יוצאים לגיבושון

מה משותף לתרופה שפועלת היטב על גופנו, לשיפור איכות מסך המחשב או הסמארטפון שלנו ואפילו לשימוש בתכונות ייחודיות של בעלי חיים לצורך שדרוג הננו-טכנולוגיה הקיימת? התשובה: הבנת תהליכי ההתגבשות של מבנים גבישיים. הננו-גבישים הם תצורה מיקרוסקופית של חלקיקים (מתכות, מלחים, יסודות אקזוטיים או חומרים אורגניים), שנוטים להתארגן במבנים גאומטריים סדורים כגון קוביות, מוטות, כדורים ועוד. מחקר חדש בהובלת חוקרים מאוניברסיטת תל אביב הוכיח לראשונה כי קיים אפקט איזוטופי בהיווצרות ננו-גבישים שמשמעותו שינוי במסה של האטומים בתגובה כימית בלי לשנות את אופיים הכימי. החוקרים הצליחו לצפות בתופעה בננו-גבישים שמכילים זרחן ויסודות ממשפחת הלנתנידים, וטוענים כי ממצא זה יכול להוות בסיס למחקר למערכות גבישים נוספות.

הסוד להבנת היווצרות החיים

את המחקר הובילו פרופ' גיל מרקוביץ' והדוקטורנטית גל שורץ מבית הספר לכימיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר. קבוצתו של פרופ' מרקוביץ' חוקרת תופעות פיזיקליות וכימיות ייחודיות בסקאלה הננומטרית, הן כמדע בסיסי והן כצעד בדרך לשדרוג התקנים טכנולוגיים שונים. כמו כן, לקחו חלק במחקר פרופ' אמיר גולדבורט וד"ר אורי חננאל מאוניברסיטת תל אביב, וד"ר ליאת אברהם מהמחלקה לתשתיות מחקר כימי במכון ויצמן למדע. המאמר פורסם בכתב העת היוקרתי Journal of American Chemical Society (JACS).

"בעולם הגבישים יש המון צורות סימטריה שונות שלפיהן האטומים מסתדרים בגביש. בקוורץ למשל, שהוא המרכיב העיקרי בחול ומכיל אטומים של סיליקון וחמצן, יש לאטומים סידור סלילי. סליל כזה יכול להסתובב עם או נגד כיוון השעון, ואלו בעצם שתי סימטריות הפוכות שמהוות תמונת מראה אחת של השנייה. לכן, בחול שאנחנו מכירים יש שתי אוכלוסיות של גבישוני קוורץ: 50% עם אטומים מסודרים בסלילים ימניים ו-50% עם סלילים שמאליים (עם/נגד כיוון השעון). היחס 50:50 הוא בגלל שבדרך כלל אין העדפה לכיוון מסוים. אנחנו חוקרים יצירה של גבישים אחרים עם אותו סוג סימטריה ומשפיעים על היחס בין ימניים ושמאליים. כלומר, גורמים לסוג של שבירת הסימטריה בהיווצרות שלהם בכל מיני אופנים", מסביר פרופ' מרקוביץ'.

"לשאלות מדעיות בסיסיות כאלו של שבירת סימטריה בתהליכים כימיים (כולל גיבוש), יש קשר גם להבנת היווצרות החיים על כדור הארץ. מולקולות החיים השונות, למשל DNA, חלבונים סוכרים ועוד, גם הן מלוות בשבירת סימטריה. לכן העניין הכללי של עולם המחקר בנושא יצירת גבישים משפיע על תחומים רבים בחיינו, החל מייצור חומרי תרופות, מכיוון שהצורה שבה הגוף שלנו מקבל את חומרי התרופה חשוב מאוד להתנהגות שלה עם הכניסה לגוף. לכן, חלק ניכר מהעבודה בתעשיית התרופות עוסק בפורמולציה, הדאגה לצורה שבה הן יוכנסו לגוף, וזה נעשה למשל באמצעות גיבוש המולקולות לגבישים קטנים בעלי גודל ומבנה גבישי מסוימים", הוא מרחיב.

"ישנו גם נושא הביו-מינרליזציה: בעלי חיים רבים מייצרים בתוך גופם מבנים גבישיים מורכבים כמו שלד, שריון וכדומה. הבנת תהליכי ההתגבשות שלהם יכולים לתרום הרבה להבנה הביולוגית של בעלי החיים וגם איך להעתיק מהטבע יכולות יצירת חומרים עם תכונות מיוחדות, כדוגמת חוזק, גמישות ועוד" פרופ' מרקוביץ' מספק דוגמה נוספת.

^{ננו-גבישים מהמחקר כפי שצולמו בעדשת המיקרוסקופ האלקטרוני במעבדתו של פרופ' מרקוביץ'}

בדרך להתגבשות בודקים את השפעת הממס הכימי

במחקרם החדש ניסו פרופ' מרקוביץ' ותלמידתו להתחקות אחר ההשפעה של סוג הממס שבו מתפתחים הננו-גבישים, על קצב הגידול שלהם, ולשם כך השוו בין מים רגילים לבין מים כבדים, שבהם המימן מוחלף באיזוטופ בשם דאוטריום.

"כאשר מכניסים את מרכיבי הגביש הנחקר לתוך סביבה מימית חומצית, הם מתגבשים לננו-מוטות. בניסוי עקבנו אחר הופעת פליטת אור מהננו-גבישים לאחר הקרנתם באור אולטרה-סגול, תופעה שמתרחשת רק כאשר הגבישים מתחילים להיווצר. החידוש שהראינו הוא כי סוג הממס אכן משפיע על תהליך הגידול של הגבישים. השווינו בין ממס מסוג מים כבדים לבין מים רגילים, והבחנו כי במים כבדים תהליך ההתגבשות אורך זמן ארוך בהרבה לעומת מים רגילים. השלב הבא היה לפענח את המנגנון הקינטי שעומד בבסיס האפקט האיזוטופי הזה", מסביר פרופ' מרקוביץ'.

תופעות מסוג זה, מסבירים החוקרים, מסייעות להבין טוב יותר את התהליכים הראשוניים אשר גורמים להיווצרות הגבישים בתמיסה. במחקרם זה, כמו גם במחקרים רבים בתחום הננו, עשו החוקרים שימוש בטכניקות ספקטרוסקופיות מתקדמות לצורך הבנה מעמיקה של התופעה.

"בניסיון להמשיך ולפענח את מנגנון הגידול של הגבישים, השתמשנו במדידות תהודה מגנטית גרעינית (השיטה שעומדת בבסיס ה-MRI), של אטומי הזרחן, וזאת על מנת לעקוב אחר השלב המקדים להיווצרות גרעיני הגיבוש. לקחנו דגימות משלבים שונים של הגידול ועצרנו את התגובה. כך מצאנו כי בטרם היווצרות גרעיני הגבישים הראשוניים, נוצרים צברים לא מסודרים של אבני הבניין של הגביש, ובהגיעם לגודל קריטי מסוים הם הופכים בבת אחת לגרעין הראשוני אשר ממנו ימשיך הגביש לגדול. מרתק לראות כי הבדל קטן ברכיב טריוויאלי לכאורה, הממס הכימי, משפיע בצורה כל כך דרמטית על הדינמיקה הכימית שעוברים החלקיקים בדרך להתגבשות", אומרת הדוקטורנטית גל שורץ.

כיום, מרבית המכשירים האלקטרונים המוכרים לנו עושים שימוש בננוטכנולוגיה, החל ממסכי טלוויזיה, דרך סמארטפונים ועד למעבדים במחשב. לדברי החוקרים, היכולת להתקדם הלאה בכל הקשור למזעור הרכיבים האלקטרוניים, לשיפור ההולכה שלהם וכנגזר מכך לשדרוג חוויית המשתמש - מבוססת על הבנה כימית ועל מדע בסיסי מסוג זה. לדברי החוקרים, התוצאה המיידית של מחקר זה ודומים לו היא הבנה טובה יותר של תהליכי גיבוש, במעבדה ובטבע, ובאופן עקיף תיתכן גם השפעה על חומרים טכנולוגיים, שגם הם במקרים רבים מורכבים מגבישים.

"זוהי תגלית חשובה לעולם הכימיה ומדע החומרים. למדנו עוד שיעור בהבנת תהליכי ההיווצרות של גבישים, נושא אשר נחקר לאורך עשרות ומאות בשנים, ואני מקווה כי המחקר שלנו ישפוך אור על תחומים שונים, מגאולוגיה ומינרלוגיה ועד ננוטכנולוגיה והנדסת חומרה", מסכם פרופ' מרקוביץ'.

^{פרופ' גיל מרקוביץ'}