גביש בהפתעה

מה היה עושה אדריכל, אם הייתה מוטלת עליו המשימה לתכנן מבנה דמוי-קולוסיאום – עתיר קשתות, קמרונות ותבליטים – תוך שמירה על הדרישות הבאות: שימוש בסוג אחד בלבד של לבנים והצבתן זו על גבי זו במדויק, בסידור סימטרי, ללא חריגות כלשהן? הוא היה ודאי אומר שזו משימה בלתי-אפשרית, שכן דרישות אלה יאפשרו, לכל היותר, להקים מגדל רב-קומות רציף המחולק לחלל אחד בלבד לכל גובהו. לטבע יש כללים דומים ליצירת גבישים-יחידים (single-crystals) - שהינם מהמבנים המסודרים ביותר בעולמנו, ובהם ה"לבנים" (האטומים או המולקולות) נערמות זו על גבי זו בצורה סימטרית, היוצרת מבנה רציף, בעל קצוות חדים וחסר חלוקות פנימיות. 

הכללים ליצירת גבישים-יחידים מולקולריים אכן נוקשים, ולכן קשה להעלות על הדעת אפשרות של חריגה מהם. אף על פי כן, מדעני מכון ויצמן למדע הצליחו ליצור מבנים פרדוקסליים: גבישים-יחידים רציפים בעלי צורה אסימטרית מורכבת, חלוקה פנימית לחללים וקווים מעוגלים. שאלת מבנה הגבישים היא כמובן לא רק אסתטית – בהנדסת גבישים כמו באדריכלות, למבנה יש חשיבות מכרעת בקביעת תכונות החומר. לפיכך, ממצאי החוקרים שדווחו באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Communications חושפים למעשה סוג חדש של חומרים אורגנו-מתכתיים הניחנים בתכונות ייחודיות. 

שמאל-ימין-שמאל

בתחום הנדסת הגבישים עדיין נותרו שאלות רבות פתוחות, בהן כיצד ניתן לגדל גבישים בעלי ממדים וצורה אחידים – וכיצד אפשר לשלב בהם תכונות כיראליות ואף לשלוט בתכונות אלה? מולקולות כיראליות הן מולקולות זהות בהרכבן, המהוות תמונת ראי זו של זו. בדומה לכפות ידיים, גם במולקלות כיראליות נהוג לדבר על כיראליות "שמאלית" ו"ימנית", ומטבע הדברים אי-אפשר להניח אותן זו על גבי זו בהתאמה מלאה. מולקולות כיראליות יכולות ליצור מבנים סליליים שכיוון סיבובם – עם כיוון השעון או נגדו – מוכרע בהתאם להיותן "ימניות" או "שמאליות". כיראליוּת קיימת בטבע בכל קנה מידה – החל בסליל הדי-אן-אי המיקרוסקופי, דרך מבנה מאקרוסקופי כגון קונכיית החילזון וכלה בגלקסיות. 

בשנים האחרונות, החוקרת הבתר-דוקטוריאלית האיטלקייה, ד"ר מריה קיארה די-גרגוריו, מדענית הסגל הבכירה ד"ר מיכל להב ופרופ' מילקו ואן דר באום מהמחלקה לכימיה אורגנית, פיתחו שיטה ליצירת גבישים-יחידים בעלי מראה מורכב ביותר. לא זו בלבד שלגבישים שיצרו יש צורת "יו-יו", שלכל אחד מחצאיו כיוון סיבוב אחר, אלא שגם כל אחד מהחצאים מזכיר מעין "פרח" כיראלי מרובה "עלי כותרת". כדי להבין כיצד נוצר מבנה שכזה ממולקולות סימטריות ונעדרות כיראליות, השתמשו המדענים בשיטות שונות לבחינת הגבישים בשלוש רמות: הרמה המורפולוגית (החיצונית), הרמה המולקולרית ורמת ביניים – התפלגות צפיפות האלקטרונים. 

ראשית, בעזרת מיקרוסקופ אלקטרונים סורק, הם הצליחו לזהות ברמה המורפולוגית ארבעה שלבי התגבשות: תגובה כימית בין מולקולות אורגניות ובין אטומי מתכת בתמיסה בטמפרטורה נתונה מניבה תחילה מבנים גליליים חסרי צורה כיראלית; אלו הם "הניצנים" שבשלבים הבאים יהפכו לעצמים כיראליים. בהמשך, מתפתחים הגלילים לשני משושים מעוקמים, ולאחר מכן צצים עלי כותרת המתארגנים באופן אסימטרי על פני השטח במבנה דמוי פרח. בשלב האחרון, מתפתחים הגבישים למבנה בעל צורה מוגדרת היטב דמוית יו-יו.

המדענים לא עצרו ברמה החיצונית. הם הבינו שחקירת המבנה בעזרת דימות מיקרו-CT – שיטה לא שגרתית בניתוח תלת-ממדי של גבישים אורגנו-מתכתיים – עשויה לחשוף פרטים נסתרים ברמת הביניים הכוללת את התפלגות צפיפות האלקטרונים. ואכן, מדידות אלה חשפו מוטיב ספיראלי יחיד ורציף, המשתרע על-פני המבנה כולו, מבסיס לבסיס, ובכך תומך ברעיון שמדובר בגביש-יחיד כיראלי. ממצאים אלה נחקרו גם ברמה המולקולרית באמצעות פיזור קרני רנטגן; מדידות אלה, שביצעה ד"ר לינדה שמעון מהמחלקה לתשתיות למחקר כימי, הראו אף הן כי מבנה היו-יו הוא למעשה מבנה של גביש-יחיד. מדידות אלה חשפו גם תעלות כיראליות הפרוסות כמדרגות לולייניות לאורך המבנה כולו, מלמעלה עד למטה. 

"אלה תוצאות מרגשות – הצלחנו ליצור סוג ייחודי לגמרי של מבנים", אומר פרופ' ואן דר באום. "ככימאים, זה מעניק לנו תובנות מעמיקות על אודות יצירת גבישים, וכיצד אנו יכולים ליצור חומרים מרתקים בעלי תכונות חדשות". המדענים מקווים שלסוג הגביש החדש שלהם יימצא שימוש עתידי ביישומים, כגון אחסון אנרגיה ירוקה, קליטת פחמן דו-חמצני מהאטמוספרה או הגברת הקצב והסלקטיביות של תגובות כימיות בתעשייה.

במחקר השתתפו גם ד"ר ולאד ברומפלד וד"ר לותר הובן מהמחלקה לתשתיות למחקר כימי