האש מלווה אותנו משחר האנושות, ולמרות זאת השלבים הכימיים שמניעים אותה, כמו גם תהליכים דומים לה, הם עדיין קופסה שחורה עבורנו. רדיקלים חופשיים, מולקולות ריאקטיביות במיוחד, הם שחקני מפתח בתגובות שכאלו, אך קשה לבודד ולאפיין אותם. במחקר שביצענו לאחרונה הראינו כיצד שימוש במכשור מדעי מתקדם שופך אור גם על המנגנונים הפשוטים לכאורה של תהליכים תעשייתיים המתרחשים באלפי מעלות.

פרסומת

האדם גילה את האש לפני מאות אלפי שנים. מאז, האש מסייעת לאנושות במגוון עצום של תחומים: חימום, בישול, תעשייה, תחבורה והפקת אנרגיה. האש גם טומנת בחובה סכנות והשפעות שליליות, החל משרפות יער בלתי נשלטות שהולכות ומתרבות, ועד לפליטות מזהמים כמו פחמן דו-חמצני, פיח וזיהומים נוספים.

על הנייר, האש מונעת על ידי תהליך כימי פשוט בשם בעירה, שבו מתבצע חמצון של חומר דלק אשר פולט אנרגיה רבה. אם כן מפליא שלמרות חשיבותה, עדיין רב הנסתר על הגלוי בכל הקשור למנגנונים הכימיים של הבעירה עצמה. טרם פענחנו לחלוטין מה מוביל להיווצרותו של פיח, איך אפשר לייעל את תהליכי השרפה, וכיצד לכבות שרפות ביעילות.

בפועל, הבעירה מתרחשת באמצעות תגובות שרשרת מורכבות, אשר מונעות על ידי מולקולות ריאקטיביות במיוחד – רדיקלים חופשיים [1]. אלו מולקולות בעלות מספר אי-זוגי של אלקטרונים, תכונה שגורמת להם להגיב במהירות עם מולקולות אחרות. מאמץ מחקרי רב מושקע בהבנת תהליכים מורכבים אלו לעומק. במסגרתו נחקרים תחילה תהליכים פשוטים יותר מבעירה מבחינה כימית אך דומים לה, כמו פירוליזה - פירוק של חומרים על ידי חימום ללא חמצן [2, 3]. חלק ניכר מהתגובות בתהליכי פירוליזה מתרחשות גם בבעירה, וכך המידע שאנו מפיקים ממחקרים אלו משמש אותנו להבנת תהליכי בעירה.

הריאקטיביות של הרדיקלים הינה חרב פיפיות עבור המחקר: מצד אחד היא הגורם לחשיבותם הכימית המרכזית, אך מנגד היא מונעת מאיתנו לבודד אותם במעבדה על מנת לאפיינם, מכיוון שהם מגיבים במהירות וכך "נעלמים" תוך שברירי שנייה. לכן, רוב השיטות המסורתיות בכימיה אינן שימושיות בחקר רדיקלים. תכונה זו מקשה עלינו לחקור את תפקידם בתגובות שרפה ולאשש תאוריות בנוגע לשלבים הכימיים הרבים המרכיבים את שרשרות התגובה המניעות את הבעירה. אולם מציאות זו משתנה בהדרגה עם כניסתן של טכנולוגיות חדשות למחקר, אשר מאפשרות לנו ללמוד על תגובות של רדיקלים מהבסיס. יכולות חדשות אלו סוללות את הדרך להוכחה ניסיונית של תאוריות על התגובות הכימיות שבלב תהליכי פירוליזה ובעירה, ובהמשך להבנה מעמיקה יותר של התהליכים ולשיפורם.

הגישה המודרנית לחקר תגובות של רדיקלים מבוססת בין היתר על "הקפאה" מהירה של תוצרי התגובה לאחר זמן תגובה קצר מאוד, אשר משמרת את המולקולות הרדיקליות לפני פירוקן. הקפאה שכזו מושגת באמצעות התפשטות מהירה של התוצרים לריק, התפשטות שבה הטמפרטורה צונחת במהירות לעשרות מעלות בלבד מעל האפס המוחלט (מתחת למינוס 200 מעלות צלזיוס), ובכך נמנע המשך התגובה הכימית [4]. בעבודה שביצענו לאחרונה [5] השתמשנו בשיטות כאלו על מנת לחקור תהליך פשוט יחסית אך בעל חשיבות תעשייתית גבוהה, הפירוליזה של אתאן (C2H6). תהליך זה משמש באופן נרחב להפקת מאות מיליוני טונות של אתילן בשנה (C2H4), שהוא חומר מוצא חשוב בתהליכים רבים בתעשייה הכימית, כגון הפקה של פלסטיק [6]. לטובת המטרה הזו התהליך צורך אנרגיה אדירה אשר מביאה לפליטות פחמן דו-חמצני עצומות. בנוסף, השלבים הכימיים בבסיס התהליך זהים לשלבים הראשונים בשריפה של אתאן, שהוא גם מרכיב עיקרי בגז טבעי. 

המחקר עצמו בוצע באמצעות הזרמה מהירה של אתאן בתוך צינורית דקה וקצרה המחוממת לטמפרטורה של כ-1500 מעלות צלזיוס. הגז שוהה בצינורית כ-100 מיליוניות השנייה בלבד ומייד מתפשט לריק, ובכך נשמרים הרדיקלים שנוצרים במהלך הפירוליזה. לאחר ההתפשטות מזוהים התוצרים בגז באמצעות גלאים מתקדמים, מדויקים ורגישים שיכולים לזהות אותם גם בכמויות נמוכות מאוד [7]. הגלאים משתמשים בקרינת אולטרה-סגול חזקה בטווח רחב של אורכי גל, וזו הסיבה שהניסוי בוצע במאיץ חלקיקים מיוחד בשווייץ המפיק קרינה זו.

כך הצלחנו באמצעות טכנולוגיה מתקדמת למדוד את היווצרותו של הרדיקל אתיל בפירוליזה של אתאן לראשונה, אף שהתאוריה קיימת כבר מאמצע מהמאה הקודמת. 

באמצעות מודל מקיף המתאר את הזרימה, את מעבר החום ואת הכימיה שבתהליך, הצלחנו לתקף את תוצאות הניסוי שביצענו, להוכיח את התאוריה הכימית בת עשרות השנים, ואף להראות כי משך התגובה הקצר אכן נחוץ למדידה. המדידה שלנו תסייע לדייק מודלים כימיים שיוכלו להוביל לשיפור הנצולת ולהפחתת פליטות מזהמים בתהליך. יישום דומה של שיטות מחקר כאלו במערכות מורכבות יותר, כולל תהליכי שרפה, הוא בעל פוטנציאל מבטיח לקידום משמעותי של הבנת תגובות כימיות המלוות את האדם כבר מאות אלפי שנים.

נדב הוא דוקטורנט לכימיה באוניברסיטת בן גוריון בשנה שלישית, בקבוצה המחקר של פרופסור ג'וש ברבן. המחקר שלו עוסק באפיון תכונות כימיות ופיזיקליות של רדיקלים באמצעים ניסיוניים ותאורטיים.

עריכה: שיר רוזנבלום-מן

מקורות וקריאה נוספת:

[1] על רדיקלים חופשיים ותפקידם בתגובות שרפה

[2] כתבה של מדג"ב על הפקת פחם פעיל באמצעות ביומסה

[3] כתבה של מדג"ב על שרפת עצים ותפקיד הפירוליזה בתהליך זה

[4] אחת העבודות החלוציות על שימוש באלומות מולקולריות לחקר רדיקלים

[5] המאמר שפרסמנו על עבודת המחקר המתוארת בכתבה זו

[6] על התהליך התעשייתי של הפקת אתילן באמצעות פירוק תרמי של אתאן

[7] סקירה על שימוש בשיטה זו לחקר תוצרי ביניים ריאקטיביים

[8] מראשוני המאמרים על מנגנוני תגובה רדיקליים, בפרט של הפירוליזה של אתאן