החוקים הפיסיקליים המוזרים של עולם הננו

ראיון עם פרופסור אלי ברקאי לרגל זכייתו בפרס ברונו

פרופ' אלי ברקאי. צילום: גדעון מרקוביץ'
פרופ' אלי ברקאי. צילום: גדעון מרקוביץ'

לפני כחמש שנים החל פרופ' אלי ברקאי, פיסיקאי מאוניברסיטת בר אילן לחקור את פליטת האור של ננו גבישים (גביש שגודלו האופייני מיליארדית המטר המתנהג כמו מולקולה). הבנת טבע פליטות האור ממקור כה קטן נובעת לא רק מסקרנות מדעית, אלא גם מאפליקציות אפשריות בתחום הננוטכנולוגיה.

תחום הננו-טכנולוגיה משלב לראשונה מחקרים בין תחומיים בין מקצועות שקודם היו די נפרדים – פיסיקה, כימיה וביולוגיה. לננוטכנולוגיה מתוכננים אינספור יישומים בתחומים שונים ומגוונים, החל מכלי נשק מתוכחמים, דרך מטוסים קלים יותר ועד לרפואה. בתחום הרפואה, הרעיון הבסיסי הוא בניית מכונות בגודל של מיליארדית המטר, שיבצעו מה שמבצעות מכונות בקנה המידה הנראה לעין למשל לצורך אבחון, ולפיכך יוכלו לבצע את תפקידיהם במקומות אליהם אין גישה בדרך אחרת, ויתרה מכך הם יוכלו לשייט כצוללת בתוך גוף האדם במטרה לתקוף תאים סרטניים שרק החלו להתפתח, או פירוק זיהומים.

יש עוד קשיים רבים בדרך לבניית ננו-צוללות שיסיירו בגוף האדם. אחד מהם הוא שמתכנני המערכות הללו צריכים מעין פנסים ננומטריים שיאירו להם את הדרך בתוך איזור המטרה של המוצר שלהם, בפרט כאשר מדובר בגוף ביולוגי, שלא לומר – גוף האדם. לדוגמה יש המבקשים להצמיד סמנים פולטי אור למערכת ביולוגית כמו למשל למולקולת RNA-שליח. כדי לראות לאן המולקולה או ה"צוללת" נוסעות, יש לצייד אותן במקבילה הננומטרית לפנסים.

אך כדי שהננו-טכנולוגים יוכלו לפתח את מוצריהם הם חייבים רקע תיאורטי, ואת זה מספק בין היתר ברקאי. הרקע התיאורטי יכול להתוות כיוונים חדשים, או לסתום את הגולל על כיווני מחקר שבהם שום טכנולוגיה לא תוכל להתגבר על חוק טבע בסיסי. התופעה שחוקר פרופ' ברקאי היא תופעת ההבהוב של הגבישים הננומטריים, שהם למעשה הפנסים.

"ברמה של המולקולה הבודדת (ננו גביש בודד) התגלו תופעות פיסיקליות וסטטיסטיות חדשות. בעבר הניחו שכל מולקולה מתנהגת כממוצע ההתנהגות של מולקולות רבות מסוגה, עובדה שאינה עולה בקנה אחד עם הניסוי המודרני של המאה ה-21."

אחת התופעות שהתגלו בננו גבישים היא תופעת ההבהוב. כשאנו מסתכלים מהחלל על עיר איננו מבחינים בכך שהאורות מהבהבים כי ממוצע האור מהמקורות הרבים שבעיר לא משתנה במידה רבה. לעומת זאת כאשר אנו מסתכלים על פנס בודד הוא עשוי להבהב, אך עדיין נראה רוב הזמן אור. ואולם בממדים הקטנים, מדובר במערכות לא יציבות. לא יעלה על הדעת שבנסיעה של שעה בלילה אחד, אורות המכונית ידלקו וייכבו לסירוגין, כך שתוכלו איכשהו לראות את הדרך ואילו למחרת האורות לא יידלקו במהלך כל הנסיעה. בננו-גבישים זה קורה המון. ה"אורות" יכולים להיסגר למשך אלפית השנייה, להידלק בחזרה ופתאום להעלם לשניות, דקות או אף שעות.

