מדען אורח פרופ' חוסאם חאיק

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

כדי להביא את מגמת המזעור באלקטרוניקה לשיא, השאיפה בעשורים האחרונים היא להצליח לפתח אלקטרוניקה מולקולארית. רוב הניסיונות בשלושים-ארבעים השנה האחרונות התמקדו ביצירת שכבות מולקולריות אידיאליות בעובי של כמה אנגסטרומים עד כמה ננומטרים. אבל ככל שהתקרבו לשכבה האידיאלית הזו, כך הלכה והחריפה הבעיה: לא ניתן היה לייצר שכבה דקיקה כזו מבלי שייווצרו בה חורים. לכן, אחרי כמה עשרות שנים ועשרות אלפי מאמרים עם הצלחות מינימליות לייצר שכבה מולקולרית רציפה, ההרגשה הייתה שהתחום אינו הולך בכיוון הנכון. אבל לפני שסתמו עליו את הגולל, החליטה קבוצת מדענים בתחילת העשור הקודם, שאם אי אפשר לייצר שכבה מולקולארית ללא חורים, יהיה מעניין לפחות לברר כיצד החורים הללו משפיעים על ההתקן. הסקרנות המדעית הזו הובילה למחקר עם ממצאים שהיכו את כולם בתדהמה: בחלק מכובד מהמקרים, נמצא כי הדפקטים בשכבה המולקולרית לא השפיעו לרעה על ההתקן, אלא בדיוק להיפך: הם דווקא הגבירו את התכונות החשמליות של ההתקן עד פי מיליון ממה ששכבה אידיאלית לחלוטין היתה משיגה. התוצאות הללו החזירו לתמונה את התקווה לפתח אלקטרוניקה מולקולארית וכבר היום אנחנו רואים תוצאות מרשימות בתחום המדעי עם השלכות ויישומים פוטנציאליים מעוררי השראה בתעשייה ובעולם הרפואה.

מהם המחקרים שמעסיקים אותך בתקופה זו?

אני עוסק בחיישנים מתקדמים המבוססים על ננו-חומרים. בממדים אלה, של מיליארדית המטר (שווה ערך לקוטר השערה חלקי מאה אלף), תכונות החומרים שונות מאוד מתכונותיהם בעולם המאקרוסקופי ומכאן עולים יתרונות רבים, כמו למשל יחס גדול של שטח פנים לנפח. מכיוון שתפקידו של חיישן הוא לקלוט מידע כלשהו ולהמיר אותו לאות חשמלי או אופטי, שטח פנים גדול ביחס לנפח הוא יתרון עצום. ככל שהשכבה שאתה בונה מסוגלת לספוח יותר חומרים מהסביבה או מדגימת המטרה, כך היא רגישה יותר. כאמור, בשל החורים במרקם החיישן, גם היעילות החשמלית עולה על זו שבחומרים בעובי נראה לעין וכך, מתקבל חיישן רגיש באופן יוצא דופן וזוהי רגישות שנדרשת בכל הפרויקטים בהם אנחנו מעורבים. דוגמא טיפוסית ליתרון זה קשור לגילוי חומרים מסוכנים לבריאות במהלך טיסות. ידוע כי בני אדם מפרישים מגופם קיטון ובמהלך טיסות ארוכות, כשהחומר הזה כלוא בחלל המטוס, הוא מאוד לא בריא לנשימה. בשיתוף פעולה עם אחת מחברות התעופה הגדולות בעולם, אנחנו עובדים על חיישן שיקלוט את רמות הקיטון באוויר אך כיוון שהן מזעריות, חיישנים בעלי שטח פנים גדול עשויות לאפשר גילוי מהיר ומדויק.

סיבה נוספת לעיסוק בחומרים בקנה מידה ננומטרי, היא האפקט הקוונטי. אם תיקח חומר כלשהו ותשנה את גודלו, אז ברמות מאקרוסקופיות לא קורה משהו משמעותי- הוא רק נעשה קל או כבד יותר. אך ברמות ננומטריות, שינוי בננומטר אחד משנה את התכונות הכימיות והפיסיקאליות של החומר- צבעו משתנה, המוליכות שלו, התכונות הכימיות, מידת הספיחה ועוד. עד היום, הצרכים השונים בתעשייה גרמו לכך שנתעסק עם אינספור סוגי חומרים, כל חומר והתכונות הדרושות לשם היישום שעליו לבצע. אבל ברמה הננומטרית, ניתן להשתמש בחומר אחד. בכוונון גודלו ניתן לקבל מגוון עצום של תגובות שונות, וכתוצאה מכך, יישומים שונים. המשמעות של זה היא לא פחות ממהפכנית, כי במקום להשתמש במיליוני חומרים, התעשייה יכולה להשתמש במגוון מצומצם יותר באופן משמעותי, ובכך לחסוך בעלויות ייצור.

התחום העיקרי שמעסיק 36 חוקרים במעבדות שלי, הוא פיתוח חיישנים ננומטריים לאבחון מחלות. הרעיון הוא לדמות את עיקרון ההרחה של בעלי חיים, אלא שבמקום קולטנים ביולוגיים שימירו את המסר הכימי לאות חשמלי, אנחנו משתמשים ברכיבים אלקטרוניים ננומטריים, ובמקום המוח המפענח את המסרים, אנחנו משתמשים באלגוריתמים במחשב. בכל המחלות נפלטים חומרים אורגניים לדם ומשם, ברמות מזעריות ביותר, לריאות ולנשימה. לכן, בדומה לאופן בו יצור חי לומד להכיר ריח, אנחנו מאמנים את המערכת, המוכרת בשם "האף האלקטרוני", לזהות תבניות מסוימות של קלט שיוצא בנשימה של הנבדק.

לאחר שהצלחנו לגרום לאף האלקטרוני לזהות סרטן ריאות (בין אם הסרטן ממאיר או שפיר, כולל זיהוי השלבים השונים של המחלה), הרחבנו את האבחון גם לסוגי סרטן אחרים (קיבה, כליה, שלפוחית השתן ועוד), מחלות כבד, רעלת היריון ושחפת, שהיא גורם מוות מרכזי במדינות עולם שלישי. אחת ההפתעות הגדולות ביותר מהזמן האחרון, היא שהצלחנו לאתר אפילו פרקינסון, מחלה נוירולוגית בבסיסה. גילינו ששינוי ברמת הדופמין במוח משרה חומרים כימיים בדם היוצאים החוצה עם הנשימה.

בשנתיים האחרונות אנחנו גם עובדים על שילוב החיישנים הננומטריים במצעים גמישים הניתנים לקיפול ומתיחה. זה עשוי להוביל לתפיסה חדשה של עולם האלקטרוניקה. הפוטנציאל טמון לא רק בהנדסת אנוש במוצרים שונים (תאר לך שניתן יהיה לקפל את הסמארטפון, לגלגל ולדחוס אותו לכדור קטן) אלא הרבה מעבר לכך. חיישנים על מצע אלסטי יוכלו לשלב מספר פונקציות המקבילות לעור אנושי: להרגיש מגע ולחיצות, לחוש בלחות וטמפרטורה, להבחין בחומרים רעילים ועוד. יישום של עור מלאכותי כזה לא יסולא בפז עבור קטועי גפיים המשתמשים כיום בפרוטזות. בנוסף, העור המלאכותי עשוי גם לתפקד כמדבקות לניטור המצב הבריאותי, שכן אותם חומרים נדיפים המעידים על מחלה אשר מופרשים דרך הנשימה, מופרשים גם דרך העור שלנו. לאחרונה זכינו בפרס ביל גייטס על החידוש הזה לניטור שחפת.

מדבקות עור מלאכותי ייעודיות לאנשים מבוגרים עשויות להזעיק רופא במקרה של סכנה. תאונות בתחום התעופה, שנגרמות כתוצאה מסדקים זעירים בגוף המטוס, עשויות להימנע מראש אם נעטוף את המטוס בשכבה דקיקה של עור מלאכותי שיעקוב באופן תמידי אחר המבנה החיצוני. תחום הרובוטיקה גם הוא עשוי לקבל דחיפה. כיום ישנם ניתוחים בהם רופאים נעזרים ברובוטים ואם נצייד רובוטים אלה בחיישני עור מלאכותי, נוכל לפתח עבורם מוטוריקה מורכבת יותר. למעשה, באופן כללי, אפשר לומר שהיתרונות שנוכל להפיק מחיישני העור המלאכותי הזה הם ככל שהדמיון יותיר לנו.

כיצד אתה רואה את העתיד של תחום המחקר שלך?

את כל היתרונות הטמונים בחיישנים הננומטרים, אפשר לסכם ביכולת לנטר עוד ועוד תהליכים באופן מהיר וזול. כדי להבין את המשמעות של זה, ניקח לדוגמה בדיקת ביופסיה לבדיקת קיומו של גידול סרטני. ראשית, צריך לבחון האם גופו של הנבדק יעמוד בבדיקה. אם התשובה חיובית, הוא נכנס לחדר ניתוח עם הרדמה, שם מחדירים מחט לאזור החשוד כדי לקחת רקמה לבדיקה. אם היא נלקחת מאיברים פנימיים, יהיה סיכון לדימום פנימי, שמשמעותו סכנת חיים פוטנציאלית. לאחר התהליך הזה, נותר להמתין: הנבדק ממתין שהטשטוש ייעלם, ממתין עוד כמה שעות לוודא שאין דימום, וממתין ארבעה ימים עד שלושה-ארבעה חודשים לקבלת התוצאות (תלוי בסוג המידע הקליני הדרוש). העתיד של השימוש בחיישנים ננומטריים הוא מערכת זולה וקלה לתפעול ולניוד, שאינה כרוכה בתהליך פולשני, שחוסכת מהמשתמש את התהליך הבירוקרטי והתורים, וגם כזו שתוך חמש דקות עד שעה תציג על מסך הסמארטפון אם עליך ללכת לראות רופא או שהכל בסדר. החזון שלנו הוא להצליח להכניס את כל היתרונות הללו לחבילה אחת.

חשוב להבין שהנוחות או ההיבט הכלכלי הם רק קצה הקרחון ביתרונותיה של מערכת כזו. סרטן מתפתח במשך שנים ורק בשלבים יחסית מאוחרים החולה חש בסימפטומים ששולחים אותו לרופא. בשלב זה, במקרה של סרטן ריאות, למשל, אחוז ההישרדות (במסגרת חמש שנים מזמן גילוי המחלה) הוא 10% - 15%. ניטור מהיר וזול מאפשר לעשות הרבה בדיקות ספורדיות וכך לגלות את המחלה בשלביה המוקדמים, בהם אחוז ההישרדות מרקיע ל- 70%.

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

כאמור, פריצת הדרך שתיארתי קודם, נבעה מהגילוי שהחורים במשטח מולקולרי אינם בהכרח משפיעים לרעה על ההתקן. במקרים בהם החורים מגבירים את היעילות של ההתקנים, הסיבה לכך היא פשוטה למדי. בשכבה רציפה כל מולקולה תפוסה בהרבה מולקולות מכל עבר ולכן היא חולקת את המטען החשמלי שלה עמן, ויכולתה להשרות אפקטים חשמליים פוחתת. המולקולות על שפת החור חופשיות בצד אחד ולכן הן מצליחות לשחרר לחלל חשמל אלקטרוסטטי באין מפריע. אבל מכל הסיפור הזה עולה גם שאלה מעניינת אחרת, שאלה מוכרת שאנחנו מדי פעם שואלים את עצמנו לגבי סוגים שונים של גילויים: איך אף אחד לא חשב על זה קודם. ההסבר לכך הוא פחות טריוויאלי.

