החוקים הפיסיקליים המוזרים של עולם הננו

ראיון עם פרופסור אלי ברקאי מאוניברסיטת בר אילן לרגל זכייתו בפרס ברונו על תופעה שעלולה לעכב את כניסת הננוטכנולוגיה לזרם הטכנולוגי העיקרי

.

לפני כחמש שנים החל פרופ' אלי ברקאי, פיסיקאי מאוניברסיטת בר אילן לחקור את פליטת האור של ננו גבישים (גביש שגודלו האופייני מיליארדית המטר המתנהג כמו מולקולה). הבנת טבע פליטות האור ממקור כה קטן נובעת לא רק מסקרנות מדעית, אלא גם מאפליקציות אפשריות בתחום הננוטכנולוגיה.

תחום הננו-טכנולוגיה משלב לראשונה מחקרים בין תחומיים בין מקצועות שקודם היו די נפרדים – פיסיקה, כימיה וביולוגיה. לננו-טכנולוגיה מתוכננים אינספור יישומים בתחומים שונים ומגוונים, החל מכלי נשק מתוכחמים, דרך מטוסים קלים יותר ועד לרפואה. בתחום הרפואה, הרעיון הבסיסי הוא בניית מכונות בגודל של מיליארדית המטר, שיבצעו מה שמבצעות מכונות בקנה המידה הנראה לעין למשל לצורך אבחון, ולפיכך יוכלו לבצע את תפקידיהם במקומות אליהם אין גישה בדרך אחרת, ויתרה מכך הם יוכלו לשייט כצוללת בתוך גוף האדם במטרה לתקוף תאים סרטניים שרק החלו להתפתח, או פירוק זיהומים.

יש עוד קשיים רבים בדרך לבניית ננו-צוללות שיסיירו בגוף האדם. אחד מהם הוא שמתכנני המערכות הללו צריכים מעין פנסים ננומטריים שיאירו להם את הדרך בתוך איזור המטרה של המוצר שלהם, בפרט כאשר מדובר בגוף ביולוגי, שלא לומר – גוף האדם. לדוגמה יש המבקשים להצמיד סמנים פולטי אור למערכת ביולוגית כמו למשל למולקולת RNA-שליח. כדי לראות לאן המולקולה או ה"צוללת" נוסעות, יש לצייד אותן במקבילה הננומטרית לפנסים.

אך כדי שהננו-טכנולוגים יוכלו לפתח את מוצריהם הם חייבים רקע תיאורטי, ואת זה מספק בין היתר ברקאי. הרקע התיאורטי יכול להתוות כיוונים חדשים, או לסתום את הגולל על כיווני מחקר שבהם שום טכנולוגיה לא תוכל להתגבר על חוק טבע בסיסי. התופעה שחוקר פרופ' ברקאי היא תופעת ההבהוב של הגבישים הננומטריים, שהם למעשה הפנסים.

"ברמה של המולקולה הבודדת (ננו גביש בודד) התגלו תופעות פיסיקליות וסטטיסטיות חדשות. בעבר הניחו שכל מולקולה מתנהגת כממוצע ההתנהגות של מולקולות רבות מסוגה, עובדה שאינה עולה בקנה אחד עם הניסוי המודרני של המאה ה-21."

אחת התופעות שהתגלו בננו גבישים היא תופעת ההבהוב. כשאנו מסתכלים מהחלל על עיר איננו מבחינים בכך שהאורות מהבהבים כי ממוצע האור מהמקורות הרבים שבעיר לא משתנה במידה רבה. לעומת זאת כאשר אנו מסתכלים על פנס בודד הוא עשוי להבהב, אך עדיין נראה רוב הזמן אור. ואולם בממדים הקטנים, מדובר במערכות לא יציבות. לא יעלה על הדעת שבנסיעה של שעה בלילה אחד, אורות המכונית ידלקו וייכבו לסירוגין, כך שתוכלו איכשהו לראות את הדרך ואילו למחרת האורות לא יידלקו במהלך כל הנסיעה. בננו-גבישים זה קורה המון. ה"אורות" יכולים להיסגר למשך אלפית השנייה, להידלק בחזרה ופתאום להעלם לשניות, דקות או אף שעות.

פרופ' ברקאי וחבריו פיתחו תיאוריות המסבירות את התנהגות מערכות ננו-גבישים, לרבות הסיבה להבהוב, התכונות הסטטיסטיות של ההבהוב וההבדל בין התחזית של המכניקה הקוונטית לסטטיסטיקות אלה והמצב בפועל. מסתבר שהנחה יסודית המכונה 'ההנחה הארגודית'– לפיה ממוצע הפליטה של אות ממערכת בודדת (לדוגמה נורת להט) יהיה זהה על פני מערכות זהות רבות (מנורות מאותו סוג) – אינה מתקיימת.

אחת ההשלכות האבסורדיות היא שכאשר שולחים סטודנט למדוד את הפליטות מאותם ננו-גבישים, לא רק האות האקראי המתקבל שונה מניסוי לניסוי אלא גם ממוצעי התוצאות שונים מסדרת ניסויים אחת למשניה ואין לכך דבר עם כישרונו של אותו סטודנט, אלא עם העדר ההגיון במערכת הננומטרית. התיאוריה שפיתחו ברקאי ועמיתיו, ואשר גם נוסו בידי עמיתים מתחום הפיסיקה הניסויית בבר-אילן מאפשרת לחזות את התפלגות ממוצעי הדגימות ומספקת את הנוסחה לכך.

האם מדובר במכשול שניתן יהיה להתגבר עליו, או שתופעת טבע שאין לעקפה היא זו שתרחיק לעד את השימוש בננו-גבישים ממפתחי המערכות הננומטריות, ימים יגידו. פרופ' ברקאי סבור שהעדויות הולכות ומצטברות בכיוון זה, אך יש להמשיך ולחקור את תופעת ההבהוב כדי להבין אותה עד הסוף על מנת לדעת זאת.

פרופ' אלי ברקאי התחיל את הקריירה האקדמית שלו באוניברסיטת ת"א, שם למד אצל פרופ' ויקטור פלורוב במחלקה לפיסיקה, ושיתף פעולה במחקרים עם פרופ' יוסי קלפטר מהמחלקה לכימיה. בהמשך שהה באוניברסיטאות חשובות בארה"ב: MIT שם עבד עם פרופ' רוברט סילבי (SILBEY) ואוניברסיטת נוטרדם. כאשר שב לארץ נקלט בבר אילן, פרסם מאמרים רבים ובשנת 2006 אף זכה בפרס קריל למחקר מדעי, פרס המוענק ע"י קרן וולף למדענים ישראלים צעירים.