רגישות מחקרית

שיתוף פעולה בין חוקרים מהטכניון ומאוניברסיטת אוטרכט בהולנד שופך אור על סוגיית “אי-הרגישות המבנית” בתהליכי קטליזה. המחקר שהתפרסם ב-Nature Communications נערך בהובלת ד”ר שרלוט ווגט מהפקולטה לכימיה ע”ש שוליך בטכניון ובשיתוף פרופ’ ברט ווקהויזן מאוניברסיטת אוטרכט בהולנד.

ד”ר שרלוט ווגט

קטליזה היא כלי חיוני במגוון רחב של תעשיות לרבות תעופה, בנייה, זיקוק נפט, מזון ותרופות. כלי זה מייצר שינוי משמעותי במולקולה נתונה באמצעות קטליסט – זָרָז בעברית. הזרז עצמו הוא חלקיק זעיר המעורר תהליך כימי. זרזים מסוימים, לדוגמה, מניעים היווצרות של אמוניה, שהיא חומר חיוני לחקלאות. האמוניה נוצרת מאינטראקציה בין מולקולות של מימן וחנקן – אינטראקציה שאינה מתרחשת ללא זירוז כזה.

ד”ר ווגט חוקרת כבר שנים רבות נושאים הקשורים בקטליזה, והמאמר הנוכחי הוא כבר המאמר החמישי שלה, כמחברת ראשית, המתפרסם בכתבי העת של קבוצת Nature. לדבריה, “מאז ומתמיד הפתיעה אותי העובדה שקטליזה, שהיא אחד מתהליכי הייצור החשובים ביותר, אינה זוכה להתייחסות מספקת מהזווית של מחקר בסיסי. אחת הסיבות לכך היא רמת הסיבוך של תהליכים אלה – אינספור אירועים חשובים המתקיימים בעת ובעונה אחת.”

בעבודת הדוקטורט שלה באוניברסיטת אוטרכט בחנה ד”ר ווגט תופעה הקרויה רגישות מבנית. “פירושה של תופעה זו הוא שלא כל האטומים שעל פני השטח של הזרז פעילים באותה מידה בתהליך הקטליטי. לחלקיקים גדולים יותר יש שטח פנים מישורי רב יותר. לחלקיקים קטנים יותר, מנגד, יש יותר אזורים בלתי-מישוריים. תגובות קטליטיות מסוימות אופייניות יותר לאזורים מישוריים ואחרות לאזורים בלתי מישוריים. לעתים חלקיק גדול יותר יהיה יעיל יותר מחלקיק קטן, ולפעמים להיפך.”

אחרי שנים של עיסוק בסוגיית הרגישות המבנית החליטה ד”ר ווגט לחקור את הצד השני של המטבע: אי-רגישות מבנית. “כפי שאמרנו, אנחנו רגילים שהקטנת החלקיק משנה את התגובתיות שלו, וקוראים לזה רגישות מבנית; אבל במקרים רבים, שינוי גודל החלקיק אינו משנה את פעילותו. התופעה הזאת, אי-רגישות מבנית, הפליאה חוקרים רבים במשך עשרות שנים, ועם זאת עדיין לא נמצא לה הסבר מניח את הדעת.”

המחקר התבסס במידה רבה על Operando spectroscopy, טכנולוגיה המאפשרת לאפיין את הזרזים בשעת פעילותם.

במחקר הנוכחי הראו ד”ר ווגט ועמיתיה כי אי-רגישות מבנית אינה תכונה מהותית; לאמיתו של דבר, החלקיק הננומטרי פשוט מתארגן מחדש כך שהוא חושף רק אתרים מסוימים על פני השטח שלו. יתר על כן, באמצעות טיפול פשוט בחלקיק אפשר להחזיר לו את רגישותו המבנית וכך להפוך אותו לאמצעי יעיל בתהליכי קטליזה. גילויים אלה התבססו על כמה כלים מחקריים מתקדמים ובהם בחינה של החלקיקים במאיצי חלקיקים ותחת קרני X.

הסוגיות הסביבתיות הן מניע מרכזי בעבודתה של ד”ר ווגט. “בתור ילדה הייתי מודאגת מאוד מגשם חומצי. בסופו של דבר נמצא לכך פתרון מסוים והוא מבוסס על קטליזה. גם עכשיו, בהקשר של שינויי אקלים, קטליזה היא הפתרון, משום ששיפור הקטליזה באמצעות הגדלת האקטיביות של הזרז עשוי להוביל לצמצום פליטות הפחמן. יותר מכך, אנחנו יודעים כיום שגם שיפור מינורי של הקטליזה יכול להוביל לצמצום דרמטי בפליטת הפחמן. לכן לכל פריצת דרך בתחום הקטליזה עשויות להיות השלכות משמעותיות על תהליכים כגון זיקוק נפט ויתר על כן, על צמצום התלות שלנו בדלקים מחצביים כגון נפט.”

