מדען אורח ד"ר נירית דודוביץ'

מהו דיוקן עצמי של מולקולה וכיצד הוא פותח אשנב לחייהם הסודיים של האלקטרונים? ד"ר נירית דודוביץ' על התופעות המהירות ביותר בטבע
X זמן קריאה משוער: 4 דקות


מהי, לדעתך, פריצת הדרך המשמעותית או המסקרנת ביותר שנעשתה בתחום המחקר שלך בשנים האחרונות?

בתחום שלי נשאלת שאלה שהיא גם מעשית וגם פילוסופית: מהי התופעה המהירה ביותר בטבע הניתנת למדידה. ככל שהתופעה הנחקרת מהירה יותר, כך הטכנולוגיה צריכה להדביק את הקצב. מצלמות High Speed, למשל, המקפיאות את התמונה במהירות של מיקרו שניה, מצליחות ללכוד תנועה של בעל חיים מהיר ואפילו כדור הנורה מרובה וכך ליצור צילומים חדים ומרהיבים. אך מה לגבי קנה מידה קטן בהרבה? כאשר מתרחשת תגובה כימית, תנועתם של אטומים במולקולות נע בין פיקו-שניה (כלומר, טריליונית השניה) לפמטו-שניה (מיליונית המיליארדית השניה). קשה לתאר עד כמה שזה מהיר. בהתחשב בכך שמהירות האור היא כשלוש-מאות אלף קילומטר בשניה, אז במשך מאה פמטו-שניות אור יספיק לחצות רק עובי של שערה.

פריצת הדרך הראשונה החשובה בתחום התרחשה בסוף המאה העשרים, כאשר פרופסור אחמד זֶוויל הצליח להשתמש בלייזר הפולט אור בהבזקים קצרים מאוד, כדי לצלם ולהבין תהליכים מאוד בסיסיים, כמו כיצד מתבצעת בפועל שבירה של קשר כימי. ההישג של זֶוויל, שבשנת 1999 זיכה אותו בפרס נובל, הוביל למהפכה בתחום הכימיה הפיסיקלית כי הוא היה למעשה כרטיס כניסה לעולם שעד אז תהליכיו ה"מידיים" תוארו באמצעות מודלים מתמטיים תיאורטיים,. ההבזקים הקצרים של הלייזר משמשים כמו פְלשים של מצלמה באמצעותם מוקפאת תנועת האטומים במולקולה. הקפאה חוזרת ונשנית במהירות של מספר פמטו-שניות מאפשרת לנו להרכיב מעין סרט אנימציה ברזולוציה האטומית. וכך, מהבנה כללית ותיאורטית, התחלנו לעבור לעולם של תצפיות מדויקות אמפיריות.

מהם המחקרים שמעסיקים אותך בתקופה זו?

השאיפה כיום היא להצליח לרדת לרזולוציה אף גבוהה יותר מהרמה האטומית, אל הרמה התת-אטומית בה אלקטרונים נעים במהירות הנמדדת באָטוֹ-שניות. אם מאה פמטו-שניות לוקח לאור לחצות את עובי השערה, ייקח לו כעשרים אטו-שניה להקיף את אטום המימן. בניסויים שלנו אנחנו שואפים לגלות כיצד אלקטרונים נעים בזמנים אלו. מה קורה, למשל, כאשר תולשים אלקטרון ממולקולה? כיצד ובאילו זמנים שאר האלקטרונים במולקולה מתארגנים מחדש?

כיום יש מעט מאוד ניסויים בעולם שמצליחים לייצר סרטים ברזולוציה של אטו-שניה וגם הם מאוד בסיסיים. אנחנו שואפים לייצר סרטים ארוכים ומדויקים יותר שייפתחו אשנב לעולם הזעיר הזה. מצד אחד, ישנן תיאוריות רבות שהצטברו עד היום שצריך להעמיד במבחן המדידה, ומצד שני, מהניסויים שלנו עולות גם תופעות חדשות שאנחנו לא מצליחים להבין ואותן אנו מפנים חזרה לתיאורטיקנים כדי שיעזרו לנו לספר את הסיפור של מה שאנחנו רואים.

כיצד את רואה את העתיד של תחום המחקר שלך?

ברמה הטכנית, מערכת הצילום, שתופסת אצלי שטח של מעבדה גדולה ועולה כמיליון דולר, תהפוך לקטנה, נוחה לתפעול וזולה יותר. ברמה המהותית, האשנב הזה שנפתח לעולם שעד לא מזמן יכולנו רק לשער מה קורה בו, מעלה את התהייה, האם נגלה דברים חדשים על הטבע. ככל שנשכלל את אמצעי המדידה נוכל לשאול שאלות חדשות (כמו למשל, מה קורה כשאתה שם הרבה אלקטרונים יחד, אילו סוגי אינטראקציה הם מנהלים) וניתקל גם בתשובות לשאלות שטרם שאלנו. אולי בעתיד הרחוק נוכל אף לפתח טכנולוגיית צילום במהירות של זפטו-שניה (סקסטיליונית השניה: אפס נקודה עשרים ואחד אפסים שאחריהם 1) וכך למדוד תהליכים שמתרחשים בגרעין האטום עצמו.

