זה התחיל בתוצאות ניסויים מוזרות מאוד, נמשך בתיאוריה פיסיקלית חדשה על התנהגות פוטונים, ובעתיד עשוי לשפר את מסכי הסמארטפונים שלנו ולאפשר תקשורת נתונים מהירה יותר
מסכי OLED חוללו מהפכה בתחום האלקטרוניקה הביתית. צגים שקופים, דקים, גמישים וחסכוניים אלה, המאפיינים בין היתר טלפונים חכמים, עדיפים בכמה היבטים על מסכי LCD או פלסמה. עם זאת, אף שהם נחשבים לחסכוניים יותר בחשמל, הם עדיין בזבזניים למדי: כמחצית מהאור שהם מפיקים יורדת לטמיון בשל מגבלה שנחשבה עד כה לנובעת מהמאפיינים הפיסיקליים של האור, ולכן בלתי-נמנעת. מחקר חדש, בהובלת מדעני מכון ויצמן למדע, עשוי לשנות את התמונה בכל המובנים. שיטה חדשה, שפיתחו פרופ’ בינגהיי יאן מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה ועמיתיו למחקר, מאפשרת לשלוט בתכונה חשובה של האור וכך להכפיל את בהירותם של מסכי OLED או, לחלופין, לשפר מאוד את יעילותם האנרגטית. יתרה מכך, השיטה החדשה עשויה לאפשר תקשורת נתונים מהירה יותר.
כדי להבין את בזבוז האור המתרחש גם במסכים המתקדמים ביותר בשוק, יש להתעכב תחילה על תופעת טבע בסיסית המכונה “כיראליות”. בביולוגיה ובכימיה, כיראליות מתייחסת למולקולות שהן תמונת ראי האחת של השנייה, כלומר הן זהות מבחינה כימית, אך נבדלות במבנה המרחבי שלהן ולא ניתן להציבן כך שיחפפו זו את זו – ממש כמו כף יד ימין וכף יד שמאל שלנו (המושג כיראליות מקורו במלה היוונית שמשמעה “יד”). שתי מולקולות זהות אך כיראליות עשויות לפעול בדרכים שונות לחלוטין. לדוגמה, המולקולה אספרטיים ידועה כממתיק, ואילו תאומתה הכיראלית אינה ממתיקה כלל. בתעשיית התרופות ישנן מולקולות כיראליות, שרק גרסה אחת שלהן מרפאת, בעוד הגרסה השנייה במקרה הטוב אינה מועילה, ולעתים אף מזיקה. בפיסיקה, לעומת זאת, כיראליות מתייחסת לסיבוב של חלקיקים ביחס לציר תנועתם. כלומר, כשפוטונים או אלקטרונים מתקדמים בחלל, הם גם מסתובבים סביב צירם. כשהסיבוב הוא עם כיוון תנועתם, כמו קליע אקדח, הכיראליות של החלקיקים ימנית; כאשר הוא בכיוון ההפוך, הכיראליות שלהם שמאלית.
באופן מעניין, סוגי הכיראליות השונים – הפיסיקלית והביוכימית – מתכתבים זה עם זה: למשל, ידוע כיום כי הכיראליות הגיאומטרית של מולקולות אורגניות קובעת גם את הכיראליות של חלקיקים העוברים דרכן.
ומה עניין כיראליות לסמארטפונים? ובכן, מסכי OLED מצופים בשכבה חיצונית שקופה העשויה מחומר כיראלי אשר מסנן חלקיקי אור (פוטונים) לפי הכיראליות שלהם. הסינון הזה נחוץ כדי לנטרל אור סביבתי, הכולל פוטונים בעלי כיראליות ימנית ושמאלית גם יחד, ולכן עלול להוריד את הניגודיות של המסך ולהקשות עוד יותר את הצפייה בו באור יום. השכבה המסננת הזאת חיונית אמנם לתפעול מערכות תצוגה באור – נסו לנווט בעזרת הטלפון החכם שלכם בצהרי היום בלעדיה – אבל היא בזבזנית, שכן הכיראליות של כמחצית מהפוטונים שמפיק המכשיר אינה תואמת את זו של השכבה החיצונית ולכן הם אינם מגיעים אלינו.
