שיטה חדשנית לצפייה בגבישים ננומטריים

שיטה זו מאפשרת קביעה מדויקת של הסידור המרחבי של האטומים והמולקולות בתוככי שלל חומרים, החל ממלט וכלה בתרופות. השיטה מבוססת על מיקרוסקופיה אלקטרונית ומאפשרת צפייה בגבישים הזעירים ביותר

צורה חדשה לחלוטין לצפייה במבנים ברמתם הננומטרית פותחה באוניברסיטת יוהאנס גוטנברג הגרמנית. שיטה זו מאפשרת קביעה מדויקת של הסידור המרחבי של האטומים והמולקולות בתוככי שלל חומרים, החל ממלט וכלה בתרופות. השיטה מבוססת על מיקרוסקופיה אלקטרונית ומאפשרת צפייה בגבישים הזעירים ביותר.

הסידור של אטומים ושל מולקולות במוצק הוא בעל השפעה מכרעת על התכונות הפיסיקליות של החומר. מבנים כגון אלו נבחנו לראשונה בשנת 1895 באמצעות קרני-רנטגן, שיטה שהפכה מאז להליך יומי-יומי. תחילת המחקר בתחום זה כללה את הגילוי בשנת 1912 כי גבישים מורכבים מסריגים קטנים – מאפיין האחראי למגוון התכונות התרמיות, החשמליות, החזותיות והמכאניות הטמונות בחומרים אלו. "העובדה כי שיטה זו עדיין בעלת השפעה על ההבנה שלנו בנוגע למוצקים ולתכונות שלהם, משתקפת במספר חתני הנובל שזכו בפרס על בסיס אנליזות מבניות," מציינת החוקרת.

בעידן הננוטכנולוגיה, לעומת זאת, המדע מתמקד יותר ויותר בחלקיקים זעירים מאוד, שלא ניתנים עוד לצפייה באמצעות אנליזה מבנית המבוססת על קרני-רנטגן. לדוגמה, אנליזה מבנית באמצעות קרני-רנטגן של גביש יחיד אפשרית רק עד גודל גביש של כמיקרומטר אחד, כלומר – אלפית המילימטר. מתחת לסף זה, יש צורך להשתמש בשיטות אחרות, כגון טומוגרפית השתברות אלקטרונים (electron diffraction tomography) או טומוגרפית השתברות ממוכנת (automated diffraction tomography, ADT) המאפשרות להפיק תמונות מבנה של גבישים פרטניים לראשונה אי-פעם. "זה כמו שהפעלנו זרקור על עולם הננו-מבנים," משתפכת החוקרת הראשית. בדומה למיקרוסקופית אלקטרונים, השיטה מבוססת באופן כללי על הרעיון של אלומת אלקטרונים המכוונת לעבר עצם ואשר משתברת ממנו. תבנית השתברות האלקטרונים מאפשרת קביעת מיקומם של האטומים בתוככי המבנה.

במהלך העשור האחרון קבוצת המחקר של ד"רKolb פיתחה טומוגרפית השתברות אלקטרונים של חד-גביש. ההצלחה הראשונה שלהם הייתה בשנת 2009 עם קביעת המבנה של באריום סולפאט. "מאז, מספר החומרים שאת המבנה שלהם הצלחנו לפענח הפך לעצום," מוסיפה החוקרת. הדוגמה העדכנית ביותר היא קביעת המבנה של הזאוליטITQ-43 תוך שיתוף פעולה עם מדענים ספרדיים וסינים. זאוליטים הינם גבישים המורכבים מתרכובת של חמרן וסיליקאט. הם בעלי נקבים זעירים ההופכים אותם לחשובים במיוחד בתחום של טכנולוגיות אנרגיה וסביבה בזכות הפוטנציאל שלהם לשמש כחומרי-ספיחה, מחליפי-יונים וזרזים. בתחום של טיפול במים, זאוליטים מסייעים להרחיק החוצה מתכות כבדות; בתעשיית הנפט והגז, היישום שלהם היה כעין מהפכה-זוטא בתהליך הפיצוח של נפט גולמי. אנו נתקלים בהם גם בחיי היומיום, לדוגמה, כמרכיב באבקות כביסה. צוות מדענים מהאוניברסיטה הטכנית של ולנסיה הכין זאוליט בעל נקבים קטנים ובינוניים, אשר שילובם יחדיו מוליד זאוליט דמוי משפך, מאפיין המגביר עוד יותר את פעילותם הקטליטית. במאמר שפורסם לאחרונה בכתב-העת המדעי היוקרתי Science החוקרים מתארים כיצד הם קבעו את המבנה הגבישי המורכב של חומר זה באמצעות שיטת ה- ADT.

"ככל שגודלם של גבישי הזאוליט קטן יותר, כך מתגברת יעילותם הקטליטית," מסבירה החוקרת. עבור גבישים בגודל של כמאה ננומטרים, שיטת טומוגרפית ההשתברות הממוכנת היא לעיתים השיטה היחידה המאפשרת התבוננות מלאה ומדויקת במבנה הפנימי. "קיים מספר גדול של חומרים מוצקים, הן טבעיים והן סינתטיים, שעבורם השיטה שלנו יכולה להיות שימושית – חומרים שאינם זמינים או שאינם ניתנים לייצור בגודל גבישי מתאים." כך, במשך השנתיים האחרונות, עברו תחת המיקרוסקופ של ד"ר Kolb מגוון נרחב של חומרים, החל מצבענים ותחמוצות מתכת המשמשים בטכנולוגיות לאנרגיה סולארית, וכלה במחצבים יקרי-ערך.

בהשוואה למיקרוסקופיה אלקטרונית רגילה, טומוגרפית השתברות אלקטרונים הרבה יותר מהירה, וכן מדויקת ושלמה יותר. בעוד שמבני החומרים נקבעו בעבר במשך שנתיים שלמות, התוצאות של השיטה החדשה מתקבלות בתוך יום אחד בלבד. אפילו חומרים הרגישים לאלומת קרינה יכולים, בעיקרון, להיות מתאימים לשיטה זו, אשר מתוארת ע"י החוקרת הראשית כ"טומוגרפיה ממוחשבת (CT) של גבישים".

השיטה חולקת מאפיין חשוב עם טומוגרפיה ממוחשבת אשר מהווה חלק חשוב בהצלחתה: דגימת הניסוי הנמצאת תחת המיקרוסקופ עוברת סריקת שטח הדרגתית באמצעות חוד זעיר במיוחד על מנת לאסוף מידע ממגוון נרחב של זוויות משתנות. בזכות ניצול תחבולה זו, המדענים יכולים להימנע מהבעיה העיקרית הקיימת בתחום זה: יחסי-הגומלין החזקים שבין אלומת האלקטרונים לבין הדגימה הפכו את השתברות האלקטרונים, עד עתה, למסובכת יותר.