חוקרים מהאוניברסיטה העברית פיתחו חומר חדשני המבוסס בעיקרו על מים קפואים, ננו־צלולוז ממקור צמחי וחלבון מהונדס הפועל כ"דבק מולקולרי". התוצאה: קרח חזק משמעותית, עמיד יותר בפני סדקים ומסוגל לספוג פי 70 יותר אנרגיה לפני שבירה
קרח נתפס בדרך כלל כחומר זמני ושביר, אבל מחקר ישראלי חדש מציג אפשרות אחרת לחלוטין: להפוך מים קפואים לחומר הנדסי חזק, עמיד ובעל פוטנציאל לשימוש בתשתיות ובבנייה בתנאי אקלים קיצוניים.
צוות חוקרים מהאוניברסיטה העברית פיתח חומר חדש המכונה BioPykrete, המשלב קרח עם ננו־גבישי תאית ממקור צמחי וחלבון מהונדס המחבר בין שני החומרים ברמה המולקולרית.
על פי ממצאי המחקר, החומר החדש חזק בלחיצה עד פי 10 מקרח רגיל, וחוזקו מתקרב לזה של בטון סטנדרטי. במקביל, הוא מסוגל לספוג עד פי 70 יותר אנרגיה לפני שהוא נשבר.
הבעיה: קרח חזק – אבל שביר
לקרח יש כמה תכונות שהופכות אותו לכאורה לחומר גלם אטרקטיבי: הוא זמין מאוד, זול ויכול לשאת עומסים משמעותיים.
הבעיה המרכזית היא אופן הכשל שלו.
כאשר נוצר סדק בקרח רגיל, הוא עלול להתפשט במהירות ולהוביל להתנפצות פתאומית של המבנה. המשמעות היא שקשה להסתמך עליו כחומר הנדסי במערכות שבהן נדרשות עמידות, יציבות ויכולת לחזות את התנהגות החומר לאורך זמן.
המחקר החדש התמקד בדיוק בנקודת התורפה הזאת.
רשת צמחית בתוך הקרח
החוקרים שילבו במים ננו־גבישי תאית, המכונים גם ננו־צלולוז – חלקיקים זעירים וקשיחים שמקורם בצמחים.
במהלך ההקפאה נוצרת בתוך החומר מעין רשת תלת־ממדית המקיפה את גבישי הקרח. הרשת מסייעת לעצור ולהסיט סדקים שנוצרים בחומר, במקום לאפשר להם להתפשט במהירות.
אלא שהחוקרים לא הסתפקו בכך.
אל התערובת נוסף חלבון מהונדס שתוכנן לפעול כמעין "דבק מולקולרי": צד אחד של החלבון נקשר אל הקרח וצדו האחר אל הצלולוז.
השילוב הזה מחזק את החיבור בין מרכיבי החומר ומשנה באופן מהותי את התנהגותו תחת עומס.
במקום התנפצות – ספיגת אנרגיה
אחת התוצאות המעניינות ביותר של המחקר אינה רק העלייה בחוזק החומר, אלא שינוי אופן השבירה שלו.
במקום כשל חד והתנפצות פתאומית, ה־BioPykrete מסוגל לספוג כמות גדולה יותר של אנרגיה ולהתעוות באופן הדרגתי לפני קריסה.
הוספת החלבון המהונדס אף הכפילה את חוזק החומר ואת יכולתו לספוג אנרגיה לעומת תערובת של קרח וצלולוז ללא החלבון.
מדובר בתכונה חשובה במיוחד מבחינה הנדסית, שכן חומרים המתנהגים בצורה הדרגתית לפני כשל יכולים לאפשר תכנון בטוח ועמיד יותר של מבנים ותשתיות.
רעיון ישן – בטכנולוגיה מולקולרית חדשה
הרעיון לחזק קרח אינו חדש לחלוטין.
כבר במהלך מלחמת העולם השנייה נעשו ניסויים בחומר שכונה Pykrete, שילוב של קרח ונסורת עץ. התברר כי התערובת חזקה יותר מקרח רגיל ואף נמסה באיטיות רבה יותר.
החידוש במחקר הישראלי הוא המעבר מערבוב מכני פשוט של סיבים אל שליטה במבנה החומר בקנה מידה ננומטרי ומולקולרי.
כך ניתן להשפיע לא רק על חוזקו של הקרח, אלא גם על הדרך שבה סדקים נוצרים ומתפשטים בתוכו.
מים כחומר גלם לתשתיות
הפיתוח מעלה אפשרות מעניינת במיוחד עבור עולם המים והסביבה: שימוש במים עצמם כחלק מרכזי מחומר בנייה.
באזורים ארקטיים ואנטארקטיים, הובלת בטון, פלדה וחומרי בנייה אחרים למרחקים גדולים היא פעולה מורכבת, יקרה ובעלת טביעת פחמן משמעותית.
חומר שמורכב ברובו ממים זמינים מקומית ומרכיבים ממקור צמחי עשוי בעתיד לצמצם את הצורך בהובלת כמויות גדולות של חומרי בנייה קונבנציונליים.
הפוטנציאל יכול לכלול מבנים זמניים, מתקני מחקר, דרכים, משטחי עבודה ותשתיות באזורים שבהם הטמפרטורות מאפשרות שמירה על החומר במצב קפוא.
חדשנות בין מים, ביולוגיה והנדסת חומרים
המחקר מדגים גם מגמה רחבה יותר בתחום החדשנות: טשטוש הגבולות בין ביולוגיה, הנדסת חומרים ותשתיות.
במקום לפתח חומר סינתטי חדש לחלוטין, החוקרים לוקחים חומר טבעי ונפוץ – מים – ומשנים את תכונותיו באמצעות רכיבים ביולוגיים והנדסה מולקולרית.
הגישה הזאת עשויה להפוך משמעותית בעולם שמחפש חומרי בנייה בעלי השפעה סביבתית נמוכה יותר ושימוש מופחת במשאבים עתירי אנרגיה.
הדרך ליישום עדיין ארוכה
למרות הנתונים המרשימים, החוקרים מדגישים כי מדובר בשלב של הוכחת היתכנות ולא בחומר שמוכן עדיין לשימוש מסחרי.
בשלבים הבאים יהיה צורך לבדוק, בין היתר, כיצד החומר מתנהג לאורך תקופות ארוכות, כיצד משפיעים עליו מחזורי הקפאה והפשרה חוזרים ומה קורה לתכונותיו כאשר תנאי הטמפרטורה משתנים.
החוקרים מתכוונים גם לבחון שיטות הקפאה חדשות ושימוש בחלבונים נוספים, במטרה להגדיל עוד יותר את חוזקו ואת עמידותו.
אם הטכנולוגיה תצליח לעבור מהמעבדה ליישומים בקנה מידה גדול, ייתכן שבעתיד הקרח כבר לא ייחשב רק למים שקפאו – אלא לחומר הנדסי מתקדם בפני עצמו.
