היברידים מתכתיים אורגניים חדישים יוכלו להביא למהפכה במדע החומרים וההנדסה הכימית

משפחה חדישה של חומרים היברידיים, המורכבים מצרוף של מתכות ותרכובות אורגניות, משנה את אופי המחקר בתחומים של כימיית המצב המוצק ומדע החומרים תוך עשור בלבד לאחר גילויה

משפחה חדישה של חומרים היברידיים, המורכבים מצרוף של מתכות ותרכובות אורגניות, משנה את אופי המחקר בתחומים של כימיית המצב המוצק ומדע החומרים תוך עשור בלבד לאחר גילויה, ובעלת יישומים נוכחיים של אחסון בטיחותי של גזים דליקים ביותר כדוגמת מימן ומתאן. האיחוד האירופי שם לו כמטרה לנצל כלכלית אוסף של כוחות משמעותיים בתחום ולהרכיב מהם גוש רציני באמצעות קיבוץ של מגוון תחומי הכישורים הדרושים ליצירת רשת מחקרית ממוקדת, וזאת בעקבות כנס שאורגן ע”י קרן המדע האירופית (ESF).

החומרים החדשים, הקרויים בשם “שלדות אורגניות מתכתיות” (MOFs, Metal Organic Frameworks), מייצגים את אחת מפריצות הדרך המשמעותיות ביותר במדעי המצב המוצק ואשר את יכולותיהם מתחילים להבין רק עתה, בהתאם לדבריו של אחד ממארגני הכנס באירופה. “התחום מתחיל להתרחב כיום וישנם כל כך הרבה יישומים אפשריים עד כי קשה להחליט כיצד לתעדף אותם. הגבול היחיד הינו הדמיון שלנו,” אומר החוקר. אין כל ספק כי היישום המשמעותי הראשון של חומרים אלו – אחסון של גזים – יהיה חשוב ביותר לנוכח דחיפות הפיתוח לתחליפים של דלק-מאובנים לכלי רכב. “עבור גז המימן יישום זה כבר קיים ומפתחי רכבים חדשים רבים משתמשים בחומרים אלו בדגמי האב של רכביהם העתידיים,” אומר המארגן.

“שלדות אורגניות מתכתיות” הינם חומרים נקבוביים בעלי נקבים שגודלם מיקרוסקופי ודומים ליערת-דבש בקנה המידה המולקולארי. תכונה זו – נוכחות מספר עצום של נקבים זעירים בתוך נפח קטן יחסית – ניתנת לניצול בדרכים מגוונות, אחת מהן היא כמאגר לגזים. פרודות הגז מפעפעות לתוך המוצק ונכלאות בתוככי הנקבוביות. במקרה של אגירת גז, החומר מספק את היתרון המשמעותי של ספיגת חלק מלחץ הגז הנובע מהפרודות. עובדה זו מאפשרת שימוש עתידי במימן כמקור לאנרגיה זמינה שלא ממקור מאובן כגון תאי-דלק, או אפילו צמחים מהונדסים גנטית, ושימושו כדלק לתעשיית הרכב, בעוד שמיכלי גז דחוסים מסוכנים ולא מתאימים למטרה זו. ההבדל המשמעותי הינו בכך שכמות הגז המאוחסן במיכלים דחוסים בלחץ של 200 אטמוספרות תוכל להתאים לכלי העשוי מהחומר הנקבובי בעל מידות זהות ובלחץ של 30 אטמוספרות בלבד – הבדל בטיחותי משמעותי ביותר.

אופיו הנקבובי של החומר החדש מאפשר שימוש בו גם בדרך אחרת לגמרי כזרז להאצת תגובות כימיות למגוון רחב של ייצור חומרים ושימושים בתחום הרוקחות, אף כי תחום זה, עפ”י החוקר הראשי, עדיין בחיתוליו. אף על פי כן, התחום זוכה להתעניינות מרובה מעבר לקהילה האקדמית מחברות תעשייתיות רציניות, מלווה בהתפתחות חשובה בכנס האירופי בזכות תמיכתה של חברת הכימיקלים הגרמנית הגדולה BASF. סיוע זה הביא לתמיכה רבה בתחום היישומי הנ”ל ועורר עניין רב גם אצל חברות אחרות.

אולם, עדיין נותרו מספר אתגרים אחדים לפני שתתממש יכולת זו, הראשון ביניהם – איסוף צוותי מחקר ופיתוח בעלי הכישורים המתאימים. כפי שאמר הממציא, רבים מחוקרים אלו אכן בנמצא, אך חובה עליהם להרחיב את האופקים המחקריים שלהם ולהסתכל על התמונה הרחבה יותר, מעבר לנושאי ההתמחות שלהם. קיים, כמובן, גם האתגר הטכנולוגי הראשוני בלימוד כיצד נוצרים חומרים אלו ויישום התשובה לשאלה זו עבור תכנון ועיצוב המתאימים לצרכים מסוימים ביותר. חומרים חדשים אלו הינם מוצקים גבישיים המתקבלים בדפוסים סדירים ביותר מתוך תמיסות, בדומה לקבלתם של מלחים וסוכרים – יתרון תעשייתי חשוב ביותר ליעילות, נוחות ומחיר הייצור. החוקרים צריכים ללמוד כיצד לכוון את התנאים ההתחלתיים לקבלת ההרכב וההערכות הגבישית הרצויה להם ליישומים השונים.

לידיעה של הקרן האירופית למדע