הגביש הטוב

לא כל הגבישים נולדו שווים, גם כאשר מדובר בגבישים של אותו החומר ממש. כך למשל, כשמייצרים גבישים אורגניים בתעשיית התרופות, עשויים להיווצר תריסר מבנים שונים מאותן המולקולות, אך ייתכן שרק אחד מהם ירפא את החולה, והשאר יהיו חסרי תועלת. באופן דומה, כשמייצרים גבישים אורגניים לשימוש במכשור אלקטרוני או אופטי, השליטה על מבנה הגביש חיונית להשגת התכונות הרצויות. באחרונה הצליחו מדעני מכון ויצמן למדע לצפות בהתגבשות בפעולה, וממצאיהם עשויים לאפשר בעתיד לתכנן גבישים לפי הזמנה למטרות שונות. ממצאיהם דווחו בכתב-העת המדעי ACS Central Science.

על-פי המודל הקלאסי להתגבשות, שפותח בתחילת המאה ה-20, מולקולות אורגניות בתמיסה מתנגשות זו בזו באקראי, ובנקודה מכרעת כלשהי נוצר גרעין גבישי זעיר שגדל בהמשך לגביש גדול יותר – באמצעות הוספת מולקולות למבנהו המסודר. בשנים האחרונות, מדענים במעבדות שונות ברחבי העולם גילו כי גבישים אורגניים רבים אינם עוברים ישירות ממצב של תמיסה מולקולרית, דהיינו, מאי-סדר מוחלט, למצב גבישי מסודר, וכי למעשה בתהליך ההתגבשות בתמיסה נוצר תחילה צבר מולקולות שאינו גבישי (אמורפי). עם זאת, עד כה לא היה ידוע כיצד מתפתחים גבישים מתוך המצב האמורפי. פרופ' בוריס ריבצ'ינסקי מהמחלקה לכימיה אורגנית וחברי קבוצתו גילו באחרונה באמצעות מיקרוסקופיית אלקטרונים קריוגנית כיצד התגבשות זו יוצאת לפועל. החוקרים הקפיאו את תמיסת הגיבוש בשלבי התפתחות שונים, וכך התאפשר להם לתעד את התהליך.

המדהים הוא שלא היה כאן מעבר חד מאי-סדר לסדר, אלא התפשטות רציפה והדרגתית של הסדר – תהליך מופלא, מפני שמולקולות רבות היו צריכות לנוע בקנה מידה גדול בצורה מתוזמנת"

המדענים צפו בהתגבשות של שני חומרי צבע אורגניים, הקרויים פרילנים דימיידיים, אשר משמשים חומרי צבע לתעשיית הרכב ומוליכים-למחצה אורגניים בתאים סולאריים ובהתקנים רבים נוספים. שני החומרים יצרו גבישים בעלי מבנה ותכונות שונים, אך התפתחותם התרחשה על פי אותו העיקרון: תחילה נוצרו מבנים אמורפיים שהפכו בהדרגה לצפופים ולמסודרים יותר, קרי, גבישיים יותר. אחד החומרים יצר בתחילה כדורים שנעשו צפופים יותר ובעלי פאות, ובהמשך שלחו שלוחות דמויות זיפים שנהפכו בסופו של דבר לגבישים מוארכים. החומר השני יצר תחילה צברים מולקולריים מפוזרים, שהתארכו והצטופפו בשורות של סיבים, שנמתחו והתארגנו לכדי גבישים מסודרים.

"המדהים הוא שלא היה כאן מעבר חד מאי-סדר לסדר, אלא התפשטות רציפה והדרגתית של הסדר – תהליך מופלא, מפני שמולקולות רבות היו צריכות לנוע בקנה מידה גדול בצורה מתוזמנת", אומר פרופ' ריבצ'ינסקי. "ייתכן שיש גבישים שנוצרים בבת-אחת על-פי הדגם הקלאסי, אך במקרים רבים מנגנוני ההתגבשות מורכבים הרבה יותר, והמחקר רק בתחילת הדרך".

ממצאים אלה מקדמים באופן מהותי את הבנת מנגנוני ההתגבשות של מולקולות אורגניות. בעתיד, הבנת מנגנונים אלה לעומק עשויה לעזור לתכנן גבישים לפי הזמנה. למשל, בתעשיית התרופות, יוכלו לייצר מלכתחילה רק גבישים במבנה המבוקש שיהיו בעלי התכונות הרצויות, במקום להפיק גבישים שונים באקראי ולבחון את התכונות של כל אחד מהם. קביעת המבנה מראש תועיל מאוד גם בייצור גבישים אורגניים לתאים סולאריים, למכשירי טלפון סלולריים, למסכי טלוויזיה ולהתקנים אחרים.

במחקר השתתפו יעל צרפתי, ד"ר שקד רוזן וד"ר חיים ויסמן מהמחלקה לכימיה אורגנית, ד"ר לינדה שמעון מהמחלקה לתשתיות למחקר כימי, ד"ר דביר גור מהמחלקות לפיסיקה של מערכות מורכבות ולביולוגיה מולקולרית של התא וד"ר בנג'מין פלמר מהמחלקה לביולוגיה מבנית.