עשרות שנים אחרי שהפלסטיק הגיע לחיינו, אפשר לתהות מהו החומר הבא שישנה את העולם. האם יהיה אלה מתכות ספוגיות, ננו-מכונות או דווקא קורי עכביש סינתטיים?

סיפור גילוים והתפתחותם של חומרים לאורך ההיסטוריה מספר את סיפור ההתפתחות האנושית. לא צריך להרחיק הרבה מעבר לשמות שניתנו לתקופות שעברו חברות אנושיות במהלך התפתחותן, כדי להיווכח בהשפעה העצומה שהייתה לחומרים חדשים ולטכנולוגיות הנלוות להם על ההיסטוריה שלנו. תקופת האבן הובילה לתקופת הברזל ולתקופת הברונזה, וכל חומר איפשר כלים אחרים ועיצב כך את פני החברה. לכן הדחף למצוא את חומרי העתיד, ואף לנסות לחזות אותם, הוא כל כך חזק. הרי הם אלה שיעצבו את סיפורו של עולם המחר.

מוזר מעט להבין שעד לקראת אמצע המאה ה-20, חומרי העתיד עוד היו פלסטיק ופולימרים סינתטיים, שכיום נפוצים בכל בית. ואכן, תוך זמן קצר יחסית מהפיתוח הראשוני של סיבי ניילון, הפלסטיק כבש את העולם בסערה והותיר חותם אדיר על התעשייה, הכלכלה וחיי היומיום. קשה כיום לדמיין את העולם בלי כלים, מכלים, צינורות, בדים ומגוון מוצרים אחרים שמבוססים על פלסטיק. לצערנו, צידה האפל של מהפכת הפלסטיק מקשה עלינו לדמיין גם ים נקי מפסולת פלסטיק.

אם כן, מהם החומרים שיעצבו את המחר? התשובה כמובן אינה פשוטה ותלויה בזהות הנשאל. עם זאת, אפשר לתאר בקווים כלליים מה צריכות להיות התכונות של חומרים כאלה. הדרישה לחומרים עם הולכת חשמל, בידוד חום, או עמידות יוצאי דופן, למשל, היא תמיד גבוהה, אך גם תכונות אזוטריות יותר ומסקרנות, כמו היכולת לשלוט באור, מעוררות עניין רב. אפילו תכונות שגרתיות יחסית יכולות לספק טוויסט חדשני לחומרים ותיקים. התוצאה: עץ שקוף, סיבי טקסטיל מוליכים או מתכות קלילות, לצד חומרי גלם חדשניים אחרים.

הפיתוח של חומרים חדשים מושפע כמובן גם מאופנות טכנולוגיות ומהמחקרים ה"חמים" בתחומים אחרים. לדוגמה, כיום נעשה מחקר רב על חומרים שיאפשרו ממשק ישיר בין גוף האדם למכונה, חומרים חכמים שמגיבים לשינויים בסביבה, ואסטרטגיות לגילוי חומרים חדשים בעזרת בינה מלאכותית. משבר האקלים מכתיב פיתוח של חומרים עם חתימה אקלימית נמוכה, שעמידים לאורך זמן או מתכלים לחלוטין בטבע ועשויים מחומרי מוצא זמינים ונפוצים.

קשה עד בלתי אפשרי לספק תשובה טובה לשאלה מהם חומרי העתיד. אבל טעימה קטנה מהפיתוחים והחידושים הפנטסטיים בתחום נותנת תחושה לגבי האפשרויות האינסופיות-כמעט הטמונות בחומרי המחר.

