בהשראת האבולוציה

חוקרים מהטכניון ומאוניברסיטת ייל הציגו בכתב העת Nature Nanotechnology מתווה לפיתוח טכנולוגיה חדשנית לסינון סלקטיבי של מים. הטכנולוגיה צפויה להאיץ, לשפר ולהוזיל תהליכי התפלה וטיפול במים ולקדם פיתוחים ברפואה, בייצור אנרגיה ובתחומים נוספים.

פרופ’ מנחם אלימלך (מימין) וד”ר רזי אפשטיין

המחברים הראשיים של המאמר הם ד”ר רזי אפשטיין, חבר סגל חדש בפקולטה להנדסה אזרחית וסביבתית בטכניון, ופרופ’ מנחם אלימלך מאוניברסיטת ייל שהנחה אותו בפוסט-דוקטורט.

פיתוחן של טכנולוגיות סינון סלקטיביות הוא קפיצת מדרגה בתהליכי ממברנות – גישה שמיושמת רבות בהתפלה, כלומר בהפרדת מלחים ממים. התפלה ממברנלית, הידועה גם בשם “אוסמוזה הפוכה”, החליפה הודות ליתרונותיה את ההתפלה התרמית המבוססת על אידוי ומצריכה השקעה אנרגטית עצומה.

בעולם ההנדסה והמים, אוסמוזה הפוכה היא טכנולוגיה המשמשת כבר יותר מחמישים שנה להתפלת מים ולשימושים אחרים, וזאת באמצעות ממברנות פולימריות. למרות ההתפתחויות והשיפורים בתחום זה, ממברנות אלה עדיין מוגבלות מאוד בביצועיהן, בין היתר בהקשרים של סינון סלקטיבי.

לדברי ד”ר אפשטיין, “סינון סלקטיבי הוא יעד מבוקש כל כך מכמה סיבות. ראשית, מהסיבה הבריאותית – תהליך התפלה או טיפול סטנדרטי (לא סלקטיבי) מוציא מהמים גם מינרלים שאנחנו רוצים שיישארו, בעיקר בשל ערכם התזונתי. שנית, מההיבט הסביבתי – ככל שהסינון יותר גורף ופחות סלקטיבי, אנחנו זורקים תמלחת מרוכזת יותר ורבה יותר הפוגעת בסביבה. שלישית, מהסיבה הכלכלית – במים יש חומרים יקרי ערך, למשל ליתיום, שאם תוכל להפריד ולשמור אותם – תרוויח. בשורה התחתונה – סלקטיביות היא יעד הגיוני וחשוב, והוא גם רלוונטי לתהליכים שאינם קשורים לטיפול במים – בהפקת אנרגיה, ברפואה ובחישה של חומרים שונים.”

אף שממברנות סלקטיביות מעסיקות קבוצות מחקר רבות בעולם, יעילותן עדיין אינה משביעת רצון. “כאן,” אומר ד”ר אפשטיין, “בא לעזרתנו הטבע, שפיתח באינסוף שנות אבולוציה מנגנוני סלקטיביות יעילים להפליא. אחד התהליכים הללו, למשל, מתרחש בתעלות היונים (ion channels), הנמצאות בקרומיהם של תאים חיים ומשמשות מסנן מולקולרי של יונים.”

דוגמא בולטת ומעוררת השראה לתעלת יונים סלקטיבית היא תעלת האשלגן – מעין “סלקטורית” המאפשרת כניסה ליוני אשלגן בלבד. פעילותה מבוססת בין השאר על העובדה שמולקולות האשלגן, במצבן הרגיל, עטופות במים ולכן הן “שמנות” מכדי להיכנס לתעלה. כדי להיכנס לתעלה הן חייבות להשיל מעליהן את מולקולות המים, והן עושות זאת בתהליך של התייבשות (dehydration). תהליך זה מקל על תעלת היונים לזהות את יוני האשלגן, להבדיל בינן למולקולות דומות כגון סודיום, ולאפשר רק ליוני האשלגן לעבור דרכן באמצעות אתרי קישור (binding sites) ייעודיים.

ייצורן של ממברנות סלקטיביות מלאכותיות נבחן כיום בכמה אפיקים, הן בשיפור של ממברנות סטנדרטיות (פולימריות) והן ביצירה של ממברנות חדשות לגמרי מחומרים חדשים כגון גרפין ושפופרות פחמן. במעבדה החדשה של ד”ר אפשטיין בטכניון נבחנות כל האפשרויות, אבל הוא מעריך שהפתרון היעיל יימצא בשיפור של ממברנות פולימריות ומקווה שהמאמר הנוכחי יעניק דחיפה לפיתוח התחום ולהאצתן של ממברנות סלקטיביות למגוון תחומים.

ד”ר רזי אפשטיין, יליד עמק יזרעאל, השלים תואר ראשון ושני באוניברסיטת בן גוריון ותואר שלישי בפקולטה להנדסה אזרחית וסביבתית בטכניון בהנחיית פרופ’ מיכל גרין. הוא הצטרף לסגל הטכניון באוקטובר 2019 אחרי פוסט-דוקטורט בייל, שם החל במחקריו בטכנולוגיות סינון סלקטיביות.

המחקר נתמך על ידי משרד האנרגיה האמריקאי.

למאמר ב- Nature Nanotechnology  לחצו כאן