עיקרי בתחום המחקר של מקורות אנרגיה נקיים ומתחדשים. עד עתה, קבוצתו של מילשטיין הדגימה מנגנון ליצירה של חמצן ומימן ממים ללא הצורך באובדן כימיקלים נוספים, דרך שלבים פרטניים תוך שימוש באור. בשלב הבא, החוקרים מתעתדים לחבר יחדיו את השלבים הללו ליצירת מערכת קטליטית יעילה שתקדם את המחקר הרב הנערך בתחום חשוב זה של אנרגיות חלופיות.