עשרות שנים מדענים היו שבויים בדפוס מחשבה שצריך להבין שהוא בסך הכל מאוד אינטואיטיבי ולגיטימי: כדי להגיע לאפקט מקסימלי צריך לשאוף להגיע למוצר אחיד, סטרילי, שלם, נשלט באופן מלא על ידי יוצריו, ממש כמו המוצרים שאנו מייצרים בבתי החרושת. לכן קל להבין את האכזבה: מדענים התמקדו ביצירת מוצר מושלם אך שוב ושוב הם הגיעו למשטח מחורר באופן בלתי נשלט. ואז, פתאום מתגלה להם כי דווקא המוצר הבלתי מושלם הוא התשובה, דווקא הוא הפתרון שיעילותו עולה עשרות מונים על זו של המוצר המושלם לכאורה. וכל מה שהיה צריך לעשות כדי להגיע לפתרון הזה, הוא להישיר מבט לתופעה עצמה שנחשבה למכשול ולשאול למה היא בעצם מכשול, מה תכונותיה, מהן השפעותיה מלבד היותה מכשול.
אני חושב שמוסר ההשכל כאן הוא שלא צריך לשאוף לאידיאל כי הטבע פשוט לא עובד כך. אנחנו חיים בעולם לא אידיאלי, מלא חורים אקראיים, ואף על פי כן, הוא עובד ביעילות מופלאה. התובנה הזו השפיעה עלי עמוקות. אחת המשמעויות שלה, היא שמבט עמוק בתופעה שנחשבת למכשול בדרך למטרה שהגדרנו, עשוי לשנות את המטרה עצמה ולסלול נתיב חדש.

לגבי מה אתה אופטימי?

כמו בכל קהילה, גם בקהילה המדעית אדם שחושב בצורה החורגת מהנורמות והמאיימת על הסטטוס קוו, יתקל בדחייה בדרך כלל. זה האינסטינקט הראשוני של כל קהילה כחלק ממנגנון ההגנה שלה, שאת יתרונו קל להבין: חדירה קלה מדי של כל רעיון, שטותי ככל שיהיה, לזרם המרכזי, היא מתכון לאנרכיה. לכן החתירה מהשוליים למרכז תמיד מלווה באנרגיה עצומה. אבל הצד השני של המטבע, הוא גם חיסרון בולט: פסילה על הסף רעיונות שעשויים להיות טובים ואפקטיביים. אנחנו תמיד נוטים לזכור את אלה שהתמידו ברעיונותיהם, ה"משוגעים" שהוכּרו בסופו של דבר כגאונים, אבל אי אפשר לדעת כמה רעיונות טובים אך לא מספיק עיקשים איבדנו בדרך.

בקהילה המדעית ההתנגדות לחריג עלולה להיות חריפה יותר וזאת משתי סיבות. כיוון שהמדע מתקדם לאור עיקרון ההפרכה, מדען טוב צריך להפעיל חוש ביקורתי והתנגדות למצב הקיים, תכונות שמובילות אותו למסקנות המושכות את האש לפעמים. סיבה נוספת, היא שבבסיס הצעות מחקר רבות עומדים רעיונות תיאורטיים לחלוטין. כאשר יזם סטרטאפ מבקש מימון מקרן הון סיכון, הוא נדרש לסמן מטרה פוטנציאלית כלשהי, גם אם הרעיון של הסטרטאפ שלו נחשב מטורף. רעיונות מדעיים רבים שנחשבים מטורפים מתקשים לסמן מטרה מוגדרת. פעמים רבות מדענים מגיעים לתוצאות שלאף אחד אין מושג מה לעשות איתן ורק כעבור שנים, אם בכלל, מתגלית משמעותן העמוקה יותר שעשויה אף לקבל ביטוי בעולם הפרקטי.

לאור כל זאת, איך אפשר לצפות שרעיונות מדעיים חדשים ומוזרים, ועל אחת כמה וכמה כאלה שנחשבים למטורפים, יקבלו הזדמנות להוכיח את עצמם? קבלת מימון למחקר כרוכה כיום בשכנוע וועדות, שהוא לעיתים תהליך מפרך למדי. ולמרות הכל, ההזדמנויות בחלק מהמקרים ניתנות; המגמה חיובית ואני אופטימי שהיא תגבר. חשוב להבין שזו לא שאלה רק של כסף, אלא גם (ואולי בעיקר) של פתיחות מחשבתית. המנגנונים בקהילה המדעית מכירים בחשיבותם של רעיונות בלתי קונבנציונאליים וביכולתם לדחוף את המדע קדימה. באיחוד האירופאי יש אף מענקים המיועדים בדיוק לשם רעיונות חריגים מראש, עם סיכוי גבוה שהם יכשלו. במקביל, מדענים צעירים מרשים לעצמם חירות מחשבתית וצוברים אומץ לצאת מהקופסה.