עושים עתיד

 

הכימיה עמדה בראש מעייניהם של מדעני מכון ויצמן למדע בשנותיו הראשונות של המכון. הכימאים פועלים כיום במכון מוסיפים לצבור ידע במחקרים בסיסיים, ובכך הם יוצרים תשתית שעליה מתפתחים גם מחקרים יישומיים. למעשה, מוצרים ותהליכי ייצור רבים יצאו עד כה ממעבדות המכון, אל התעשייה ואל המציאות היומיומית. הכימאים של המכון מפתחים שיטות לבקרה מעודנת בתגובות כימיות באמצעות לייזרים, וטכניקות מקוריות לגילוי מבנים תלת ממדיים של מולקולות באמצעות מאיצי יונים כבדים. מחקרים אחרים נועדו להכרת המבנה התלת ממדי המדויק של חומרים וצבירי מולקולות החיוניים לתהליכי חיים שונים )כגון הריבוסום "בית החרושת לחלבונים" הפועל בתאים חיים(. בתחום מחקר נוסף מעצבים הכימאים מולקולות אורגניות שעשויות לשמש ליישומים שונים ברפואה וכן כמתגים זעירים במחסני זיכרונות ממוחשבים שיהיו זעירים ויעילים בהרבה מאלה העומדים לרשותנו כיום. הכימאים של המון שיפרו את תכונותיהם של מוליכי על קרמיים, והגדילו בכך את האפשרות לייצר מהם מסבים מעוטי חיכוך. בתגלית עולמית ייחודית זוהו במכון חומרים איאורגניים המאורגנים במבנים דמויי כדורגל. תגלית זו פתחה פתח לתחום מחקר חדש שבו פועלים כיום חוקרים רבים במקומות שונים בעולם חומרים אלה עשויים לשמש בעתיד כחומרי סיכה מוצקים חדשניים. מדענים נוספים במכון חוקרים את הדרך שבה נוצרים חומרים מרוכבים טבעיים, במטרה למצוא דרכים חדשות לייצורם של חומרים מרוכבים מלאכותיים. מחקר שגילה כיצד מתגבשים גבישי שעווה על פני המים, עשוי לסייע במציאת דרכים למניעת היווצרות של גבישי כולסטרול בדם וכן למניעת היווצרות של סתימות בצינורות שמן במכונות שונות.

 

 

 

 

 

 

 

מדעני המכון בנו בשנות החמישים את ספקטרומטר התהודה המגנטית-גרעינית (NMR), בכושר הפרדה גבוה, השני בעולם. המערכת שימשה במכון למחקר חלוצי בריאקציות כימיות בתנאי שיווי משקל, וכן לחקר מבניהן והתנהגותן של מולקולות. בהמשך פיתחו מדעני המכון שיטה למדידת תנועותיהן של מולקולות בגבישים מולקולריים, תוך שימוש בתהודה קוואדרופולית גרעינית.

 

 

מדעני המכון היו ממניחי היסודות של הפוטוכימיה המודרנית. עוד בשנות החמישים חקרו מדעני המכון את התנהגותן של מולקולות שונות, ובמיוחד מולקולות אורגניות, תחת השפעתן של קרני האור הנראה, וכן תחת השפעתה של קרינה על-סגולה. מחקרים אלה שהתמקדו בדרך שבה מולקולות הנתונות במצבים שונים בולעות את הקרינה, הובילו להבנות חשובות ולפיתוח דרכים לבצע תגובות כימיות שונות בסיוע קרינת אור. בין היתר פיתחו מדעני המכון דרכים חדשות להפקת תרכובות פלור ותרכובות ארומטיות שונות.

 

 

מדעני המכון תרמו תרומות חשובות לפיתוח דרכים להפקת חומרים מלאכותיים דמויי גומי. מחקרים אלה, שבוצעו בשנות החמישים, התבססו בעיקר על הבנת אופיים של קשרים כימיים מצומדים, ועל ניצולם בתהליכי ההפקה של תחליפי הגומי. תהליכים אלה שוכללו במשך הזמן, וכיום הם משמשים בתעשיית הפלסטיק.

