‘בורג ארכימדס’ העשוי כולו מאור

הבורג האופטי נשלט על ידי החוקרים ומניע חלקיקים ננומטריים למקום הרצוי; הוא עשוי לסייע, בין היתר, בבדיקת זיהומים באוויר, במים, ובמגוון תמיסות רפואיות וביולוגיות. המחקר פורסם החודש בכתב העת  OPTICA

‘בורג ארכימדס’ הוא התקן שאיבה שהומצא לפני 2300 שנה, ומשמש עד היום כבסיס למתקנים רבים – ממדחפי ספינות ומטוסים ועד למאווררים ומכונות לממכר חטיפים. כעת יצרו חוקרים מאוניברסיטת תל אביב ‘בורג ארכימדס’ אופטי, העשוי כולו מאור. כמו הבורג המקורי, כך גם הבורג האופטי מניע חומר ממקום למקום – אלא שבמקום מים, אוויר או סוכריות, הוא מניע חלקיקים בממדים ננומטריים. בעתיד עשוי מתקן מסוג זה לסייע בזיהוי  זיהומים באוויר, במים ובתמיסות רפואיות, למטרות רפואיות ואקולוגיות.

מוביל המחקר הוא ד”ר אלון באב”ד מבית הספר להנדסת חשמל בפקולטה להנדסה. לצדו עבדו תלמידיו ברק חדד, סהר פרוים והדוקטורנט יניב אליעזר, וכן ד”ר יעל רויכמן, הראל נגר ותמיר אדמון מבית הספר לכימיה. המאמר התפרסם ביוני 2018 בכתב העת Optica.

“‘בורג ארכימדס’ נמנה על ההמצאות הטכנולוגיות הגדולות של העת העתיקה. הוא פותח על ידי הממציא הדגול ארכימדס בעיר סירקוסאי שבסיציליה במאה ה-3 לפנה”ס – במטרה לשאוב מים מספינת התענוגות של המלך היירון השני,” מספר ד”ר באב”ד. “במעבדה שלי ביקשנו לשחזר את המצאתו של ארכימדס במושגים של המאה ה-21: בורג אופטי שילכוד חלקיקים זעירים, ויאפשר לנו לשלוט בתנועתם ולהביא אותם למקום הרצוי לנו.”

השלב הראשון במחקר היה פיתוח אלומת אור בצורת בורג. לשם כך יצרו החוקרים מפגש בין שתי אלומות לייזר מהסוג המכונה ‘מערבולת אופטית’ – אלומה שבה גלי האור נעים קדימה, ובו בזמן גם מסתובבים סביב מרכז האלומה. באזור המפגש נוצרת תופעה של התאבכות – כאשר גלי האור של שתי האלומות מעצימים או לחלופין מחלישים ואף מבטלים זה את זה, ויוצרים אזורים חשוכים ובהירים לסירוגין. במצב זה, האזורים הבהירים המתקבלים מהווים סליל של אור.  בדרך זו בנו החוקרים אלומת בורג המורכבת משני סלילים (בדומה למבנה ה-DNA), שתכונותיה ואופן התנועה שלה נשלטים על ידם בדיוק רב.

בשלב השני ביקשו החוקרים להשתמש בבורג האופטי כדי ללכוד ולהניע חלקיקים. “‘מלכודות אופטיות’ של אלומות אור הלוכדות חלקיקים קיימות במדע כבר עשרות שנים,” אומר ד”ר באב”ד. “אחד האתגרים הגדולים בלכידת חלקיקים המרחפים באוויר או בנוזל הוא משיכת החלקיק לעבר מקור האור. הקושי הוא שחלקיקי האור (פוטונים) של מקור האור מתנגשים בחלקיק המתקרב, דוחפים ומרחיקים אותו. תופעה זו מקשה, לדוגמה, על מדענים המבקשים להביא חלקיקים אל ‘מתחת לפנס’ במתקני בדיקה למיניהם. הבורג שלנו פתר את הבעיה בדרך חדשנית:  הוא לוכד חלקיקים באזורים החשוכים של האלומה, ומניע אותם אל המקום הרצוי באמצעות סיבוב הבורג.”

השיטה נבחנה בסימולציות מחשב, וגם במעבדה: החוקרים העבירו אלומת בורג דרך מיכל זכוכית קטן, שבתוכו מתרוצצים חלקיקי אבק פחמן. כשהאלומה לכדה חלקיק, הם סובבו את הבורג, והצליחו להניע את החלקיק לכיוון ולמקום הרצויים להם. “זה כמו חטיף המונח בתוך אחד מסיבובי הבורג במכונת חטיפים, ונע לעבר היציאה כשהבורג מסתובב,” אומר ד”ר באב”ד.

לבורג האופטי החדשני יש מספר יתרונות בולטים וחשובים מול שיטות אחרות שפותחו בשנים האחרונות: “העיקר הוא שיש לנו שליטה מלאה בתהליך,” קובע ד”ר באב”ד. “הפעולה שלנו כמעט שאינה תלויה בפרמטרים של החלקיק עצמו, כמו גודלו והמאסה שלו, אלא בעיקר בתנועת הבורג. אנחנו יכולים להניע את החלקיק לכל כיוון, אפילו אחורנית, וגם שולטים במהירות התנועה – שהיא למעשה מהירות סיבוב הבורג. במעבדה הזזנו חלקיקים ננומטריים בצורה מבוקרת על פני מרחק של כסנטימטר במשך כדקה – דבר הנחשב להישג טכנולוגי בפני עצמו, ובכל מקרה ניתן  להתאים את השיטה שלנו להסעת חלקיקים למרחקים גדולים בהרבה. כיום אנחנו חוקרים גם כיצד ניתן להגביר את המהירות, ולהאיץ את תנועת החלקיקים. יותר מכך: באמצעות הבורג ניתן ללכוד ולהניע מספר חלקיקים בו-זמנית, בתוך ‘חריצי’ הבורג השונים. אנחנו ממשיכים לפתח את הטכנולוגיה, ואחד היעדים הוא יצירת ‘טורבינה’ אופטית שמניעה חלקיקים רבים בו-זמנית במהירות בכיוון נדרש.”

למאמר המדעי