בתום 17 שנות מחקר: נמצא הסבר שונה למנגנון גרוטוס

​

פרופ' אהוד פינס מהמחלקה לכימיה מצא פתרון לאחת השאלות המסקרנות בעולם הכימיה הפיזיקלית בתום 17 שנים של מחקר חלוצי: כיצד המים מאפשרים למטען החיובי של הפרוטון לעבור דרכם בצורה יעילה ולהעביר זרם חשמל משמעותי דרך התמיסה? התשובה לשאלה זו תורמת רבות להבנת תהליכים בכימיה, מדעי החיים, מדעי הסביבה ומדע החומרים.

תוצאות המחקר פורסמו לאחרונה בכתב העת היוקרתי Angewandte Chemie וזכו לסיקור עולמי ב-10 שפות.

על אף שהמדע מספק תשובות מורכבות בתחומים שונים, עדיין ישנם נושאים בסיסיים שטרם הגיעו לכדי פתרון והבנה מלאה. אחד מהם הוא נושא התכונות הכימיות והפיסקליות של המים, הנוזל החשוב בטבע שמקיים את החיים בעולמנו.

כבר לפני 216 שנה, הציע החוקר תיאודור פון גרוטוס הסבר לשאלה הקרויה על שמו: כיצד המים מאפשרים לזרם חשמלי לעבור דרכם בצורה מאוד יעילה, יחסית למעבר זרם חשמלי בנוזלים אחרים שנמצאים בטמפרטורת החדר? גרוטוס טעה במנגנון אותו הציע למוליכות החשמלית במים, הסבר שניתן בתקופה טרם היה ידוע על הימצאותם של יונים במים. אולם מאז ועד היום, המנגנון אותו הציע נחשב למנגנון ההולכה הראשון המספק הסבר על הולכת זרם במים על ידי מנגנון הולכה מבני יעיל, שבו יעילות מעבר הזרם קשור למבנה הממס ולא לצמיגות שלו. 

כעת, פרופ' אהוד פינס (בתמונה למעלה) מהמחלקה לכימיה, מציע פתרון לשאלה שנותרה פתוחה מאז 1806. לאורך השנים ניתנו הסברים שונים ברמה המולקולרית למבנה המים והמצאות מטען הפרוטון בתוכם. ההנחות הרווחות התבססו על כך שמבנה המים בבסיס מנגנון גרוטוס כרוך בעיקר באינטראקציה של הפרוטון עם אחת, שתיים או ארבע מולקולות מים. אולם המדען הישראלי העז להציע מבנה מים אחר המקיים את מנגנון גרוטוס המבוסס על סידור ייחודי של הפרוטון עם שלוש מולקולות מים.

בהתבסס על מחקרים ניסיוניים שערך פרופ' פינס במשך כ-17 שנים יחד עם ד"ר דינה פינס והדוקטורנטית איב קוזרי מהמחלקה לכימיה באוניברסיטת בן-גוריון בנגב, ובהסתמך על מחקרים תיאורטיים של פרופ' בנימין פינגרהוט מאוניברסיטת לודוויג מקסימיליאן במינכן, ההסבר מתבסס על כך שפרוטון נע במים בשרשראות של שלוש מולקולות מים. ניתן לתאר זאת באופן ציורי כרכבת הנמצאת על שלושה פסים ונעה ללא עצירה, כשהיא מניחה לפניה את הפסים ובאותה השעה מפרקת מאחוריה את הפסים עליהם זה עתה נסעה. 

רעיונות דומים הועלו על ידי מספר מדענים בעבר, אולם תנועת הפרוטון בתוך רצפים של שלוש מולקולות מים המקושרות ביניהן בשני קשרי מימן שמתמזגים אחד עם השני בחוזקה וממתגים ביניהם לסירוגין את חוזקי הקשרים, לא זוהתה בעבר ולא יוחסה למנגנון ההולכה של הפרוטון העומד בבסיסו של מנגנון גרוטוס. מנגנון ההולכה אותו הציע המדען הישראלי עורר התעניינות רבה בקרב מדענים בעולם מפאת חשיבותו לכל מדעי הכימיה והביולוגיה.

"הוויכוחים על הצורה שבה הפרוטון נמצא במים וכיצד הוא מתקדם בתוכם באמצעות מנגנון גרוטוס התלהטו ב-30 השנים האחרונות מכיוון שזהו אחד האתגרים הבסיסיים ביותר בכימיה שעדיין לא נמצא לו פתרון מספק", מסביר פרופ' פינס. "הבנת מנגנון ההולכה של הפרוטון על ידי הבנת הקישור בין מולקולות המים שעליהם הפרוטון משפיע בחוזקה הוא בחזקת מדע טהור שנמצא בבסיס הידע הכימי מאחר שהוא עוסק בהבנה של אחד ממנגנוני הובלת המסה והמטען החשובים והנפוצים ביותר בטבע. אם אין הולכת מטען מבנית על ידי פרוטונים אין חיים" , הסביר פרופ' פינס.

בעוד שבשנים האחרונות מחקרים תיאורטיים נוספים אישרו את ממצאיו של פרופ' פינס לגבי הפרוטון המסודר בשרשראות של שלוש מולקולות מים, רוב הקהילה המדעית העולמית הפועלת בתחום המשיכה להסס באם לקבל את המודל המתהווה שלו לפתרון החידה בת מאות השנים. לשם כך, צוות מחקר בינלאומי בראשות ד"ר אריק ניברינג במכון מקס בורן בגרמניה שחזרו את המערכת הכימית אותה הציע פרופ' פינס ובחנו את המבנה שלה, בכדי לאשש את התאוריה. הניסוי, במימון רשות המחקר האירופית (ERC) נערך בברלין ומדד את השפעת מטען הפרוטון על מבנה האלקטרונים הפנימיים של אטומי החמצן בעזרת בליעה של אלומת קרני X שיוצרה במאיץ אלקטרונים. פיענוח צילום הבליעה שהתקבלה בניסוי אפשר קביעה מדויקת של מספר מולקולות מים המושפעות בחוזקה מהימצאות הפרוטון בקרבן ולקבוע מהי מידת ההשפעה של מטען הפרוטון על כל מולקולת מים כזו. אכן, כפי שחזה פרופ' פינס, נמצא כי שלוש מולקולות מים מושפעות בעיקר מנוכחות הפרוטון, כל אחת במידה שונה, וכי התיאור של שרשראות או 'רכבות' של שלוש מולקולות מים עליהם 'נוסע' הפרוטון במים מסביר היטב את התוצאות הניסיוניות שהושגו בעזרת בליעת קרני ה-X. 

"כל הכימאים הפיזיקליים חשבו על הבעיה הזו למעלה מ-200 שנה מבלי שהגיעו לפתרון השלם שלה, כך שזה היה אתגר מספק עבורי בכדי להחליט לפצח אותו. שבע עשרה שנים מאוחר יותר, אני שמח על כך שהצעתי והדגמתי את הכיוון הנכון שמוביל לדעתי לפתרון בעיית מנגנון גרוטוס והקשר שלו למבנה המים. אני מקווה שכעת הפתרון הזה יזכה להיכנס לספר הלימוד הנפוץ בעולם בכימיה פיסקלית, כפי שהבטחתי לפרופ' אטקינס, מחבר הספר". 

​קבוצת המחקר שהשתתפה במדידות המבנה של צברי המים בעזרת בליעה של קרני X כללה את: ד"ר מריה אקימובה, קרלו קליין, יאן לודוויג וד"ר אריק טי ג'יי ניברינג ממכון מקס בורן לאופטיקה לא לינארית וספקטרוסקופיה של פולסים קצרים בגרמניה, ד"ר מיגל אוכמן, ופרופ' ד"ר נילס הוס מהמכון לפיזיקה של ננו-מבנה ומצב מוצק, המרכז למדעי לייזר האלקטרונים החופשיים ופרופ' מיכאל אודליוס מהמחלקה לפיזיקה, אוניברסיטת שטוקהולם, שוודיה; פרופ' פיליף וורנט מהמחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה, אוניברסיטת אופסלה, שוודיה ואיב כוזרי, ד"ר דינה פינס ופרופ' אהוד פינס מהמחלקה לכימיה, אוניברסיטת בן-גוריון בנגב.

​

​