“”גילינו אחדוּת מעניינת בין היבטים שונים של כיראליות, שלכאורה מנותקים זה מזה: הגיאומטריה המבנית של חומר, הכיראליות של זרם אלקטרונים, וכעת גם הכיראליות של האור”
במחקר החדש, פרופ’ יאן וצוותו מציגים שיטה יעילה לשליטה בכיראליות של פוטונים בעזרת שליטה בזרם אלקטרונים – דבר שנחשב עד כה לבלתי-אפשרי. הדרך להשיג זאת היא באמצעות רכיבי OLED הפולטים אור בשני כיוונים מנוגדים בו-בזמן: קדימה, אל משתמש הקצה, ואחורה, אל משטח המצופה בפולימר כיראלי שהותקן בגבם של הצגים. כך חצי מהאור המופק יעבור את השכבה החיצונית ללא הפרעה, כפי שקורה כיום, אבל שאר האור לא יבוזבז: הוא יפגע בשכבה שבגב הצג והיא תהפוך את הכיראליות שלו ותאפשר לו להגיע אלינו. אבל כיצד מהפך הפולימר בגב המכשיר את הכיראליות של הפוטונים?
ממצאים משונים – ובלתי-נמנעים
ובכן, היכולת להפך את הכיראליות של הפוטונים ראשיתה בתוצאות ניסוייות מוזרות ביותר של ד”ר לי ואן, אז חוקר בתר-דוקטוריאלי באוניברסיטת לינקופינג בשוודיה. “הממצאים האלה סתרו את כל מה שהיה ידוע בתחום”, נזכר פרופ’ יאן. “מדענים אחרים התקשו להאמין לתוצאות. הם אמרו שבוודאי משהו השתבש בניסויים”.
בניגוד למה שהיה ידוע בזמנו, ד”ר ואן והמנחה שלו דאז, פרופ’ אלסדיר קמפבל, הראו שביכולתם להפוך את הכיראליות של זרם אלקטרונים באמצעות היפוך הקוטביות של סוללה המייצרת זרם חשמלי. פרופ’ קמפבל היה משוכנע שהם גילו משהו חשוב, אבל הוא מת ב-2021, מבלי שנמצא הסבר תיאורטי לתוצאות הניסוייות המשונות. לאחר מותו, יצר ד”ר ואן קשר עם פרופ’ יאן, לאחר שצפה בהרצאה ברשת, שבה מסביר פרופ’ יאן באמצעות פיסיקה קוונטית כיצד קובעת כיראליות של חומר את הכיראליות של זרם אלקטרונים.
בעקבות פנייתו של ד”ר ואן, החל פרופ’ יאן לנתח את הממצאים הניסויים המשונים עם עוד שני מדענים: ד”ר יז’ו ליו מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ופרופ’ מתיו ג’ פוכטר מאימפריאל קולג’ לונדון. הודות לממצאים אלה, הרחיב פרופ’ יאן את התיאוריה שלו על כיראליות והראה כיצד מדובר בתוצאות בלתי-נמנעות של התיאוריה שהוא עצמו פיתח. גילויים חדשים אלה סללו בפני המדענים את הדרך לשליטה בכיראליות של האור הנפלט מזרם אלקטרונים: כל שהיה עליהם לעשות הוא להשתמש בפולימר כיראלי המאפשר שליטה בכיראליות של זרם האלקטרונים וכתוצאה מכך גם בזו של זרם הפוטונים.
“גילינו אחדוּת מעניינת בין היבטים שונים של כיראליות, שלכאורה מנותקים זה מזה: הגיאומטריה המבנית של חומר, הכיראליות של זרם אלקטרונים, וכעת גם הכיראליות של האור”, מסכם פרופ’ יאן את המחקר החדש.
מעבר לייצור של מסכים יעילים יותר, ממצאי המחקר יכולים לשפר דרמטית את תחום העברת הנתונים הדיגיטליים באמצעות יצירה של מתגים אופטיים שיעבדו במהירות הרבה יותר גבוהה ממתגים מכניים. בנוסף, תוצאות המחקר מצביעות על הצורך לעדכן את ספרי הלימוד בכל הנוגע לכיראליות.
לעובדה שפרופ’ יאן הגיע לתגליות האלה דווקא במכון ויצמן יש משמעות אישית בעבורו. פרופ’ יאן נולד בסין והגיע לישראל לאחר שהות בארצות-הברית ובגרמניה כחוקר בתר-דוקטוריאלי. בהשראת מחקר מ-2011 של פרופ’ רון נעמן מהמכון, החל פרופ’ יאן להעמיק ביחסי הגומלין בין סוגים שונים של כיראליות. ב-2017, לאחר שכבר הצטרף לסגל המכון ועבר לישראל עם אשתו ושני ילדיו, נפל לו האסימון, וכעת הוא קולגה של פרופ’ נעמן – מי שהצית את עניינו בכיראליות מלכתחילה. “זו סגירת מעגל בעבורי”, אמר פרופ’ יאן, “ויש לזה גם ערך מוסף: אני יכול, מעת לעת, לקפוץ לרון ולשתות קפה ביחד תוך כדי שיחה על כיראליות”.
עוד בנושא באתר הידען:
