סיחרור מהיר

לעצמים מסתובבים יש תכונה הנקראת תנע זוויתי, אשר מודדת את נטייתם להמשיך להסתובב.

מספר סביבונים שמסתובבים בסמיכות מקום יתנגשו זה בזה תוך זמן קצר ויפסיקו להסתובב. אבל לפי חוקי הפיסיקה, אם סביבונים רבים מסתובבים יחד, באותו האופן בדיוק, ובמהירות גבוהה ביותר, תתרחש, בשלב הראשון, תופעה אחרת: הם עשויים להיכנס לתנועה סיבובית משותפת ואחידה סביב נקודה מרכזית. הניסיון לחולל את התופעה הזאת באמצעות סביבונים אינו מעשי, אולם מחקר של מדענים ממכון ויצמן למדע מראה כי אפשר לעשות זאת כאשר את מקום הסביבונים ממלאות מולקולות גז. לזרם סיבובי שכזה של מולקולות – מעין מערבולת של גז – עשויים להיות מספר יישומים בביו-רפואה ובמדעי הננו.

לעצמים מסתובבים יש תכונההנקראת תנע זוויתי, אשר מודדת את נטייתם להמשיך להסתובב. לפני מספר שנים הציעו פרופ’ איליה אברבוך ופרופ’ יחיעם פריאור, וחברי קבוצותיהם מהמחלקה לפיסיקה כימית שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע, כי אפשר להשפיע על התנע הזוויתי של מולקולות באמצעות דחפים (פולסים) קצרים ביותר של קרני לייזר. במעבדתו של פרופ’ פריאור משתמשים בלייזרים ה”יורים” דחפים שאורכם אינו עולה על 50 פמטו-שניות (פמטו שנייה היא מיליונית מיליארדית השניה). דחפי לייזר קצרים אלה גורמים לקבוצות של מולקולות להסתובב בכיוון אחד.

תלמיד המחקר אורי שטייניץ, מקבוצתו של פרופ’ אברבוך, ביקש לדעת מה קורה לאחר מכן, כשהתנועה הסיבובית נמשכת: האם המולקולות מתנגשות זו בזו, כמו סביבונים, ואם כן, כיצד זה משפיע על הסיבוב שלהן? חוקי הפיסיקה קובעים, כי התנע הזוויתי נשמר תמיד במערכת. כאשר מולקולות המסתובבות מתנגשות זו בזו, מהירות הסיבוב שלהן קטנה, וציר הסיבוב נעשה אקראי. ובכל זאת, התנע הזוויתי הכולל של כולן אמור להישמר. השאלה היא: היכן בדיוק?

כדי לגלות את התשובה לכך, השתמשו המדענים במערכת של גז דחוס, שבה כל המולקולות מסתובבות בכיוון אחד, וחישבו מה קורה כאשר המולקולות חוזרות ומתנגשות זו בזו.

כך התברר, שלאחר מספר מסוים של התנגשויות, התנע הזוויתי של מולקולות בודדות “הלך לאיבוד”, אולם הוא “הופיע מחדש” במערכת, בקנה-מידה גדול יותר: מולקולות הגז שבמערכת החלו להסתובב ביחד במערבולת סביב נקודה מרכזית. גודלה של המערבולת עשוי לעלות פי מיליון על זה של מולקולה בודדת, והקצב שלה עשוי להגיע, באופן תיאורטי, לעשרות ואף למאות אלפי סיבובים בשנייה. בעוד שהתנע הזוויתי הלך והתפוגג בתוך המערכת, הרי שדחפים חוזרים של קרני לייזר הצליחו לשמור את תנועת הערבול של הגז.

ממצאים אלה ממחישים עיקרון שנצפה, בדרך כלל, במערכות גדולות הרבה יותר: סערות עזות, כמו לדוגמה ציקלונים, המתחילות כסדרה של מערבולות קטנות, מתנגשות זו בזו, ומצטברות לכדי מערבולת גדולה ואחידה.

מערבולות מולקולריות עשויות להיות שימושיות כאמצעי לשליטה בחלקיקים שונים. כאשר מערבולת מסתובבת, התנע שלה מושך מולקולות סמוכות אל תוך הנתיב שלה. אפשר אולי להשתמש בתכונה זו כבמכשיר להזזת חלקיקים קטנים (כמו למשל מולקולות ביולוגיות, שהזזה ישירה שלהן באמצעות קרן לייזר עשויה להזיק להן), מבלי לגעת בהן באופן ישיר. בנוסף לכך, בעתיד ייתכן שאפשר יהיה להפעיל התקנים מיקרו-נוזליים, המשמשים במחקר הביו-רפואי ובתעשיית התרופות.