ננו-מבנים אכילים

סוכר, מלח, כוהל ומעט מזל הובילו צוות מחקר מאוניברסיטת נורת’ווסטרן לגלות משפחה חדשה של ננו-מבנים שיוכלו לשמש לאחסון גז ובטכנולוגיות מזון ורפואה. והתרכובות הללו כולן אכילות.

הגבישים הנקבוביים מהווים את השלדות האורגנו-מתכתיות (metal-organic frameworks) הטבעיות לחלוטין הראשונות אי-פעם שהוכנו באופן פשוט. רוב השלדות האורגנו-מתכתיות האחרות מיוצרות ממרכיבים מבוססי-נפט, אולם את הגבישים החדשים אתה פשוט יכול להכניס לפה ולאכול.

“הטעם שלהם מעט מריר, בדומה לרקיק מלוח, עמילני ועדין,” אמר Ronald A. Smaldone, אחד מהחוקרים. “אולם, המעניין הוא שכל חומרי-המוצא בלתי-רעילים, ביו-מתחדשים וזמינים בהיקף נרחב, ומספקים ע”י כך גישה “ירוקה” לאחסון מימן עבור הנעת רכבים.” ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Angewandte Chemie. “בעקבות הגילוי האקראי שלנו, כימיית המטבח מקבלת משמעות חדשה לחלוטין,” מציין אחד מהחוקרים.

שלדות אורגנו-מתכתיות הן גבישים דמויי-סריגים מסודרים ביותר. הקודקודים של הסריגים הם אטומי מתכת (כגון נחושת, אבץ, ניקל או קובלט), ופרודות אורגניות מחברות את הקודקודים. בתוככי החללים המרווחים שלהם חומרים אלו מסוגלים לאחסן ביעילות גז, כגון מימן או פחמן דו-חמצני, דבר ההופך את הננו-מבנים לבעלי-תועלת למהנדסים ולמדענים. “השימוש בחומרים טבעיים כאבני-בניין מספק כיוון חדש לטכנולוגיה וותיקה,” אומר אחד מהחוקרים.

“הטכנולוגיה של שלדות אורגנו-מתכתיות קיימת כבר מאז שנת 1999 ומתבססת על כימיקלים שמקורם בנפט גולמי,” מסביר החוקר. “המרכיב העיקרי שלנו, בניגוד לכך, הינו פרודת עמילן המתקבלת כתוצר-לוואי בתעשיית התירס.”

לשם הכנת החומרים האכילים שלהם, החוקרים השתמשו לא בסוכר שולחני רגיל אלא בגאמא-ציקלודקסטרין – מערכת טבעתית של שמונה יחידות סוכר המתקבלת מעמילן תירס ביו-מתחדש. המלח יכול להיות כלוריד הנתרן – מרכיב של מלח רגיל, או בנזואט האשלגן – חומר משמר מזון מסחרי, והכוהל הוא שיכר התירס Everclear. עם מרכיבים אלו בידיהם יצאו החוקרים לחיפוש אחר מבנים מולקולאריים המבוססים על גאמא-ציקלודקסטרין. המחקר שלהם הוביל לקבלת גבישים. לאחר בדיקת מבנה הגבישים באמצעות קרני-רנטגן החוקרים הופתעו לגלות שהם הכינו שלדות אורגנו-מתכתיות – תוצאה לא שכיחה עבור חומרים טבעיים.

“סימטריה הינה גורם מאוד חשוב בשלדות אורגנו-מתכתיות,” מסביר החוקר. “הבעיה טמונה בעובדה כי אבני-בניין טבעיות הן לרוב לא-סימטריות, עובדה שכנראה מונעת מהן מלהתגבש לכדי שלדות נקבוביות וסדורות במיוחד.”

מסתבר שהחומר גאמא-ציקלודקסטרין פתר את הבעיה: הוא מורכב משמונה יחידות גלוקוזה אסימטריות המאורגנות במבנה של טבעת, שהיא עצמה סימטרית. גאמא-הציקלודקסטרין והמלח מומסים במים ולאחר מכן עוברים גיבוש באמצעות פעפוע אדים של הכוהל.

המערכת המתקבלת בסופו של דבר – גבישים המורכבים מקוביות הכוללות שש פרודות של גאמא-ציקלודקסטרין המחוברות באופן תלת-מימדי ע”י יוני אשלגן – לא הייתה ידועה בעבר. צוות המחקר מאמין כי גישה זו של שידוך בין סימטריה ואי-סימטריה תתאים גם לחומרים אחרים.

הקוביות יוצרות שלדה נקבובית בעלת חרירים הנגישים בקלות וחומר זה מושלם ללכידת גזים ופרודות קטנות. נפח הנקבוביות מהווה 54% מהנפח הכללי של החומר המוצק. “השגנו את שיעור הנקבוביות הזה במהירות ותוך שימוש במרכיבים פשוטים,” מוסיף החוקר. “בניגוד לכך, הכנת שלדות אורגנו-מתכתיות ע”י חומרים מבוססי-נפט עשויה להיות יקרה וממושכת.”

הידיעה מהאוניברסיטה