החומר שלא החליט מה הוא אוהב

5 בדצמבר, 2017
3 ד׳
דוחה מים או סופג אותם? המשטח הזה יכול להיות גם וגם, בזכות שליטה במבנה החלקיקים שלו

משטחים אוהבי מים, או בשמם המדעי משטחים הידרופיליים, הפכו לאחרונה ליעד אטרקטיבי למחקר בעקבות היישומים האפשריים הרבים שלהם, הכוללים איסוף מים על ידי ספיחת לחות מהאוויר ויצירת משטחים שיכולים לנקות את עצמם. גם משטחים שונאי מים, או בשמם המדעי משטחים הידרופוביים, הפכו מושא למחקרים רבים, בשל הצורך לייצר מוצרים דוחי מים כמו בדים שאינם נרטבים ומוצרי מתכת שאינם מחלידים

חוקרים מאוניברסיטת קולומביה הבריטית מצאו דרך יצירתית לשלב את שני העולמות וליצור משטח שיכול להפוך מחומר שסופח מים לחומר שדוחה מים בשניות ספורות. כל מה שצריך לשם כך הוא כימיה חכמה ומתח חשמלי נמוך שיכול להגיע פשוט מסוללת אצבע קטנה.

המשטח בנוי מתחמוצת הנחושת, שהיא חומר מוכר, נפוץ ולא מאוד ייחודי. החוקרים הצליחו ליצור ממנו משטח מתוחכם בעזרת שליטה במבנה החלקיקים שלו ובגודלם. הם השתמשו בשיטה שנקראת שיקוע חשמלי (אלקטרודפוזיציה), שמעודדת שיקוע של נחושת על פני המשטח בעזרת מתח חשמלי.  התהליך שהם פיתחו  יוצר על פני המשטח חלקיקי נחושת זעירים שמזכירים בצורתם עצים קטנטנים.

המשטח בנוי ממערך צפוף של המוני "עצים" זעירים בגובה של מיקרון – אלפית המילימטר – וגודל ענפיהם נע בין כמה עשרות לכמה מאות ננומטרים (מיליונית המילימטר). לשם השוואה, גודלו של גרגיר מלח שולחן הוא כ-500 מיקרון. המערך הזה הוא המפתח ליצירת משטח דוחה מים. קצות העצים הקטנים מחזיקים את טיפות המים מעט מעל המשטח ומשאירים שטח מגע מזערי בין המים למשטח, שמאפשר לטיפות המים להחליק ממנו בקלות.

אבל עצי הנחושת הזעירים אינם מאפשרים כשלעצמם שליטה בדרך שבה המשטח מגיב למים. כדי לעבור ממצב שבו המשטח דוחה את המים למצב שבו הוא סופח אותם, החוקרים השתמשו בתעלול כימי מוכר וידוע. תחמוצת הנחושת, היא הידרופובית - שונאת מים, אבל נחושת מתכתית שאינה קשורה לאטומי חמצן היא הידרופילית - אוהבת מים.

העובדה הזאת מאפשרת למשטח להיות משטח פעיל שאפשר לשנות את תכונותיו בעזרת גורם חיצוני. במקרה הזה המעבר בין מצבי חמצון שונים של נחושת, כלומר בין נחושת שאינה קשורה לאטומי חמצן לכזאת שכן, נעשה בפשטות ובמהירות, באמצעות סוללה שמפעילה מתח חשמלי נמוך.


המשטח מאפשר לגרום לטיפות מים לאסוף חומרים שונים על פניו ולנוע לנקודה מסוימת | איור: אונ' קולומביה הבריטית

הסוללה מספקת אלקטרונים לתחמוצת הנחושת ההידרופובית. אטומי הנחושת בתחמוצת עוברים תהליך שנקרא חיזור, שבו הם קולטים את האלקטרונים, משחררים את אטומי החמצן ונשארים במצבם המתכתי ההידרופילי. כך קורה שכאשר מטפטפים מים על משטח ה"עצים הזעירים" של תחמוצת הנחושת, הטיפות מתגלגלות מהמשטח, אך עם המתח החשמלי המשטח הופך למעין ספוג שסופח אליו את המים בחוזקה.

החוקרים מאמינים שלמשטחים חכמים שמבוססים על הטכניקה הזאת יכולים להיות יישומים רבים – למשל ספוג חשמלי שיוכל לסייע במקרים של דליפה של חומרים מסוכנים בסביבה מימית. הספוג יוכל לספוח חומרים שאינם מים במצבו ההידרופובי ולשחרר אותם מאוחר יותר בסביבה מימית, בלחיצת כפתור.