פרופ' ברקאי וחבריו פיתחו תיאוריות המסבירות את התנהגות מערכות ננו-גבישים, לרבות הסיבה להבהוב, התכונות הסטטיסטיות של ההבהוב וההבדל בין התחזית של המכניקה הקוונטית לסטטיסטיקות אלה והמצב בפועל. מסתבר שהנחה יסודית המכונה 'ההנחה הארגודית'– לפיה ממוצע הפליטה של אות ממערכת בודדת (לדוגמה נורת להט) יהיה זהה על פני מערכות זהות רבות (מנורות מאותו סוג) – אינה מתקיימת.

אחת ההשלכות האבסורדיות היא שכאשר שולחים סטודנט למדוד את הפליטות מאותם ננו-גבישים, לא רק האות האקראי המתקבל שונה מניסוי לניסוי אלא גם ממוצעי התוצאות שונים מסדרת ניסויים אחת למשניה ואין לכך דבר עם כישרונו של אותו סטודנט, אלא עם העדר ההגיון במערכת הננומטרית. התיאוריה שפיתחו ברקאי ועמיתיו, ואשר גם נוסו בידי עמיתים מתחום הפיסיקה הניסויית בבר-אילן מאפשרת לחזות את התפלגות ממוצעי הדגימות ומספקת את הנוסחה לכך.

האם מדובר במכשול שניתן יהיה להתגבר עליו, או שתופעת טבע שאין לעקפה היא זו שתרחיק לעד את השימוש בננו-גבישים ממפתחי המערכות הננומטריות, ימים יגידו. פרופ' ברקאי סבור שהעדויות הולכות ומצטברות בכיוון זה, אך יש להמשיך ולחקור את תופעת ההבהוב כדי להבין אותה עד הסוף על מנת לדעת זאת.

איפה אתה רואה את עצמך בעוד חמש שנים?
"אני מאוד מקווה ללמוד נושאים חדשים ובמהירות. הפרס יאפשר לי לשתף פעולה עם חוקרים בכירים בחו"ל שיכניסו אותי לתחומי מחקר חדשים. אני מקווה שגם באוד חמש שנים אמשיך לעבוד עם סטודנטים ולפרוץ לכיוונים חדשים לדוגמה, לגלות התנהגות של מולקולות בודדות בתוך התא."

איך מעודדים את הנוער לפנות לקריירה מדעית?

"בניגוד למה שכתוב בעיתונות, אני נתקל כל יום בסטודנטים שבחלקם מעולה, לימדתי שנים רבות באוניברסיטאות בארצות הברית והסטודנטים שלנו חלקם הגדול לא נופל מהסטודנטים באוניברסיטאות הטובות בארה"ב. לסטודנט הישראלי יש סקרנות טבעית. לפעמים הוא קצת חוצפן אבל החוצפה לפעמים מעידה על נטייה לשאול שאלות כל הזמן. מי שאוהב מדע ויבוא לעשות קריירה מדעית יזכה לחוויה מתמשכת ולעונג שלא יסולא בפז. מי שמבין מבין, ומי שלא מבין, עדיף שילך ללמוד דברים אחרים."
מי האיש שהשפיע הכי הרבה על חייך המקצועיים?
המורה שלי בתיכון למתמטיקה ופיסיקה מר רוט. הוא בילה מחצית מזמנו בכיתה בסיפור בדיחות ואז, בבהירות יתר, הסביר את רעינותיו של ניוטון. בבית הספר איש לא השתמש בכל כך מעט מילים כדי להסביר רעיונות מעמיקים טוב יותר ממר רוט.

פרופ' אלי ברקאי התחיל את הקריירה האקדמית שלו באוניברסיטת ת"א, שם למד אצל פרופ' ויקטור פלורוב במחלקה לפיסיקה, ושיתף פעולה במחקרים עם פרופ' יוסי קלפטר מהמחלקה לכימיה. בהמשך שהה באוניברסיטאות חשובות בארה"ב: MIT שם עבד עם פרופ' רוברט סילבי (SILBEY) ואוניברסיטת נוטרדם. כאשר שב לארץ נקלט בבר אילן, פרסם מאמרים רבים ובשנת 2006 אף זכה בפרס קריל למחקר מדעי, פרס המוענק ע"י קרן וולף למדענים ישראלים צעירים.

באותו נושא באתר הידען:

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

14 תגובות

  1. לאייל

    השימוש בננוחלקיקים "דולקים" מאפשר לשפר באופן ניכר את הטכנולוגיה של Photodynamic therapy.
    עוד מקומות וטכנולוגיות שכאן קצרה היריעה מלפרט יראו בזה פרי.

  2. יואב

    מה תהייה הסטטיסטיקה של כיבוי והדלקות ה"פנסים" כפי שאתה קורא להם?
    בשווי משקל של הגביש עם הקרינה הדבר נקבע על ידי טמפרטורת הגביש והתפלגות בולצמן.
    המחקר של פרופ' ברקאי מראה שלא כך הדבר. כידוע לך אין תאוריה טובה המתארת התנהגות של מערכות מחוץ לשווי משקל תרמודינמי, מצד שני פרופ' ברקאי מצא דרך לתאר את התנהגות המערכת,
    זאת אם הבנתי נכון את הכתבה.

  3. כל מערכת המכילה מתנדים רבים בעלי אורך גל דומה אך לא זהה תראה כאילו (באנלוגי לפנסי רכב)
    פנסים של רכב שנידלקים וכבים בצורה כאוטית ובתדר של הפרש התדרים.
    אם היו רק שני תדרים קרובים הפנסים היו מהבהבים בצורה קבועה בתדר של הפרש התדרים.
    אם יש 10 גבישים ולכל אחד תדר שונה במקצת תקבלו תאורה כאוטית.
    לא ברור מה הפיזיקה החדשה כאן ולמה זה מקפיץ את הפורום?

  4. ליואב ל

    רצוי לקרוא בעיון את הכתבה לפני שמגיבים. "ההתנהגות המוזרה" כפי שכינתה אותה היא לא הסיבה להבהוב אלא מדוע דגמים שונים נותנים התפלגות של אור חושך שונה על פני בזמן.
    השאלהעליה ביקשו החוקרים לענות היא:"לא רק האות האקראי המתקבל שונה מניסוי לניסוי אלא גם ממוצעי התוצאות שונים מסדרת ניסויים אחת למשניה". אם הדגם הינו מקרוסקופי הרי ממוצע הקריאות היה צריך להיות זהה בהנחה שהמערכת בשווי משקל תרמודינמי. שבירה
    של עקרון הארגודיות (שקילות מיצוע בזמן למיצוע על האנרגיה) מאפשר לדגמים שונים לתת התפלגויות של אור וחושך שונות על פני זמנים ארוכים.
    השאלה איננה למצוא את המנגנון הפיסיקלי להבהוב בננו-גביש ספציפי!

  5. אהוד:
    אין ספק שלמימון יש חלק בעניין אבל לדעתי חשוב להדגיש את ההבדל בין מדע בסיסי לבין טכנולוגיה וננו-טכנולוגיה, לדעתי, ראויה לשם משלה בגלל הסיבה שציינתי.
    טכנולוגיה היא מטבעה רב תחומית כי מטרתה לייצר פתרון לבעיה מסוימת ללא קשר למדע בסיסי ספציפי.
    מערכות בסדרי גודל קטננואים עשויות לכלול יישומים של מספר תחומי ידע אבל פיתוחן יתבצע על ידי צוות שלפחות ראשיו יכירו את התוצאות של כמה סוגים של מדע בסיסי ויבינו את המכנים המשותפים של מערכות מסדר גודל כזה.

