בר-דעת - רפואה - 15#: סיפורה של טיפה בצורת מגן דוד | פרופ' אלי סלוצקין
- פזית לוי
- Jun 24
- 7 min read
האם חשבתם פעם על צורתן של טיפות המים? ידוע שהן מחודדות בחלקן העליון ועגולות בחלקן התחתון. פרופ' אלי סלוצקין מהמחלקה לכימיה, גילה כי ניתן לייצר טיפות בצורת משולשים או מגן דוד, ואף להשתמש ביכולת זו בפיתוחים ננוטכנולוגיים, בתעשיית התרופות ובתעשיית הנפט.
תאריך עליית הפרק לאוויר: 26/08/2021.
[מוזיקת פתיחה]
קריין: "בר-דעת", הפודקאסט של אוניברסיטת בר-אילן. והפעם פרופסור אלי סלוצקין מהמחלקה לפיזיקה והמכון לננו-טכנולוגיה וחומרים מתקדמים על סיפורה של טיפה בצורת מגן דוד.
[מוזיקת רקע]
פרופ' סלוצקין: אני בטוח שכל אחד מכם פעם ראה טיפות של נוזל. טיפות של נוזל כמו דמעה שנופלת מהעין או טיפת גשם, יש להם את הצורה האופיינית שהיא עגלגלה למטה וקצת מחודדת יותר למעלה. הסיבה לצורה הזאת זה כוח הכבידה של כדור הארץ. עכשיו תדמיינו טיפת נוזל הרחק מכדור הארץ, במקום של חוסר משקל. שם טיפות נוזל, כל טיפת נוזל, היא בהכרח כדורית לגמרי. והסיבה לזה זה מתח הפנים. כדי להבין מה זה מתח הפנים, תשימו לב לכך שכל טיפה של נוזל מורכבת ממולקולות. מולקולות בגוף הטיפה מוקפות על ידי מולקולות זהות להן, ולכן הן במרכאות "מרוצות". מולקולות על פני הטיפה יש להן פחות שכנים קרובים מהסוג שלהן, ולכן הן פחות מרוצות. מולקולות לא רוצות… אנרגטית לא כדאי להן להגיע לשכבת הפנים. ולכן מספר המולקולות בשכבת הפנים של טיפה ממוזער, הוא מזערי האפשרי. כדי למזער את מספר המולקולות בשכבת הפנים, הטיפה מקבלת צורה כדורית. כי זוהי הצורה שממזערת את שטח הפנים עבור נפח נתון.
[מוזיקת מעבר]
ובכן, הקבוצה שלי גילתה לפני כמה שנים, שבתנאים מסוימים, טיפות של נוזלים מסוימים, מקבלות צורה שהיא לא כדורית. צורה של פאונים מוגדרים היטב, נשלטים על ידי טמפרטורה. אנחנו משנים את הטמפרטורה, הטיפות האלה הופכות מכדוריות לצורה של פאונים, ועל ידי שינוי נוסף של טמפרטורה הצורה משתנה מסוג פאון אחד לסוג פאון אחר. זאת אומרת, אנחנו יכולים ממש לראות טיפות בצורה של למשל אִיקוסָהֶדרון. איקוסהדרון זה פאון שיש לו 12 קודקודים ו-20 פאות. אנחנו יכולים לראות טיפות בצורה של מגן דוד, כן? מין כרית כזאת בצורה של מגן דוד. וגם פאונים אחרים, משולשים, מרובעים וכן הלאה, כאשר כל הצורות האלה נשלטות טמפרטורה. זאת אומרת על ידי שינוי טמפרטורה, אנחנו גורמים לטיפה לעבור מצורה לצורה לצורה.
התופעה הזאת היא מאוד מפתיעה והאמת היא שגילינו אותה, זה מאוד הפתיע אותנו. לא ציפינו לזה, גילינו את זה למעשה במקרה. ייתכן שהגילוי הזה נראה מבחינתכם אקדמי לגמרי, וכן, למי אכפת מטיפות נוזל, אבל יש טיפות נוזל בחומרים סביבנו והתכונות של הטיפות האלה חשובות לחומרים שאנחנו משתמשים בהם. ויותר מזה, על ידי ההבנה של המנגנונים שגורמים לטיפות האלה לקבל את צורתם, אנחנו יכולים להבין איך נוצרים… איך נוצרות טיפות באורגניזמים חיים שסביבנו, אורגניזמים מסובכים בהרבה מהטיפות האלה. זוהי מערכת פשוטה שיכולה ללמד אותנו דברים על מערכות מסובכות בהרבה.
[מוזיקת מעבר]
כפי שאמרתי, גילינו את התופעה הזאת כמעט לגמרי במקרה. המטרה שלנו הייתה לצפות בתהליך ההתכה של גבישונים קטנים של שמן. הגבישונים האלה, שמנו אותם בתוך תווך מימי, תווך של מים עם קצת סבון, מולקולות סבון שמוספות לסביבה המימית. תהליך ההתכה של הגבישונים האלה, בסוף התברר להיות הרבה יותר מסובך ממה שחשבנו, אבל אחד הדברים המעניינים דווקא קרה כתוצר לוואי של המחקר הזה. סטודנט קיץ, שמו צביקה ספיר, היום עובד ב"אינטל", היה אמור להוביל את הפרויקט ולמדוד את טמפרטורות ההתכה של הגבישונים, על ידי טכניקה שנקראת קלורימטריה. למעשה מודדים את החום ההולך לדגם, או הנפלט מהדגם, במהלך של התכה של גבישים או קיפאון של גבישים. התוצאות לא תאמו למה שציפינו ולכן יום אחד הוא דיבר על זה עם חבר שלו וחבר שלו הציע לו להסתכל על הטיפות האלה בדרך מיקרוסקופ אופטי. לא היה לי ברור בשביל מה להסתכל על זה דרך מיקרוסקופ אופטי, התנגדתי לכל הרעיון, אבל צביקה בחור עקשן והלך והסתכל על זה דרך מיקרוסקופ אופטי מאוד פשוט. לנו במעבדה לא היה מיקרוסקופ אופטי, כי באותה תקופה התעסקנו אך ורק במחקר על ידי קרני רנטגן, במאיצים, כן? מיקרוסקופ אופטי בכלל לא היה חלק מהטכניקות הרלוונטיות מבחינתנו.
אז צביקה הלך למעבדה אחרת וביקש מהם להשתמש במיקרוסקופ האופטי שלהם. כאשר הוא הסתכל, חזר אחרי זה אליי והוא אומר לי: "תשמע, הטיפות האלה הם בכלל לא כדוריות. זה משהו מטורף קורה שם. זה נראה כמו מערכת ביולוגית, נראה כמו תאים חיים". אמרתי לו: "יש לך זיהום בתוך הדגם ו… כן? תנקה הדגם יותר טוב, תחזור אליי שוב". אחרי כמה זמן חזר אליי, הוא אומר לי: "ניקיתי את הדגם, זה עדיין אותו דבר". בשלב הזה לא הייתה לי ברירה, הלכתי, הסתכלתי דרך המיקרוסקופ וראיתי שהטיפות משתגעות לגמרי. חלקן מגדלות זנב, זזות ממקום למקום, רובן הופכות למין מקלונים כאלה וכל מיני צורות משונות. לא הבנו אפילו איזה צורות אלה כי המיקרוסקופ היה יחסית פשוט וכן, אי אפשר היה לזהות ממש את הצורה התלת-מימדית של האובייקטים שאנחנו רואים. באותה תקופה הייתי דוקטורנט אצל פרופסור משה דויטש כאן באוניברסיטת בר-אילן במחלקה לפיזיקה, גם הוא. דיברנו איתו, ניסינו להבין מה קורה אבל לא ממש הבנו. אחרי כמה חודשים, בגלל ניסויים אחרים שעשינו עם מערכת מאוד דומה, התחילו קצת להופיע תובנות ואפילו פרסמנו את זה כנספח לאיזשהו מאמר, לא יכולנו באותו שלב לעשות מזה עניין גדול כי לא הבנו את עיקר הדברים.
[מוזיקת מעבר]
אחרי זה אני סיימתי את הדוקטורט, יצאתי לפוסט דוקטורט באוניברסיטת הרווארד לכמה שנים. חזרתי אחר כך כראש מעבדה וגם כמומחה לטכניקות מיקרוסקופיה אופטית. ובשלב הזה אמרתי אוקיי, צריך לחזור לפרויקט הזה ולנסות, לנסות להבין באמת מה קורה שם. אז החלטנו ביחד עם פרופסור משה דויטש להמשיך את הפרויקט. הייתה סטודנטית מאוד טובה שבאותו שלב הגיעה אלינו, שני גוטמן, היום דוקטור שני גוטמן. ביחד איתה, בעזרת המיקרוסקופ ההרבה יותר חזק שהיה אצלי במעבדה בשלב הזה, הצלחנו לפענח את הצורות, איזה צורות נוצרות כאן. ראינו שחלק מהצורות אפשר לזהות אותן כאיקוסהדרון. זאת אומרת אסטרימונים, גם את הצורות האחרות הצלחנו לזהות מה הן, ואז התחלנו להבין את המנגנון שמנהל את התופעה הזאת.
