ידענים: מערכת העצבים

מאת 13 במאי 2014 אין תגובות

מדעני המכון הצליחו למזג שני פוטונים בעלי אנרגיה נמוכה לחלקיק אחד בעל אנרגיה גבוהה

מימין: ד"ר אוסיפ שוורץ, ד"ר צביקה דויטש, פרופ' דן אורון, בן לשם וליאור נאמן. חלקיקי אור

מימין: ד"ר אוסיפ שוורץ, ד"ר צביקה דויטש, פרופ' דן אורון, בן לשם וליאור נאמן. חלקיקי אור

אור השמש יכול לספק את כל צורכי האנרגיה של האנושות, אך אנרגיה סולארית עדיין מהווה חלק זעום מכלל שוק האנרגיה העולמי. מכשול משמעותי אחד בתחום זה הוא חוסר היעילות. למשל, כאשר תאים סולאריים ממירים את אור השמש לחשמל, מרבית האנרגיה הולכת לאיבוד: בערך רבע מהאנרגיה מתבזבזת מפני שהתאים יכולים לקלוט חלקיקי אור, הקרויים פוטונים, רק מעל סף מסוים של אנרגיה. כל הפוטונים שהם בעלי אנרגיה נמוכה מתבזבזים, דבר המפחית את יעילות התא ומעלה את עלות הפקת האנרגיה.

פתרון אפשרי אחד הוא להפוך שני פוטונים בעלי אנרגיה נמוכה לחלקיק אחד בעל אנרגיה גבוהה, אשר ייקלט על-ידי התא הסולארי, אך תהליך זה מהווה אתגר עצום. בדיוק כפי שקל יותר לשבור אגרטל לחתיכות מאשר לחבר אותו בחזרה, כך גם קל יותר לפרק חלקיק מאשר למזג שני חלקיקים לחלקיק אחד. קשה במיוחד לקבל כתוצאה מתהליך זה פוטונים בעלי צבע מסוים, כלומר, בעלי רמת אנרגיה מסוימת. כעת פיתחו מדעני מכון ויצמן שיטה חדשנית כדי להתגבר על הקושי. את המחקר, אשר התפרסם בכתב-העת Nature Nanotechnology, ביצעו פרופ' דן אורון ותלמידי המחקר צביקה דויטש וליאור נאמן, מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות.

ננו-גבישים אשר הופכים שני פוטונים בעלי אנרגיה נמוכה לפוטון אחד בעל אנרגיה גבוהה, תחת מיקרוסקופ אלקטרונים

ננו-גבישים אשר הופכים שני פוטונים בעלי אנרגיה נמוכה לפוטון אחד בעל אנרגיה גבוהה, תחת מיקרוסקופ אלקטרונים

בעזרת תהליכים כימיים המבוססים על תמיסות בנו המדענים ננו-גבישים בצורת מקלונים שאורכם כ-50 ננומטר (מיליארדית המטר). לשם המחשה, בשטח שתופסת הנקודה בסוף משפט זה ניתן להכניס כמיליארד גבישים כאלה. בקצה אחד של הננו-מקלון מצוי אלקטרון הקולט פוטונים בזה אחר זה. בשלב הראשון מעורר האלקטרון על-ידי פוטון אחד, ולאחר מכן הוא נדחף לרמת אנרגיה גבוהה יותר על-ידי הפוטון הבא. כך הוא הופך לאלקטרון בעל אנרגיה גבוהה, שמועבר לקצה השני של המקלון, שם הוא פולט פוטון בעל אנרגיה גבוהה יותר מזו של כל אחד מהפוטונים שנקלטו.

בשיטה זו הצליחו המדענים להפוך שני פוטונים אדומים, בעלי אנרגיה נמוכה יחסית, לפוטון אחד ירוק בעל אנרגיה גבוהה יותר. למעשה, ניתן לכוון את המערכת כמעט לכל צבע: היא מאפשרת גמישות רבה, מפני שאפשר לשלוט בתכונות הננו-מקלונים באמצעות שינוי קוטרם.

כדי לעזור לננו-גבישים לעבור מהמעבדה לתעשייה מנסים כעת המדענים להגביר את יעילות המערכת, ולהגיע לשליטה טובה יותר בצבעי הפוטונים. בעתיד, ניתן יהיה אולי להשתמש בגבישים מסוג זה בשילוב עם חומרים נפוצים יותר, כגון סיליקון, החומר ממנו עשויים רוב תאים הסולאריים המסחריים. סיליקון אינו קולט פוטונים מרמת האינפרא-אדום ומטה, וייתכן כי אפשר יהיה לתפוס את הפוטונים האלה בעזרת הננו-גבישים.

