להדפיס מיקרוסקופ

עדשות המצלמה או המיקרוסקופ של העתיד "יודפסו" במדפסות תלת-מימד מתקדמות, ויהיו דקות ומדויקות בהרבה מהעדשות שבנמצא כיום. מחקר משותף שנערך במכון ויצמן למדע ובאוניברסיטת תל-אביב, ופורסם לאחרונה בכתב-העת המדעי Nature Communications, מתאר עדשות אולטרה-דקות המתוכננות בדייקנות מְרַבִּית ומיוצרות מננו-חומרים. עדשות אלה יהיו מורכבות ממספר שכבות נפרדות של ננו-חומרים, והן עשויות לייתר את הצורך הקיים בעדשות מרובות-אלמנטים ולהחליפן בהתקן אופטי דק.

משך מאות שנים הוכתבו תכונותיהן של עדשות והתפקידים שהן ממלאות באמצעות שליטה בעובי החומר (זכוכית) ובעקמומיותו. בהמשך שופרו יכולותיהן עוד יותר בזכות שילוב מספר עדשות לכלל רכיב אופטי אחד. אולם במעבדתו של פרופ' יחיעם פריאור, במחלקה לפיסיקה כימית במכון ויצמן למדע, הרכיבים האופטיים, ובכללם עדשות, הם שונים בתכלית. במקום שיהיו קמורים, הם מבוססים על "מטא-משטחים" – חומרים המכילים מבנים ננומטריים אשר משנים תכונה אחת של תכונות האור או יותר. הרכיבים מתוכננים בעזרת אלגוריתמים ממוחשבים, ומיוצרים בדיוק מרבי ברזולוציה ננומטרית. באמצעות שינוי ההרכב, הצורה, הזווית והמיקום של מבנים ננומטריים אלו, למדו החוקרים לכופף ולעצב את גלי אור על-פי מיפרט מדוקדק.

בעזרת מטא-משטחים, מסביר פריאור, אפשר "לשחק" עם פרמטרים שונים של האור. "כאשר עדשות משנות את תכונותיהם של גלי אור, הן משפיעות על תכונה שממעטים לעסוק בה – המופע (פאזה), או העיתוי, של הגלים. בעדשות אופטיות סטנדרטיות, פגם המכוּנֶה עיוות כרומטי נובע מכך שהמופעים של גלי אור שונים מעוכבים באופן לא-שווה". כאשר קיים עיוות כרומטי, משנה העדשה את המופע באופן שונה עבור הצבעים השונים, וכתוצאה מכך מוסטת נקודת המיקוד של הכחול, שהיא הגלים הקצרים, מזו של האדום, כלומר מן הגלים הארוכים יותר (מנסרה וקשת בענן פועלות על-פי עיקרון דומה). כדי לפצות על סטייה זו, אפילו במכשיר הפשוט ביותר, עדשות מורכבות מאלמנטים שונים, שלכל אחד מהם מיקוד שונה במקצת, במטרה לתקן את ההסטה של צבע אחד בתמונה. "במיקרוסקופ או במקרן עשויים להימצא עד 13 אלמנטים כאלה. אפילו בטלפון סלולרי יהיו שבעה, מפני שבלעדיהם, התמונות תהיינה מטושטשות", אומר פרופ' פריאור.

פרופ' פריאור והחוקר הבתר-דוקטוריאלי ד"ר אוקלידס אלמיידה הבחינו, כי המטא-משטחים שעימם עבדו עשויים לשמש ליצירת עדשה אחת עם תיקון כרומטי. נקודת המוצא של מחקרם הייתה מושתתת על כך, שהקולטנים בעין שלנו ערוכים לקלוט שלושה אורכי גל, ולכן, עולם הצבע הדיגיטלי כולו מבוסס על סינתזה של שלושה צבעים – אדום, ירוק וכחול (השילוש הידוע כ-RGB). שילוש זה הוא הבסיס לעולם החזותי האלקטרוני: פיקסלים מחברים יחדיו את מרכיבי ה-RGB ביחסים שונים כדי ליצור מחדש את אשליית ספקטרום הצבעים המלא. לאור זאת החליטו המדענים לפתח עדשות בנות שלוש שכבות, שכל אחת מהן מכילה מתכת המותאמת למיקוד אורך גל מסוים של אור – זהב לאדום, כסף לירוק ואלומיניום לכחול. יחד עם פרופ' טל אלנבוגן ואורי אבאיו, מאוניברסיטת תל אביב, הם מצאו את הדרך הטובה ביותר לארגן ולייצר מערכים בני אלפי דיסקים מתכתיים ננומטריים בשכבות דקות, וכל שכבה תוכננה בנפרד.

