טכניקה חדשה ליצירת יריעות תאית צבעוניות עשויה לפתור חלק מהבעיה הסביבתית שיוצרים הפירורים הצבעוניים הזעירים המשמשים למשל בקונפטי

כולנו מכירים את הנצנצים: פירורים קטנים וצבעוניים שנמצאים בקונפטי, בסוגים מסוימים של דיו ועוד. מעבר לנטייה המטרידה שלהם להידבק לכל דבר, הם מיוצרים מחומרים סינתטיים שאינם מתחדשים, ולכן תורמים לזיהום הסביבתי. כעת מציעים חוקרים מאוניברסיטת קיימברידג' בבריטניה, במאמר שפורסם בכתב העת Nature materials, שיטה חדשה לייצור נצנצים מתכלים, מיריעות גדולות של גבישי תאית צבעוניים.

תאית, שהיא החומר העיקרי שממנו מורכבות דפנות התאים בצמחים, היא פולימר – חומר שמורכב משרשראות ארוכות של אבני בניין קטנות יותר. התאית בדפנות תאי הצמח מסודרת בסיבים, שהם שרשראות צמודות של מולקולות הסוכר גלוקוז. לאורך חלקים מהסיב מופיע מבנה תלת-ממדי סדור שחוזר על עצמו שוב ושוב, כלומר גביש. בטיפול תעשייתי אפשר להפיק את הגבישים ולבודד אותם מהתאית.

המרחקים והזוויות בין מולקולות בגבישים הם קבועים, ונובעים ממאפייני המולקולות בגביש. כשגל אלקטרומגנטי שאורכו מתאים למאפיינים הללו יפגע בגביש הוא יוחזר ממנו, בעוד שגלים ארוכים או קצרים יותר יחלפו דרכו. היות שהצבעים שעינינו קולטות הם בעצם גלים אלקטרומגנטיים באורכים מסוימים, אפקט החזרת האור של הגביש יתבטא במתן צבע מסוים לחומר. צבע כזה מכונה צבע פיזיקלי, מכיוון שהוא נובע מהמבנה של החומר, בשונה מפיגמנטים (צבענים), שהם חלקיקים שבולעים לתוכם חלק מאורכי הגל ומחזירים חלק אחר, וכך קובעים איזה צבע נראה בעינינו.

ביריעות שיצרו החוקרים, גבישי התאית הזעירים מסודרים יחד במעין מדרגות לולייניות שבהן כל גביש הוא מדרגה אחת. גובה הקומה במבנה הזה, כלומר המרחק שבו הסליל הזה משלים סיבוב מלא אחד, קובע איזה אורך גל יוחזר מהמבנה. מדובר בעיקרון דומה לזה שעומד מאחורי פעולתם של מסכי ה-LCD בטלוויזיות שלנו.

אחת מהיריעות שיוצרו במחקר | Benjamin Drouguet
שיטה לייצור נצנצים ממקור צמחי מתחדש: יריעות של גבישי תאית צבעוניים. אחת מהיריעות שיוצרו במחקר | Benjamin Drouguet

מקטן ועד גדול

מטרתם של המדענים הייתה לפתח שיטה לייצור יריעות צבעוניות מתאית בקנה מידה מסחרי, ולא רק בגודל של צלחת פטרי, כפי שנעשה לפניהם. יריעות כאלה יהיה אפשר לגרוס לפירורים קטנים ונוצצים, שכנראה יתפרקו מהר יותר בטבע מנצנצים סינתטיים. לצורך זה הם יצרו גבישי תאית זעירים בכמה גדלים, שהכתיבו את צורת המדרגות הלולייניות ולכן גם את צבעם. הגבישים שנוצרו עורבבו במים עם חומרים מייצבים ואז נמרחו באופן אחיד לאורך המשטח הנגלל של המכונה.

המדדים שהחוקרים רצו לבחון היו רמת הבוהק – עד כמה יריעת התאית הצבעונית מחזירה אור שפוגע בה – וחדות הצבע. הם מצאו את הגובה המיטבי  שממנו יש לשפוך את הנוזל ואת מהירות הגלילה האופטימלית, כדי להשיג את הצבע הבוהק והחד ביותר. עובי היריעה שנוצר כך היה 10.5 מיקרון (מיליונית המטר). בנז'מין דרוגה (Droguet), אחד מכותבי המאמר ציין שהעובי הזה קטן עוד יותר מנצנצים רגילים.

כדי שתהליך הייצור ישתלם מבחינה כלכלית הוא צריך לכלול גם ייבוש זריז של היריעה. עם זאת, גם בזה אסור להגזים – ייבוש מהיר מדי יקפיא את סיבי התאית במקומם עוד לפני שכולם יסתדרו בצורה המבוקשת. כשהחוקרים נתנו לנוזל שנמרח להתייבש בטמפרטורת החדר, התהליך נמשך חמש שעות וחצי. חימום ל-60 מעלות צלזיוס קיצר את זמן הייבוש לכעשרים דקות, אבל פגם בחדות הצבע, הפחית את החזר האור בכ-30 אחוז ושינה מעט את גוון הצבע לכיוון האדום. החוקרים הציעו פתרונות אפשריים לבעיית נזקי הייבוש המהיר, כגון עיבוי היריעה הנוצרת, אך הם ציינו כי לדעתם הם יהיו פחות כדאיים מבחינה מסחרית.

צנצנות עם הנצנצים מתאית בתמיסות שונות | Benjamin Droguet
כשטבלו את החלקיקים בנוזל, הצבע שלהם השתנה בהתאם לזווית המבט. צנצנות עם הנצנצים מתאית בתמיסות שונות | Benjamin Droguet

לאחר ייבוש היריעה בחנו החוקרים איך תשפיע גריסתה לחלקיקים קטנים של נצנצים על איכות הצבע. נמצא שהגריסה חותכת את היריעה לחלקיקים אך לא פוגעת בפני השטח החלקים שבשני צידי הנצנצים, שעליהם נמרח הצבע. עוד נמצא שכשטבלו את החלקיקים בנוזל, הצבע שלהם השתנה בהתאם לזווית המבט וכך הם קיבלו חזות מתכתית.

התברר גם שאם אחרי הייבוש אפו את היריעה ב-180 מעלות צלזיוס, הצבע המקורי נשמר טוב יותר – החלקיקים שהופקו ממנה החזיקו מעמד בטבילה במים במשך שעה וחצי לפחות בלי להתכהות. עם זאת, הגוון של הנצנצים הירוקים השתנה במקצת כשהתאית התנפחה במים ונוסף להם גוון אדמדם קל.

החוקרים מקווים שהנצנצים שפיתחו מחומר מתחדש יגיעו לייצור מסחרי וימצאו את מקומם בקונפטי, מדבקות, דיו ועוד. עדיין, כנראה, נמצא אותם בכל מקום בבית אחרי ערב אחד של יצירה - אבל לפחות הם עשויים ממקור מתחדש, ואולי ייעלמו מהסביבה מהר יותר מחלקיקי הפלסטיק.