זכוכית שמתאחה מעצמה

זכוכית היא אחד החומרים השימושיים ביותר שעומדים לרשות האדם. משתמשים בה בתעשיות הבנייה והרכב, בכלים, במראות, במשקפיים – כמעט בכל מקום. מפתה לייחס את קיומה לנפלאות המוח האנושי, אבל במקרה הזה הטבע הקדים אותנו. מתברר שפגיעה של מטאורים במשטחים חוליים, ואפילו התפרצויות של הרי געש, יכולים ליצור את התנאים המתאימים להתהוות של זכוכית טבעית. בזכוכית געשית, שנקראת גם אובסידיאן, השתמשו בימי קדם להכנת סכינים וכלי נשק.

הזכוכית נחשבת מוצק אמורפי – מה שאומר שבניגוד לרוב המוצקים, המבנה האטומי שלה מאוד לא מסודר, ודומה בכך יותר לנוזל. היא נוצרת כשחול מותך מתקרר במהירות רבה, שלא מותירה למולקולות החומר שהות להתארגן. יצרני הזכוכית מפיקים אותה בתהליך דומה – הם מתיכים חול ים (שרובו סיליקה), מעצבים את צורתו לפי רצונם, ואז מקררים את החומר כהרף עין, בדרך כלל במים פושרים. המעבר החד בין החומר המותך הגמיש לבין הזכוכית הקשה נקרא "מעבר זכוכיתי" – סוג של מעבר פאזה תרמודינמי, כמו מעבר בין מצבי צבירה.

חומר זכוכיתי בעל יכולת הדבקה שיכול לתקן סדקים בעצמו. טרי-טירוזין | צילום שחר שחר, דוברות אוניברסיטת תל אביב

הבטחה גדולה

זכוכית היא חומר שימושי להפליא בהיותה שקופה, קשה ועמידה למדי לפגעי הסביבה ולשחיקה. ועם זאת, היא שבירה, ואי אפשר לפורר אותה בחזרה לחול. שתי התכונות הללו מאתגרות את מדעני החומרים, שמחפשים דרכים ליצור חומרים חדשים הדומים לזכוכית אך תכונותיהם משופרות ומסקרנות.

במקביל למאמצים האלה גילו מדען החומרים פרופ' אהוד גזית מאוניברסיטת תל אביב, ותלמידיו גל פינקלשטיין-זוטא וזוהר ארנון, תמיסה מבטיחה במיוחד. החומר, שהחוקרים הישראלים אפיינו במאמר שפרסמו בכתב העת Nature, נקרא טרי-טירוזין, והוא דומה להפליא לזכוכית – אך לא לגמרי. על חשיבות הממצא מעידה העובדה שכתב העת הגדיל לעשות ופרסם מאמר סקירה נוסף שהוקדש לחשיבות הפוטנציאלית של עבודתם, בצירוף סרטון שמספר על תכונות החומר החדש.

טירוזין הוא אחת מעשרים חומצות האמינו שמהן מורכבים כל החלבונים בעולם החי. טרי-טירוזין הוא פפטיד, כלומר שרשרת חלבונית קצרה המורכבת משלוש יחידות של טירוזין. "הסימון הביוכימי של טרי-טירוזין הוא YYY, ויש בכך אולי רמז לתכונותיו המפתיעות", סיפרה פינקלשטיין-זוטא בשיחה עם אתר מכון דוידסון. "התברר לנו, ממש במקרה ובמהלך ניסיונות מחקריים אחרים, שתמיסה מימית של הפפטיד הזה מאפשרת ליצור חומר זכוכיתי – שקוף להפליא, אפילו יותר מזכוכית סיליקטית. בנוסף, הזכוכית החדשה יכולה לשנות את התכונות המכניות שלה, לתקן סדקים שנוצרים בה, ויש לה גם יכולת הדבקה".

אולי היתרון הגדול ביותר של הזכוכית הזאת הוא תהליך הייצור הפשוט שלה, שפינקלשטיין-זוטא משווה להכנת מיץ פטל במטבח הביתי. כל מה שצריך הוא לערבב אבקת טרי-טירוזין במים, וחסל. התהליך הזה שונה מאוד מייצור זכוכית סיליקטית, שדורש השקעה של הרבה אנרגיה ומיומנות מקצועית שנצברת בשנות הכשרה רבות. הזכוכית החדשה נוצרת בצורה ספונטנית, ללא השקעת אנרגיה.

מציגים לוחית עשויה מהזכוכית הפפטידית. גל פינקלשטיין-זוטא ופרופ' אהוד גזית | צילום שחר שחר, דוברות אוניברסיטת תל אביב 

מעט עזרה מחברים

החוקרים אפיינו את החומר שגילו בשלל שיטות. לפענוח תכונותיו האופטיות נעזרו בפרופ' טל אלנבוגן מבית הספר להנדסת חשמל באוניברסיטת תל אביב. כך נמצא שהוא שקוף לא רק באורכי הגל הנראים, אלא גם באורכי גל בתחום התת-אדום, מה שעשוי לאפשר להשתמש בו בתקשורת נתונים. לאפיון המבנה המולקולרי שלו פנו לעזרת הכימאי פרופ' אמיר גולדבורט מאוניברסיטת תל אביב. באפיונים נוספים, הקשורים לכושר ההדבקה ולתכונות המכניות של החומר, סייעו ד"ר מקסים סוקול מאוניברסיטת תל אביב וד"ר בן פלמר מאוניברסיטת בן גוריון. התברר שבשימוש בטרי-טירוזין בתור דבק, מתלה מסוגל להחזיק משא של עד חמישה קילוגרמים.

התכונה המפתיעה ביותר של הזכוכית הפפטידית החדשה היא היכולת "לרפא" את עצמה, שמקנה לה יתרון ייחודי בהשוואה לזכוכית הסיליקטית. "גילינו שאומנם הזכוכית הפפטידית נסדקת בתנאי יובש", ציינה פינלקשטיין-זוטא, "אך באותה קלות שבה היא נסדקת אפשר גם לאחות את הסדקים. כל מה שצריך לעשות זה להעביר את הזכוכית לסביבה לחה יותר. ברגע שעושים את זה המים שבים פנימה, הסדקים מתאחים, ואפשר ליצור את הזכוכית מחדש. הסיבה היא שמולקולות המים משמשות מעין מפרקים שמחברים בין מולקולות הטירוזין; כשהמפרקים נשברים בעקבות יציאה של מים, אפשר להשיב אותם כך שכל החיבורים יווצרו מחדש".

גזית אופטימי באשר ליישומים הטכנולוגיים והתעשייתיים של החומר החדש, ואף טוען כי ייתכן בהחלט שנפתח כאן שטח מחקר לא נודע.

"יידרש עוד זמן לפני שנוכל לייצר משקפיים שמבוססים על טירוזין", מסכמת פינקלשטיין-זוטא. "נולד לנו תינוק חדש שנתנו לו שם אבל אנחנו עדיין לא יודעים מה הוא יעשה כשיהיה גדול. בינתיים, הצלחנו לייצר במעבדה עדשות שמבוססות על הזכוכית הפפטידית, ואני מצפה למחקרי המשך שיקחו הלאה את הגילוי שלנו". אין מה לומר – שקוף שזה צריך להצליח.

בסרטון אפשר לראות איך מייצרים את הזכוכית וכמה מתכונותיה: