عقدة في الماء

قام العلماء في معهد وايزمان بتطوير نوع جديد من الكيمياء، يعتمد على التفاعلات بين الجزيئات في الماء، والتي قد تنتج مواد مبتكرة مقاومة للضغط ولكنها تظهر أيضًا مرونة - وهو مزيج مستحيل في معظم المواد التي تم إنشاؤها بالطرق المعتادة 

تفضل بعض الأمهات الولادة في الماء. يبدو أن هناك شيئاً ما، في البيئة المائية، يغير الأحاسيس والنتائج بشكل كبير، وليس من قبيل الصدفة - فالإنسان، مثل أي كائن حي آخر، يتكون أساساً من الماء، وأهمية الماء في النظم البيولوجية معروفة. . كما أن نوعًا جديدًا من الكيمياء، يعتمد على التفاعلات بين الجزيئات في الماء، قد ينتج مواد مبتكرة مقاومة للضغط ولكنها تظهر أيضًا مرونة، وهو مزيج مستحيل في معظم المواد التي تم إنشاؤها بالطرق المعتادة. قام الدكتور بوريس ريفشينسكي وأعضاء المجموعة البحثية التي يرأسها، في قسم الكيمياء العضوية في كلية الكيمياء في معهد وايزمان للعلوم، مؤخرًا بتطبيق هذا النهج الأصلي لإنشاء مرشح للجسيمات النانوية، والذي لا يجعل العملية فقط فرز الجزيئات حسب الحجم أبسط، ولكن يتم تفكيكها أيضًا للتنظيف ويمكن إعادة تدويرها بسهولة. وقد نشرت النتائج التي توصلوا إليها مؤخرا في المجلة العلمية Nature Nanotechnology.

تعتمد جميع المواد المفيدة التي يتم إنتاجها اليوم تقريبًا على روابط كيميائية قوية وغير قابلة للعكس، تسمى الروابط التساهمية. هذه الروابط - التي يمكن العثور عليها، من بين أمور أخرى، في البوليمرات، التي تشكل أساس جميع المواد البلاستيكية - تمنح المواد القوة، ولكن في الحالات العادية لا يمكن تغييرها بسهولة: إذ يتطلب إنتاجها معالجة معقدة، ومن الصعب معالجتها. معالجتها. وعلى النقيض من هذا الوضع، فإن ما يسمى بالأنظمة "فوق الجزيئية" تتصل من خلال تفاعلات غير تساهمية. الأنظمة فوق الجزيئية قادرة على التجميع الذاتي، وقادرة على ضبط نفسها - في بعض الأحيان، على سبيل المثال، تكون قادرة على إصلاح نفسها - وبالتالي تنتجها ببساطة وإعادة تدويرها. ولكن حتى الآن، فإن ميزة المرونة التي تتمتع بها هذه الأنظمة كلفتها المزيد من القوة؛ أي في عيب نسبي لخاصية القوة.

يقوم الدكتور ريفشينسكي وأعضاء مجموعته، بمن فيهم الدكتور حاييم وايزمان، وطالبي البحث إليشا كريج وعليا شيرمان، مع الدكتور إيال شمعوني من قسم البنى التحتية للبحوث الكيميائية، بدراسة الروابط غير التساهمية بين الجزيئات، والمعروفة باسم "الروابط الكارهة للماء". الجزيئات الكارهة للماء هي "كارهة للماء": عندما تضعها في الماء، فإنها تشكل روابط، تشبه قطرات الزيت التي تندمج. يشير تحليل القوى الكيميائية العاملة في هذه الروابط إلى أن الروابط الكارهة للماء قد تكون قوية نسبيًا، ولكنها أيضًا قابلة للضبط، وصديقة للبيئة، ورخيصة الإنتاج. فهل هذه الروابط قوية بما يكفي لاستخدامها في إنتاج مواد جديدة تنافس المواد الموجودة ذات الروابط التساهمية؟

تعتبر الأنظمة فوق الجزيئية مرشحة جيدة لتطبيقات خاصة مثل مرشحات الجسيمات النانوية. إن المرشحات الموجودة - والتي تهدف إلى فرز الجزيئات التي لا يتجاوز قطرها عدة أجزاء من المليارات من المتر - باهظة الثمن، ويصعب استخدامها، كما أنها تسد وتنكسر بسهولة. إن المرشح الذي يمكن إعادة تدويره - مما يعني أن الروابط الكيميائية التي يشكلها مع المادة مكسورة وإعادة ربطها - كان من الممكن أن يتغلب على هذه المشاكل.

