אומן הזכוכית

חוקרים מהטכניון ומגרמניה פענחו את תהליך היווצרותן של מחטי הזכוכית של ספוגי הים הצוֹרָנִיים. התגלית חושפת את העיקרון שמאפשר ייצור טבעי של זכוכית ללא חימום

המבנים המסועפים של מחט הזכוכית של ספוג הים. באדיבות דוברות הטכניון.
תמונה 1: המבנים המסועפים של מחט הזכוכית של ספוג הים. באדיבות דוברות הטכניון.

ספוגיים ("ספוגי-ים") הם האורגניזמים הרב-תאיים העתיקים והפרימיטיביים ביותר – ראשיתם לפני יותר מחצי מיליארד שנים. יצורים אלה חיים בעיקר במים מלוחים וניזונים מחלקיקים של חומר אורגני. למרות פשטותם, כמה משפחות של ספוגיים פיתחו במהלך האבולוציה יכולת לייצר (synthesize) מחטי זכוכית – אלמנטים מבניים ייחודיים ומדויקים המספקים לספוג תמיכה מבנית, חוזק מכני והגנה מפני גורמים עוינים. המחט (ספיקולה) בנויה מתחמוצת צוֹרָן (סיליקה) ואורכה בין מיקרונים בודדים לכמה מילימטרים. מחטים אלה נוצרות כמבנים מסועפים תלת-ממדיים, המהווים דוגמה לסימטריה במערכות ביולוגיות (תמונה 1).

יצירת מחטי הזכוכית על ידי הספוג שוֹנָה לחלוטין מתהליכים מלאכותיים של עיבוד זכוכית, המצריכים חימום של החומר לכ-1,000 מעלות צלזיוס. המנגנון הטבעי של יצירת מחטי הזכוכית בטמפרטורת מי הים נחשף כעת לראשונה במאמר שכתב פרופ'-אמריטוס אמיל זולוטויאבקו מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון יחד עם שותפיו בגרמניה ובראשם ד"ר איגור זלוטניקוב מהאוניברסיטה הטכנית בדרזדן. המחקר, שפורסם בכתב העת Science Advances, מציג את העיקרון של בניית מחטי הזכוכית בספוגי סיליקה (Demospongiae) – הקבוצה הגדולה ביותר במערכת הספוגיים. פענוח מבנה המחט מבוסס על ניסויים שנערכו ב- ESRF – מאיץ האלקטרונים האירופי בגרנובל, צרפת. ניסויים אלה בוצעו באמצעות שימוש בקרני X בשיטות המתקדמות ביותר: ננוטומוגרפיה ודיפרקציה תחת קרן ממוקדת.

החוקרים גילו שמחט הזכוכית נבנית סביב סיב אורגני שקוטרו כ-3 מיקרונים. סיב זה בנוי בעיקר מסיליקטאינים – חלבונים פעילים אנזימטית המזרזים את גידול תחמוצת הצורן. תהליך זה מבוקר על ידי תאים מתמחים הקרויים סקלטרוציטים (תאים בוני שלד).

ספוג ים. מקור: Albert Kok, Wikimedia.
ספוג ים. מקור: Albert Kok, Wikimedia.

תגלית מעניינת במיוחד נוגעת לסידור החלבונים בסיב. החלבונים מאורגנים בבלוקים ננומטריים המסודרים במבנה מחזורי ייחודי: משושה דמוי-גביש. הנקבוביות בתוך מבנה זה מלאות בסיליקה אמורפית. לדברי פרופ' זולוטויאבקו, "הבלוקים הננומטריים של חלבון ושל סיליקה אמורפית בנויים בסדר מחזורי היוצר נקודות חדות מאד בתבנית דיפרקציית קרני X (תמונה 2). דפוס זה מספק מידע מקיף לגבי הסימטריה ותהליך הסיעוף של המחטים."

בין השאר גילו החוקרים כי "הגזע העיקרי של המחט צומח במאונך למישור הבסיסי של סריג המשושה של החלבון, והקוצים שצומחים לצדדים מוּנְחים על ידי מישורים פירמידליים הניצבים בזווית של כ-66 מעלות יחסית למישור הבסיס. כך מתקבלת הצורה של טטראפוד – מפגש בין ארבעה קוצים. מצאנו גם מישורים נוספים שאחראים להיווצרות הסתעפויות דמויות מזלג (תמונה 1)."

תמונה 2: תוצאות של דיפרקציית קרני X המסבירות את תהליך הסיעוף. באדיבות דוברות הטכניון.
תמונה 2: תוצאות של דיפרקציית קרני X המסבירות את תהליך הסיעוף. באדיבות דוברות הטכניון.

לדברי פרופ' זולוטויאבקו, "מנקודת ראות הנדסית יש כאן תהליך מרתק שבו הטבע יוצר, מחומרים זמינים, מבני זכוכית מורכבים ביותר בטמפרטורות נמוכות – תהליך שהאדם עדיין לא הצליח לממש. אנחנו מעריכים שהמחקר שלנו, המפענח את מנגנון ההיווצרות של מחטי הזכוכית המסועפות בספוגיים, עשוי לספק השראה לתהליכי ייצור של חומרים ננו-גבישיים שימושיים ללא צורך בחימום לטמפרטורות גבוהות."

למאמר המלא

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

תגובה אחת

  1. מה ההתלהבות כאן מתהליך הכנת סיליקה ואוקסידים של מתכות מעבר אחרות ללא חימום לאלפי מעלות? הרי כבר מאמצע המאה ה-19 (בשנת 1846 כמדומני) התפרסם בספרות המדעית העולמית תהליך כימי מסוג SN2 הנקרא תהליך "סול-ג'ל" (Sol-Gel), המתרחש בטמפרטורת החדר, ואשר זכה להתעוררות והערכה מחודשת בשנות ה-1980's על ידי פרופ. דוד אבניר מהאוניברסיטה העברית בירושלים. כיום אין כמעט אף חברה (ייצור צגים בעלי חדות גבוהה במיוחד, שמשות הידרופוביות לרכבים, ציפויים דוחי-אבק, חלונות "חכמים", מגוון אדיר של ציפויים צבעוניים המורכבים מחומרים אורגניים כלואים, אינספור חיישנים, אלקטרודות pH (הנקראות "אלקטרודות זכוכית"), ועוד ועוד. מעבר לכך, כבר בשנות ה-90 של המאה העשרים החלו להתגלות עוד ועוד בעלי חיים ימיים שיוצרים מעטה סיליקה סביבם. אז מה חדש כאן?!?
    ובאותה הנשימה: חבל מאוד שהחוקרים שפרסמו את המאמר הזה לא ציטטו אף לא פרסום אחד מעבודת חייו של פרופ. אבניר בהבנת תהליך הסול-ג'ל ובפיתוחו המואץ. בקיצור – אין חדש תחת השמש, או כפי שסבי ז"ל נהג לומר: "אין תחת חדש לשמש".

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן