גביש בכיוון אחד

באמצע המאה ה-19, גילה לואי פסטר כי ישנן מולקולות בעלות כיווניות – שמאלית או ימנית. הוא הפריד בין גבישים של מולקולות אלה באמצעות פינצטה ושיער כי הכיווניות נוצרה בהשפעת השדה המגנטי של כדור-הארץ. השערה זו התבררה אמנם כלא נכונה, אך באחרונה מדענים ממכון ויצמן למדע ומהאוניברסיטה העברית בירושלים מצאו קשר בלתי-ישיר בין מגנטיות ובין כיווניות של מולקולות, וניצלו קשר זה כדי להפריד בין גבישים בעלי כיווניות שונה.

מיון גבישים לפי הכיווניות שלהם – המכונה כיראליות – הינו שלב חיוני בייצור תרופות, קוטלי מזיקים וחומרים כימיים רבים אחרים. זאת, מפני שלעתים רק מולקולות בעלות כיראליות מסוימת מובילות לתוצאות רצויות – בזמן שאלה בעלות הכיראליות ההופכית עלולות להיות חסרות תועלת או אף מזיקות. "בשיטות הקיימות צריך להתאים את תהליך המיון לסוג הגביש", אומר פרופ' רון נעמן מהמחלקה לפיסיקה כימית וביולוגית במכון. "הגישה שלנו, לעומת זאת, מתאימה לכל גביש הנוצר ממולקולות כיראליות באופן ספונטני, ולכן היא עשויה להיות זולה ויעילה יותר". המחקר, בהובלת פרופ' נעמן, פרופ' מאיר להב מהמחלקה לחומרים ופני השטח של המכון ופרופ' יוסי פלטיאל מהאוניברסיטה העברית, התפרסם באחרונה בכתב-העת המדעי Chemical Science.

לשם מיון הגבישים, השתמשו המדענים בתופעה שגילו בעבר חברי קבוצתו של פרופ' נעמן: אפקט CISS, ראשי תיבות של chirality-induced spin selectivity – סלקטיביות ספין מושרית-כיראליות. משמעותה היא כי כאשר מולקולות באות במגע עם משטח, הן הופכות למקוטבות (חשמלית), וזאת בעקבות תנועת אלקטרונים מצד אחד של המולקולה לצִדה השני. במולקולות כיראליות הקיטוב החשמלי מלווה בקיטוב של ה"ספין". אפשר לתאר זאת כאילו המטען החשמלי בקצה המולקולה מסתובב לכיוון מסוים: עם כיוון השעון או נגדו. במחקרים קודמים הראו המדענים כי בעזרת אפקט CISS אפשר למיין חומרים לפי הכיווניות שלהם: כאשר הם חשפו תמיסה המכילה מולקולות ימניות ושמאליות למשטח מגנטי, היו אלה בעיקר מולקולות בעלות כיראליות מסוימת שנדבקו למשטח.

במחקר החדש, הראו המדענים כי אפשר ליישם את השיטה גם בגבישים. תחילה חשפו המדענים תמיסות המכילות מולקולות כיראליות למשטח מגנטי, וכפי שהראו בעבר, רק מולקולות בעלות כיראליות מסוימת נמשכו למשטח. כאשר המולקולות הגיעו לריכוז גבוה, הן החלו להתגבש, וכך קיבלו המדענים גבישים המכילים מולקולות בעלות כיווניות מסוימת – עובדה בעלת חשיבות רבה עבור שימושים תעשייתיים עתידיים. "הניסוי שלנו היה פשוט להפליא, אך הוא הוביל למיון גבישים יעיל ביותר", אומר פרופ' נעמן. "אפשר לפתח את השיטה לשם מיון ברמת טיהור גבוהה בתעשייה".

קבוצת המחקר כללה את ד"ר פרנצ'סקו טסינארי, ג'ייקוב שטיידל ושחר פלטיאל מהמחלקה לפיזיקה כימית וביולוגית של מכון ויצמן למדע ואת פרופ' קלאודיו פונטאנזי מאוניברסיטת מודנה ורג'ו אמיליה שבאיטליה