בין התעוררות להתפרקות

כימיה היא עסק מסורבל. תגובות כימיות מורכבות כוללות בדרך כלל שלבים רבים, ומייצרות לעיתים קרובות פסולת רעילה.

כימיה היא עסק מסורבל. תגובות כימיות מורכבות כוללות בדרך כלל שלבים רבים, ומייצרות לעיתים קרובות פסולת רעילה. כדי להפיק חומר מסוים מחומרים אחרים, יש צורך, בדרך כלל, לערבב את חומרי המוצא, לספק אנרגיה, להוסיף זרזים. הרבה עבודה. לא פלא שלכימאים יש חלום: הם מקווים לבצע יום אחד תגובות כימיות באמצעות קרן לייזר, שתכוון למולקולה מסוימת ותגרום לשבירת קשרים כימיים מסוימים בה, באופן בררני. קל, חד, חלק ופשוט.

אמנם, לאכזבתם של אלכימאים ואנשים אחרים, שיטה זו לא תצלח להפיכת עופרת לזהב (לשם כך יש צורך לשנות את גרעיני האטומים, דבר שאי-אפשר לעשות באמצעות קרן לייזר), אבל היא עשויה להציע יתרונות לא מבוטלים בתחום הגברת היעילות של תגובות כימיות שונות, ובביצוען בדרכים נקיות וזולות. למשל, כיום מייצרים תרופות שונות בתהליכים כימיים אורגניים מורכבים הכוללים עשרות תמורות. באמצעות לייזר ייתכן שאפשר יהיה לייצר בעתיד אותן תרופות בתהליכים פשוטים ויעילים בהרבה.

פרופ’ דויד טנור, מהמחלקה לפיסיקה כימית שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע, סבור, שהשיטה עשויה להיכנס בעתיד לשימוש תעשייתי. האופטימיות שלו נובעת מהקצב המהיר של המחקר במעבדות מובילות בעולם, ובהן גם מעבדתו במכון ויצמן. באחרונה הצליחו פרופ’ טנור ותלמיד המחקר דויד אבישר, בעבודתם התיאורטית, לפתח דרך שיטתית לשיחזור השינויים הגיאומטריים המתחוללים במולקולה אחרי שהיא עוברת למצב “מעורר”, כתוצאה מחשיפה לקרינה. במצב זה פולטות המולקולות אור בעיתוי מסוים ובאורך גל מסוים. במאמר שפירסמו בכתב-העת המדעי Physical Review Letters מתארים המדענים כיצד ניתחו את האור הנפלט, ושיחזרו באמצעות נתוניו את התהליכים שהתחוללו במולקולה בזמן ההתעוררות.

כאשר מולקולות מתעוררות, מתחוללים בהן שינויים רבים: לפעמים הן נמתחות או מתפתלות, וחלק מהקשרים הכימיים עשויים להישבר. השיחזור שנעשה במכון ויצמן, הבנוי משורה של תמורות מתמטיות, מגלה את הרצף המדויק של האירועים שהתחוללו במולקולת ליתיום הבנויה משני אטומים, החל מהזמן שהיא מתעוררת ועד שהיא מתפרקת. כעת מתכננים המדענים לבצע שיחזור דומה עם מולקולות גדולות יותר, הבנויות משלושה אטומים ויותר.

שיחזורים מסוג זה מספקים מידע חיוני על השינויים שגורם האור במבנה המולקולה. מידע כזה יכול להצביע על הדרך לשינוי הקשרים האלה לפי הצורך. למשל, אם נדע אילו קשרים נחלשים או נשברים כתוצאה מהתעוררות, אפשר יהיה להפוך את תהליך השבירה ליעיל ובררני יותר באמצעות הבזקי לייזר. התובנות החדשות שהושגו במחקר זה עשויות לקדם גם את חקר החומר באטמוספירה ובסטרטוספירה, בהן נמצאות מולקולות מעוררות רבות כתוצאה מחשיפה לאור השמש.

זהירות, מלכודת

יעילות היא אחד המכשולים המרכזיים בפני בקרת תגובות כימיות באמצעות לייזר. אם נניח שהבקרה היא ביעילות של 50% בלבד – כלומר, רק חצי מהתוצר של התגובה הוא התוצר המבוקש – השימוש בשיטה יהיה מוגבל. המטרה היא להגיע ליעילות אופטימלית, הקרובה ככל האפשר ל-100%.

עד עכשיו סברו מדענים, שיעילות גבוהה כזו היא רק עניין של התמדה: אם נמשיך לשפר את הדיוק של בקרת הלייזר בשיטה מחזורית (איטרטיבית), נגיע בסופו של דבר לרמה אופטימלית של יעילות. אך כפי שפורסם ב-Physical Review Letters, פרופ’ דויד טנור ושותפו למחקר, ד”ר אלכסנדר פכן, הראו באחרונה שלא כך הדבר. מתברר, שבמקרים מסוימים מגיע תהליך השיפור למבוי סתום: היעילות גדלה במשך זמן מה, אך היא נעצרת ברמה נמוכה בהרבה מ-100%. משמעות הדבר היא, שבמקרים כאלה מובילה ההתקדמות הראשונית ל”מלכודת”: אי-אפשר להמשיך לשפר את היעילות, ואין ברירה אלא לעזוב את התהליך ולהתחיל את הכל מחדש מנקודת פתיחה אחרת.

הבשורות הרעות הן, שהמלכודות שהתגלו באחרונה עלולות להקשות על ההתקרבות לאופטימליות. הבשורות הטובות הן, שמודעות למלכודות יכולה לעזור למדענים להתחמק מהן, למשל על-ידי החמרת הקריטריונים לפרמטרים ההתחלתיים של התהליך המחזורי.