قام العلماء بتكوين جزيئات تحتوي على مكون كبير كاره للماء، وقاموا بإذابتها في الماء، ثم سكبوا المحلول على مادة ترشيح قياسية ذات ثقوب كبيرة. وبدلاً من المرور عبر مادة الترشيح، تم ربط الجزيئات وتشكيل شبكة ثلاثية الأبعاد، مثقوبة بفتحات موحدة يبلغ حجمها عدة نانومترات.

وتبين أن الشبكة التي أنشأوها تعمل بمثابة مرشح ممتاز للجسيمات النانوية. عندما مرر العلماء محلولًا يحتوي على جسيمات الذهب النانوية عبر الشبكة، فإن الجسيمات الأصغر من خمسة نانومتر فقط (وهي عتبة حرجة للعديد من التطبيقات) تجاوزت الغشاء فوق الجزيئي. عندما قام العلماء بإذابة الروابط الكارهة للماء مع الإيثانول، أصبح من الممكن جمع الجسيمات النانوية واستخدامها في المرشح مرة أخرى. وكرر العلماء العملية مراراً وتكراراً، واكتشفوا أنه من الممكن صهر وتكوين شبكة الفلتر عدة مرات، دون الإضرار بكفاءتها وإمكانياتها.

وفي وقت لاحق، أراد العلماء التحقق مما إذا كانت الشبكة أكثر انتقائية ودقة في فرز الجسيمات. ولهذا قاموا بإنشاء هيكل ثلاثي الأبعاد أكثر سمكًا قليلاً. وبعد تمرير محلول الجسيمات النانوية عبرها، قاموا بفحص الشبكة تحت المجهر الإلكتروني. وكما هو متوقع، توغلت الجزيئات الأصغر حجمًا بشكل أعمق في المادة، في حين أن الجزيئات الأكبر "عالقة" بالقرب من السطح - بطريقة جعلت من الممكن فصل الأحجام المختلفة بسهولة.

ويعتقد الدكتور ريفشينسكي أنه بعد إجراء المزيد من الأبحاث، قد تكون شبكات تصفية الجسيمات النانوية بدائل فعالة وخضراء للطرق المستخدمة اليوم. ومن الممكن أيضًا استخدام هذه الطريقة لفرز الجزيئات البيولوجية مثل البروتينات والحمض النووي. "قد تكون هذه الطريقة أداة رخيصة وسهلة الاستخدام، مع عدم وجود أي هدر للمواد تقريبًا. ولكن أفضل شيء هو أننا قدمنا ​​تطبيقاً جديداً تماماً للروابط غير التساهمية: فقد أظهرنا أنها من الممكن أن تكون قوية وقابلة للعكس في نفس الوقت، وتشكل أساساً جيداً لمواد جديدة أكثر كفاءة وأكثر مراعاة للبيئة من المواد الموجودة. "

وقد قدمت شركة "Yade"، التي تروج للتطبيقات الصناعية القائمة على اختراعات علماء معهد وايزمان للعلوم، طلب براءة اختراع لهذه الشبكات.

في مدح العقلانية

يقرأ بوريس ريبشينسكي عادة في أوقات فراغه الكتب المرجعية التاريخية، ومن كتبه المفضلة التي يعود إليها مرارا وتكرارا هو "تاريخ الفلسفة الغربية" (A History of Western Philosophy) للفيلسوف وعالم الرياضيات برتراند راسل. . "هذا كتاب مهم ومثير للاهتمام، فهو، إلى جانب لمحة تاريخية - تتابع تطور الفكر الغربي - يصف النظرة العقلانية مقابل النظرة غير العقلانية إلى العالم. هذا كتاب موضوعي لكل عالم. وقال الكاتب بورخيس إن هذا هو الكتاب الوحيد الذي قد يفكر في أخذه معه إلى جزيرة صحراوية، وأنا أوصي به بشدة.