מדען אורח פרופ' דן אורון

כיצד ננו-מבנים יסייעו לנו לנצל טוב יותר את אור השמש, איזה פיתרון הם מציעים לחידה העתיקה "מה גורם לקשקשי הדג להיראות כסופים", ומדוע הם יקבלו ביטוי ברוב טכנולוגיות העתיד?
X זמן קריאה משוער: 5 דקות

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

כידוע, ככל שמוגברת הרזולוציה במיקרוסקופ, מה שנראָה קודם לכן כמרקם אחיד, מופרד לפרטים קטנים יותר ויותר. בשנת 1873 ארנסט אָבֶּה, הפיסיקאי והיזם הגרמני שהיה ממגלי עקרונות האופטיקה המודרנית, ניסח את מגבלות הרזולוציה במיקרוסקופ אור, וקבע שהאובייקט הקטן ביותר שניתן להבחין בו לא יקטן מחצי אורך הגל של האור. הקריטריון שאבה הגדיר הפך לאקסיומה שהחזיקה מעמד למעלה ממאה שנה ועד לא מזמן נלמדה בקורסי מבוא באוניברסיטה כגבול בלתי-עביר. פריצת הדרך התרחשה ב- 1994, כאשר שטפן הל הגרמני פרסם רעיון למיקרוסקופ אור ששובר את הגבול שהגדיר אבה. לאחר מכן הומצאו שיטות נוספות וכיום יש תצורות שונות של מיקרוסקופים הפועלים בסופר-רזולוציה. למעשה, עקיפה של כל אחת מהנחות היסוד של אבה סוללת את הדרך לפיתוח שיטה לפרוץ את הגבול שהוא קבע.

מה שמעניין בסיפור הזה, הוא שהנחות היסוד של אבה התערערו זמן רב לפני פריצת הדרך של הל, בעיקר בזכות חידושים טכנולוגיים שהפכו את המהלך הזה למתבקש. אפשר אולי לנחש אפילו, שאילו אבה היה חי עד סוף שנות החמישים והיה מודע לטכנולוגיית הלייזר שהומצאה אז, ייתכן אף שהוא עצמו היה מכיר במגבלות של הנחות היסוד עליהן הסתמך. כמו למשל הנחתו שכמות האור שנבלעת בחומר היא לינארית וככל שנקרין יותר אור על אובייקט, כך תגובתו תגבר ביחס ישר. עם המצאת הלייזר, שבירה של הנחת יסוד זו הפכה קלה. למרות כל זאת, במשך כל השנים אף אחד לא העז לקרוא תיגר על גבול הרזולוציה שקבע אבה. לכן, למרות שפריצת הדרך היא בתחום הפיסיקה, הייתי אומר שהיא בעיקר פסיכולוגית: היה דרוש "חוצפן" אחד שיקום ויציע אלטרנטיבה למה שנתפס עד אז כמובן מאליו.

מהם המחקרים שמעסיקים אותך בתקופה זו?

רוב עבודתי עוסקת בננו-חלקיקים. למשל, אנחנו שואפים למצוא דרך יעילה להמיר אנרגיה נמוכה באנרגיה גבוהה. כלומר, לקלוט באמצעות ננו-חלקיקים קרני אור באורך גל ארוך (בספקטרום האדום, נניח) ולפני שהם יספיקו להפוך לחום, להמיר אותם לפוטונים של אור באורך גל קצר יותר (למשל ירוק). בכך טמון פוטנציאל רב בתעשיית התאים הפוטו-וולטאיים, שהם הלוחות הסולאריים להפקת אנרגיה חשמלית מקרינת השמש. כיום ישנה קרינה רבה המגיעה מהשמש, כמו קרני אור אינפרה-אדומות, שהלוחות הסולאריים אינם מסוגלים לנצל. בתור הקבלה, אם לא היה ביקוש לתפוחים מתחת לגודל מסוים, הרבה מהתנובה של מטעי התפוחים היתה מתבזבזת. היכולת לרתום את הקרינה האינפרה-אדומה ולהפוך אותה לאנרגטית יותר וכך להמירה לחשמל, משולה במקרה הזה ליכולת לקחת שני תפוחים קטנים ולהפיק מהם תפוח אחד גדול וראוי.

כמו כן, ישנן תופעות אותן אנו חוקרים בשיתוף עם קבוצות מחקר אחרות, ללא כוונה לפתחן ליישום כלשהו. למשל, מעניין אותנו לדעת מדוע קשקשי הדג הם כסופים. אין הכוונה לשאלה מדוע יכולת זו התפתחה מבחינה אבולוציונית וכיצד היא מסייעת לדגים מול טורפיהם, אלא ברמה הפיסיקלית: למה הם בצבע כסוף. זו שאלה שמעסיקה מדענים כמה מאות שנים. לפני כמאה חמישים שנה התגלה החומר האחראי לתופעה הזו (גואנין) אך הוא עצמו חסר צבע. אין בו פיגמנטים הגורמים להחזרת אור בתדר מסוים שגורם לנו לראות את הצבע הכסוף. התשובה טמונה במבנה הגבישי שהגואנין יוצר. מערך של לוחות גבישים לוכד את קרני האור באופן שמייצר תהודה מסוימת וזה גורם לאפקט של נצנוץ כסוף. תוכל להבחין באפקט דומה אם תציב שורה של כמה עשרות שקפים במרווחים קבועים זה מזה; למרות שהם כולם שקופים, מה שתראה לנגד עינך הוא מראה כסופה.