דוגמה לחוט מוליך חשמל שניתן לתפור לתוך בגדים | Anna-Lena Lundqvist/Chalmers University of Technology
הדרישה לחומרים עם הולכת חשמל, למשל, היא תמיד גבוהה. דוגמה לחוט מוליך חשמל שניתן לתפור לתוך בגדים | Anna-Lena Lundqvist/Chalmers University of Technology

חומרים נקבוביים (פורוזיביים)

כשרוצים לפתח חומר שיהיה חזק ובה בעת גם קל, אחת הדרכים היא למלא אותו באוויר. זה הרעיון שעומד מאחורי החומרים הנקבוביים, הקרויים גם חומרים פורוזיביים - הם בנויים מרשת תלת-ממדית אוורירית במבנה דמוי ספוג. מאחר שחלק ניכר מהנפח שלהם הוא אוויר, החומרים האלה שוקלים מעט מאוד. בה בעת, הרשת הסבוכה מאפשרת להם לשאת לחצים גבוהים מאוד יחסית למשקלם, אף על פי שהם מלאים חורים.

יתרון נוסף של החומרים הללו הוא שהנקבוביות מאפשרות מעבר של גזים ונוזלים. כשמצרפים את זה לעובדה ששטח הפנים שלהם הוא עצום לעומת נפחם, אין פלא שהם מעוררים עניין רב כמצע לספיחה של חומרים או לזירוז תגובות כימיות. חומרים פורוזיביים מאופיינים גם בבידוד חום מעולה: כאשר הנקבוביות הרבות יכולות להיות מלאות באוויר שמקשה על מעבר החום.

הדגמה של בידוד החום של אירוג'ל | Peter Menzel, Science Photo Library
חומרים פורוזיביים מאופיינים בין השאר בבידוד חום מעולה. הדגמה של בידוד החום של אירוג'ל | Peter Menzel, Science Photo Library

שתי דוגמאות בולטות לחומרים כאלה הם האירוג'לים והמתכות הספוגיות. אירוג'לים הם חומרים שמיוצרים בתהליך ייבוש מיוחד של ג'ל, ונחשבים למוצקים בעלי הצפיפות הנמוכה בעולם: יותר מ-99.99 אחוז מנפחם הוא אוויר. החומרים האלה מבודדים חום ביעילות רבה, וגם עמידים מאוד ללחצים גבוהים. בזכות התכונות הללו, ובזכות היכולת שלהם לספוח אל תוכם כמויות גדולות של חומר, הם הוזכרו כחומרים אידיאליים לשמש סופחי אבק חללי, למשל כחלק מהמעטפת החיצונית של חלליות מאוישות.

מתכות ספוגיות אפשר לייצר במגוון דרכים, אך התוצר הסופי דומה בכולן: חומר ששוקל 25-5 אחוז ממשקלה של מתכת רגילה באותו נפח. בזכות המבנה שלהן, שמזכיר את מבנה העצמות בגופנו, המתכות הפורוזיביות עמידות בלחצים גבוהים למרות משקלן הנמוך, והנקבוביות מאפשרות לאוויר וגם לנוזלים לזרום דרכן. הן יכולות לשמש בין השאר כעצמות מלאכותיות להשתלה בגופם של בני אדם, בולמי זעזועים קלי משקל בתעשיית הרכב והתעופה ואפילו להיות מצע לזירוז תגובות כימיות, בזכות שטח הפנים העצום שלהן.

דוגמה של אלומיניום ספוגי | Wikipedia, Stehfun
המתכות הפורוזיביות עמידות בלחצים גבוהים למרות משקלן הנמוך. דוגמה של אלומיניום ספוגי | Wikipedia, Stehfun

חומרים ביולוגיים

כשמדברים על חומרים ביולוגיים, מתייחסים לכמה משפחות של חומרים שיכולות להיות שונות מאוד זו מזו, אך המשותף לכולן הוא הקשר שלהם לעולם הביולוגי. אלה יכולים להיות חומרים שפותחו בהשראת חומר ביולוגי, שמשתמשים בחומרי גלם שמקורם ביולוגי, או שיש להם שימושים ביולוגיים.

חומרים שפותחו בהשראה ביולוגית מנסים לקחת תכונות אטרקטיביות מעולם החי או הצומח, כמו עמידות לחיידקים או היכולת להתאחות, ולשלב אותן בחומרים מלאכותיים. לדוגמה, כדי לייצר בטון, אספלט או מכלי דלק שמאחים את עצמם כשהם נסדקים, ממש כמו במערכות ביולוגיות, אפשר לשלב בהם כדוריות קטנות שמכילות חומרי איחוי. ברגע שהחומר נחבל מסיבה זו או אחרת, הכדוריות משחררות את תכולתן ומזניקות את תהליך ההחלמה לדרכו.

לפעמים ניתן לקחת חומר גלם ביולוגי, ולנצל את תכונותיו כדי לייצר בצורה מלאכותית מגוון חומרים עם תכונות ייחודיות. לעיתים מדובר בפיתוח תהליך מלאכותי כדי לייצר חומר ממקור ביולוגי עם תכונות נחשקות, ולמשל לשחזר כך את החוזק והגמישות של חוטי משי וקורי עכביש. במקרים אחרים אפשר לקחת חומר ביולוגי שכבר נמצא בשימוש רווח, למשל עץ, ולהעבירו תהליך כימי אשר יעניק לו תכונות חדשות שמאפשרות אפיקי שימוש חדשים. בצורה כזאת אפשר להסיר מרקמת עץ את הליגנין – פולימר שנמצא בתאי העץ וחוסם חלק גדול מהאור – ולהוסיף לו תרכובת אורגנית חלופית. כך אפשר ליצור עץ שקוף, ולעשות חלונות מעץ במקום מזכוכית.

אחד החומרים שיש מוטיבציה אדירה להחליפו בחומרים ירוקים ומתכלים הוא הפלסטיק. מאמצים גדולים נעשים כדי לייצר ביו-פלסטיקים אמיתיים, שמתפרקים לחלוטין בתוך זמן קצר ושמיוצרים בתהליך עם חתימה סביבתית נמוכה. בשנים האחרונות נכנסים לשוק יותר ויותר חומרי אריזה ותחליפי פלסטיק המיוצרים משאריות עץ, אצות ואפילו שאריות מזון.

סיב משי שיוצר בשיטה ביו-סינתטית | Christopher Bowen
חוקרים הצליחו לשחזר את הכוח והגמישות של חוטי משי וקורי עכביש. סיב משי שיוצר בשיטה ביו-סינתטית | Christopher Bowen

ננו-חומרים

עולם החומרים הננומטרי עוסק בחומרים זעירים שגודלם כמה מיליארדיות המטר. למרות הגודל הזעיר שלהם, ולמעשה בזכותו, צפויה להיות להם השפעה אדירה על עולם המחר. בעולם שרודף בצורה אובססיבית אחרי מחשבים חזקים יותר, מצלמות עשירות במגה פיקסלים, ומסכים ברזולוציה יותר ויותר גבוהה, הצורך במזעור התקנים טכנולוגיים ברור לכול. כדי לייצר התקנים זעירים צריך להתחיל בחומרים מיניאטוריים במיוחד.

התקנים קטנטנים ישולבו בקלות רבה גם בגופנו, בבגדינו או בחפצים אחרים, וישמשו כדי לעקוב אחרי מצבנו הבריאותי או כדי להגיב לשינויים בסביבה. באופן כזה, החולצה שלנו תוכל להתאים את עצמה למזג האוויר ולחמם אותנו יותר במזג אוויר קר אך להיות אוורירית יותר כשהטמפרטורות עולות, ואילו התקנים תוך-עוריים יוכלו לדווח בזמן אמת על התפתחות של מצב חירום בריאותי.

אילוסטרציה לשימוש עתידי לננו-חומרים: שילוב בעצם שנפגעה כדי לעזור בשיקומה | Alfred Pasieka, Science Photo Library
התקנים קטנטנים ישולבו בקלות רבה גם בגופנו. אילוסטרציה לשימוש עתידי לננו-חומרים: שילוב בעצם שנפגעה כדי לעזור בשיקומה | Alfred Pasieka, Science Photo Library

אחד הדברים המרתקים בחומרים קטנים כל כך היא שבחלק מהם, שמכונים חומרים קוונטיים, החותמת המוזרה של הפיזיקה הקוונטית מורגשת בתכונותיהם. כך הגודל של חלקיק יכול לפעמים לקבוע גם את צבעו, עשויה להתאפשר הולכה חשמלית ללא התנגדות (מוליכי-על), והתקווה היא לפתח בעתיד גם חומרים שיאפשרו העברת מידע קוונטי, ומחשוב קוונטי.

כשעובדים עם חומרים שגודלם קטן אפילו מאורך הגל של האור הנראה – כ-800-400 ננומטרים – החומר יכול לשמש כדי לשלוט באור עצמו. סידור של מבנים ננומטריים בתבניות מחזוריות יוצר מטא-חומרים אופטיים, שיכולים להחליף את העדשות האופטיות הגדולות והמגושמות שאנחנו מכירים מהאופטיקה השטוחה במבנים קטנים הרבה יותר. המטא-חומרים האלה, כלומר חומרים שאינם מצויים בטבע בתצורתם הזאת, מהונדסים למטרה מסוימת מאבני הבניין שלהם. האפשרויות שהם פותחים לפנינו דמיוניות, עד כדי חומרים שמסוגלים לבצע חישובים מתמטיים או שיכולים להיעלם או להעלים דברים, ממש כמו גלימת ההיעלמות של הארי פוטר.

נקודות קוואנטום (quantum, dots) של גרפן, מחזירות אור בצבעים שונים | National Energy Technology Laboratory, US Department of Energy, Science Photo Library
הגודל של חלקיק יכול לפעמים לקבוע גם את צבעו. נקודות קוואנטום (quantum, dots) של גרפן, מחזירות אור בצבעים שונים | National Energy Technology Laboratory, US Department of Energy, Science Photo Library

פרובסקיטים

ולבסוף, אי אפשר לדבר על חומרי העתיד בלי להתייחס למשפחת החומרים שעושים בשנים האחרונות מהפכה של ממש בעולם האנרגיה הסולרית, וצופים שהשפעתם תורגש היטב בעתיד גם באמצעי תאורה חדשנים, ואף בגלאים ובמסכים מתקדמים. החומרים האלה, שנקראים פרובסקיטים (perovskites), הם חומרים זולים ופשוטים מאוד להכנה שמפגינים תכונות מדהימות של המרת אור לחשמל. הסידור האטומי הייחודי שלהם, שמהווה את הבסיס לתכונותיהם הייחודיות, גורם להם להתנהג אחרת מחומרים קלאסיים. לכן, בנוסף לתכונות האופטו-חשמליות יוצאות הדופן שלהם, הם גם יודעים לאחות את עצמם ונמצאים על קו התפר שבין חומר קשיח לחומר רך.

מדען מחזיק פאנל סולרי עשוי מפרובסקיט | Dennis Schroeder, NREL, US Department of Energy, Science Photo Library
פרובסקיטים עושים בשנים האחרונות מהפכה של ממש בעולם האנרגיה הסולרית. מדען מחזיק פאנל סולרי עשוי מפרובסקיט | Dennis Schroeder, NREL, US Department of Energy, Science Photo Library

רשימת החומרים שהזכרנו כאן היא כמובן רק קצה הקרחון. יש עוד חומרים רבים שייכנסו לחיינו בעתיד, ביניהם כאלה שעדיין לא פותחו או התגלו ואחרים שכבר נמצאים כאן ומחכים ליישומים מתאימים. ואסור כמובן לשכוח חומרים ותיקים וטובים כמו הסיליקון (צורן), שימשיכו להשפיע עלינו עוד שנים רבות. הדור הבא של החומרים מצית את הדמיון ומספק הצצה לעתיד עם אפשרויות כמעט אינסופיות, שמוגבל רק על ידי מידת היצירתיות, התעוזה והתחכום שלנו.