  6. מיכאל

    יתכן והחוקים הפיסיקליים בסקלה של אטומים בודדים אכן שונה ואכן היה
    בפיסיקה תחום שנקרא מזוסקופיה (חלק מהתחום של מצב מוצק) מכאן
    ועד איחוד של ביולוגיה וכימיה בסקלה הזו הדרך עוד רחוקה.
    האיחוד של התחומים הנ"ל הוא מאולץ ונוצר למטרות מימון.

  7. אלי ברקאי היקר
    הסיבה להתנהגות "המוזרה" לכאורה היא התאבכות של שני תדרים קרובים בתוך הגביש והנובעים מכך שהגביש אינו מושלם.
    אתן לך דוגמא אם יש פיאות מקבילות שלמעשה אינן מקבילות 100% יתכן שכתוצאה הזיהום או כתוצאה מתכונות החומר. במקרה זה הגביש יוכל להכנס לתהודה בשני תדרים או יותר הקרובים אחד לשני ומשתנים באיטיות ומתאבכים בצורה משתנה כתוצאה משינויי טמפ. קטנים
    מבחוץ זה יראה כאילו כאילו הגביש מתנהג בצורה כאוטית.
    אם לא הבנת תחזור אלי בפורום הזה.

  8. אהוד:
    לדעתי מדברים בדרך כלל על ננו-טכנולוגיה ולא על מדע ננו.
    אני חושב שיש בכך היגיון מכיוון שסביר שמספר פתרונות מתחום זה ימצאו את מקומם באותה מערכת.
    מעבר לכך – באמת יש חוקים פיזיקליים שבאים לידי ביטוי רק בסדרי גודל אלה ולא בסדרי גודל גבוהים יותר וכתוצאה מכך שונה תכנונה של מערכת ננו מתכנונה של מערכת גדולה יותר.

  9. לא ברור לי מהו עולם הננו או מדע הננו.
    המושג "ננו "הוא מושג שווקי ולא מדעי. הדבר היה כאלו קראנו לתחום מדעי "מדע המטר"
    כאשר במדע המטר כוללים את כל התופעות הפיסיקליות המתרחשות בסקלות של מטר,
    כל הביולוגיה המתרחשת בסקלה של מטר וכו וכו…
    אין כמעט קשר בין התחומים השונים החוקרים את הננו ואם נמצא קשר בינהם הוא לעתים קרובות מאולץ
    כדי לזכות בגרנטים. אני מציע לפיכך לשנות את שמו של "מדע הננו" ל"מדע קטן".

  10. אייל:
    אכן פנסים אינם הפתרון היחיד אבל זה מה שהבחור חוקר כרגע.
    צריך גם לזכור שמטרתנו ברפואה איננה לעשות מה שהטבע עושה ממילא אלא דווקא דברים שהטבע נכשל בביצועם. הרי אין צורך לרפא אדם שהמנגנונים הטבעיים כבר ריפאו אותו.

  11. לאייל

    שאלתך/ הערתך מראה שדווקא צריך להיות אופטימי והטבע כניראה מצא פיתרון לבעיית ההבהוב!
    אולי התשובה היא בצורך לשלוח כמות של ננו מכונות?
    אני הייתי חוקר אם תא לבן בודד יודע לעשות את העבודה לבד או שהוא מזייף כשהוא לבד.
    בהצלחה לפרופסור אלי ברקאי בהמשך.
    שבת שלום
    סבדרמיש יהודה

  12. לא הבנתי את הקטע עם הפנסים, מישהו יכול להסביר לי? מדוע הננו-צוללות שיסיירו בתוך גופנו (בזרם הדם אני מתאר לעצמי) זקוקות לפנסים? האם הצוללות האלו אמורות לכלול בתוכן מצלמה שתעביר תמונות למחשב שינתח אותן? הרי גם תאי הדם הלבנים שלנו הם בעצם סוג דל ננו צוללות שיצר הטבע, איך הם מסוגלים לאתר ולחסל נגיפים וחיידקים ללא צורך בפנסים? מדוע הננו צוללות שנבנה לא יכולות לפעול בצורה דומה?

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן