• ראשי
  • משאבת המים העתיקה שהפכה ללוכדת חלקיקים ננומטרים

    חוקרים מאוניברסיטת תל אביב פיתחו 'בורג ארכימדס' אופטי העשוי כולו מאור, אשר יסייע בלכידת חלקיקים באוויר ובבדיקתם

     

    מי היה מאמין שמתקן שאיבה שהומצא על ידי הממציא ארכימדס לפני 2,300 שנה, יהפוך בידי מדענים מאוניברסיטת תל אביב לכלי ללכידת חלקיקים ננומטרים? הכול התחיל במאה השלישית לפנה"ס, כשהמלך הירון השני ביקש מארכימדס, שנחשב כבר אז למדען ולממציא דגול, לתכנן ולבנות עבורו ספינה מפנקת וגדולה במיוחד. הסירקוסיה, שהוכתרה כספינה הגדולה והמשוכללת ביותר בעת העתיקה, שימשה מלבד ככלי שייט תענוגות גם כנושאת סחורה וציוד, ולעת הצורך – גם כספינת מלחמה מצוידת.

     

    כחלק מתחזוקת הספינה תכנן עבורה ארכימדס משאבה מיוחדת שתעזור להיפטר מהמים שחודרים לספינה. היא הורכבה מגליל חלול ובתוכו בורג גדול. סיבוב הבורג אפשר לשאוב מים מקצה אחד של המשאבה לקצהו השני. זהו בורג ארכימדס, הנמנה על ההמצאות הטכנולוגיות הגדולות של אותה תקופה. גרסאות גדולות יותר של משאבה זו שמשו לשאיבת מים ממאגרים תת קרקעיים.

     

    מאז ועד היום ממלכות קמו ונפלו, ספינות הושקו וגם שקעו, אך בורג ארכימדס ממשיך לשרת נאמנה את האנושות כבסיס למתקנים רבים – ממדחפי ספינות ומטוסים, ועד למאווררים ולמכונות חטיפים אוטומטיות המסיעות ממתקים לכיוונם של לקוחות רעבים. אחד מאלו שהביטו במתקן חטיפים שכזה וקרא בלבו 'אאוריקה! אאוריקה!' היה ד"ר אלון באב"ד מבית הספר להנדסת חשמל בפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן באוניברסיטת תל אביב.

     

    ארכימדס, מדען וממציא דגול מהמאה ה-3 לפניה"ס

    מה הקשר בין סוכריות צבעוניות וננו טכנולוגיה?

    כבר לפני כעשור ניצת בראשו של ד"ר באב"ד הרעיון ליצור בורג, שישמש ככלי שינוע לחלקיקים זעירים. זה אירע כשהתבונן במכונה אוטומטית, המסיעה ממתקים לפתחה לאחר התשלום. "הרעיון היה ליצור 'בורג ארכימדס' אופטי, העשוי כולו מאור, שיעבוד על פי אותו רעיון – לכידה והעברת חומר ממקום למקום, אשר תאפשר לבודד ולבחון אותו כפי שטרם הצליחו לעשות בעבר", הוא אומר. כמו הבורג המקורי, גם הבורג האופטי שהגה ד"ר באב"ד יניע חומר, אלא שבמקום מים, אוויר או סוכריות, הוא ילכוד חלקיקים.

     

    הרעיון לפיתוח אותו בורג נותר במגרה עד לפני כשנתיים, אז הצטרפו לקבוצת המחקר שלו תלמידיו ברק חדד, סהר פרוים והדוקטורנט יניב אליעזר, ויחד עם ד"ר יעל רויכמן ותלמידיה מבית הספר לכימיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר – הוא החל לרקום עור וגידים, או יותר נכון – קרני וגלי אור. "ביקשנו לשחזר במעבדה את המצאתו של ארכימדס במושגים של המאה ה-21: בורג אופטי שילכוד חלקיקים זעירים, ויאפשר לנו לשלוט בתנועתם ולהביא אותם למקום הרצוי לנו", אומר ד"ר באב"ד. מאמר על מחקרם פורץ הדרך התפרסם ביוני 2018 בכתב העת היוקרתי Optica.

     

    ויהי אור, ויהי חושך – סליל אופטי נולד

    תחילה היה על החוקרים לפתח קרני אור בצורת בורג, אשר משלבות אזורים מוארים וחשוכים יותר, שימשכו אליהם את החלקיקים אותם רצו ללכוד. אם נמשיך ונשתמש במושגים מעולם החטיפים – היה עליהם ליצור סליל בצורת ביסלי גריל.

     

    לשם כך הם יצרו מפגש בין שתי קרני לייזר מהסוג המכונה 'מערבולת אופטית', בה גלי האור נעים קדימה, ובו בזמן גם מסתובבים סביב מרכז האלומה. באזור המפגש נוצרים אזורים חשוכים ובהירים לסירוגין, כשהאזורים הבהירים המתקבלים מהווים סליל של אור. כך, משני סלילים שיצרו, בנו החוקרים אלומת בורג, הדומה למבנה ה-DNA, ותכונותיה ואופן התנועה שלה נשלטים על ידם בדיוק רב.

     

    זהירות, מלכודת אופטית לפניך

    בשלב השני, ביקשו החוקרים להשתמש בבורג האופטי לשם גרירה אופטית, ממש כמו זו שאנו מכירים בסרטי המדע הבדיוני, בה קרני אור מתבייתות על אדם או חפץ, ומושכות אותו לתוך חללית עצומה.

     

    ד"ר באב"ד מספר על המלכוד שבשיטה ועל הפתרון שמציע הבורג האופטי: "'מלכודות אופטיות' של אלומות אור הלוכדות חלקיקים - קיימות במדע כבר עשרות שנים. אחד האתגרים הגדולים בלכידת חלקיקים המרחפים באוויר, או בנוזל, הוא משיכת החלקיק לעבר מקור האור. הקושי הוא שחלקיקי האור של מקור האור, הנקראים פוטונים, 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 בורג האור, ומניע אותם אל המקום הרצוי באמצעות סיבוב הבורג."

     

    לבורג האופטי החדשני מספר יתרונות בולטים לעומת שיטות אחרות שפותחו בשנים האחרונות. "יש לנו שליטה מלאה בתהליך", קובע ד"ר באב"ד. "הפעולה שלנו כמעט ואינה תלויה בפרמטרים של החלקיק עצמו, כמו גודלו והמאסה שלו, אלא בעיקר בתנועת הבורג. אנו יכולים להניע את החלקיק לכל כיוון, אפילו אחורנית, וגם שולטים במהירות התנועה, שהיא למעשה מהירות סיבוב הבורג. במעבדה הזזנו חלקיקים ננומטרים בצורה מבוקרת על פני מרחק של כסנטימטר במשך כדקה – דבר הנחשב להישג טכנולוגי בפני עצמו".

     

    השיטה נבחנה בסימולציות מחשב וגם במעבדה. החוקרים העבירו בורג אופטי דרך מיכל זכוכית קטן, שבתוכו מתרוצצים חלקיקי אבק פחמן. כשקרן האור 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 בחיוך.

     

    כמו בסרט מדע בדיוני, בהם קרני אור מתבייתות על אדם או חפץ וגוררות אותו לתוך חללית עצומה - הבורג הננומטרי משמש לגרירה אופטית, אך מתרחש ברמת החלקיקים.

     

    עתיד מזהיר

    עדיין מוקדם לדעת כיצד כלי חשוב זה ישפיע על חיינו בעתיד. ייתכן והבורג האופטי, העשוי כולו קרני אור מסתלסלות וירקרקות, יסייע בין היתר בבדיקת זיהומים באוויר ובתמיסות שונות, ויוביל את הרפואה, המדע והאקולוגיה צעד גדול קדימה. ניטור זיהום האוויר? בידוד חיידקים? זיהוי בקטריות שונות? ימים יגידו.

     

    ד"ר רויכמן צופה כי "בעתיד ניתן יהיה להשתמש בטכנולוגיה הזו כדי לדגום חלקיקים באוויר ללא מגע יד אדם. רחפנים או כלי עזר אחרים יוכלו למשוך אליהם חלקיקים שונים באמצעות הבורג ולהביאם לבדיקות מעבדה, אשר יוכלו לזהותם ולפעול בהתאם". ד"ר באב"ד מחזק את דבריה: "המלכודת האופטית מאפשרת להעביר ולהחזיק חומרים שונים במקום אחד בזמן שעושים עליהם בדיקות שונות. החומרים הללו יכולים להיות מזהמים קטנים, או חומרים ביולוגיים כמו תאים, בקטריות, וירוסים. כמובן שבעתיד ניתן יהיה להתאים את השיטה להסעת חלקיקים למרחקים גדולים בהרבה. כעת אנחנו חוקרים כיצד ניתן להגביר את המהירות ולהאיץ את תנועת החלקיקים, ואולי אף ללכוד ולהניע מספר חלקיקים בו-זמנית. אחד היעדים שלנו כעת הוא יצירת 'טורבינה' אופטית שתניע חלקיקים רבים בו-זמנית במהירות בכיוון נדרש".

     

    אוניברסיטת תל-אביב, רחוב חיים לבנון 30, 6997801.
    UI/UX Basch_Interactive