שחקני פריזבי יודעים, שה"סוד" לכיוון הצלחת המעופפת היישר אל זוג הידיים המחכה ממול הוא סיבובה בשיפוע המתאים. פרופ' איליה אברבוך ותלמיד המחקר ארז גרשנבל, מהמחלקה לפיסיקה כימית בפקולטה לכימיה, השתמשו בעיקרון דומה בעבודתם עם מולקולות מסתובבות בשדות חשמליים ומגנטיים. המחקר התיאורטי שלהם עשוי לפתוח דרך ליישומים שונים בתחומים רבים, כמו ננוטכנולוגיה, אופטיקה, כימיה ועוד.

 

כעיקרון, משחק עם אטומים או מולקולות המוצבים בשדות אחידים במרחב צריך להיות די משעמם: חלקיקים נייטרליים כאלה אינם מבחינים ואינם מגיבים כאשר שדה חשמלי או  מגנטי מופעל עליהם, או כאשר לייזר אחיד מכוון עליהם. חלקיק בעל מטען, כמו אלקטרון, יואץ על-ידי השדות האלה, אבל אטום או מולקולה, שהמטען החשמלי הכולל שלהם הוא אפס, יישארו במצב מנוחה או ימשיכו לנוע במהירות קבועה בדרכם מאי-כאן לאי-שם. זה לא אומר שחלקיקים נייטרליים אינם רגישים לשדה שסביבם: בהשפעת השדה הם הופכים קוטביים, והמטענים החשמליים שלהם נפרדים - המטענים החיוביים זזים לצד אחד של החלקיק, השליליים לצד השני. העניין הוא, שהכוחות שפועלים על המטענים האלה מאזנים זה את זה, ולמעשה מבטלים זה את השפעתו של זה. כך או כך, בסופו של דבר האטומים והמולקולות האלה אינם מרגישים שום דחף ו"אינם מרגישים צורך ללכת לשום מקום".

מדענים שונים התקדמו מעט בניסיונותיהם להניע אטומים נייטרליים. הטכניקה שפותחה בתחום זה כרוכה בייצור שדה לא אחיד שבו הכוח בצד אחד של האטום המקוטב חזק מהכוח שבצדו השני. הכוח החזק יותר מכתיב את הכיוון - והאטום הנייטרלי זז. רוב האטומים דומים ל"כדורגל" עגול - הקיטוב יכול להתרחש בכל כיוון. אבל אפילו המולקולות הפשוטות ביותר, כמו מולקולות מימן, מתאפיינות במבנה שאינו עגול. המימן, למשל, נראה יותר כמו משקולת המשמשת בהתעמלות. המולקולות הקוטביות מפרידות את המטענים שלהן לשני קצוות ה"משקולת", ולכן מולקולה העומדת בניצב לשדה תושפע אחרת ממולקולה זהה שממוקמת במקביל אליו. פרופ' אברבוך וארז גרשנבל הבינו, שכמו במשחק פריזבי, כיוון ציר המולקולה וסחרורה חייבים למלא תפקיד במשחק של הזזת מולקולות.

במחקרם התיאורטי הצליחו המדענים לגרום למולקולות להסתחרר מסביב לכל ציר שבחרו, באמצעות "בעיטות" מדויקות של פעימות לייזר קצרות מאוד. אחר כך הכניסו את המולקולות האלה לשדה הלא אחיד - והניחו להן לחוש את הכוח.

המולקולות אכן האיצו את תנועתן בשדה, אבל המדענים מצאו שהם יכולים לשלוט,  בדיוק רב, על כיוון התנועות שלהן ועל קצבן. "המולקולות המסתחררות האלה, הניתנות לקיטוב, מתנהגות כמעין ג'ירוסקופים זעירים", אומר פרופ' אברבוך. "השליטה בצירי הסחרור מאפשרת לכוון אותן בדיוק לכל מקום שנרצה. השתמשנו בלייזרים כמקור השדה, אבל אותו עיקרון יפעל בשדות חשמליים סטטיים או מגנטיים".

ממצאים אלה עשויים להתוות דרך לפיתוח יישומים רבים, וקבוצות מחקר מדעיות שונות כבר התעניינו בשיטה. אפשרות אחת היא פיתוח אופטיקה מולקולרית, שתפעל על-פי כללים הדומים לאלה של מיקרוסקופיית אלקטרונים או אופטיקה אטומית. אופטיקה כזאת עשויה לעמוד בבסיסן של טכנולוגיות דימות חדשות. בתחום הננוטכנולוגיה עשויה השיטה הזאת לשמש למיקוד אלומות של מולקולות מסתחררות אל מטרות מוגדרות, ובדרך זו לשלוט בתהליך השקיעה של מולקולות על משטח.   

