גלים הם לפעמים געגועים לחומר

01.09.2002
פרופ' משה שפירא (מימין) וד"ר פטר קראל. ימין ושמאל
 
מנהרות ומחילות מיסתוריות תמיד מעוררות את הדמיון, אבל ד"ר פטר קראל, מדען אורח במעבדתו של פרופ' משה שפירא מהמחלקה לפיסיקה כימית במכון, מתעניין בדרך שבה אלקטרונים עוברים בננו-שפופרות, שהן מעין שרוולים מולקולריים זעירים.
 
הביטוי "ננו" משמעותו החלק המיליארד של משהו. כך, ננומטר הוא מיליארדית המטר. ננושנייה היא מיליארדית השנייה. בעיקרון, נראה שאפשר לייצר ננו-שפופרות מחומרים שונים, אם כי החומר הידוע ביותר בתחום זההוא פחמן. ד"ר קראל השתמש בלייזר כדי לרגש אלקטרונים המצויים בתוך ננו-שפופרות העשויות פחמן, כך שהם ינועו בכיוון אחד, תוך שהם דוחפים קדימה מולקולות שונות המצויות בתוך הצינור המולקולרי הזעיר.
 
טכניקה זו עשויה להוביל לפיתוח יישומים שונים, כגון ננו-עט הכותב באמצעות "דיו אטומי" (שרשרת של אטומים המצויה בתוכו), על גבי משטח כלשהו. ננו-עט כזה עשוי לשמש למטרות ביו-רפואיות: החדרת מולקולות מבוקשות לתוך תא בודד. יישום אחר שהציע באחרונה ד"ר קראל הוא שימוש באור לייזר מקוטב לצורך סיחרור מהיר של ננו-שפופרות (בקצב של מיליארדי סיבובים בשנייה). שיטת פעולה זו עשויה להיות מיושמת בננו-מנועים ובננו-מדחפים.
 
בעבודתו הנוכחית בקבוצת המחקר של פרופ' משה שפירא מתמקד ד"ר קראל בניסיונות לפתח דרכים לשימוש בקרינת לייזר לשליטה במולקולות, כך שהן יבצעו תהליכים כימיים או פיסיקליים רצויים. אחד מהמחקרים המתבצעים כיום בקבוצת מחקר זו נועד לפיתוח דרך לשימוש בלייזר לצורך הפרדה בין גרסאות "ימניות" ו"שמאליות" של מולקולות כיראליות שונות.
 
כיראליות היא תופעת טבע בסיסית, המתבטאת בקיומן של מולקולות בעלות הרכב כימי זהה הנבדלות זו מזו רק 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: על אף הזהות הכימית ביניהן, אי-אפשר להציב את המולקולות האלה כך שיחפפו זו את זו. דמיון זה העניק לתופעה את שמה: כיראליות (כירוס ביוונית משמעותו כף יד). שתי מולקולות כיראליות, הזהות לחלוטין מבחינה כימית, אך השונות מבחינת העיצוב, עשויות לפעול בדרכים שונות לחלוטין. לדוגמה, המולקולה אספרטיים ידועה כממתיק, ואילו "אחותה התאומה" אינה כזאת. בתעשיית התרופות ידועות מולקולות כיראליות שונות, שרק גרסה אחת שלהן פועלת את פעולת הריפוי, ואילו הגרסה השנייה אינה מועילה, ולעתים אפילו מזיקה.
 
מכאן ברורה חשיבתה של דרך להפרדה מדויקת בין הגרסאות השונות של מולקולות כיראליות. שיטת ההפרדה באמצעות לייזר שמפתחים פרופ' שפירא וד"ר קראל מבוססת על העובדה שמולקולות, כפי שלימדה שאותנו תורת הקוואנטים, הן בעלות מופע כפול, כלומר, בעת ובעונה אחת הן גם חומר וגם גלים. המדענים משתמשים באלומות של אור לייזר כדי לשנות את מופע הגל של מולקולות החומר, ובכך הם משפיעים על התנהגותן.
 
כדי להפריד את המולקולות הימניות מהשמאליות מנצלים פרופ' שפירא וד"ר קראל את חוסר הסימטריה שבין המולקולות ה"ימניות" לאלה ה"שמאליות". מולקולות מתקיימות במצבי אנרגיה מוגדרים הקרויים "רמות קוונטיות". אלומה של אור לייזר עשויה לחבר רמות קוונטיות שונות זו לזו. במולקולות לא כיראליות האפשרות הזאת מוגבלת (על-פי חוקי טבע ידועים). אבל מולקולות כיראליות הן חופשיות מכמה מגבלות אלה. הסיבה לכך היא, שהרמות הקוואנטיות של מולקולות לא כיראליות מתאפיינות במספרים זוגיים בלבד, או במספרים לא זוגיים בלבד, בעוד שלרמות הקוואנטיות של מולקולות כיראליות אין כל זוגיות.
 
אלומת אור לייזר עשויה לחבר זו לזו רמות קוונטיות של מולקולות לא כיראליות בעלות זוגיות הפוכה בלבד. לכן, היכולת לחבר באמצעות לייזר מולקולות לא כיראליות היאמוגבלת. לעומת זאת, במולקולות כיראליות - שלרמות הקוואנטיות שלהן אין כל זוגיות, אפשר לחבר כל רמה לכל רמה, כמעט ללא כל הגבלה.
 
חופש הפעולה הזה מאפשר - לפחות באופן תיאורטי - להעביר את המולקולות הכיראליות דרך מגוון רחב מאוד של רמות קוואנטיות. באחרונה פיתח ד"ר קראל שיטה תיאורטית לשימוש בשלושה דחפי אור לייזר כדי להעביר את גליהן של מולקולות כיראליות מרמה קוונטית אחת לשנייה (באופן ישיר, או דרך רמת ביניים). טכניקה חדשנית זו מאפשרת להניע את המולקולה בין הרמות הקוואנטיות השונות, בתנועה מחזורית: מרמה אחת לרמה שתיים, מרמה שתיים לרמה שלוש, ומרמה שלוש - בחזרה לרמה אחת.
 
עכשיו מבקשים החוקרים להשתמש באור לייזר כדי להפריד מולקולות כיראליות "ימניות" מתאומותיהן ה"שמאליות". כאמור, לפי תורת הקוואנטים, המולקולות הן גם גלים,שבאמצעות גלי לייזר אפשר לגרום להם להתאבך. המדענים גילו שאופן ההתאבכות של גל-מולקולה שמאלית שונה מזה של גל-מולקולה ימנית. ההבדל מתבטא בכך שגל-מולקולה שמאלית עולה, כתוצאה מההתאבכות, לרמה הקוואנטית השנייה, ואילו גל-מולקולה ימנית עולה, כתוצאה מההתאבכות, לרמה הקוואנטית השלישית. בשלב זה, שבו המולקולות מתארגנות בקבוצות נפרדות, אפשר לאסוף בנפרד את הימניות ואת השמאליות.
שפירא וקראל מאמינים, שבדרך זו אפשר יהיה למיין גרסאות רצויות של מולקולות בודדות, ואולי אפילו להפוך באופן ישיר ויעיל את המולקולות הלא רצויות לתאומותיהן היותר שימושיות. לתהליך כזה עשויה להיות חשיבות רבה בתעשיית תוספי המזון והתרופות.
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם