פגישה, חצי פגישה

 

יחסים מוצלחים בין מולקולות - ממש כמו יחסים אנושיים - דורשים מספר תנאים בסיסיים: תחילה המולקולות צריכות להיתקל זו בזו, ולאחר המפגש יש לספק להן פרק זמן מינימלי להתרחשות תגובה כימית. אלה הן שתי בעיות איתן מתמודד ד"ר אדוארדס נרייביצ'יוס, מהמחלקה לפיסיקה כימית שבפקולטה לכימיה. ד"ר נרייביצ'יוס מתעניין בתופעות הקוונטיות שבאות לידי ביטוי בתגובות כימיות, כאשר הן מתרחשות בטמפרטורות נמוכות מאוד - קרוב לאפס המוחלט. כדי לחקור תופעות אלה, שאינן באות לידי ביטוי בטמפרטורות גבוהות יותר, הוא מפתח שיטות המאפשרות לקרר את המולקולות, ובתוך כך גם מספקות את התנאים הנדרשים לצורך מפגש ואינטרקציה ביניהן. "בניגוד לקירור של אטומים, שהוא פשוט יחסית, קירור מולקולות לטמפרטורה קרובה לאפס המוחלט הוא מסובך", הוא אומר. "במולקולות יש הרבה רמות אנרגיה וגם סוגים שונים של תנועה - כמו ויברציות ורוטציות - אשר מקשים על הקירור".

כיצד מקררים מולקולות? השיטה הנפוצה ביותר פותחה לפני כמחצית המאה, וזיכתה את ממציאיה - דדלי הרשבך ויואן לי - בפרס נובל בכימיה לשנת 1986. בשיטה זו, הקרויה supersonic beam, יוצרים אלומה של המולקולות אותן מעוניינים לקרר, כשהן נישאות בתוך גז קר. כאשר מאפשרים לגז להשתחרר בלחץ גבוה לתוך ריק - הוא מתקרר (מאותה סיבה גורם שחרור של גז בישול להתקררותו של צינור הגז ולהצטברות של קרח על גבי הצינור). שיטה זו היא פשוטה, קל וזול לתפעל אותה, ואפשר, באמצעותה, לקרר חומר המצוי בטמפרטורת החדר (כ-300 מעלות קלווין) לטמפרטורה של עשירית המעלה מעל האפס המוחלט. באמצעות הרצת שתי אלומות זו מול זו אפשר לחקור את התגובה הכימית בין שתי מולקולות, המתרחשת בנקודת המפגש של האלומות. אולם לשיטה זו יש חיסרון משמעותי, שמקורו בעובדה שאנרגיה אינה הולכת אף פעם לאיבוד: האנרגיה שהשתחררה מהמערכת בתהליך הקירור הופכת לאנרגיה של תנועה, והאלומה מאיצה למהירות שעשויה להגיע עד שני ק"מ בשנייה. בגלל המהירות הגבוהה, משך המפגש בין שתי האלומות הוא קצר ביותר - מה שמקשה על היווצרותה של תגובה כימית, מסבך את המעקב אחריה, ואף משפיע על תוצרי התגובה.

 

"המטרה שלנו היא לקחת את המולקולות המקוררות שבאלומה, ולבטל את אפקט ההאצה - וכך ליהנות מיתרונות השיטה, ולבטל את חסרונותיה", אומר ד"ר נרייביצ'יוס. שיטתו לעצירת מולקולות ולכידתן - אותה התחיל לפתח במהלך מחקרו הבתר-דוקטוריאלי בקבוצתו של מארק רייזן באוניברסיטת טקסס באוסטין - דומה לפיתוח של ג'ראר מאייר הקיים זה עשור, הקרוי Stark decelerator. אך בעוד ששיטתו של מאייר מאטה את המולקולות בהדרגה באמצעות פולסים של שדה חשמלי, מבוססת שיטתו של ד"ר נרייביצ'יוס על פולסים של שדה מגנטי. השדה המגנטי, כך גילה, יעיל עבור טווח גדול יותר של חומרים - כל מולקולה או אטום בעלי מומנט מגנטי קבוע. אך גם לשיטה זו חסרונות משלה: במהלך ההאטה נגרמים הפסדים גדולים של חומר, והמולקולות מתפזרות ומתרחקות זו מזו. המולקולות הבודדות הללו - בדומה למולקולות המהירות - מתקשות "להכיר" מולקולות אחרות, ולפתח יחסים משמעותיים אשר יובילו לתגובה כימית.

כדי לנסות להתגבר על הבעיה הזו, מפתח ד"ר נרייביצ'יוס מלכודת מגנטית - מעין ספל אשר מחזיק את המולקולות בתוכו לכל אורך התהליך. המלכודת בנויה משני סלילים מגנטיים שבתוכם עובר זרם בכיוונים מנוגדים. באופן זה נוצר "בור" אשר מגביל את תנועת המולקולות, ואינו מאפשר להן לצאת. כדי שהמלכודת תתפקד כראוי - כפי שיודע כל מי שניסה לרוץ כשהוא אוחז בספל קפה - ההאטה צריכה להתרחש באופן הדרגתי, שכן בלימה פתאומית תגרום למולקולות להישפך מתוך המלכודת. לצורך כך פיתח ד"ר נרייביצ'יוס רצף של למעלה מ-200 מלכודות חופפות, המופעלות בהדרגה, בזו אחר זו, כאשר מהירותה של מרכז המלכודת מואטת בהדרגה פי 100. ממצאים ראשוניים שהתקבלו במעבדתו מראים, כי באופן זה אפשר להגיע לתאוטה של עשרת אלפים g) g הוא תאוצת הכוח על פני כדור-הארץ), ולהגיע לניצולת של כ-30% מהחומר - לעומת מספר עשיריות האחוז שהתקבלו עד כה.

כעת, משהצליח ליצור מלכודת ובה מולקולות מקוררות ואיטיות, מתכנן ד"ר נרייביצ'יוס להשתמש באמצעי שפיתח כדי ללמוד על היחסים הנרקמים ביניהן. במיוחד מעניינות אותו תגובות בעירה - בהן מעורבות מולקולות חמצן, וכן התנגשויות "עצמיות" של מולקולות מאותו סוג. בנוסף, ברצונו למצוא דרכים להתקרב עוד יותר לנקודת האפס המוחלט, ולקרר את המולקולות במלכודת שיצר - שהטמפרטורה שלהן כיום עומדת על 100 אלפיות המעלה מעל האפס המוחלט - לאלפית המעלה בלבד, או אף פחות מכך.