אגב, הדג אינו החיה היחידה שמשתמשת בגואנין כדי לייצר את אפקט צבע הכסף. גם עכבישים מסוימים עושים זאת אבל הם משתמשים במבני חומר שונים. כלומר, התוצאה הסופית והזהה היתה חיונית גם לדג וגם לעכביש, אבל באופן מעניין, ההתפתחות האבולוציונית שהביאה אותם לתוצאה זו היתה שונה.

כיצד אתה רואה את העתיד של תחום המחקר שלך?

תחום הננו-טכנולוגיה הוא בחיתוליו ורחוק מאוד ממיצוי. הוא נחקר כיום בעיקר באקדמיה וישנן אלפי קבוצות מחקר בעולם, אבל עדיין לא ברור מה בדיוק יהיו היישומים הפרקטיים אליהם התחום יוביל. בינתיים, לאחר ההצלחה לייצר מבנים פשוטים יחסית, הכיוון הוא לסנתז מבנים מורכבים יותר ויותר. המורכבות ההולכת וגוברת של החלקיקים תאפשר שליטה מגוונת יותר בהם ותגביר את הפוטנציאל היישומי הטמון בתחום. למשל, בעולם הרפואה נבחנים ננו-חלקיקים המוחדרים לגוף ומגיבים לאור מסוים שגורם להם לפלוט תרופה למחזור הדם. בתחום הפוטו-קטליזה, ננו-חלקיקים עשויים לשמש כקטליזטורים שיסייעו להשתמש באור שמש כדי לפרק מים לחמצן ומימן. בהיותו של מימן דלק נקי מרעלים, זו עשויה להיות פריצת דרך בתחום האנרגיה הירוקה. קשה לחזות את שלל האפליקציות העתידיות, אבל התחושה שלי היא שתחום הננו-טכנולוגיה יקבל ביטוי ברוב תחומי החיים שלנו.

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

כדי לפתור משוואות ריבועיות אנחנו משתמשים בנוסחת השורשים המוכרת לכל תלמיד תיכון ונבחן פסיכומטרי. יש גם נוסחאות למשוואה ממעלה שלישית ורביעית אבל כאן, מתברר, זה נעצר. משפט אבּל-רופיני, שיחגוג בקרוב את יום ההולדת המאתיים שלו, מוכיח שלמשוואות ממעלה חמישית והלאה אין ולא יכולה להיות נוסחה כללית שניתן להשתמש בה כדי לפתור אותן. בעיני זהו מסוג ההוכחות שיש בהן מעין קסם, בעצם העובדה שהן מוכיחות באופן מוחלט את קיומו של הבלתי אפשרי. העובדה הנוספת שמדובר בהוכחה פשוטה למדי, שגם סטודנט לתואר ראשון במתמטיקה יבין בלי קושי, הופכת אותה להסבר אלגנטי על אחת כמה וכמה.

לגבי מה אתה אופטימי?

אם חכם יודע להימנע מלכתחילה מצרה שפיקח יודע להיחלץ ממנה, אז הרי שהמין האנושי הוא אולי לא חכם במיוחד אבל בהחלט פיקח. יצרנו פצצות אטום אבל גם יציבות המונעת (בינתיים) את השימוש בהן; יצרנו כימיקלים שגרמו לחור באוזון אבל הצלחנו למתן את השימוש בהם ולמנוע את התדרדרות התהליך. כישלונות הם מחיר הכרחי בתהליכי התנסות, הֶעָזָה והתפתחות, וזו הסיבה שלא ניתן בדרך כלל לחזות את הבעיות מראש. השאלה היא מה עושים כאשר מזהים את הבעיה. האם מחכים לרגע האחרון, עד שהחרב מונחת על הצוואר ואין ברירה, או שנרתמים לתיקון מבעוד מועד. אפשר לקחת את בעיית ההתחממות הגלובלית כדוגמה עכשווית. קשה לעצום את העיניים ולא להודות שהמין האנושי תורם באופן משמעותי לתהליך הרסני של סביבת הקיום שלו, אבל למרות העיסוק בבעיה, היא עדיין רחוקה מלהיות בוערת. אז אפשר להגיד שבאופן כללי אני אופטימי לגבי התושייה של המין האנושי, פחות לגבי התבונה. אבל גם להיות פיקח זה משהו.

מחשבה זו התפרסמה באלכסון ב


תגובות פייסבוק