 

 

מדעני המכון מצאו קשר ברור בין הארגון המרחבי של מולקולות אורגניות בגביש, לבין התוצרים שמתקבלים לאחר ריאקציה כימית בין המולקולות האלה, במצב מוצק. מחקרים חלוציים ומקוריים אלה, שבוצעו בשנות החמישים והשישים, הובילו לפיתוח היכולת לתכנן מראש את צורתן של מולקולות בדרך שתקבע את המבנה הארגוני שבו הן מתגבשות, ועקב כך, גם את אופי הריאקציה הכימית שהן מבצעות בהיותן נתונות בגביש.

 

במחקרים אלה למדו מדעני המכון לנצל את תכונותיהם של חומרים מוצקים, לצורך ביצוע ריאקציות כימיות שבהן מולקולות חסרות כיווניות כיראלית מתגבשות בגביש בעל כיווניות כיראלית. המדענים יצרו ריאקציות כימיות בין המולקולות המאורגנות בגבישים אלה, והצליחו לקבל תוצרים המתאפיינים בכיווניות כיראלית אחת, מוחלטת.

 

 

מדעני המכון פיתחו שיטה לחישוב יחסי הגומלין בין הכוחות שמרכיבים שונים של מולקולות מפעילים אלה על אלה. שיטה זו, הקרויה "שיטת שדות הכוח המתואמים" מאפשרת לאפיין ולתאר מולקולות (תיאור מתמטי-פיסיקלי), וכן לחזות ולחשב את אנרגיית הקשר הפועלת בין מרכיביהן. שיטת שדות הכוח המתואמים מאפשרת לתכנן ריאקציות כימיות מדויקות, וכן לחקור את פעילותן של מולקולות שונות במערכות ביולוגיות, כגון קשירת יונים למולקולות, עיצוב של מולקולות חלבון, ועוד.

 

 

המבנה המרחבי של מולקולה הוא אחד מהגורמים החשובים לדרך התפקוד (הכימית והפיסיקלית) שלה. מדעני המכון פיתחו שיטת דימות חדשה, המאפשרת לגלות את מבניהן של מולקולות שונות. הטכניקה החדשה מבוססת על תופעה הקרויה התפוצצות קולונית. היא מספקת תמונות גיאומטריות ישירות של מולקולות בודדות, מבלי להזדקק לשום הנחות מוקדמות. טכניקה זו כבר איפשרה קביעה של כמה מבנים מולקולריים שלא היו ידועים עד כה.

 

המדענים השתמשו במקור קר המספק יונים מולקולריים שליליים (מולקולות הנושאות על פניהן אלקטרונים נוספים), בצורתם היציבה ביותר. היונים הללו מואצים למהירויות גבוהות מאוד. בשלב זה מותזים האלקטרונים העודפים באמצעות קרן לייזר. כתוצאה מכך נוצרת קרן של מולקולות נייטרליות עתירות-אנרגיה במצבים מעוררים מוגדרים בבירור. כאשר המולקולות חולפות דרך רדיד דק מאוד, האלקטרונים המחזיקים יחדיו את האטומים שלהן נקרעים מהן. כל היונים (אטומים חסרי אלקטרונים) הנותרים הם בעל מטענים חיוביים - ולכן הם דוחים זה את זה. כתוצאה מכך, אשכול היונים גדל פי מיליארדים מגודלו המולקולרי המקורי. תופעה זו קרויה "התפוצצות קולונית". החוקרים עוקבים אחרי היונים הנוצרים, ואוספים מידע שלפיו אפשר להסיק על המבנה של המולקולה הנחקרת. טכניקה זו מאפשרת לחוקרים להתבונן במבנה מולקולרי במישרין.

 

החוקרים משתמשים בשיטה זו גם כדי לבחון את הכיווניות הבורגית של מולקולות, כלומר, אם הן דמויות בורג ימני או בורג שמאלי. לתכונת הכיווניות של מולקולות נודעת חשיבות רבה, הן בתחום התעשייה, והן בתחומי מדעי החיים ופיתוח תרופות חדשות.

 

 

הייצור התעשייתי של תכשירים אנטיביוטיים סינתטיים נשען במידה רבה על מחקר חלוצי של מדעני המכון שפיתחו מגוון פולימרים פעילים כימית, המשמשים להכנה של חומרים שונים ובהם פפטידים המתאפיינים בפעילות ביולוגית.

 

 

מדעני המכון פיתחו דרכים יעילות, פשוטות וזולות לשבירת קשרים פחמניים (פחמן-חמצן, פחמן-חנקן ופחמן-גופרית) באמצעות אור. דרכים אלה משמשות כיום כלי מרכזי בכימיה של "ספריות" פפטידים, סוכרים ופוספטים. בין היתר משמשת השיטה להצמדת "גשושי" DNA רבים מאוד למשטחים. כלי זה מאפשר קריאה מהירה, יעילה וזולה יחסית של רצף הבסיסים החנקניים (ה"אותיות") של החומר התורשתי. השיטה עשויה לשמש גם לשיחרור מבוקר של תרופות בגוף, ללא השפעות לוואי.

 

 

 

 

מדעני המכון מעצבים מולקולות אורגניות למטרות שונות. מולקולות אורגניות שהותאמו בהן אתרים מיוחדים לקשירת יוני מתכות שונות, עשויות לשמש כלי במלחמה בטפיל המלריה ובטפילים אחרים. מולקולות אחרות, שנבנו בהן אתרי קישור מתאימים, יכולות לשמש "פלטפורמה" להובלת תרופות ליעדים מוגדרים בגוף (דבר שיאפשר הפחתה ניכרת בכמויות התרופות המוחדרות לגוף, ועקב כך יפחית גם את השפעות הלוואי שלהן).

 

מולקולות אורגניות אחרות, שהותאמו בהן אתרים קושרי יוני מתכות, יכולות לשמש מעין "מתג" מולקולרי במאגרי זיכרון ממוחשבים עתידיים. מאגרי זיכרון אלה יהיו מהירים, יעילים וחסכוניים במקום בהרבה בהשוואה למאגרי הזיכרון הממוחשבים העומדים לרשותנו כיום. יישומים אפשריים של המתגים המולקולריים נבחנים בשיתוף פעולה בין מדעני המכון לבין חברה תעשייתית גדולה.

 

 

 

 

 

חוקרי המכון, בשיתוף עם מדענים ממכון מקס פלנק למחקר רפואי בהיידלברג, היו הראשונים שהראו כי אפשר להשתמש במולקולות פירמידליות שתוכננו ויוצרו במיוחד, ליצירת קבוצה חדשה של גבישים נוזליים המורכבים ממולקולות דמויות חרוט (הגבישים הנוזליים שהיו ידועים עד אז הורכבו ממולקולות דמויות סיגרים, או מטבעות). גביש נוזלי הוא מצב ביניים, בין גביש מוצק שהמולקולות המרכיבות אותו נוטות להסתדר באותו כיוון, לבין נוזל שהמולקולות הכלולות בו פונות לכיוונים שונים ואקראיים.

 

תכונותיהם של הגבישים הנוזליים שפותחו על ידי מדעני המכון נחקרו בשיטות שונות, ובכלל זה בתהודה מגנטית גרעינית. לבד מהרחבת מיגוון החומרים המשמשים ליצירת גבישים נוזליים, הובילו המחקרים האלה גם למציאת מיתאם בין הארגון של גבישים נוזליים לבין המבנה של המולקולות המרכיבות אותם.

 

 

מדעני המכון קבעו לראשונה (בשנות החמישים) את מבנה הפסים האלקטרוניים של החומרים המוליכים למחצה צורן (סיליקון) וגרמניום. מבנה הפסים האלה קובע באילו תנאים יתנהג החומר כמבודד, וממתי יתנהג כמוליך זרם חשמלי. במחקרים אלה הסתמכו המדענים על מדידות של אפקט הול ושל השפעת השדות המגנטיים על ההתנגדות החשמלית. מחקרים אלה היוו תרומה מכרעת להתפתחות הטכנולוגיה של המוליכים למחצה, שעליה מבוססת האלקטרוניקה המודרנית.

 

 

 

 

 

אחת התופעות החשובות באבולוציה הכימית המהווה חלק בלתי נפרד מתהליך היווצרות החיים, היא תופעת הכיראליות. תופעה זו מתבטאת בקיומן של מולקולות בעלות הרכב כימי זהה הנבדלות זו מזו במבנה המרחבי שלהן, כך שמולקולה אחת מהווה מעין "תמונת מראה" של המולקולה האחרת (הדבר מזכיר את הדמיון וההבדל שקיימים בין כף יד ימין לכף יד שמאל). לפיכך, על אף הזהות הכימית ביניהן, אי-אפשר להציב את המולקולות האלה כך שיחפפו זו את זו (כפי שאי-אפשר להציב בחפיפה את כף יד ימין עם כף יד שמאל).

 

התגובות הכימיות שהתחוללו בטרם היות החיים הובילו להיווצרות כמויות זהות של מולקולות "ימניות" ו"שמאליות". לעומת זאת, במערכות ביולוגיות, רוב המולקולות מתאפיינות בכיוון אחד. לדוגמה, החומצות האמיניות מתאפיינות במבנה בעל כיוון מסוים, בעוד שמולקולות הסוכרים מתאפיינות במבנה בעל כיוון שונה. כיצד עולם של חומרים דוממים שבו קיימות מולקולות כיראליות משני הסוגים, משתנה והופך לעולם שבו מתקיימות מולקולות בעלות כיוון מועדף ברור? בדרך הטבע, הגורם לשינוי הזה בהתפלגות כיווניהן של המולקולות נובע מהיווצרות החיים. מדעני המכון פיתחו שיטה שאיפשרה לבצע שינוי כזה באמצעות ניצול תהליך התארגנותן של מולקולות בגבישים. שיטה זו הובילה לפיתוח דרך לשליטה בעיצובם של גבישים, בתהליך גידולם.

 

השיטה שפיתחו מדעני המכון לשליטה בצורתם של גבישים עשויה לשמש כלי חשוב בהתאמת תרופות.

 

 

מדעני המכון גילו שכאשר ממיסים חומצות אמיניות מסוימות במים, המולקולות שמתמקמות על שטח הפנים של המים מתפלגות לשתי קבוצות, על פי כיווני המבנה השונים שלהן. עכשיו מנסים המדענים להשתמש בתופעה זו כדי לפתח דרך לייצור פפטידים (חלבונים קצרים) מלאכותיים, שיידמו לפפטידים טבעיים כך שכל המולקולות של החומצות האמיניות שירכיבו אותם יתאפיינו בכיווניות (כיראליות) אחת בלבד.

 

 

כיצד ומדוע נוצרים גושי כולסטרול העלולים לחסום את כלי הדם? מהם השלבים הראשונים בהפיכתם של המים לשכבת קרח? מה אפשר לעשות כדי למנוע את היווצרותם של פקקי שעווה בצינורות השמן של מכונות שונות? כל השאלות הללו מתמקדות למעשה באחד מהתהליכים החשובים בטבע: היווצרות גבישים. הבנת חוקי הטבע השולטים בתהליך הבסיסי הזה עשויה לתת בידי החוקרים את היכולת להאיץ או להאט, ואפילו למנוע את ההתגבשות, במקרים שהיא אינה רצויה.

 

חוקרי המכון השיגו הבנות חדשות באשר לחוקים השולטים בתהליכי ההתגבשות. החוקרים, שהתמקדו בהיווצרותם של גבישי שעווה, גילו כי שרשרות מולקולריות הכוללות 36 אטומי פחמן, השוקעות אל תחתית מכל או מצטברות על דופן צינור, מתארגנות בשכבה חד-מולקולרית (כלומר, הן יוצרות גביש דו-ממדי). לעומת זאת, ככל שהשרשרות המולקולריות השוקעות קצרות יותר, הן מתארגנות במבנים בעלי שכבות רבות יותר (דבר שגורם להיווצרות מהירה של "פקק" שעווה). כך, למשל, שרשרת מולקולרית בת 23 אטומי פחמן יוצרת תשתית התחלתית בת עשרים שכבות.

 

החוקרים הקרינו שכבות דקות של שעווה שנוצרו על פני משטח של מים באלומה רבת עוצמה של קרני X ("רנטגן") שמקורה בסינכרוטרון. על פי פיזורה של הקרן לאחר פגיעתה בשכבה, גילו החוקרים את המבנים המדויקים של גבישי השעווה שנוצרים כתוצאה משקיעתם של חומרים שונים הכלולים בשמנים. בנוסף לכך הראו החוקרים כי שרשרות מולקולריות של כוהל, הארוכות יותר מהמולקולות הפחמניות השוקעות, עשויות למנוע היווצרות צברים של מולקולות פחממניות, תוך בקרה של תהליך ההתגבשות.

 

ההבנה המשופרת של השלבים המוקדמים הללו הביאה גם לפיתוח שיטות חדשות להפרדת תערובות של איזומרים אופטיים (מולקולות המשקפות זו את זו כבתמונת ראי). שיטות אלה מיושמות בתעשיית התרופות ובמערכות לזיהוי של חומרים אורגניים חדשים המתאימים לשמש "נבטי קיפאון", שבהיזרעם בעננים מביאים להגברת כמות המשקעים.

 

 

מדעני המכון שבחנו קונכיות של רכיכות גילו שהרכיכות בונות את הקונכיות שלהן כחומר מרוכב. חומר מרוכב מתאפיין בכך שהוא בנוי ממעין "תבנית" עשויה חומר אחד (בדרך כלל גמיש), הממולאת בחומר אחר (בדרך כלל קשיח). קונכיותיהן של הרכיכות בנויות על בסיס של תבנית העשויה חלבונים. התבנית הזאת ממולאת במלח סידן פחמתי, המתגבש בכל פעם בצורה אחרת, כך שחלקן הפנימי של קונכיות מסוימות בנוי מגבישי אראגוניט, ואילו חלקה החיצוני בנוי מגבישי קלציט. שתי השכבות הגבישיות האלה (הזהות לחלוטין מבחינה כימית, הדומות זו לזו מבחינת המבנה הגבישי, ושונות מאוד זו מזו בצורתן החיצונית), מונחות בכיוונים ניצבים, דבר שמקנה לקונכיה חוזק רב. מדעני המכון מצאו כי הרכיכה קובעת אם מלח הסידן יתגבש כאראגוניט, או כקלציט, באמצעות ייצור והפרשה של חלבונים שונים המשמשים תבנית שקובעת את צורת התגבשותו של המלח. ממצאים אלה עשויים לתרום בעתיד לפיתוח שיטות חדשות ליצירת חומרים מרוכבים מלאכותיים למטרות שונות, כגון ייצור של תחליפי עצם.

 

 

 

 

 

חוקרים במכון זיהו צורה חדשה של חומרים אי-אורגניים (טונגסטן דו-גופריתי) בעלי מבנה סגור, דמוי כדור-רגל. עד לתגלית זו סברו רבים שרק פחמן יכול להתארגן בצורה כזאת (המבנים הפחמניים האלה מכונים "פולרנים"). הודות לתגלית של מדעני המכון התברר שמבנים דמויי פולרנים נוצרים בחומרים שונים, מוליכים-למחצה ומתכתיים-למחצה. במחקר המשך הראו מדעני המכון כי טונגסטן דו-גופריתי דמוי פולרן מתאפיין ביכולת לשמש חומר סיכה יעיל במיוחד (פי 2.5 מחומרי סיכה אחרים), וכי הוא מפחית את הבלאי של חלקי מכונות נעים עד לכשישית משיעור הבלאי המתלווה לשימוש בחומרי סיכה רגילים.

בעקבות תגליותיהם ומחקריהם של מדעני המכון פועלות כיום עשרות קבוצות של מדענים, במקומות שונים בעולם, במחקר בתחום החומרים האי-אורגניים דמויי הפולרנים.

 

 

מדעני המכון פיתחו תחום מחקר חדש, הנוגע לתכונותיהן המיוחדות של מולקולות-מברשות הנוצרות, למשל, כאשר קושרים מולקולות ארוכות למשטח משותף. כך נוצרות מעין "מברשות מולקולריות" שדוחות זו את זו. עובדה זו ותכונות נוספות העמידו את מולקולות-המברשת במרכזה של פעילות מדעית ענפה, בכל העולם. למעשה, תכונותיהן הייחודיות של מולקולות המברשת הן המקנות יציבות לחומרים ידועים כגון דיו, חלב, בשמים ותרופות נוזליות, אלא שעובדה זו התבררה רק בעקבות תגליותיהם של מדעני המכון. גורמי תעשייה רבים בעולם משקיעים כיום בפיתוח יישומים תעשייתיים שונים של מולקולות-המברשת.

 

 

 

 

 

מדעני המכון פיתחו דרך להפחית פי אלף ויותר את כוח החיכוך, שהוא הגורם העיקרי להפחתת יעילותן של מכונות. חומרי הסיכה הרגילים מכילים בדרך כלל מולקולות קטנות היוצרות קרומים
אורגניים דקים, המפחיתים את החיכוך במידה מוגבלת. השיטה המקורית להפחתת החיכוך שפיתחו מדעני המכון אינה מבוססת על מולקולות קטנות, אלא על מעין "מברשות" מולקולריות.

"מברשות" אלה נוצרות בעקבות הצמדה של שכבת מולקולות פולימריות לשני משטחים חלקים הנדחסים יחדיו, ונעים זה לעומת זה בתוך נוזל. המולקולות נקשרות למשטחים מצדן האחד בלבד, ומזדקרות לתוך הנוזל, בדומה לשערות של מברשת. המברשות הפולימריות חודרות זו לתוך זו רק במעט, גם כאשר המשטחים נלחצים זה לעומת זה בעוצמה רבה, וכתוצאה מכך פוחת במידה ניכרת החיכוך בין המשטחים.

 

 

איזה חומר ממרכיביה של תערובת כלשהי יתרכז קרוב לפני השטח שלה, ואיזה חומר "יעדיף" להתרכז בעיקר באזורים פנימיים יותר של התערובת? לתשובה על השאלה הזאת נודעת חשיבות רבה, מכיוון שהחומר שיתרכז בקרבת פני השטח הוא זה שיקבע את תכונות התערובת בתחומים שונים, כגון מידת החלקות של החומר, מידת החיכוך שלו עם הסביבה, יכולתו של החומר לקלוט או להחזיר קרינה מסוגים שונים, האם הוא נוח לשטיפה, ועוד.

 

מדעני המכון גילו שכאשר התערובת כוללת שני פולימרים הדומים זה לזה מבחינה כימית, גדלה "שאיפתו" של הפולימר הגמיש יותר להתרכז בקרבת פני השטח של התערובת, תוך יצירת שכבות. הבנת תהליכי התארגנות חומרים בתערובות תוכל אולי, בעתיד, לסייע בתכנון חומרים ותהליכים תעשייתיים שונים.

 

 

מדעני המכון זיהו חומרים העשויים לשמש "נבטי קיפאון" המאיצים היווצרות של גבישי קרח. "נבטי קיפאון" מסוג זה עשויים לשמש, למשל, לזריעת עננים, דבר שיגדיל את כמות המשקעים.

 

השימוש ב"נבטי קיפאון" לצורך הגברת גשם מתבסס על העובדה שעל אף שהקרח הופך לנוזל כשהוא מגיע לטמפרטורה של אפס מעלות צלסיוס, אפשר לקרר מים עד לטמפרטורות של מינוס עשרים ואפילו ארבעים מעלות צלסיוס, מבלי שהם יקפאו לקרח. כדי שיירד גשם, חייבים להיווצר גבישי קרח באדי המים שבעננים. גבישים אלה נופלים כלפי מטה (בשל משקלם הסגולי הגבוה יחסית), ותוך כדי כך הם נמסים ונעשים לטיפות הגשם המוכרות לנו. אבל, כאשר אדי העננים מתקררים מבלי שנוצרים בהם גבישי קרח, התהליך הזה נמנע, והגשם אינו יורד.

 

כדי להגביר את הגשם אפשר לזרוע בעננים חומרים שונים, "נבטי קיפאון", שיאיצו את היווצרות גבישי הקרח, דבר שיגביר את כמות המשקעים. "נבט קיפאון" מקובל כיום הוא יודיד הכסף, המקפיא את אדי המים בטמפרטורה של פחות ממינוס שמונה מעלות צלסיוס. מדעני המכון גילו שכוהלים ארוכי-שרשרת מסוימים עשויים לשמש גם הם כ"נבטי קיפאון", שיקפיאו אדי מים בטמפרטורות גבוהות ממינוס שמונה מעלות צלסיוס.

 

המדענים מצאו כי האורך של מולקולת הכוהל, וזוגיותה או אי-זוגיותה (הנקבעת לפי מספר אטומי הפחמן הכלולים בה), ממלאים תפקיד מכריע ביכולתה להקפיא אדי מים. ככל שהשרשרות הפחממניות של הכוהל יהיו ארוכות יותר, כך הוא יקפיא מים בטמפרטורות גבוהות יותר. בנוסף לכך, כוהלים לא זוגיים "שואפים" להקפיא מים בטמפרטורה של אפס מעלות צלסיוס, ואילו כוהלים זוגיים "שואפים" להקפיא מים בטמפרטורה של מינוס שמונה מעלות צלסיוס.