העדשות הרב-שכבתיות הופקו בטכנולוגיית ליתוגרפיה של קרן אלקטרונים בחדר הנקי של המחלקה לתשתיות מחקר כימי במכון ויצמן למדע, בסיועה של ד"ר אורה ביטון. בסופו של דבר הצליחה הקבוצה להגיע לדיוק יחסי בשלוש השכבות - פחות מ-10 ננומטרים - הישג יוצא דופן שעשוי להוביל ליישומים שבהם נדרשת רזולוציה גבוהה מאוד. "זה לא היה דבר של מה בכך, ללמוד כיצד להדפיס את העדשות בשכבות", אומר פריאור. "לאחר שהצלחנו למטב את החומרים עימם עבדנו עבור כל צבע, ולהבין כיצד צריך לתכנן את השכבות, הגיע החלק הקל: לגרום לכך שנקודות המיקוד של כל שכבה תיערך כראוי".

 עבודה במיקרוסקופיית STED כרוכה בשימוש בשולחן אופטי בגודל של מעבדה שלמה, אבל בעתיד, ייתכן שאפשר יהיה להחליף את המערך הניסויי כולו בעדשה יחידה בעובי של מיקרון אחד. כמובן, המחקר שלנו הוא רק צעד ראשוני בכיוון זה

יישום עתידי מלהיב במיוחד של טכנולוגיה זו עשוי להיות במיקרוסקופ ברזולוציה גבוהה במיוחד, בשיטת מיקרוסקופיה הנקראת דלדול בעזרת פליטה מאולצת (Stimulated Emission Depletion - STED). השיטה, אשר זיכתה את ממציאה בפרס נובל בשנת 2014, נוצרה כדי להתגבר על מגבלת כושר ההפרדה של מיקרוסקופיית אור קונבנציונלית – לא ניתן למקד אור לנקודה קטנה מאורך הגל של האור, שהוא כמיקרון אחד. "שיטת STED", מסביר פריאור, "נעזרת בטריק אופטי חביב. בדרך כלל, צריך לעורר את כל הדגימה באמצעות לייזר בצבע אחד, ואז היא פולטת כמות מסוימת של אור. בשלב הבא משככים את הפליטה הזו, למשל באמצעות הקרנה של אור בצורת טבעת הבא מלייזר בצבע אחר, ואז נוצרת צורה עגולה סביב אותו חלק שבו מעוניינים להתמקד. בשלב הזה 'מהדקים' את הטבעת החוסמת, עד שמשיגים את הרזולוציה הרצויה".

החוקרים משערים, כי עדשות שכבתיות עשויות להפוך את התהליך לנגיש יותר: "מצאנו שאפשר לייצר התפלגות של האור כך ששני צבעים יבצעו שני דברים שונים. כדי להדגים את הרעיון, השתמשנו בדימוי של נקודה ירוקה בתוך סופגנייה אדומה", אומר פריאור. "כיום", מוסיף אלמיידה, "עבודה במיקרוסקופיית STED כרוכה בשימוש בשולחן אופטי בגודל של מעבדה שלמה, אבל בעתיד, ייתכן שאפשר יהיה להחליף את המערך הניסויי כולו בעדשה יחידה בעובי של מיקרון אחד. כמובן, המחקר שלנו הוא רק צעד ראשוני בכיוון זה".

פריאור מסביר, כי חרף מורכבותה, הטכניקה עובדת באופן עקרוני – בדומה להדפסת תלת-מימד, שבה חפצים מיוצרים שכבה על-גבי שכבה. "כבר כעת", הוא אמר, "אנחנו מתכננים עדשות או אלמנטים אופטיים אחרים בעזרת אלגוריתמים שהם גרסאות מתוחכמות של הדפסת תלת-מימד. יושבים ליד המחשב, מתכננים, ואז יורדים לחדר הנקי כדי לייצר אותם. הדיוק, והדברים שאנחנו מצליחים לעשות באמצעות העדשות הללו, יכול רק להשתפר".