הפרדת גזים היא חיונית בתעשיות רבות, אך לעתים קרובות כרוכה בתהליכים עתירי אנרגיה, כגון קירור גזים להנזלת ואז להפריד אותם על סמך טמפרטורות האידוי שלהם. עם זאת, פרופסור Wei Zhang וצוותו באוניברסיטת קולורדו בולדר פיתחו סוג חדש של חומר נקבובי גמיש, בר קיימא וחסכוני באנרגיה. חומר זה יכול להתאים את גודל הנקבוביות שלו בטמפרטורות שונות כדי לאפשר באופן סלקטיבי לגזים מסוימים לעבור דרכם, מה שעלול לחולל מהפכה באופן שבו גזים מופרדים ולהפחית את האנרגיה הכוללת הנדרשת לתהליכים אלה.
חומר נקבובי חדש מאפשר הפרדת גזים יעילה באנרגיה נמוכה וניתן להרחבה לשימוש תעשייתי, ומציע חלופה בת קיימא לשיטות מסורתיות.
להפרדת גזים יש תפקיד מכריע בתעשיות שונות, החל מיישומים רפואיים, שבהם חנקן וחמצן מופרדים מהאוויר, ועד לתהליכים סביבתיים כמו לכידת פחמן, שבה פחמן דו חמצני מבודד מגזים אחרים וטיהור גז טבעי על ידי סילוק זיהומים.
הפרדת גזים, לעומת זאת, יכולה להיות גם עתירת אנרגיה וגם יקרה. "לדוגמה, כשמפרידים בין חמצן לחנקן, צריך לקרר את האוויר לטמפרטורות נמוכות מאוד עד שהם מתנזלים. לאחר מכן, על ידי הגדלת הטמפרטורה באיטיות, הגזים יתנדפו בנקודות שונות, ויאפשרו לאחד להפוך שוב לגז ולהיפרד", מסביר Wei Zhang, פרופסור לכימיה באוניברסיטת קולורדו בולדר ויו"ר המחלקה לכימיה. "זה מאוד אינטנסיבי ויקר."
הפרדת גזים רבה מסתמכת על חומרים נקבוביים שדרכם עוברים גזים ומופרדים. גם זה מזמן בעיה, מכיוון שהחומרים הנקבוביים הללו בדרך כלל ספציפיים לסוגי הגזים המופרדים. נסה לשלוח כל סוג אחר של גז דרכם והם לא עובדים.
עם זאת, במחקר שפורסם היום בכתב העת Science, ג'אנג ושותפיו למחקר מפרטים סוג חדש של חומר נקבובי שיכול להכיל ולהפריד גזים רבים ושונים והוא עשוי מחומרים נפוצים וזמינים. יתר על כן, הוא משלב קשיחות וגמישות באופן המאפשר הפרדת גזים מבוססת גודל להתרחש במחיר מופחת מאוד של אנרגיה.
"אנחנו מנסים לשפר את הטכנולוגיה", אומר ג'אנג, "ולשפר אותה בצורה ניתנת להרחבה ובר קיימא."
הוספת גמישות
במשך זמן רב, החומרים הנקבוביים המשמשים בהפרדת גזים היו קשיחים ומבוססים על זיקה – ספציפיים לסוגי הגזים המופרדים. הקשיחות מאפשרת להגדיר היטב את הנקבוביות ועוזרת לכוון את הגזים בהפרדה, אך גם מגבילה את מספר הגזים שיכולים לעבור בגלל גדלי מולקולות משתנים.
במשך מספר שנים, ג'אנג וקבוצת המחקר שלו עבדו לפיתוח חומר נקבובי המציג אלמנט של גמישות לצומת מקשר בחומר נקבובי נוקשה אחרת. הגמישות הזו מאפשרת למקשרים המולקולריים לנוע, או לנוע קדימה ואחורה במהירות קבועה, משנה את גודל הנקבוביות הנגישות בחומר ומאפשרת להתאים אותו למספר גזים.
"מצאנו שבטמפרטורת החדר, הנקבובית היא יחסית הגדולה ביותר והמקשר הגמיש בקושי זז, כך שרוב הגזים יכולים להיכנס", אומר ג'אנג. "כשאנחנו מעלים את הטמפרטורה מטמפרטורת החדר לכ-50 מעלות (צֶלסִיוּס), התנודה של המקשר הופכת גדולה יותר, מה שגורם לגודל הנקבוביות האפקטיבי להתכווץ, כך שגזים גדולים יותר לא יכולים להיכנס פנימה. אם נמשיך להעלות את הטמפרטורה, יותר גזים מורחקים עקב תנודה מוגברת וגודל הנקבוביות מופחת יותר. לבסוף, ב-100 מעלות, רק הגז הקטן ביותר, מימן, יכול לעבור".
החומר שג'אנג ועמיתיו פיתחו עשוי ממולקולות אורגניות קטנות והוא מקביל ביותר לזאוליט, משפחה של חומרים נקבוביים וגבישים המורכבים בעיקר מסיליקון, אלומיניום וחמצן. "זה חומר נקבובי שיש לו הרבה נקבוביות מסודרות מאוד", הוא אומר. "אתה יכול לדמיין את זה כמו חלת דבש. רובו הוא חומר אורגני מוצק עם נקבוביות בגודל רגיל אלה שמסתדרות ויוצרות ערוצים".
החוקרים השתמשו בסוג חדש למדי של כימיה קוולנטית דינמית המתמקדת בקשר בורון-חמצן. שימוש בבורון אָטוֹם עם ארבעה אטומי חמצן מסביב, הם ניצלו את ההפיכות של הקשר בין הבורון לחמצן, שיכול להישבר ולהתחדש שוב ושוב, ובכך לאפשר התנהגות מתקנת, חסינת שגיאות והובילה ליצירת מסגרות מסודרות מבניות. .
"רצינו לבנות משהו עם כוונון, עם היענות, עם הסתגלות, וחשבנו שהקשר בורון-חמצן יכול להיות מרכיב טוב להשתלב במסגרת שאנחנו מפתחים, בגלל ההפיכות והגמישות שלו", אומר ג'אנג.
פתרונות ברי קיימא
פיתוח החומר הנקבובי החדש הזה לקח זמן, אומר ג'אנג: "הכנת החומר קלה ופשוטה. הקושי היה ממש בהתחלה, כשהשגנו לראשונה את החומר והיינו צריכים להבין או להבהיר את המבנה שלו – איך נוצרים הקשרים, איך נוצרות זוויות בתוך החומר הזה, האם הוא דו מימדי או תלת מימדי. היו לנו כמה אתגרים כי הנתונים נראו מבטיחים, פשוט לא ידענו איך להסביר אותם. זה הראה פסגות מסוימות (דיפרקציה של קרני רנטגן), אבל לא הצלחנו להבין מיד לאיזה סוג של מבנה הפסגות הללו תואמות".
אז, הוא ועמיתיו למחקר לקחו צעד אחורה, שיכול להיות חלק חשוב אך מעט דנו בו בתהליך המדעי. הם התמקדו במערכת המודלים של מולקולות קטנות המכילה את אותם אתרים תגובתיים כמו אלה בחומר שלהם כדי להבין כיצד אבני בניין מולקולריות ארוזות במצב מוצק, וזה עזר להסביר את הנתונים.
ג'אנג מוסיף כי הוא ושותפיו למחקר שקלו יכולת מדרגיות בפיתוח החומר הזה, מכיוון שהשימושים התעשייתיים הפוטנציאליים שלו ידרשו כמויות גדולות, "ואנחנו מאמינים ששיטה זו ניתנת להרחבה מאוד. אבני הבניין זמינות מסחרית ולא יקרות, כך שהתעשייה יכולה לאמץ אותן כשיגיע הזמן".
הם הגישו בקשה לפטנט על החומר וממשיכים במחקר עם חומרי בניין אחרים כדי ללמוד את היקף המצע של גישה זו. ג'אנג גם אומר שהוא רואה פוטנציאל לשתף פעולה עם חוקרים הנדסיים כדי לשלב את החומר ביישומים מבוססי ממברנה.
"הפרדות ממברנות בדרך כלל דורשות הרבה פחות אנרגיה, אז בטווח הארוך הן יכולות להיות פתרונות ברי קיימא יותר", אומר ג'אנג. "המטרה שלנו היא לשפר את הטכנולוגיה כדי לענות על צורכי התעשייה בדרכים ברות קיימא."
