חוקרים מאוניברסיטת אילינוי ומאוניברסיטת Northwestern הדגימו מבנים המתארגנים עצמאית בהשראת הטבע ואשר מורכבים מאבני-בנין פשוטות – חלקיקים כדוריים.
“סופר-המולקולות” הסליליות מורכבות מכדוריות קולואיד זעירות במקום מאטומים או ממולקולות. שיטות דומות תוכלנה לשמש להכנת חומרים חדשים בעלי מגוון מולקולות קולואיד מורכבות. ממצאי המחקר החדש פורסמו בכתב-העת המדעי היוקרתי Science.
“כעת אנו מסוגלים להכין משפחה חדשה לחלוטין של חומרים “חכמים” – שיטה המספקת תפקודיות חדשה לגמרי שלא ניתן היה לדמיין אותה בעבר,” אמר Steve Granick, פרופסור להנדסה, למדעי החומרים, לכימיה ולפיסיקה באוניברסיטת אילינוי.
צוות המחקר פיתח כדוריות לטקס זעירות אשר נמשכות אחת לשנייה בסביבה מימית מצידן האחד, אולם דוחות האחת את השנייה מצידן השני. אופיין הכפול הוא המאפשר להן ליצור מבנים ייחודיים, בדומה לדרך שעושים זאת אטומים ומולקולות.
במים טהורים, החלקיקים מתפזרים באופן מלא בשל צידם הטעון הגורם לדחייה הדדית של החלקיקים. אולם, כאשר מוסיפים מלח לתמיסה, יוני המלח מפחיתים את הדחייה ההדדית והכדוריות יכולות להתקרב מספיק בכדי שקצותיהן ההידרופוביים (דוחי-מים) יימשכו זה לזה. המשיכה בין קצוות אלו מובילה את הכדוריות להתארגן יחדיו לכדי צברים.
בריכוזי מלח נמוכים מתקבלים צברים קטנים, המכילים מספר מועט של חלקיקים. בריכוזים גבוהים יותר, מתקבלים צברים גדולים יותר אשר בסופו של דבר, מתארגנים עצמאית לכדי שרשראות הנבנות בצורה סלילית ומורכבת.
“כפי שאטומים הופכים יחדיו למולקולות, כך חלקיקים אלו הופכים יחדיו לסופר-קולואידים,” מציין החוקר הראשי. “מסלולים אלו נראים רגילים ביותר אם אנו מתייחסים לאטומים ומולקולות המגיבים אלו עם אלו, אולם אנשים לא הבינו כי ניתן להתייחס גם לחלקיקים בצורה דומה.”
צוות המחקר תכנן כדוריות בצורה כזו שתיווצר מידת המשיכה המתאימה ביותר כך שהן תחבורנה אחת לשנייה ועדיין תהיינה מספיק גמישות בכדי לאפשר תנועה, סידור-מחדש וקבלת צברים.
“מידת “הדביקות” חשובה ביותר – אתה עשוי לקבל מבנים בלתי-סדורים המורכבים מצברים קטנים, או, באם הכדוריות דביקות מדי, אתה עשוי לקבל גוש חסר צורה, וזאת במקום המבנים היפיפיים,” מסביר אחד מהחוקרים.
אחד היתרונות של סופר-המולקולות החדשות הוא בכך שהן מספיק גדולות בשביל לראות אותן באמצעות מיקרוסקופ בזמן אמת.
החוקרים הצליחו לראות ממש את הכדוריות בזמן התארגנותן לכדי צברים – אם ע”י צרופה של כדורית אחת כל פעם לצבר קיים ואם ע”י חיבורם יחדיו של שני צברים קטנים – וקבלתם של תצורות מבניות שונות המכונות איזומרים. “עיצבנו את החומרים החכמים הללו כך שתתקבלנה צורות שימושיות שאינן קיימות בטבע,” מסביר החוקר הראשי.
בשלב הבא, החוקרים מקווים להמשיך ולחקור את תכונות הקולואיד תוך התמקדות בפיתוח מבנים מיוחדים יותר ויותר. כדוריות אלו, שתהיינה בעלות גדלים וצורות שונות, תוכלנה לסלול את הדרך לפיתוח סופר-מולקולות אחרות ולהשגת רמת בקרה גבוהה יותר על יצירתן.
“לחלקיקים ייחודיים אלו יש אומנם מבנים מועדפים, אולם עתה, משאנו מבינים כיצד המנגנון הכללי פועל, נוכל ליישם אותו במערכות אחרות – חלקיקים קטנים יותר, יחסי-גומלין כימיים אחרים – ולנסות להכין צברים שיהיו מסוגלים אפילו להחליף בין צורות שונות,” מציין החוקר.
