מגזין הטכניון | אביב 2018

13 25 ירוק מים לצורך יצירת מימן הוא אתגר המעסיק בעשורים האחרונים קבוצות מחקר רבות ברחבי העולם. זאת משום שדלק מימן הוא תחליף ירוק ואקולוגי לדלקים הקיימים; הוא מיוצר ממשאב זול וזמין - מים - וגם -מימן הוא מים, בניגוד מוּנע תוצר הלוואי של רכב לעשן המזהם הנפלט מכלי רכב המונעים בבנזין. Nature במאמר שהתפרסם בינואר בכתב העת מציגה פרופ’-משנה גליה מעין Catalysis מהפקולטה לכימיה ע”ש שוליך קומפלקס מולקולרי - אשכול מולקולות מלאכותי המשפר באופן דרמטי את יעילות פירוק המים על ידי חשמל. זאת באמצעות ביומימטיקה - תחום הנדסי המתבסס על השראת הטבע. במקרה הספציפי מדובר בהשראת תהליכי פוטוסינתזה בטבע. פוטוסינתזה היא תהליך טבעי שהתפתח במהלך האבולוציה בצמחים, בחיידקים ובאצות. בתהליך זה משמשת אנרגיית השמש להמרה של מים ופחמן דו-חמצני לחומר אורגני ולחמצן. תהליך זה חיוני לחיים על פני כדור הארץ, שכן כל בעלי החיים שאינם מסוגלים לבצע פוטוסינתזה, ובכללם האדם, ניזונים משרשרת המזון שראשיתה בחיידקים הפוטוסינתטיים. גם החמצן שאנו נושמים מקורו בפוטוסינתזה. אחד היסודות החיוניים בתהליך הפוטוסינתזה הוא . בהשראת Mn ), שסמלו הכימי Manganese ( מנגן ז ָ ר ָ הטבע נעשו ניסיונות רבים לגייס את המנגן כז בפירוק מים לצורך ייצור מימן - תהליך הנקרא אלקטרוליזה של מים. מולקולת המים מכילה אטום חמצן ושני אטומי מימן, ופירוקה מבוצע על ידי הזרמת אנרגיה חשמלית. זאת באמצעות קתודה ואנודה - הקתודה מחזרת את המים, כלומר תורמת להם אלקטרונים ומושכת אליה את החמצן; והאנודה לוקחת מהם אלקטרונים ומושכת אליה את המימן. האתגרים בתהליך זה רבים, שכן במקרים רבים נדרשת השקעה של אנרגיה רבה כדי להניע את התהליך. יתר על כן, זרזים רבים נהרסים בתהליך זה ומביאים לקיצו. הקומפלקס המולקולרי שפיתחה פרופ’-משנה מעין צפוי לשנות את המצב. לקומפלקס האמור, , Mn 12 DH שהוא למעשה מולקולה מורכבת בשם תכונות ייחודיות שמקנות לו יתרונות רבים בפירוק מים. בניסויים שנעשו בקומפלקס זה נמצא כי הוא מזרז את פירוק המים ומאפשר ייצור כמות גדולה של אלקטרונים (זרם חשמלי) וכמות משמעותית של חמצן ומימן. זאת בהשקעה אנרגטית נמוכה יחסית. לא פחות חשוב, הוא יציב - כלומר אינו נהרס במהירות כפי שקורה למולקולות אחרות המשמשות כזרז. לדברי פרופ’ מעין, “בטבע יצרה האבולוציה סביב המנגן מעטפת חלבונים המייצבת אותו ומונעת את התפרקותו. בהשראת המבנה הטבעי פיתחנו מעטפת אורגנית שמאפשרת את מסיסותו של קומלפקס המנגן במים ומייצבת אותו.” רוב העבודה המתוארת במאמר נעשתה על ידי הסטודנטית נעמה גלוז במסגרת לימודי התואר השני שלה בהנחיית פרופ’-משנה מעין. גלוז ממשיכה את המחקר על קומפלקס המנגן הייחודי במסגרת לימודי הדוקטורט. במחקרים ראשוניים היא הצליחה להראות כי הקומפלקס מסוגל לפרק מים על ידי חשיפה לאור ממנורה פשוטה. כך יהיה אפשר בהמשך לייצר חמצן ומימן בכמויות גדולות במהירות רבה, והרעיון הוא להסתמך בתהליך זה על אנרגיית השמש בלי להיזקק לחשמל. פרופ’-משנה מעין התאהבה בתחום הכימיה בשיעור הכימיה הראשון בכיתה י, “ומייד ידעתי שאני רוצה להיות פרופסור לכימיה.” אחרי הצבא השלימה תואר ראשון בכימיה באוניברסיטת תל אביב (בהצטיינות), תואר שני ושלישי במכון ויצמן ) NYU ופוסט-דוקטורט באוניברסיטת ניו יורק ( ובאוניברסיטת פלורידה - שם החלה לחקור את היא עומדת 2012 קומפלקס המנגן. מאז שנת בראש המעבדה לכימיה ביומימטית בפקולטה לכימיה ע”ש שוליך וחברה בתוכנית האנרגיה ע”ש גרנד בטכניון. פ התרשים מדגים את ביצועי הזרז החדש במונחים של ייצור חמצן. החץ השחור מצביע על המתח המינימלי הדרוש לתהליך – בממוצע 50%- מתח נמוך ב מהמתח הנדרש בהתקנים קיימים לפירוק מים