בועות

סיפור על מעבדות זעירות הנסחפות בזרם, שמיישמות טכניקת תנועה מוכרת ממירוץ ה”טור דה פרנס”, ומפיקות גלי קול איטיים במיוחד 

מחקר בסיסי הוא תהליך בלתי-צפוי. אתה מתחיל לחקור שאלה אחת, ולפעמים מגיע לפתרון של שאלה אחרת לחלוטין. זה בדיוק מה שקרה לד”ר רועי בר-זיו מהמחלקה לחקר חומרים ופני שטח ולד”ר צבי טלוסטי מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות. ד”ר בר-זיו בונה מערכות גנטיות מלאכותיות המבוססות על ייצור חלבונים מחוץ לתא. את המערכות הגנטיות הללו אפשר להחדיר לבועות זעירות של מים המצויות בתוך שמן. כל בועה כזאת משמשת מעבדה מבודדת שבה אפשר לבחון תהליכים ולפתח מעגלי משוב גנטיים המנותקים מהשפעת הסביבה. הבועות האלה, שקוטר כל אחת מהן הוא מיקרונים בודדים, מיוצרות באמצעות “תותח בועות” זעיר, היורה שורה של בועות לתוך תעלה זעירה שבה זורם “נהר של שמן”. במילים אחרות, בתחילה המדענים השתמשו בבועות כבכלי לבחינת תהליכים כימיים וביולוגיים שונים. אבל אז קרה הבלתי-צפוי.

המערכת מורכבת מאקדח זעיר היורה בועות מים לתוך “נהר” של שמן צמיגי. הבועות נוצרות בשורה עורפית ארוכה, הנסחפת לאורכו של נהר השמן. לא משהו שאפשר היה לחשוב שיש לו משמעות פיסיקלית עמוקה. אבל תלמיד המחקר צבי באטוס השקיף על שורת הטיפות וגילה תופעה שבמבט ראשון נראתה משעשעת: הטיפות מתרחקות ומתקרבות זו לזו, והשורה העורפית “מזדגזגת” לה במורד הזרם ומאבדת את הסדר המקורי שלה. למעשה, זה היה משעשע מספיק כדי לבדוק את התופעה לעומקה. אובדן סדר ותנודות של גופים הנתונים בנוזל צמיג כל-כך היא תופעה חריגה שעוררה את חשדו של ד”ר בר-זיו, והוא הראה את הממצא המפתיע לד”ר צבי טלוסטי מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון. השניים, ששיתפו פעולה עוד בהיותם תלמידי מחקר במדרשת פיינברג של המכון, המשיכו לחפש הסבר לאיבוד הסדר.

התיאוריה העלתה, כי אפשר לחשוב על שורת הבועות כעל גביש זורם חד-ממדי, המורכב מ”אטומי” בועות. גביש זורם זה מיוצב על-ידי כוחות זרימה. אם בועה אחת מוסטת מעט ממקומה בשורה – היא מסיטה את שכנתה, שמסיטה את שכנתה, וכך נוצר מעין “גל קול” המתקדם לאורך הגביש. להפתעתם, במעקב זהיר אחר תנועת הבועות, גילו הניסיונאים, ד”ר בר-זיו וצבי באטוס, כי הגביש אכן “משדר” גלי-קול משונים, איטיים פי מיליון מהמהירות הידועה של גלי קול בנהר השמן – בדיוק כפי שחזתה התיאוריה של ד”ר טלוסטי. הופעתם של גלי קול אלה היא תופעה חדשה שלא הייתה ידועה כלל.

מה גורם לבועות להתקרב או להתרחק זו מזו? מתברר שנהר השמן  מהיר יותר מטיפות המים הנעות בתוכו. כך, למעשה, הטיפות מתנהגות כמעין איים (נעים) בזרם. ההפרש בין מהירות הבועות למהירות זרם השמן הופך כל בועה למעין “אי” דו-קוטבי, מעין מגנט שיוצר קווי כוח, וכך מושך או דוחה את הבועות האחרות בהתאם לכיוון קווי הכוח. כך, הבועות מפעילות זו על זו כוחות ארוכי-טווח, שגורמים להן, על-פי מיקומיהן היחסיים, למשוך ולהתקרב זו לזו, או לדחות ולהתרחק זו מזו. תופעה אחת שנצפתה גם היא במערכת המחקר החדשה היא תופעת ה”דבוקות”, הידועה גם במירוץ האופניים “טור דה פרנס”. במירוץ זה נראות לעיתים דבוקות עורפיות של רוכבי אופנים (“פלוטון”). היערכות בדבוקה עורפית הדוקה מאפשרת לרוכבים להפחית את החיכוך עם האוויר, ובדרך זו להגביר את מהירותם למהירות שלא היו יכולים להשיג כשהם רוכבים כבודדים. בדבוקות בועות המים בנהר השמן הבחינו המדענים בתופעה מפתיעה נוספת: כאשר בועה אחת ניתקת מן הדבוקה ובועה אחרת מצטרפת, נוצרים גלי קול הנעים לאורך שורת הבועות במורד נהר השמן.

בנוסף העלו התצפיות, כי בתנועת הגל צפון מידע רב על התווך שבו זורמות הבועות. התעלה שבה זורם נהר השמן מכילה זיהומים שחובטים בבועות ומטים אותן ממסלולן. הטיות אלה הן היוצרות את המבנים הנסחפים “במורד הזרם”. תופעות דומות, בקנה-מידה קטן הרבה יותר, ידועות במערכות של אלקטרונים הנעים במוצק, למשל שבבים זעירים של מוליכים למחצה. כך גילו המדענים מגרש משחקים גדול בהרבה, שיכול לשמש לחקר תהליכי זרימה והולכה.הבועות נצפות בקלות באמצעות מיקרו-סקופ אור רגיל. מדובר בתופעות כמו היווצרות “דבוקות” של בועות, מבנים דמויי גבישים, תגובה לזיהומים  שונים הממוקמים במסלול הזרימה, ועוד. למעשה, מכיוון שעומקו של “נהר השמן” אינו עולה על  10 מיקרון, זוהי מערכת דו-ממדית, הראשונה מסוגה בעולם. ממצאים אלה והאפשרויות העולות מהם פורסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Physics.

כך, מחקר שנועד ליצור מעבדה ביוכימית מלאכותית על שבב, הוביל ליצירת מערכת דו-ממדית חדשה לחקר הפיסיקה של מערכות הרחוקות משיווי-משקל.

שינויים בסדר התנועה של הבועות במשך הזמן