גליצין ואמוניום חנקתי: שילוב מבטיח לעתיד ירוק יותר

אתר eurekalert.org דיווח (03/02/2025) על מאמר שכתבה קבוצת חוקרים מהאוניברסיטה הלאומית יוקוהמה שביפן, שכותרתו "Synthesis of environmentally friendly energetic cocrystal derived from commodity chemicals", ופורסם בכתב העת Chemical Communications.

התגבשות משותפת (co-crystallization) של חומרים יכולה להפחית תכונות כימיות בעייתיות. 

פיתוח חלופות ידידותיות יותר לסביבה לכימיקלים תעשייתיים אינו פשוט. הנדסה של תרכובות ידידותיות לסביבה כרוכה בדרך כלל בפשרות: מאפיינים ידידותיים לסביבה באים לעתים קרובות על חשבון תכונות שליליות אחרות, כמו חוסר יציבות כימית. כדי להתמודד עם אתגרים אלה, צוות של מהנדסים כימיים מהאוניברסיטה הלאומית של יוקוהמה, המכון הלאומי היפני לבטיחות ובריאות תעסוקתית (JNIOSH) והמכון הלאומי היפני למדע תעשייתי מתקדם וטכנולוגיה (AIST) בחנו גישה חדשנית.

תרכובת אחת כזו שהצוות חקר הייתה אמוניום חנקתי, דשן בשימוש נרחב ומחמצן מעולה, או כימיקל המספק חמצן במהלך בעירה ומשחרר אנרגיה. מחמצנים משמשים בדרך כלל בחומרי נפץ, בחומרים הודפים ובהתקנים פירו-טכניים. אמוניום חנקתי יכול להיות חלופה ירוקה יותר לתרכובות חמצון נוכחיות, המכילות אטומי מתכת שיורית, כגון אשלגן, סטרונציום ונחושת, שעלולים להזיק לסביבה.

למרבה הצער אמוניום חנקתי הוא תרכובת היגרוסקופית, כלומר הוא נוטה לספוג לחות מהאוויר, מה שעלול לשנות את התנהגות השריפה של חומרים דליקים המשתמשים באמוניום חנקתי כמחמצן. בנוסף אמוניום חנקתי יכול לשנות פאזות וכתוצאה מכך נפחים, בדומה למים שיכולים לשנות פאזות מקרח למים, מה שמסבך את האחסון שלו ומשפיע על התנהגות השריפה.

כדי להתגבר על בעיות אלה, החוקרים יישמו טכניקת co-crystallization על אמוניום חנקתי כדי להפחית את ההיגרוסקופיות של התרכובת ולמנוע מעברי פאזה.

"לקו-קריסטליזציה יש פוטנציאל לבטל או להקל על חסרונות של חומר. זה יכול לתרום לניצול של חומרים שלא שימשו בעבר ולהקל על עיצוב של חומרים עם מאפיינים רצויים, כגון תרכובות ידידותיות יותר לסביבה", אומר פרופסור בפקולטה לסביבה ומדעי המידע באוניברסיטה הלאומית יוקוהמה ואחד החוקרים.

עבור תהליך הקו-קריסטליזציה המסוים הזה, המהנדסים שילבו את חומצת האמינו גליצין, אבן בניין של חלבונים, עם אמוניום חנקתי כדי ליצור קו-גבישים. האינטראקציות המולקולריות בין מולקולות אמוניום חנקתי וגליצין בגבישים מפחיתות את האינטראקציה של כל אחת מהמולקולות עם מים באוויר, מפחיתות את ההיגרוסקופיות, מגבירות את יציבות המולקולות, ומבטלות מעברי פאזה. לחלופין, אסטרטגיות אחרות, כגון ציפוי או ייצוב פאזה במלח או במולקולות אורגניות, יפתרו רק היגרוסקופיות או מעברי פאזה - לא את שניהם.

מעבדה אחרת גיבשה בעבר אמוניום חנקתי עם סרקוזין, חומצת אמינו נוספת. לקו-גביש זה, לעומת זאת, יש מאזן חמצן שלילי ביותר של 61%-, כלומר הוא מכיל פחות חמצן ממה שנדרש כדי לחמצן באופן מלא את אטומי הפחמן והמימן שלו במהלך הבעירה. באופן אידיאלי, הקו-גבישים החדשים של אמוניום חנקתי, שפותחו על ידי הצוות, יהיו בעלי מאזן חמצן קרוב ככל האפשר ל-0, מה שהופך אותם מתאימים יותר כחומר אנרגטי.

הצוות בחר בגליצין לשילוב עם אמוניום חנקתי כקו-גביש בגלל אטומי הפחמן והמימן המעטים שבו: גליצין מכיל רק פחמן אחד ושלושה אטומי מימן בהשוואה לשלושת אטומי הפחמן ושבעה אטומי המימן של סרקוזין. אסטרטגיה זו הפחיתה את כמות החמצן הדרושה לחמצון מלא של אטומי הפחמן והמימן בקו-גביש גליצין-אמוניום חנקתי, והורידה את מאזן החמצן השלילי מ-61%- ל-17%-.

למרבה המזל, הקו-התגבשות של אמוניום חנקתי ושל גליצין הצליחה גם להפחית את ההיגרוסקופיות של אמוניום חנקתי וגם להגביר את יציבות המולקולות, תוך ביטול מעברי פאזה, הנגרמים על ידי שינויי טמפרטורה. גבישים אלו גם יציבים מספיק כדי לעבור בדיקות רגישות לחיכוך, כלומר הם בטוחים מספיק לטיפול.

"המחקר שלנו נועד ליצור חומרים אנרגטיים בטוחים, בעלי רגישות נמוכה וידידותיים לסביבה עם מאפייני ביצועים רצויים של שחרור אנרגיה. המטרה הסופית שלנו היא לפתח את המתודולוגיה הנדרשת לתכנון ולייצור חומרים כאלה", אמר אחד החוקרים.

המחקר נתמך על ידי הקרן לקידום טכנולוגיית חומרי נפץ תעשייתיים ותוכנית קידום המחקר השיתופי של האוניברסיטה הלאומית של יוקוהמה.

המידע מסתמך על פרסומים, שהופיעו בקבוצות ה-LinkedIn שאני מנהל: Explosives / Blasting (Energetic Materials) OSH, ו-Fireworks and Pyrotechnics OSH.