[מוזיקת מעבר]
לקחנו שמן, לא שמן מהמכולת, שמן מאוד נקי שיש בו רק סוג אחד של מולקולות בלבד, מולקולות של שמן שהן מאוד מאוד מסוימות והן רכיב מאוד חשוב למשל בתעשיית הנפט. המולקולות האלה ערבבנו אותן בתוך מי סבון. שוב פעם, לא סבון מהמכולת, מולקולת סבון מאוד מאוד מסוימת, מה שנקרא סורפקטנט, או חומר פעיל שטח, מאוד מסוים וכשמערבבים את זה נוצרת אמולסיה. אמולסיה זה טיפות של שמן שהן מסתובבות בתמיסת סבון מימית. אמולסיות נפוצות מאוד בחיי יומיום, יש צבעים שהם אמולסיות, יש… טוב, חלב, דם… כן? יש עוד הרבה דוגמאות של אמולסיה בחיי יומיום. כשלוקחים את האמולסיה הזאת ומקררים אותה, הטיפות בטמפרטורות גבוהות הן כדוריות, בקירור הטיפות הופכות לצורה שנקראת איקוסהדרון, עשרימון, פאון עם 12 קודקודים ו-20 פאות. כשמקררים עוד זה הופך למין כרית שטוחה כזאת עם מספר פאות מאוד מוגדר, שלוש פינות, ארבע פינות, שש פינות, וכשמחממים שוב זה יכול למשל לקבל צורה של מגן דוד. כרית בצורה של מגן דוד עם שש פינות מאוד ברורות ויפות. ואם מחממים את זה הרבה, הטיפות חוזרות להיות כדוריות.
[מוזיקת מעבר]
אז איך התופעה הזאת מתרחשת? מתברר שיש כאן מנגנון מאוד מעניין שנקרא Interfacial Freezing, קיפאון הפנים. שכבת הפנים של הטיפות זה המקום היחיד במערכת שבו מולקולות הסבון, הסורפקטנט, פוגשות את מולקולות השמן. כי מחוץ לטיפות אין מולקולות שמן ובתוך הטיפות אין מולקולות סורפקטנט. אז הן נפגשות רק בשכבת הפנים של הטיפות האלה. וכשהן נפגשות קורה משהו מעניין. מתברר שהצורה של המולקולות האלה מאפשרת להן לקפוא ביחד, לייצר גביש, שהוא גביש הקסגונלי, גביש של משושים, שמצפה את השכבה הזאת. האלסטיות של הגביש הזה היא הגורמת לצורות שאנחנו רואים.
אבל תשימו לב, אל תחשבו על משהו שעטוף בשכבת פח עבה. כי אז זה בכלל גם לא מפתיע שזה מקבל צורה מסוימת. אני רוצה לתת לכם תחושה לגודל של הדברים האלה. תחשבו שאם אני לוקח טיפה טיפוסית ואני מגדיל אותה לגודל של בניין עזריאלי בתל אביב, אז העובי של השכבה הקפואה של השמן והסבון על פני הטיפה, העובי הזה יגיע רק למילימטר בהגדלה הזאת. אז תחשבו על טיפה ענקית בגודל של בניין עזריאלי, ומה שמחזיק אותה זה גביש קפוא בעובי מילימטר שמכסה אותה. זה מדהים איך הגבישים האלה יכולים להיות קשיחים כל כך.
הגביש שנוצר על פני הטיפה הוא גביש הקסגונלי. פירושו של דבר הוא בנוי מהמון משושים. המולקולות מסודרות כך שלכל מולקולה יש שישה שכנים קרובים בדיוק. עכשיו, תחשבו שאתם מנסים לקחת כדור ולצפות אותו עם משושים. מתברר שהדבר בלתי אפשרי. זאת הסיבה למה כדורגל גם הוא בנוי ממשושים. יש בו 12 מחומשים בדיוק. בשביל ליצור שכבה סגורה שבנויה ממשושים, צריך להכניס 12 מחומשים לתוך השכבה הזאת. זה המינימום האפשרי. אז אותו דבר קורה בשכבה שלנו. בנוסף לכל המולקולות שיש להן שישה שכנים קרובים, יש 12 מולקולות בדיוק שיש להן חמישה שכנים קרובים. המולקולות האלה מאוד לא מרוצות. זה אומר יש סטרס אלסטי סביב המולקולות האלה, יש להן אנרגיה מאוד מאוד גבוהה, וכדי למזער את הסטרס האלסטי, הן יוצאות מתוך המשטח, ויוצרות בעצם את הפינות של העשרימון, את הפינות של האיקוסהדרון, שזה הפאון עם 12 פינות. אז זאת הסיבה למה נוצרות הפינות, אהה… נוצרות גם הצלעות, והטיפה מקבלת צורה של איקוסהדרון.
[מוזיקת מעבר]
אחד הדברים המבטיחים שהתופעה הזאת מאפשרת לנו לעשות זה לייצר אבני בניין לחומרים מאוד מיוחדים, חומרים שמחפשים אותם עבור מחשבי העתיד, מחשבים שאולי יעבדו על פוטונים, על אור נראה במקום על אלקטרונים. אולי לא כל המחשב יעבוד על זה, אולי רק חלק מהמחשב, אבל צריך לזה חומרים מאוד מיוחדים. הטיפות האלה, שמקבלות באופן ספונטני צורה של עשרימונים, אנחנו יודעים להפוך אותם לאבני בניין מוצקות, באופן שאפשר להוציא את אבן הבניין החוצה מהמים, ממי סבון, ולהשתמש בה כדי לבנות משהו. הדרך לעשות את זה, אנחנו מחליפים את השמן הרגיל שאנחנו משתמשים בו בשמן מיוחד שמגיב לקרינת אולטרה סגול. חשוב מאוד, אנחנו בוחרים שמן שעדיין מציג את התופעה המיוחדת הזאת. אנחנו לוקחים את הטיפות בתוך מי סבון, מקררים אותם, הן הופכות לעשרימונים, ברגע שהן הפכו לעשרימונים אנחנו מקרינים עליהם קרינת אולטרה סגול, ואז כל הטיפות האלה מתמצקות, הופכות לפלסטיק, הופכות לחלקיקי פלסטיק שאנחנו יודעים להוציא אותם מתוך הנוזל ולהשתמש בהם. ברגע שיצרנו את חלקיקי הפלסטיק האלה והוצאנו אותם מתוך הסביבה המימית, אפשר לחקור אותן יותר טוב, לצפות אותן, להפוך את החומר שממנו הן עשויות לחומר אחר, לפי רצוננו. יש טכניקות לעשות את זה, אנחנו לא המצאנו את זה, השלבים האלה קיימים כבר מזמן. ולהשתמש בהם כדי ליצור חומרים עם מבנים מאוד מאוד מיוחדים שמותאמים למה שנקרא גבישים פוטוניים, גבישים שבהם האור הנראה מתנהג כמו אלקטרונים במוליכים למחצה.
[מוזיקת מעבר]
ההבנה של התהליכים האלה חשובה בתחומים כמו הפקת נפט. נפט במידה רבה מורכב ממולקולות שמן מאוד דומות למולקולות האלה. התופעות האלה חשובות ברפואה, יש שם שימושים במולקולות מאוד דומות. וההבנה של התופעות האלה חשובה בביולוגיה להבנה של הופעת צורות באורגניזמים ביולוגיים. למרות שהמנגנון הבסיסי של התופעות האלה ברובו כרגע מובן לנו, מספר השאלות במחקר מדעי בדרך כלל גדל עם התקדמות המחקר. והשאלה הבסיסית הכי קשה שכרגע עדיין מטרידה אותנו זה: איך שכבה חד מולקולרית כל כך דקיקה יכולה בכלל להשפיע על צורה של אובייקט ענקי כמו טיפות הנוזל האלה? זוהי שאלה שאנחנו עדיין מחפשים את התשובה אליה בשיתוף פעולה עם תיאורטיקאים, מומחים בתחום של גבישים דו-מימדיים, ועל ידי ניסויים נוספים.
[מוזיקת סיום]
קריין: תודה שהאזנתם ל"בר-דעת". מיטב המרצים והחוקרים של בר-אילן בחרו עבורכם את הנושאים המסקרנים ביותר מתחום התמחותם. התוצאה? ספריית פודקאסטים משובחת שכולה זמינה לרשותכם. בר-אילן, משפיעים על המחר היום.
ערך והפיק, אורי טולדנו. טכנאי באולפן, אמיר בן-דוד. תודה על ההאזנה.
לעוד פרקים של הפודקאסט לחצו על שם הפודקאסט למטה
Comments