ד”ר ווגט, בת 30, נולדה בהולנד וגדלה ביוסטון, טקסס. באוניברסיטת אוטרכט בהולנד היא השלימה את כל תאריה בכימיה וכן תואר שני במינהל עסקים. בין לבין היא פתחה עסק בתחום הביגוד והתנדבה בסיוע לילדים במונגוליה.

לישראל הגיעה ד”ר ווגט במסגרת הדוקטורט, ובתקופת שהותה במכון ויצמן התאהבה בישראל ובישראלים. “אני לא בטוחה שאתם מבינים מה יש לכם כאן,” היא אומרת. “שמש, ים, אוכל מדהים, פתיחות אנושית. כאישה אני מוצאת כאן המון יתרונות, כי יש לנו כאן הרבה יותר הזדמנויות ושוויון הזדמנויות. לתחושתי, כאן, בניגוד להולנד, אין ניגוד כל כך ברור בין קריירה ומשפחה.”

גם כמדענית היא אהבה את מה שמצאה כאן – “תרבות של ידע ומחקר שמעודדת גם מחקר לשמו וגם מחקר שנועד לשיפור העולם. אישית אני אוהבת מחקר בסיסי שיש לו אופק טכנולוגי ויישומי, אבל חשוב שיהיו גם מדענים השקועים בתוך המדע הבסיסי, וזה דבר שמאפיין מאוד את ישראל. לכן אני שמחה שיש גופים כמו הקרן הישראלית למדע שמקדמים מדע בסיסי ולא מתנים את המענקים בהבטחה יישומית. זאת סביבה שמאפשרת למדענים ‘לשחק’ עם רעיונות וניסויים באופן שמאוד מעודד יצירתיות ופריצות דרך.”

בשנת 2018 קיבלה ד”ר ווגט את מלגת ות”ת לסטודנטים זרים מצטיינים; בשנת 2019 היא זכתה בפרס “מדענית יוצאת דופן” מטעם האגודה הישראלית לוואקום (IVS) וחברת אינטל, זאת על “הישגים יוצאי דופן בראשית הקריירה” ובמלגת נילס סטנסן; והשנה היא נכללה ב- Forbes 30 Under 30 – רשימת 30 החוקרים המובילים באירופה בתחומי המדע והרפואה – וקיבלה את Clara Immerwahr Award, פרס הניתן למדעניות מבריקות הנמצאות בתחילת הקריירה שלהן כדי שיצליחו בעבודתן ויהוו מודל לחיקוי עבור נערות ונשים צעירות.

תגובות מסוימות מאופיינות ברגישות מבנית ואילו אחרות, לכאורה, אינן כאלה.

לטכניון היא הגיעה במסגרת חיפושיה אחר מקום להשתקע בו כחברת סגל. “מה שראיתי במרכז זיסאפל לננו-אלקטרוניקה בטכניון הדהים אותי. יש כאן תשתיות ממש מעולות, למשל במיקרוסקופייה, וציוד מתקדם שלא היה לי בהולנד; כחוקרת בהולנד נאלצתי לטוס לא מעט לארצות הברית בשביל ניסויים מסוימים, ועכשיו יש לי הכל כאן לידי. בנוסף מתקיים בטכניון שילוב מופלא של חופש וסדר – נותנים לך להתפתח בכיוון שבחרת ו’לשחק’ עם רעיונות ואפשרויות, אבל גם מספקים לך תמיכה עצומה שמאפשרת לך לעשות את הדברים האלה בתוך מסגרת מאוד תומכת ומעצימה.”

במרץ 2021 הקימה ד”ר ווגט בטכניון את המעבדה לקטליזה לדלקי העתיד. בנוסף להיותה חברת סגל בפקולטה לכימיה ע”ש שוליך היא חברה בתוכנית האנרגיה ע”ש גרנד בטכניון. מלבד התשתיות והרוח הטכניונית היא מדגישה את חשיבותו של ההיבט האנושי בעבודתה כאן. “מהרגע שהגעתי לפקולטה נכנסו כל הזמן אנשים שלא הכרתי כדי להגיד שלום, לברך אותי ולומר שישמחו לעזור ולשתף פעולה. את הגישה הישראלית הזאת רואים גם בסטודנטים שלנו – הם לא רק חכמים אלא גם חצופים בקטע טוב. הם יוזמים ומציעים הצעות ולא מחכים שיגידו להם מה לעשות, ויש להם מוטיבציה לשנות את העולם. מעבר לכך, החוקרים והסטודנטים הישראלים חושבים רחוק, במונחים של פריצות דרך.”

אחד האתגרים העיקריים הניצבים בפני האנושות במאה הנוכחית הוא ייצורם של דלקים וחומרים אחרים ממקורות אלטרנטיביים כגון פחמן דו-חמצני ופסולת ביו-מסה.

למאמר בכתב העת  Nature Communications לחצו כאן