שיטה חדשה לצפייה במבנים אטומיים

חוקרים מהמכון הטכנולוגי בקליפורניה (קלטק) פיתחו שיטה חדשנית – תוך שימוש ביריעת אטומי פחמן בעובי חד-אטומי – לצפייה במבנה האטומי של פרודות. השיטה, אשר שימשה בכדי להפיק את התמונה הישירה הראשונה אי-פעם של האופן שבו מים מצפים משטחים בטמפרטורת החדר, תוכל לשמש גם לקבלת תמונותיהן של פרודות אחרות, בכללן נוגדנים וביו-פרודות שונות.

מאמר, המתאר את השיטה ואת הניסויים בשכבות המים, מופיע בכתב-העת המדעי היוקרתי Science.

“כמעט כל המשטחים מכילים ציפוי של מים עליהם,” אומר החוקר James Heath, פרופסור לכימיה בקלטק, “ומים אלו אחראיים על תכונות יחסי-הגומלין עם הסביבה הקרובה אליהם”. למרות שמשטחים המצופים במים נפוצים, המחקר שלהם בעייתי ביותר מאחר ופרודות המים נמצאות “בזרימה מתמדת, ואינן מתמקמות בנקודה מסוימת מספיק זמן לשם מדידתן,” מסביר החוקר.

באורח די מקרי, צוות החוקרים פיתח שיטה לקיבוע הפרודות הנעות, בתנאים של טמפרטורת החדר. “זו הייתה אקראיות משמחת – כזו שהיינו מספיק נבונים להבחין בחשיבות שלה,” מציין החוקר. “חקרנו גרפן שהיה מונח ע”ג משטח שטוח של נָצִיץ (mica, מחצב שקוף) וגילינו מספר ננו-מבנים דמויי-איים הלכודים בין שכבת הגרפן לשכבת הנציץ שלא ציפינו לקבל אותם.”

גרפן, המורכב משכבה חד-אטומית של אטומי פחמן במבנה של סריג דמויי חלת-דבש, אמור להיות שטוח לחלוטין כאשר מניחים אותו ע”ג משטח חלק. החוקרים שיערו כי המבנים החריגים עשויים להיות מים, הלכודים מתחת לגרפן; פרודות מים, אחרי הכל, מצויות בכל מקום.
בכדי לבחון את השערתם, החוקרים ביצעו ניסויים נוספים בהם הם החדירו לתוך יריעות הגרפן שיעורים משתנים של לחות. המבנים המוזרים הפכו לנפוצים יותר בלחות גבוהה, ונעלמו לחלוטין בתנאים יבשים, מה שהוביל את החוקרים למסקנה כי אכן היו אלה פרודות מים החוסות תחת יריעות הגרפן.

בשלב זה הבינו החוקרים כי יריעת הגרפן מהווה מעין “עטיפת לחץ” הקושרת בחוזקה את פרודות המים, עד אשר ניתן היה להבחין במבנה האטומי הפרטני שלהן באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי (Atomic Force Microscope ,AFM).

“השיטה פשוטה לחלוטין – זה ממש פלא שהיא עובדת,” מציין החוקר. השיטה, הוא מסביר, “דומה לשיטה שבה מחדירים אטומי פחמן או זהב לתוככי תאים ביולוגיים בכדי לדמות אותם – אטומי הפחמן או הזהב מקבעים את התאים. כאן, הגרפן מכסה לחלוטין את פרודות המים הספוחות באופן חלש למשטח ומקבע אותן במקומן, לתקופה של לפחות מספר חודשים.”

באמצעות השיטה, החוקרים גילו פרטים חדשים לגביי האופן שבו מים מצפים משטחים. הם מצאו כי השכבה הראשונה של המים ע”ג הנציץ מורכבת למעשה משכבה בעובי של שתי פרודות מים, והיא בעלת מבנה של קרח. מרגע שהשכבה נוצרת במלואה, נוצרת מעליה שכבה שנייה של קרח בעלת עובי כפול. מעל שכבה זו, “מתקבלות טיפות,” מסביר החוקר. “זה מדהים לחלוטין ששתי השכבות הספוחות הראשונות של המים יוצרות איים מיקרוסקופיים דמויי-קרח בטמפרטורת החדר,” מסביר החוקר הראשי. “מבנים מרתקים אלו כנראה חשובים בקביעת תכונות המשטח של מוצקים, בכללן, לדוגמא – רמות הסיכה, ההידבקות והאיכול שלהם.”

מאז, החוקרים בחנו בהצלחה פרודות אחרות ע”ג משטחים אטומיים שטוחים מסוגים שונים – ושְׁטִיחוּת זו הכרחית כדי שהפרודות לא תיתקענה בנקודות הפגמים שבמשטח, תוך אובדן המבנה הנמדד מבעד לשכבת הגרפן. “עדיין לא נתקלנו במערכת שתופעה זו אינה מתרחשת בה,” מוסיף החוקר. החוקרים פועלים עתה לשפר את כושר-ההפרדה של השיטה כך שתוכל לשמש לדימות המבנים האטומיים של ביו-פרודות כגון נוגדנים וחלבונים אחרים. “בעבר צפינו באטומים פרטניים של הגרפן באמצעות מיקרוסקופ מינהור סורק (Scanning Tunneling Microscope, STM), מוסיף החוקר. “כושר-הפרדה ברמה דומה אמור להיות בר-השגה גם עבור פרודות מצופות-גרפן.”

“נוכל לעטות גרפן ע”ג פרודות ביולוגיות – כולל פרודות המצויות בסביבה מימית חלקית, מאחר ונוכחות מים אינה מפריעה – ולקבל את המבנה התלת-מימדי שלהן,” מציין החוקר. ייתכן ויהיה אפשר לקבוע אפילו את המבנה של מערכות מורכבות, כגון תצמידי חלבון-חלבון, “שהינן בעיתיות ביותר לגיבוש,” הוא אומר.

בעוד שהמידע המתקבל מפרודה אחת חושף את המבנה הכללי שלה, מידע מעשר פרודות יחשוף מאפיינים ברורים יותר – ואיסוף ממוחשב של רבבת פרודות זהות יוכל לחשוף כל חריר וסדק אטומיים.

הידיעה מהאוניברסיטה