מהו ההסבר האלגנטי, העמוק או היפה ביותר בעיניך לתופעה כלשהי?

לאחר פריצת הדרך של אחמד זֶוויל, ניתן היה לתאר כי זו רק שאלה של זמן, ולא הרבה זמן, עד שהטכנולוגיה שמסוגלת לצלם במהירות של פמטו-שניות תתפתח ותאפשר לנו לצלם בהבזקים של אטו-שניות. בסך הכל, בין שתי המהירויות הללו מפרידות "רק" שלוש ספרות אחרי הנקודה. אבל בטבע ישנם חסמים בסיסיים שמונעים סוגים שונים של התקדמות. לדוגמה: אין טמפרטורה שיכולה להגיע מתחת לאפס המוחלט ואין עצם שיכול לנוע במהירות גבוהה ממהירות האור, גם אם מדובר במעלה אחת בלבד מתחת לאפס המוחלט או קמ"ש מעל מהירות האור. ובכן, גם כאן מתברר שקיים חסם טבעי המגביל את יצירתו של לייזר שיצלם במהירות מתחת לפמטו-שניה. לא משנה כמה ההבזק יהיה קצר, אורך מחזור גל האור של הלייזר הוא מספר פמטו-שניות, שזה זמן ארוך מדי כדי למדוד תופעות כמו תנועת האלקטרונים. ולמרות כל זאת, כפי שציינתי קודם, אנחנו מצליחים למדוד את תנועתם ויש לכך הסבר מאוד יפה.

הכל התחיל בניסוי עם תוצאות מפתיעות ובלתי מובנות בזמנו. בשנת 1988 מדענים מיקדו קרן לייזר בעלת עוצמה גבוהה על אטומים ומדדו את הצבעים החדשים שנוצרו בתהליך. המדידה העלתה צבעים בספקטרום לא צפוי, בתחום האקסטרים-אולטרה-סגול. זהו אור שזמני המחזור שלו נמדדים באטו-שניות ומגיעים כמעט לתחום קרני הרנטגן. מאז לקח עוד כמה שנים עד שחוקר בשם פול קוֹרקרוּם הציג את המודל אשר נתן הסבר לתהליך הבסיסי. הבזקי לייזר חזקים שמשכם פמטו-שניות, הפוגעים במולקולות מסוימות, גורמים לתלישת אחד האלקטרונים, שמיד חוזר חזרה ומתנגש במולקולה ממנה יצא. הבריחה הקצרצרה הזו של האלקטרון (הנקראת "מִנְהוּר") והתנגשותו מחדש גורמות לפליטת חלקיק אור (פוטון) באורך גל קצר בהרבה מזה של הלייזר. הבנה זו העלתה את הרעיון להשתמש בהבזק האור הזה, שנוצר מתוך המולקולה, כדי "להקפיא" את תנועת האלקטרונים ולצלמם. במילים אחרות, אפשר להגיד שזהו דיוקן עצמי: באמצעות מנהור האלקטרונים בערוצים שונים של המולקולה והתנגשותם בה מחדש, אנו לוכדים תהליכים במהירות של אטו-שניות.

לגבי מה את אופטימית?

ליכולת לעקוב אחר תהליכים ברזולוציה מולקולרית ואטומית עשויות להיות השלכות מרחיקות לכת בתחומים שונים, כמו לדוגמה עולם הרפואה. רוב ההדמיות כיום נותנות תמונה ברמה המאקרוסקופית (עצמות שבורות, גידולים סרטניים, פעילותם של אזורים במוח). צילום מולקולות באמצעות קרני רנטגן, עשוי לאפשר הצצה לתוך תאים ספציפיים בגופו של אדם, ללא תהליך פולשני.

בעתיד הרחוק יותר, אני אופטימית שהיכולת למדוד תהליכים מולקולריים ואטומיים תתפתח גם ליכולת להתערב באופן אקטיבי ולהכווין תהליכים אלה. המשמעות של זה היא התערבות ושליטה בתכונות החומר עצמו באופן אותו הכימיה הקונבנצונלית עדיין לא מכירה.

מחשבה זו התפרסמה באלכסון ב


תגובות פייסבוק

תגובה אחת על ד"ר נירית דודוביץ'