האבולוציה של היעילות

 

פירוק יכול להיות פעולה בונה, לפעמים. כשמדובר בכימיה, פירוק נכון של מולקולה אחת עשוי ליצור תוצרים רצויים ובעלי ערך כלכלי רב. לצד שיטות מסורתיות ושגרתיות לביצוע תגובות כימיות מנסים מדענים רבים, במקומות שונים בעולם, להשתמש בקרני לייזר כדי לפרק באופן בררני קשרים בין האטומים במולקולה מסוימת מבלי לפגוע בקשרים כימיים אחרים. מדובר בפיתוח מעין "איזמל" של אור, המופעל בהבזקים קצרים. סידרה של הבזקים כאלה יכולה לעורר מולקולה, או חלק ממנה, ולעצב את צורתה בעת שהיא חוזרת בהדרגה למצבה הבלתי-מעורר. התהליך הזה הודגם בעבר, אם כי ביעילות נמוכה יחסית. מאז מתבצעים מחקרים רבים במטרה לשפר את יעילות התהליך.

מדענים באוניברסיטת פרינסטון יישמו שיטה שבה הלייזר "לומד" ומבצע מעין "ברירה טבעית" בין סדרות אקראיות של הבזקים, כך שהסדרות שהשיגו יעילות רבה יותר שורדות וממשיכות לשלב הבא, שבו הן מתחרות שוב על מקומן. האלגוריתמים הממוחשבים שמבצעים את החישובים של "הברירה הטבעית" הזאת קרויים אלגוריתמים אבולוציוניים.

המשתנים העיקריים הנבחנים בתהליך הברירה הזה הם זמן ותדר של קרן הלייזר, המקיימים ביניהם מעין מערכת יחסים של בני זוג המשלימים זה את זה. פרופ' דוד טנור, מהמחלקה לפיסיקה כימית במכון ויצמן למדע, אומר שמערכת היחסים המתמטיים בין זמן ותדר של קרן הלייזר דומה למערכת היחסים המתמטיים בין בני זוג אחרים בתורת הקוונטים: מקום ותנע. "הדמיון הזה", הוא אומר, "העלה את האפשרות ליצור מעין סריג במרחב שבכל אחד מצמתיו מצוי  'פעמון גאוס'" (מיקום הצמתים ייצור מבנה או בסיס שלם, אם כי סופי). כל אחד מ"פעמוני גאוס" שבסריג ייצג את התכונות של הבזק לייזר אחד, וכולם יחד ייצגו את המאפיינים של סדרת הבזקים שאפשר לתארה כמעין "מפתח של אור" ייחודי המתאים אך ורק לשבירתו של קשר כימי מוגדר, ואינו פוגע בקשרים האחרים.

 

שתי קבוצות של מדענים בגרמניה מבצעות ניסויים על בסיס העבודות התיאורטיות של פרופ' טנור: פרופ' גוסטב גרבר מאוניברסיטת וורצברג ופרופ' טוביאס בריקסנר מאותה אוניברסיטה. גרבר ובריקסנר (אז כתלמיד מחקר בקבוצתו של גרבר) הדגימו לראשונה שימוש ב"לייזר לומד" לפירוק מעשי של מולקולות. פרופ' טנור אומר, שהיכולת לבחון בדייקנות את תכונותיו של כל אחד מההבזקים שמרכיבים את "מפתח האור" עשויה לסייע בעיצוב "מפתחות" יעילים במיוחד שיוכלו לשמש כלים רבי-עוצמה בתעשייה כימית עתידית.

 

 

קרן לייזר נוצרת כאשר אטומים מעוררים (באמצעות קרינת אור או באמצעות זרם חשמלי), וכתוצאה מכך עוברים לרמת אנרגיה גבוהה יותר, ואז "נופלים בחזרה" תוך שהם פולטים את האנרגיה שנאגרה בהם בתהליך העירור, בצורת פוטונים, שהם חלקיקי אור. האור הבוקע מאטומי החומר המעוררים מתאפיין בשתי תכונות בולטות. התכונה הראשונה היא אורך גל הנקבע על ידי תכונותיו הפיסיקליות של האטום הפולט (כל חומר פולט גלי אור בטווח ייחודי משלו). התכונה הנוספת מתבטאת בעובדה שגלי האור הנפלטים בדרך זו הם מקבילים זה לזה. כך נוצרת קרן לייזר העשויה לשמש למטרות תעשייתיות ורפואיות.