לקפוא עם הזרם

בשיעורי מדע בבית-הספר למדנו כי מים קופאים ב-0 מעלות צלסיוס, אך המציאות, כהרגלה, מורכבת יותר. קרח אמנם הופך למים ב-0 מעלות, אך מים במצב של "קירור יתר" (supercooling)  יכולים להישאר נוזליים גם ב-40 מעלות מתחת לאפס. עובדה נוספת שמסבכת את העניינים: מים ב"קירור יתר" קופאים מיד כאשר הם נחשפים לזרם חשמלי, כפי שגילה הפיסיקאי לואי דופור בשנת 1861.

תופעה זו, הקרויה "הקפאה בחשמל" (electrofreezing), נשארה בגדר תעלומה במשך יותר מ-150 שנה. באחרונה, בסדרת ניסויים, פתרו מדעני מכון ויצמן למדע את חידת הקשר בין זרם חשמלי לטמפרטורת הקפיאה של מים בקירור יתר. מעבר לעניין המדעי, ממצאיהם עשויים להוביל לקידום יישומים בתחומים מגוונים שבהם נדרשת שליטה ביצירת קרח – מהקפאת מזון והקפאת איברים להשתלה ועד מניעת היווצרות קרח על כנפי מטוסים וזריעת עננים.

גבישי קרח נוצרים בדרך כלל סביב גבישים זעירים המכונים "גרעיני הקפאה". במחקרים קודמים, הראו מדעני המכון כי גבישים קוטביים, אשר הינם פירו-אלקטרייים – כלומר, כאלה שפני השטח שלהם, בשני הקטבים, נטענים חשמלית כשמחממים או מקררים אותם – מייצרים סביבם קרח בטמפרטורה גבוהה יותר מאשר גבישים לא-קוטביים. כשני עשורים מאוחר יותר, הראו מדעני המכון כי מטענים חשמליים שליליים או חיוביים משפיעים על טמפרטורת הקפיאה באופן שונה. עם זאת, החוליה המקשרת בין חשמל לקפיאה נותרה בגדר חידה.

במחקר החדש, בחנה קבוצת מדענים בראשות פרופ' איגור לובומירסקי, פרופ' מאיר להב וד"ר דוד אהרה מהמחלקה לחומרים ופני שטח אם "הקפאה בחשמל" מתרחשת בשל המטען החשמלי או עקב התכונות הגאומטריות של הגבישים הטעונים. הניסויים, בהובלת ד"ר סופיה קורלנד, אז תלמידת מחקר לדוקטורט, ותלמידת התואר השני לאה שביט, התמקדו בגבישים פירו-אלקטריים והתבצעו בהתקן ייחודי שאפשר למדענים לשנות את המטען על פני שטח של הגבישים מבלי לשנות את תכונותיהם האחרות.

כאשר קיררו המדענים את הגבישים, הם גילו קשר מפתיע בין טמפרטורת הקפיאה, מידת הקיטוב ורמת החומציות של טיפות המים שהתעבו על פני השטח של הגביש: בעוד בגבישים הקוטביים, כאשר רמת החומציות הייתה גבוהה, טמפרטורת הקפיאה הייתה גבוהה יותר ב-3 עד 5 מעלות צלסיוס, בגבישים הלא-קוטביים, טמפרטורת הקפיאה הייתה זהה ללא קשר לרמת החומציות. מה גרם להבדל זה בין הגבישים הקוטביים ללא-קוטביים?

המדענים גילו כי בזמן הקירור, נוצרת שכבה דקה ורציפה של מים על פני השטחים ההידרופיליים ("אוהבי מים") של הגבישים הפירו-אלקטריים, ובתוך שכבה זו ישנו זרם חשמלי של יונים שנוצר כתוצאה מספיגת פחמן דו-חמצני (CO₂) מהאוויר אשר מייצר יונים של מימן פחמני (ביקרבונט), נגזרת של חומצה פחמנית, בתוך המים. כמות גדולה של יונים אלה היא זו שמעלה את החומציות של המים. במלים אחרות, התברר כי הקשר בין הקפיאה לבין המטען החשמלי הינו כימי: הקפיאה בטמפרטורה גבוהה יותר נבעה מכמות היונים של הביקרבונט. כאשר המדענים חזרו על הניסויים עם גבישים הידרופוביים ("שונאי מים"), לא נוצרה שכבת מים רציפה על פני השטח שלהם וטמפרטורת הקפיאה נותרה זהה ללא קשר לרמת החומציות.

ממצאים אלה מפתיעים מכמה בחינות: ראשית, לפי ספרי הלימוד בכימיה, מהילת מים ביונים זרים אמורה להוריד את טמפרטורת הקפיאה שלהם, אך ספיגת CO₂ גרמה לתופעה ההפוכה. יתר על כן, לשם קפיאה נדרשים גבישים בעלי מבנה גיאומטרי הדומה לזה של קרח, כיצד, אם כך, הושפעה היווצרות הקרח ממולקולות ביקרבונט?

כדי לענות על שאלות אלה, שיתפו מדעני המכון פעולה עם פרופ' דניאל הריס וד"ר כריסטוף אלוליו מהאוניברסיטה העברית בירושלים. הם ערכו חישובים בליווי הדמיות מחשב, ומצאו כי בשכבת המים הדקה בקרבת פני השטח הטעונים של הגביש, יוני הביקרבונט, יחד עם מולקולות המים, מתארגנים במבנים משושיים יציבים הדומים למבנה של המשושים של גבישי הקרח, ולכן משמשים כגרעיני הקפאה להיווצרות קרח.  

בעקבות ניסויים אלה גילו המדענים כי קיימים שני סוגי יונים: אלה הדומים לביקרבונט, בעלי המבנה המשולש (סימטרי לשלושה כיוונים במישור מסוים), שמעלים את טמפרטורת הקפיאה של המים, ויונים שאינם בעלי מבנה כזה, המורידים את טמפרטורת הקפיאה.

הממצאים אשר התפרסמו בגיליון מיוחד של כתב-העת המדעי Angewandte Chemie, מרמזים כי עליית רמות ה-CO₂ באטמוספרה עשויה להשפיע על האקלים בדרכים מפתיעות. גשם יורד כשבעננים נוצרים גבישי קרח סביב חלקיקי אבק המשמשים גרעיני קפיאה. מרבית החלקיקים הללו הינם בעלי מטען חשמלי, ומכיוון שהם עשויים להיות ביחסי גומלין עם מולקולות CO₂, עלייה בריכוזים של גז חממה זה יכולה להוביל להתגברות הגשמים בעולם – תופעה שעשויה לדרוש התאמות במודלים אקלימיים.

ממצאי המחקר עשויים גם להיות רלוונטיים בשלל יישומים הכוללים הקפאת מים. למשל, הם כבר מסייעים להבין כיצד הגבישים של יודיד הכסף, המצויים כיום בשימוש בזריעת עננים, מביאים להתגברות גשם: לא רק שיש להם מבנה גיאומטרי דומה לקרח, אלא גם, בהיותם פירו-אלקטריים, פני השטח שלהם מושכים CO₂ ובכך מעלים את טמפרטורת ההיווצרות של הקרח בעננים. יתרה מכך, ממצאי המחקר עשויים לסייע למצוא חומרים פירו-אלקטריים ידידותיים יותר לסביבה מאשר יודיד הכסף.

במחקר השתתפו ד"ר איסבלה וויסבוך ושירי דישון בן עמי מהמחלקה לחומרים ופני שטח של המכון.