כשכותבים דוא"ל, קל מדי להקליק על כפתור ה"שלח" לפני שאנו קוראים אותו פעם נוספת. אחר-כך מתחרטים על הטעות המביכה שנשכחה ונשלחה. אבל כששולחים מסרים גנטיים בתא, אסור לוותר על ההגהות. במקרה כזה, הטעויות עשויות לגרום לא רק למבוכה, אלא אף לסרטן או למחלות אחרות.         

תהליך הגהה חשוב על ייצור החלבונים מתרחש בגרעין התא בשלב האר-אן-אי-שליח - המולקולה ש"מסיעה" את הוראות הייצור מהגרעין למכונות לייצור חלבונים. לאחר שההוראות המצויות בגנים משועתקות למולקולות אר-אן-אי-שליח ראשוניות, הן עוברות תהליך הקרוי "שחבור" (splicing): מקטעים של הצופן הגנטי נגזרים ומתחברים מחדש זה לזה, לפעמים במספר דרכים שונות, לשם קבלת המולקולה הסופית. כתוצאה מתהליך זה, אפשר "לכתוב" מסרים שונים המבוססים על אותו רצף גנטי ראשוני.

ממצאים שונים רומזים, כי תהליך השחבור מורכב יותר מגזירה והדבקה פשוטות של מקטעים שונים. פרופ' יוסף שפרלינג וד"ר אייל קמחי מהמחלקה לכימיה אורגנית שבפקולטה לכימיה במכון, יחד עם פרופ' רות שפרלינג וד"ר אולג רייטסקין מהאוניברסיטה העברית בירושלים, הבחינו כי מקטעים מסוימים לא תמיד נכנסים לגרסה הסופית, וזאת למרות שהם מסומנים בסימנים ברורים כמתאימים לשחבור. יש לכך סיבה טובה: מקטעים אלה נושאים קוד "עצור" -  שלושה בסיסים גנטיים המסמנים את סוף ייצור החלבון. הכנסת אר-אן-איי-שליח הנושא את הקוד במיקום לא-נכון לתוך מכונות ייצור החלבונים (ריבוזומים) עלולה לגרום לייצור חלבונים פגומים, ובכך לשבש תהליכים ביולוגיים חשובים.

מנגנון השחבור יודע כי עליו לדלג על המקטעים הנושאים את הקוד "עצור", ולעבור למקטעים הבאים. אך כיצד בדיוק הוא יודע זאת? בני הזוג שפרלינג וצוותי המחקר שלהם חקרו את תהליך ההגהה הזה. הממצאים שלהם, שהופיעו באחרונה בכתב העת של האקדמיה הלאומית למדעים של ארה"ב (PNAS), קוראים תיגר על צורת החשיבה המקובלת באשר לדרך בה הגנים מתורגמים לחלבונים.

 

 לפי ממצאיהם, ההגהה נעשית על-ידי מולקולה מסוימת של אר-אן-אי הקרויה "אר-אן-אי-מעביר- מאתחל". מולקולה קטנה זו כבר מוכרת למדענים כבעלת תפקיד חיוני בתהליך ייצור החלבונים בריבוזום: שם, אר-אן-אי-מאתחל קורא את צופן ה"התחל" שבתחילת רצף ההוראות שבאר-אן-אי-שליח, ונותן את הפקודה להתחיל לייצר את החלבון. המחקר החדש מראה, שמולקולות האר-אן-אי-מאתחל נכנסות לתמונה בשלב מוקדם הרבה יותר משסברו עד כה - כבר בזמן שהעותקים הראשוניים של האר-אן-אי-שליח עוברים את תהליך השחבור בגרעין התא.כמו בתהליך ייצור חלבונים, גם במקרה זה הן מקבלות את האות לפעול מצופן ה"התחל" שברצף הגנטי. אך בתהליך השחבור, נראה כי האר-אן-אי-המאתחל מחפש גם את הקוד המורה "עצור", וגורם למנגנון השחבור לא לכלול באר-אן-שליח את המקטעים האלה.  כדי לבדוק זאת, יצרו המדענים רצפים גנטיים מלאכותיים שהכילו קודי "התחל" שעברו מוטציה - כך שהאר-אן-אי-מאתחל לא יכול היה לקרוא אותם.במקרה זה, גם מקטעים שהכילו קודי "עצור" שרדו את שלב השחבור. בהמשך, הוסיפו המדענים אר-אן-אי-מאתחל שעבר מוטציה תואמת, כך שיוכל לקרוא קודי "התחל" משובשים, והבקרה הושבה על כנה.

"רוב המדענים לא האמינו כי האר-אן-אי-מעביר-מאתחל יכול להיות מעורב בשלב מוקדם כל כך של ייצור החלבונים, אבל התוצאות שקיבלנו מסירות כל ספק", אומר פרופ' יוסף שפרלינג. פרופ' רות שפרלינג מוסיפה: "קיים חשש כי מקטעים המכילים קודי 'עצור' הנכנסים לתהליך השחבור,ונכללים בטעות בהוראות לייצור חלבונים, עשויים להיות מעורבים בסרטן ובמחלות נוספות. הממצאים שלנו מראים כיצד טעות כזאת עשויה לקרות".

 

 

אחד המכשולים שיש להתגבר עליהם בדרך לשימוש נרחב במקורות אנרגיה מתחדשים, כמו אור השמש או רוח, הואהעובדה שאלה לא בהכרח מספקים את האנרגיה בזמן ובמקום שבהם היא נחוצה. קרינת שמש ורוח העומדות לרשותנו יכולות להפעיל את כל המכונות, המזגניםוהמחשבים בעולם - אך אספקת אנרגיה ממקורות אלה בהתאם לדרישה ולצרכים עדיין אינה מעשית, ואינה כדאית.

 

האם יש דרך לשמור את אנרגיית השמש ליום גשום? הפחם, למשל, הוא מקור לאנרגיה אצורה: אפשר לשרוף אותו בכל זמן שרוצים ולייצר קיטור, ומהקיטור להפיק חשמל. לעומת זאת, התאים הסולאריים ותחנות הרוח ממירים את אור השמש ואת הרוח ישירות לחשמל. תהליך זה אמנם שימושי להפעלת מכשירים ביתיים, אבל אי-אפשר לאגור ולנייד אותו.פתרונות רבים הוצעו לבעיה, אך מרביתם(כמו סוללות ענק, או הפיתרון המקובל ביותר - שאיבת כמויות גדולות של מים) הםמוגבלים, יקרים, או מסורבלים. אפשרות מבטיחה שבוחנים מדענים רבים היא המרת האנרגיה שנאספת מהשמש או מהרוח לסוג אנרגיה אחר, שאותו אפשר לאחסן, להוביל ולשרוף בזמן ובמקום הרצויים. בשנות ה-80 וה-90 של המאה ה-20 החלו מדעני מכון ויצמן למדע לחקור דרכים לשמירת אנרגיית שמש בתוך קשרים כימיים עתירי אנרגיה, תוך שהם משתמשים בקרני אור מרוכזות שנוצרו במגדל השמש במכון - שיטה המכונה צינור חום תרמו-כימי.

 

באחרונה פיתח פרופ' איגור לובומירסקי, מהמחלקה לחומרים ופני שטח שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע, חלופה ייחודית להמרת אנרגיית שמש לדלק. השיטה החדשה זולה יחסית, יעילה מאוד, ואינה מייצרת פסולת מסוכנת לסביבה. במקום לנצל פחם (שנוצר במשך מיליוני שנה ושריפתו גורמת לפליטת מזהמים), בשיטה החדשה של פרופ' לובומירסקי נוצר גז פחמן חד-חמצני(CO) - שאינו גורם לתהליכי איכול (קורוזיה), ואפשר לשרוף אותו ישירות בטורבינות אובגנרטורים - או להפוך אותו לדלק נוזלי. על אף העובדה שריכוזים גבוהים של הגזהזה רעילים, הפחמן החד-חמצני מצויבשימוש זה יותר מ-100 שנים כתוצר ביניים כימי; עשרות מיליוני טונות של הגז מיוצרים מדי שנה מפחם או מעץ, בתהליך תעשייתי מוכר היטב.

 

בשיטה שמציע פרופ' לובומירסקי מייצרים פחמן חד-חמצני מפחמן דו-חמצני(CO2) - במקום מעץ או מפחם - בתהליך כימי פשוט, יחסית, באמצעות מערכת הדומה לסוללה גדולה וחמה. בתוך תא מיוחד, מחומם חומר כימי (טיטניום) לחום של 900 מעלות צלזיוס, וזרם חשמל מוזרם דרכו. בתנאים אלה,הפחמן הדו-חמצני המוחדר באופן רציף לתא מתפרק לפחמן חד-חמצני ולחמצן.

 

"יתכן שאפשר יהיה לייצר פחמן חד-חמצני בצמוד לארובות של תחנות כוח,או כל מקור אחר לפחמן דו-חמצני מזהם" אומר פרופ' לובומירסקי, "כך שגזי החממה הנפלטים מהארובה יסולקו ויעברו מיחזור עוד לפני כניסתם לאטמוספירה. המתכת שבה אנו משתמשים היא טיטניום, חומר סטנדרטי, זול, ונגיש פי כמה מהמתכות היקרות, דוגמת פלטינה, בהן משתמשים בהתקנים דומים אחרים". יתרונות נוספים לשיטה החדשה כוללים יעילות תרמית של יותר מ-85% (לא כולל האנרגיה הדרושה לחימום המערכת( יעילות גבוהה הרבה יותר משל מערכות אחרות להמרת אנרגיה, והקלות בה אפשר להוביל את הגז ולשרוף אותו. פרופ' לובומירסקי: "בעתיד, ייתכן שישתמשו בשיטה הזאת כדי לקלוט אנרגיית שמש או רוחבמקומות בהם הם מצויים בשפע, להמיר אותה לפחמן חד-חמצני שיאוחסן או יומר לדלק נוזלי כמו מתנול. המחקר הזה הוא כולו תוצר של היוזמה למחקר אנרגיה חלופית במכון ויצמן למדע(AERI). יוזמה זו מאפשרת למכון לתמוך במספר מחקרים חשוביםבתחום".

 

חברת "ידע מחקר ופיתוח", המקדמת פיתוח יישומים על-בסיס המצאותיהם של מדעני מכון ויצמן למדע, הגישה בקשה לרישום פטנט על התהליך. רישיונות הפיתוח הוענקו לחברתCampus-Tech מקבוצתClal Industries and Investments, ולקבוצתArte Venture. ניסויים ראשוניים מתוכננים לעתיד הקרוב.

 

האם אפשר להקפיא מים באמצעות חימום? מדעני מכון ויצמן גילו באחרונה, כי מים יכולים להפוך מנוזל למוצק בטמפרטורות שונות, בהתאם למטעןהחשמלי של המשטח עליו הם מונחים. באמצעות יצירת תנאים הגורמים להפיכת המטען החשמלי, גרמו המדענים להיווצרות קרח בזמן שהמשטח דווקא התחמם. ממצאים אלה פורסמו באחרונה בכתב-העת המדעי.Science 

 

פרופ' איגור לובומירסקי, תלמיד המחקר (אז) דוד אהרה, תלמיד המחקר איתי לברט-אופיר, ופרופ' מאיר להב מהמחלקה לחקר חומרים ופני שטח במכון ויצמן למדע, ביססו את הניסוי שלהם על השערה ותיקה, הטוענת שמטען חשמלי מסוגל לעודד הקפאה בכך שהוא גורם למולקולות המים להסתדר בשורה "עורפית" בהתאם למטענן. עם זאת, חוקרים התקשו עד כה למצוא דרך טובה לבדוק את ההשערה, מכיוון שרוב החומרים הנושאים מטען - בעיקר מתכות - משמשים גם כמוקדים (גרעינים) לייצור גבישי קרח: כשמים קופאים בטמפרטורה של אפס מעלות צלזיוס, גבישי הקרחמתחילים להתגבש מסביב לחלקיקי אבקאו לזיהומים אחרים. אבל מים במצב "קירור-על", כמו אלה שנמצאים בעננים גבוהים, עשויים להישאר במצב נוזלי גםבטמפרטורה נמוכה בהרבה מנקודת הקיפאון, כל עוד אין גורם שיזרז את גיבושם.

 

המדענים מצאו דרך לפתור את הבעיה. הם הזליפו מים על משטח מיוחד עשוי מגבישים פירו-אלקטריים שנושאים מטען כשהם עוברים חימום או קירור, אבל אינם משמשים גרעינים ליצירת גבישי קרח. להפתעתם, הם גילו כי בעוד שעל משטח בעל מטען חיובי המים קופאים בטמפרטורה של שבע מעלות צלזיוס מתחת לאפס, ועל משטח לא טעון בטמפרטורה של 12.5מעלות צלזיוס מתחת לאפס, הרי שעל משטח בעל מטען שלילי, המים הופכים לקרח רק בטמפרטורה נמוכה הרבה יותר: 18 מעלות צלזיוס מתחת לאפס. לכן, כאשר הניחו החוקרים מים על משטח טעון שלילית שהטמפרטורה שלו היא 11 מעלות צלזיוס מתחת לאפס, והפכו את המטען לחיובי תוך כדי חימום הטמפרטורה לשמונה מעלות מתחת לאפס, קפאו המים ויצרו קרח (כאמור, על משטח בעל מטען חיובי המים קופאים בטמפרטורה של שבע מעלות צלזיוס מתחת לאפס(.

 

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.