מסנני ספין

האם אפשר ליצור “מסננת” שתמיין עצמים – למשל, אלקטרונים – לפי כיוון הסיחרור שלהם? מתברר שזה בדיוק מה שעשו פרופ’ רון נעמן וחברי קבוצתו במחלקה לפיסיקה כימית של מכון ויצמן למדע. תגלית זו עשויה, בעתיד, להוביל לחידושים כמו הפחתת עלות ההפקה של מימן, והרחבת כמות המידע שאפשר לאחסן על כונן קשיח.

סיפורו של המחקר הנוכחי של פרופ’ נעמן מתחיל בתכונת הכיראליות של מולקולות מסוימות: הן מופיעות בזוגות הזהים בהרכבם אך שונים בסידור האטומים שלהן במרחב, כמו יד ימין ויד שמאל, אשר מתאפיינות בסימטריית-ראי (המילה כיראלי נובעת מהמלה “יד” ביוונית). החלבונים בנויים מחומצות אמיניות, ומשמשים בטבע, בין היתר, להעברת אלקטרונים, בתהליכים כמו חימצון ופוטוסינתזה.

במחקר קודם הראתה קבוצת המחקר של פרופ’ נעמן, כי מולקולות די-אן-אי, שהן כיראליות, וכן פפטידים (המורכבים ממספר קטן יחסית של חומצות אמיניות), מעבירים ביעילות רבה יותר אלקטרונים בעלי ספין (סיחרור) בכיוון אחד, לעומת אלקטרונים בעלי ספין בכיוון הפוך. במחקר הנוכחי העבירו המדענים זרם של אלקטרונים בעלי ספינים בשני הכיוונים האפשריים, דרך מולקולות ביולוגיות כיראליות. בדרך זו גילו שמולקולות אלה, דוגמת חלבונים, לרוב מעדיפות להעביר אלקטרונים בעלי כיוון ספין מסוים. כך יכולות המולקולות האלה לתפקד כ”מסנן ספינים”: הן מעבירות את רוב האלקטרונים בעלי ספין מסוים, וחוסמות את מעברם של רוב האלקטרונים בעלי הספין ההפוך.

המדענים מכנים את התגלית אפקט CISS, ראשי תיבות של Chiral Induced Spin Selectivity (סלקטיביות ספין מושרית כיראליות). את התיאוריה העוסקת באפקט זה פיתחה ד”ר קרן מיכאלי מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה. “תופעה זו, מסנני ספין, נוצרת בדרך כלל בחומרים פרומגנטיים”, אומר פרופ’ נעמן. “זו הפעם הראשונה שהובחן שמולקולות אורגניות כיראליות שאינן פרומגנטיות יכולות לשמש כמסנני ספין”.

לתופעת CISS עשויים להיות יישומים עתידיים רבים במיגוון גדול של תחומים, ובהם הפקת מימן ממים ופיתוח זיכרון מגנטי מבוסס על ספינטרוניקס, כלומר זיכרון שיתבסס על תכונת הספין של האלקטרונים, ולא על המטען החשמלי שלהם. “התקני זיכרון כאלה”, אומר פרופ’ נעמן, ” קיימים כבר כיום, אולם את אלו שיתבססו על מולקולות כיראליות יהיו קל יותר לייצר, והם יצרכו פחות אנרגיה”. מחקר זה בוצע בשיתוף פעולה עם מעבדתו של פרופ’ יוסי פלטיאל מהאוניברסיטה העברית.

מספרי מדע

בהשוואה לצריכת האנרגיה של מערכות קיימות להפקת מימן, השיטה החדשה איפשרה להפחית את צריכת האנרגיה בתהליך הייצור של מימן ממים במעבדה ב-30%.