מיקוד בזמן
כשמדובר בחקר המוח, למושג "הארה" עשויים להיות כמה מובנים. מחקרים אשר שופכים אור חדש על פעילות המוח אפשר לבצע באמצעות "שיטות מאירות" – כאלה הכרוכות בעירור תאי העצב במוח, הנוירונים, באמצעות קרן אור. למשל, ניתן לכוון קרן אור על נוירונים בודדים כדי לברר עם אילו נוירונים נוספים הם מתקשרים. בסופו של דבר, יכולים המדענים לגלות בדרך זו רשתות שלמות של נוירונים האחראים לכל תיפקודינו, החל מזיכרונות ומרגשות וכלה בתנועות ובהתנהגויות.

אמנם, אפשר לחקור רשתות אלה באמצעות אלקטרודות, אך קרן אור היא פחות פולשנית, וקל יותר להזיז אותה ממקום למקום. הבעיה היחידה היא, שכאשר מכוונים את הקרן לאיזור עמוק בתוך המוח, היא מאירה את האיזור כולו, ולא רק את נוירון המטרה.

תאי עצב תחת מיקרוסקופ דו-פוטוני. משמאל: שימוש בקרן לייזר ממוקדת. במרכז: שימוש בשיטת המיקוד בזמן. מימין: ללא מיקוד בזמן

תאי עצב תחת מיקרוסקופ דו-פוטוני. משמאל: שימוש בקרן לייזר ממוקדת. במרכז: שימוש בשיטת המיקוד בזמן. מימין: ללא מיקוד בזמן

במחקר אשר בוצע בשיתוף עם מדענים מצרפת מצאו פרופ' דן אורון וחברי קבוצתו פתרון לבעיה זו. כפי שדווח בכתב-העת Nature Photonics, הם הצליחו לעורר נוירונים עמוק בתוך רקמת המוח – שכבה של מוח עכבר שעוביה עולה על 200 מיקרון – באמצעות דחפים (פולסים) קצרים של לייזר. קבוצתו של פרופ' אורון כללה את תלמיד המחקר בן לשם ואת החוקר הבתר-דוקטוריאלי ד"ר אוסיפ שוורץ מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות. הם שיתפו פעולה עם קבוצתה של ד"ר ולנטינה אמיליאני מאוניברסיטת פריס דקארט – ד"ר אייריני פפאגיאקומו ואורליאן בגה – ועם עמיתיה, ד"ר ברנדון סטל וד"ר ג'ונתן ברדלי.

המחקר התבסס על שיטה הקרויה "מיקוד בזמן" (temporal focusing), שפותחה בעבר במכון ויצמן למדע. כפי שניתן ללמוד משמה, מדובר בשליטה במיקוד בזמן של קרן הלייזר, ולא במיקוד מרחבי. בשיטה זו מאירים את הדוגמית בפולסים ארוכים של אור, אשר מתקצרים כאשר מגיעה הקרן לשכבה הרצויה, בה היא גורמת להארה הרצויה. כתוצאה מכך מעורר רק נוירון המטרה, אשר הונדס גנטית כדי להגיב לפולסים קצרים, אך לא לפולסים ארוכים. יתר על כן, בשיטה זו מואר הנוירון בצורה אחידה, וגבולותיו מוגדרים באופן חד. החדות מתאפשרת מפני שהמיקוד בזמן מקטין באופן דרמטי את פיזור האור בתוך רקמת המוח. חלק מהפוטונים אמנם מתפזרים, אך הם אינם מפריעים לעירור מפני שאינם מגיעים לרקמת המוח בזמן ה"נכון", כלומר, בזמן הארת נוירון המטרה. השיטה מאפשרת דיוק יוצא דופן בזכות אורכם הקצר של הפולסים, הנמשכים כמאה פמטו-שניות בלבד (כל פמטו-שניה היא מיליונית מיליארדית השניה).

בעזרת שיטה זו אפשר יהיה לחקור רשתות נוירונים על-ידי עירור נוירונים בודדים באמצעות פולסי לייזר קצרים.

הוספת תגובה

  • (will not be published)