 

 

מדעני המכון תיכננו ובנו, בשנות החמישים, מתקן ייחודי להפרדת איזוטופים. איזוטופים הם מעין גרסאות של אטומי היסודות השונים. איזוטופים שונים של אותו יסוד מכילים פרוטונים ואלקטרונים בכמות זהה, אך הם נבדלים זה מזה במספר הניטרונים המצויים בגרעיניהם. כך, למעשה, קיימים איזוטופים כבדים יותר וקלים יותר של אותו יסוד עצמו. מתקן הפרדת האיזוטופים שתוכנן, נבנה והופעל במכון, שימש להפקת איזוטופים כבדים של חמצן: חמצן 17 (שריכוזו בחמצן הטבעי הוא 0.037%), וחמצן 18 (שריכוזו בחמצן הטבעי הוא 0.204%). האיזוטופים הללו משמשים בעיקר לצורכי מחקר בתחומי הכימיה והפיסיקה, וכן למחקרים בביולוגיה וברפואה.

 

האיזוטופים הללו שימשו, בין היתר, לחקר בעיות תזונה בקרב ילדים צעירים ונשים בהריון, וכן לבדיקת צריכת האנרגיה בשרירים. יש חוקרים הנעזרים בהם גם לחקר תופעות שונות הקשורות במחלות נוירולוגיות של המוח, כמו פרקינסון ואלצהיימר. רוב תוצרתו של המתקן שימשה לייצוא. במשך שנים רבות סיפק המתקן הזה את רוב הביקוש העולמי לאיזוטופים אלה.

 

 

 

 

משקפי-שמש וחלונות קדמיים של מכוניות המתכהים ככל שנופל עליהם אור בהיר יותר, הם מוצרי צריכה מוכרים שפותחו על בסיס הגילוי של תופעת הפוטוכרומיות (שינוי הפיך בצבעם של חומרים כתוצאה מחשיפה לאור), שבוצע באחת ממעבדות המכון. לא מכבר נרשמה בתחום זה התקדמות נוספת: פותח פולימר פוטוכרומי פעיל מאוד העשוי לשמש לציפוי עדשות פלסטיות, ולספק חלופה משופרת וקלת משקל למשקפי זכוכית המשנים את צבעם.

 

 

 

 

 

 

מדעני המכון פיתחו שיטה מתקדמת לניסור יהלומים באמצעות לייזרים. שיטה זו עשויה להביא לאוטומציה של תעשיית היהלומים, ולפיתוח אפשרויות לעיצוב יהלומים בצורות לא שגרתיות.

השימוש בלייזרים לניסור יהלומים היה כרוך עד כה באובדן של כחמישה אחוזים ממשקל היהלום. השיטה החדשה שפיתחו מדעני המכון מפחיתה, עד לפחות ממחצית, את האובדן הזה, דבר שמשפר במידה ניכרת את הכדאיות הכלכלית של השימוש בלייזר, וזאת בנוסף לשאר יתרונות הלייזר, המאפשר שליטה טובה יותר בתהליך עיצובו של היהלום.

 

 

חוקרי המכון פיתחו טכניקה לשליטה בריאקציות כימיות שונות באמצעות קרני לייזר. טכניקה חדשנית ומקורית זו מאפשרת שליטה בתוצרים של ריאקציות מולקולריות, באמצעות תופעת ההתאבכות בגלי החומר. כידוע, על פי תורת הקוואנטים, חלקיקי חומר יכולים להתנהג כגלים, המסוגלים להתאבך (התאבכות בונה או הורסת). הטכניקה שפיתחו חוקרי המכון מנצלת את התכונה הזאת של חלקיקי החומר. טכניקה זו מאפשרת שליטה בתנועת אלקטרונים בחומרים מוליכים למחצה, שבירת סימטריה בחומר, וייצור של חומרים כיראליים: חומרים שההרכב הכימי שלהם זהה אבל המבנה המרחבי של המולקולות שלהם שונה, כך שמולקולה אחת מהווה מעין "תמונת מראה" של המולקולה האחרת. כך, על אף שמדובר במולקולות בעלות הרכב כימי זהה, אין שום אפשרות להציב אותן במקביל (כפי שאי-אפשר להציב במקביל את כף יד ימין עם כף יד שמאל). טכניקות אלה עשויות לשמש בתעשייה כימית של תרופות, בייצור מתגים אלקטרוניים מהירים במיוחד, ובשיפור הולכת אור בסיבים אופטיים.