ארכיון
אז מה עושים שם באוניברסיטה? פרק 9: כל מה שצריך זה לסובב – על הקשר בין כיראליות, פלזמונים ומקדם שבירה שלילי
נפגשתי עם בן מעוז כדי לשאול אותו מה עושים שם באוניברסיטה.
בן הוא סטודנט לדוקטורט בכימיה פיזיקלית בקבוצה של פרופ' גיל מרקוביץ מאוניברסיטת תל-אביב. הוא נשוי ליסמין שעוסקת במחקר בפיזיקה במסגרת פוסט-דוקטורט במכון ויצמן וביחד הם הורים לילד. בסופי שבוע נוהג בן להשתתף בקבוצת רכיבה של אופני שטח שהתחילה כתחביב קטן והפכה עם הזמן לתחביב גדול ומהנה.
בן, אז מה אתם עושים שם?
המעבדה שלנו עוסקת במגוון נושאים הקשורים לחומרים מיוחדים וננו-טכנולוגיה, אבל הייתי רוצה לספר לך בעיקר על פרויקט מאוד מיוחד שעבדנו עליו. מטרת הפרויקט היא לפתח דרך חדשה לייצר חומרים עם מקדם שבירה שלילי, תוך שימוש בפלזמונים ובתכונת הכיראליות (אל דאגה, תכף נסביר).
מהו מקדם שבירה ולמה כל השליליות הזאת?
כאשר אור עובר בין תווך לתווך, למשל בין אוויר לזכוכית, חלקו מוחזר וחלקו נשבר. זווית השבירה תלויה בתכונה של שני החומרים שנקראת 'מקדם השבירה' והיא היחס בין מהירות האור בוואקום למהירות האור בחומר. זוויות השבירה האפשריות מוגבלות בגלל שמקדמי השבירה תמיד חיוביים (ראו איור 1).
איור 1: חוק סנל אנד-ביונד.
לפני כמה שנים הראו מדענים באופן תיאורטי ולאחר מכן גם בניסוי שבעזרת חומרים עם מקדם שבירה שלילי ניתן לפתח התקן שמסתיר דברים מהעין (גלימת העלמות נניח). את מקדם השבירה השלילי הם השיגו על ידי שימוש במטא-חומרים שהם מבנים מעשה ידי אדם המורכבים מיחידות קטנות ומיוחדות. הדרך הנפוצה ביותר לקבלת מקדם שבירה שלילי היא על ידי יצירת המבנה מיחידות מעגל חשמלי זעיר (חצי מאורך הגל) דמוי אנטנה. המבנה המיוחד מאפשר למטא-חומרים להשפיע על אור בדרכים שאף חומר טבעי אינו יכול. הבעיות העיקריות עם הכיוון הזה הן בעיות הנדסיות שמקשות מאוד על יצירת החומרים המתאימים.
ישנה, לדעתנו, דרך פשוטה יותר ליצר חומרים עם מקדם שבירה שלילי וזאת על ידי שימוש במתכות עם תכונות כיראליות.
מהי כיראליות?
המילה כיראליות מגיעה מהמילה היוונית לידיים. נשים לב שלמרות שהידיים שלנו דומות, הן למעשה תמונת מראה אחת של השנייה. אני בטוח שכל מי שניסה לשים כפפת יד ימין על יד שמאל או להפך שם לב לכך. דמיינו שאתם פוגשים ידיד ושולחים את יד ימין כדי ללחוץ את ידו לשלום. אם החבר מתבלבל ושולח אליכם את יד שמאל, תתקשו מאוד בפעולת הלחיצה, מה שעלול להוביל לרגע של מבוכה.
איור 2: כיראליות המודגמת על ידי ידיים ועל ידי מולקולה בתצורת יד ימין ויד שמאל. המקור לתמונה נאס"א, נלקח מויקיפדיה.
בטבע, ישנן מולקולות שיכולת לקבל באותה מידה תצורת יד ימין ותצורת יד שמאל (ראו איור 2). מכיוון שמולקולות רבות הינן בעלות השפעה בגופנו, וההשפעה של יד ימין ויד שמאל עלולה להיות שונה, נושא הכיראליות חשוב לנו מאוד. למשל מולקולת מסוימת בתצורת יד ימין היא סוכר ובתצורת יד שמאל היא ממתיק מלאכותי. ומתחום הרפואה, מולקולה שבכיווניות אחת משמשת לטיפול בשיעול ובכיוון השני להקלה על כאבים.
כהערת אגב, אחת התעלומות הגדולות במדע כיום היא הסיבה לכך שכל הסוכרים והחלבונים בגוף כל יצור חי נוצרים כולם עם אותה כיראליות, כלומר או שכולם ימניים או שכולם שמאליים.
תכונה נוספת של כיראליות היא ההשפעה שלה על אור מקוטב. קיטוב הוא כיוון תנודות השדה החשמלי ביחס לכיוון התקדמות גל האור, ולכן אור מקוטב הוא גל אלקטרומגנטי בעל קיטוב מוגדר (בניגוד למשל לאור השמש המורכב מאוסף גלים בעלי קיטוב שונה). כאשר אור מקוטב עובר דרך תמיסה של מולקולות כיראליות, זווית הקיטוב תשתנה בהתאם לכיוון הכיראליות, אם יד ימין אז לכיוון אחד ואם יד שמאל אז לכיוון ההפוך.
אז איך כל זה קשור לפרויקט שלך?
לפני כמה שנים הראה הפיזיקאי ג'ון פנדרי (Pendry) שניתן לשלב בין תכונת הכיראליות לחומר מתכתי ולקבל מקדם שבירה שלילי. לדוגמא, סליל מתכתי יכול להיות מסולסל או לימין או לשמאל, כלומר 'עם' או 'נגד' כיוון השעון. אבל לפני שאני מגיע לפרויקט שלי, אני רוצה להוסיף אלמנט נוסף.
מה לדעתך הצבע של מטיל זהב?
זהב?
כמובן. כעת, מה הצבע של חתיכת זהב קטנה מאוד, נניח כמה ננומטרים (ננומטר= 10-9 מטר)?
יש לי הרגשה שזאת שאלה מכשילה.
אתה צודק, מכיוון שצבעה אינו זהב אלא אדום.
זהב אדום? למה?
מכיוון שבמתכות ישנה תופעה של תנודות בצפיפות האלקטרונים על פני השטח (פלזמונים). תדירות התנודות נקבעת על ידי סוג המתכת וגודלה. התנודות על פני פיסת זהב קטנה הן בתדירות של אור אדום. כאשר אור לבן פוגע בפיסת הזהב נוצרת הגברה והחזרה של האור האדום ולכן הפיסה תראה אדומה. תופעה זאת מתרחשת בכל המתכות, אך רק בזהב ובכסף יוחזר אור בתחום הנראה.
האפקט עובד בצורה דומה גם הפוך. אם נקרין אור אדום באורך גל של 600 ננומטר על לוח עם חור בגודל 100 ננומטר, האור לא יעבור לצד השני של הלוח, מכיוון שהחור קטן מידי. אך אם הלוח עשוי מזהב, חלק גדול מעוצמת האור תעבור לצד השני כאילו האור עבר דרך החור. האור אינו באמת עובר דרך החור, אלא עובר אינטראקציה עם הזהב ומוקרן לצד השני. המקרה הזה דומה למקרה של החזרה מחלקיק זהב קטן, רק שהפעם אורך הגל שעובר דרך החור נקבע על ידי גודל החור.
ייצרנו במרכז לננוטכנולוגיה באוניברסיטת תל אביב, בעזרת שיטות קידוח מדויקות הלקוחות מתחום הננוטכנולוגיה, לוח זהב ובו מערך של כמיליון חורים (ראו תמונה 3). כלומר יש לנו חומר מתכתי, קל לייצור, שאור אדום אינו נחסם על ידו ומבצע אינטראקציה עם הפלזמונים של הזהב.
תמונה 3: תמונת מיקרוסקופ אלקטרוני של לוח הזהב עם מערך החורים הננומטרי. המקור לתמונה: בן.
ומה עם הכיראליות?
לקבלת הכיראליות יש לשבור את הסימטריה במבנה ביחס לימין ושמאל. במקום לתכנן מבנה מסובך, הפתרון שלנו הרבה יותר פשוט – לסובב. דמיינו שאתם אוחזים בלוח הזהב המחורר. דחפו את יד ימין אחורה ואת יד שמאל קדימה. כעת סובבו את הלוח כמו הגה של מכונית. סיבוב זה שובר את הסימטריה של המבנה ביחס לאור פוגע. סיבוב בכיוון אחד ייתן יד-ימין ובכיוון השני יד-שמאל (ראו איור 4).
איור 4: שבירת הסימטריה וקבלת כיראליות על ידי סיבוב המבנה. ב)סיבוב ראשון, ג) סיבוב שני לקבלת כיראליות בכיוון אחד, ד) סיבוב בכיוון הפוך לקבלת כיראליות בכיוון השני.
בדקנו בניסויים שאכן אור באורך גל של 600 ננומטר מועבר לצדו השני של המערך דרך חורים שקוטרם 100 ננומטר. כמו כן ראינו שכאשר אנו מסובבים את המערך (כמו באיור 4) אנו מקבלים חוסר סימטריה אדיר בין באור המקוטב ימני לשמאלי, אינדיקציה שהרעיון שלנו עובד כמצופה. באופן זה השגנו מבנה כיראלי – פשוט על ידי סיבוב שלו.
ומה עם מקדם השבירה?
נזכר שהתנאים לקבלת מקדם שבירה שלילי הם אינטראקציה של גל אור עם מבנה כיראלי מתכתי שגודלו לפחות מחצית מאורך הגל. הכיראליות שקיבלנו במבנים הנוכחיים עדיין אינה חזקה מספיק לקבלת מקדם שבירה שלילי, כנראה מכיוון שהם 'גסים' מדי. האתגר כעת הוא לשפר את המבנים ולהצליח למדוד את מקדם השבירה באופן ישיר.
————————————————————
אני אשמח להפגש ולשוחח עם כל תלמיד מחקר (אולי אתם?) שמוכן להשתתף ולספר לי קצת על מה הוא עושה (והכול במחיר של שיחה לא יותר מידי ארוכה). תוכלו ליצור איתי קשר דרך טופס יצירת קשר.
זה הזמן לספר לכולם מה אתם עושים, אולי הפעם הם גם יבינו 
חתולים, אוטובוסים ואלקטרונים רוקדים – סיפור קצר
והפעם משהו שונה לגמרי.
לפני מספר שבועות התקיים אירוע "סיפורנובה" במסגרת ספקנים בפאב, שבו עלו חמישה אנשים על במה קטנה, כל אחד בתורו, וסיפרו סיפור שקשור בדרך זאת או אחרת למדע או מדענים.
בחרתי להעלות את הסיפור שלי לכתב, תחת שינויים כאלה ואחרים הקשורים בעיקר במעבר מצורת הגשה אחת לשניה (אבל לא רק).
ולסיום, הסיפור אמנם מתבסס על אירועים שקרו באמת, אך אינו באמת משחזר את האירועים כפי שקרו. נו, דרמטיזציה, אתם יודעים.
עכשיו לסיפור.
Don't panic!
—————————————————————–
הסיפור שלי מתחיל באמא.
_
"הבנתי!", היא אמרה לי.
"לא הבנת כלום", סיננתי בקול מזלזל.
"הבנתי, הבנתי", היא חזרה ואמרה בהתלהבות.
"עזבי אמא, אני אומר לך שלא הבנת שום דבר", עניתי.
"אני אומרת לך, הבנתי. הבנתי את החתול, הבנתי את האי וודאות, הבנתי את הכל".
עכשיו אני כבר קצת כועס. "אמא, לא הבנת כלום, אין בכלל מה להבין, החתול זה סתם סיפור, והכל זה מתמטיקה!", סיימתי בפסקנות.
_
אי שם בתחילת שנות האלפיים הייתי סטודנט צעיר לפיזיקה, צעיר ויהיר. לקחתי קורס במכניקת הקוונטים והרגשתי שהבנתי את סודות היקום. רק אחרי שלקחתי עוד מספר קורסים, הייתי בשל להבין שאני בעצם לא מבין כלום. אבל אז עוד הייתי תמים.
אמא שלי לא זכתה להשכלה אקדמית, אבל מאוד אהבה ידע. כל יום הייתה מקפידה להאזין לאוניברסיטה המשודרת בגלי-צה"ל. אם חלילה פספסה הרצאה, היית דואגת להקליט אותה באמצעות רדיו-טייפ קטן וחבוט. אחד הקורסים ששודר באותן שנים היה בנושא מכניקת הקוונטים או משהו קרוב. אמא שלי כמובן האזינה גם לו, וידעה שאני מתעניין בנושא. לאחר מספר שבועות, כאשר הסתיים הקורס, ניגשה אלי ואמרה:
"שמעתי קורס על מכניקת הקוונטים. באמת מאוד מעניין. הבנתי, הבנתי את החתול של שרדינגר, הבנתי את עקרון אי-הוודאות, הבנתי את הכל. מאוד מעניין".
ואני בשלי, "אמא, לא הבנת כלום, אין בכלל מה להבין, החתול זה סתם סיפור, והכל זה מתמטיקה!"
* * *
מספר שנים לאחר מכן, בעודי שקוע במחקר במסגרת עבודת הדוקטורט שלי, הרגשתי שחסר לי ידע בסיסי בכימיה. החלטתי לקחת קורס בנושא דרך האינטרנט, ובחרתי באחד שניתן לסטודנטים בשנה הראשונה במסגרת לימודים במדעי-החיים. נושא אחת ההרצאות היה סידור של אלקטרונים ברמות האנרגיה באטומים. זהו נושא חשוב ובעל השפעה על הטבלה המחזורית, תכונות בסיסיות של היסודות והתגובות הכימיות שהם מבצעים.
בכל אטום ישנן רמות אנרגיה רבות שבהן יכולים להימצא אלקטרונים. בכל רמה ישנם כמה מצבים אפשריים שונים לאלקטרונים (אותה אנרגיה, אוריינטציה שונה), כאשר כל מצב יכול להכיל רק שני אלקטרונים, אחד עם ספין (המקבילה הקוונטית לסבסוב) מכוון למעלה ואחד עם ספין מכוון למטה. כלומר, ברמת אנרגיה מלאה מסודרים האלקטרונים במצבים, זוגות-זוגות, עם ספין למעלה ולמטה. השאלה המעניינת היא באיזה סדר מתמלאים המצבים, ככל שעולה מספר האלקטרונים.
במהלך לימודי הפיזיקה לא יצא לי ללמוד את הנושא הזה באופן מסודר, אלא רק בנגיעה קלה. ההסבר לסידור הורכב מחוקים מסובכים ונוסחאות, ומכיוון שנלמד בחטף מעולם לא טרחתי להבין אותו באמת. הייתי מאוד סקרן לשמוע כיצד יסביר המרצה את הנושא מבלי להסתבך, שהרי לסטודנטים מולו אין כל צורך או עניין בפיזיקה שמאחורי התופעה.
המרצה אמר שתי מילים: "כלל האוטובוס".
כלל האוטובוס? מהו כלל האוטובוס?
כיצד אתם מחליטים היכן לשבת, לאחר שעליתם לאוטובוס? ראשית אתם מחפשים מקום פנוי, כלומר מושב זוגי ריק, ואם מצאתם, מתיישבים בו. אם אין מקום פנוי, רק אז תשקלו לשבת ליד אדם אחר.
אני אציג זאת מהכיוון השני. אתם יושבים לבד באוטובוס, כשלפתע מצטרף לנסיעה אדם נוסף. אותו אדם מביט סביב באוטובוס הריק, מבחין בכם, ניגש ומתיישב במושב הצמוד אליכם. כל שאר האוטובוס פנוי. אתם מביטים בו בחשש ושוקלים את האפשרויות: משוגע? מטריד מינית? רוצח סדרתי? מוזר.
מסתבר שאלקטרונים באטום מתנהגים באותה צורה. האלקטרונים ברמת אנרגיה מסוימת מסתדרים אחד בכל מצב, נניח עם ספין למטה. רק כאשר כל המצבים ברמה מכילים אלקטרון אחד עם ספין למטה, אז מתחילים האלקטרונים 'החדשים' להתיישב לצד 'הותיקים' עם ספין הפוך.
דבר זה הדהים אותי. איך התנהגות כה מסובכת, מסוכמת בשתי מילים פשוטות בעלות הקשר המוכר כמעט לכל אדם. עכשיו לא היה סיכוי שלא אבין איך לסדר אלקטרונים באטום. אין פשוט מזה: כלל האוטובוס. כל השאר זה מתמטיקה.
* * *
לפני שנה בערך החלטתי שאני רוצה לנצל את הידע שלי בתחומי מדע שונים כדי להסביר אותו לאנשים אחרים. לאחר לבטים רבים, פתחתי בלוג בשם "עד כדי קבוע". בבלוג אני נוהג לספר סיפורים על מדע, ומשתדל להסביר מושגים מסובכים מעולם המדע בצורה פשוטה כך שיהיו נגישים לכל אדם בעל עניין בנושא – גם לאנשי מדע מתחומים אחרים וגם לאנשים שמתעניינים במדע אך לא עוסקים בו. דבר נוסף שאני עושה בבלוג הוא לראיין תלמידי מחקר על עבודתם, ולפרסם כתבות המסבירות את המחקר, לכול מי שמעוניין, בשפה פשוטה ככל האפשר. המדע אמנם נעשה על ידי מדענים אך אינו שייך להם.
אחד המרואיינים סיפר לי על עבודתו בתחום 'אופטיקה לא לינארית'. ואני חשבתי לעצמי: מהי בכלל אופטיקה לא לינארית? האם קיימת אופטיקה לא לא-לינארית? היה ברור לשנינו שכדי להסביר את המחקר, ראשית עלינו להסביר מהי אופטיקה לא לינארית. אז שאלתי והוא הסביר לי שאופטיקה לא לינארית קשורה בלייזר רב עוצמה שמוקרן על חומר, ובאלקטרונים שעולים-יורדים-רוטטים-קורנים-משנים-צבעים ברמות האנרגיה. די מסובך, למען האמת. כלומר, ההסבר שלו היה בסדר, אבל היה לי ברור שאינו מיתרגם היטב לקהל הרחב. מה גם שהוספת הסברים להסברים לא תשאיר מקום לתיאור המחקר.
ישבתי בבית אל מול המחשב לכתוב את הראיון. בהיתי בחלל, לעסתי את העיפרון, דפקתי על המקלדת, תלשתי שערות, ואז זה בא. "האלקטרונים רוקדים! ברור, הם רוקדים!", צעקתי בהתלהבות.
וכך כתבתי: " ניתן לחשוב על אור הנכנס לחומר שקוף כמוזיקת מעליות נעימה המעוררת את האלקטרונים. המוזיקה מתונה והאלקטרונים נעים לפי הקצב שלה. ריקוד זה גורם לפליטה של קרינת אור בתדר של האור שנכנס. לעומת זאת, ניתן לדמיין הקרנת אור חזק מאוד לתוך החומר כמוזיקה חזקה ורועשת עד כדי כך שהיא גורמת לאלקטרונים לאבד את הקצב ולפצוח בריקוד סוער המערבב מקצבים שונים. אלקטרונים אלה יפלטו אור בעל תכונות שונות משל זה שנכנס."
כלומר, מוזיקת רגועה ואלקטרונים רוקדים לפי הקצב – אופטיקה. מוזיקה רועשת ואלקטרונים רוקדים עד לאיבוד הקצב – אופטיקה לא לינארית. כל השאר זה מתמטיקה.
* * *
ולסיום, אמא, אם את יכולה לשמוע אותי, היכן שלא תהי (היא לא יכולה, אני כותב בלילה והיא ישנה מזמן, מאוחר), רק רציתי לומר לך שצדקת. עכשיו אני מבין, מבין את החתול, מבין את הכל. כל השאר זה מתמטיקה.
———————————————————————
את זה אני דווקא לא מבין. כיכר החתולים בשכונת אם המושבות בפתח תקווה. המקור: תמונה שהועלתה לויקיפדיה על ידי Dr. Avishai Teicher.
אז מה עושים שם באוניברסיטה? פרק 8: מולקולה אחת, זה כל מה שצריך – על ננו-אלקטרוניקה
נפגשתי עם רני אריאלי כדי לשאול אותו מה עושים שם באוניברסיטה.
רני הוא דוקטורנט לכימיה-פיזיקלית באוניברסיטת תל-אביב ועובד במעבדה לננו-אלקטרוניקה של דר' יורם זלצר. את התארים הקודמים הוא עשה בתחום הפיזיקה באוניברסיטת תל-אביב גם כן. רני חובב מוזיקה ובזמנו הפנוי נהנה לנגן על גיטרה.
רני, אז מה אתם עושים שם?
אצלנו במעבדה לננו-אלקטרוניקה אנו מעוניינים לפתח רכיבים חשמליים עתידניים שגודל האלמנט הקטן בהם יהיה מסדר גודל ננומטרי (ננומטר=10-9 מטרים, לשם השוואה קוטר שערה הוא מסדר גודל של כמה עשרות מיקרומטר, מיקרומטר=10-6 מטרים).
תמונה 1: שערת אדם בהגדלה פי 200. המקור: ויקיפדיה.
תוכל לתת דוגמא?
כן, ודאי. דמיין לדוגמא חוט זהב שמשמש להולכת חשמל. ניתן למתוח את החוט עד למצב שבו במקום מסוים, רגע לפני יצירת קרע או נתק, נוצרת שרשרת של אטומים בודדים. זה סוג פשוט של התקן חשמלי בסדר גודל ננומטרי. היתרון בהתקן כזה הוא שההולכה החשמלית שבו היא 'בליסטית', כלומר האלקטרונים עוברים בו ללא התנגשויות באטומים ולכן בקצבים מהירים יותר. דבר זה עלול להוביל להתקנים חשמליים מעניינים יותר. אבל זה ממש לא נגמר כאן.
אנחנו יכולים לקשור באמצע השרשרת, בין אטומי הזהב, מולקולה אורגנית שהיא מולקולה הבנויה בעיקר מאטומי פחמן ומימן. לכל מולקולה כזאת ישנן תכונות אלקטרוניות שונות, למשל סידור שונה של ערכי האנרגיה שהאלקטרונים במולקולה יכולים לקבל או מיקום שונה שלהם במרחב. לכן המולקולה תשפיע בצורה שונה על אופיין ההולכה של הרכיב החשמלי. לדוגמא, סוג המולקולה משפיע על הסיכוי של אלקטרון באנרגיה מסוימת לעבור דרכה ממגע זהב אחד לשני. כך שהמולקולה משפיעה על הקשר בין זרם למתח חשמלי ובעצם קובעת את אופי הרכיב.
מגוון המולקולות האורגניות הוא עצום ולכן נוכל לייצר מגוון רחב של התקנים בעלי מאפיינים שונים. למעשה, יש כאן פוטנציאל לרכיב מודולרי שאותו ניתן 'לתפור' לפי צרכי המשתמש.
איך אתם גורמים למולקולה אורגנית אחת להתיישב לה בין אטומי הזהב בשרשרת?
אחת השיטות, למשל, היא להתחיל משני מגעי זהב המחוברים אחת לשני בצורת פפיון ולהרחיק אותם בעדינות אחד מהשני (ראו תמונה 2). בשלב מסוים אזור החיבור הצר נמתח מספיק כך שמתקבלת שרשרת אטומי זהב. המשך זהיר של פעולת המתיחה יגרום לבסוף לקרע בשרשרת, כך שאטומי הזהב שניתקו עדיין קרובים אחד לשני. כעת אחת האפשריות היא להשתמש במולקולות אורגניות המכילות אלמנט כימי שנקרא תיול (thiol). אלמנט זה מורכב מאטום גופרית ואטום מימן, ונקשר בקלות לזהב. במידה והמולקולה מכילה שני תיולים היא תוכל להיקשר לשני אטומי זהב ולהשלים את השרשרת המנותקת. כל מה שאנו צריכים לעשות הוא לטפטף על הצמתים תמיסה עם המולקולות המתאימות בתנאים הנכונים ואת שאר העבודה הן עושות לבד.
תמונה 2: איור סכמטי של תהליך יצירת ההתקן: א) מושכים את שני צידי פפיון הזהב, ב) המתיחה יוצרת שרשרת אטומים בין המגעים, ג) ממשיכים למשוך עד ליצירת נתק, ד) קושרים מולקולה אורגנית המחברת את שתי קצוות השרשרת, ה)הגדלה של המסגרת האדומה.
אז מה אתה עושה עם השרשראות האלה?
אני אתן לך דוגמא, באחד הפרויקטים במעבדה הקרנו אור לייזר על מגעי הזהב של אחד ההתקנים האלה (ראו תמונה 3א'). מה שראינו הוא שהקשר בין המתח לזרם החשמלי של ההתקן, כלומר האופיין שלו, השתנה בעקבות הפעלת הלייזר. לאחר מכן חזרנו על הניסוי עם מולקולות אורגניות, דמויות שרשרת, באורכים שונים והראנו שככל שהמולקולה ארוכה יותר, כך ההשפעה של הלייזר קטנה יותר.
מה הקשר בין כל הדברים האלה?
ישנם שני סוגים של אינטראקציה בין אור ושדה אלקטרומגנטי (שא"מ): תהליך פיזור שבו אלקטרון בולע פוטון ועולה לרמת אנרגיה גבוהה יותר, ותהליך שבו השא"מ משנה את הפוטנציאל החשמלי של מערכת האלקטרונים. שני התהליכים מובילים לעליה אפקטיבית באנרגית האלקטרונים כך שכעת הם יכולים לדלג ביתר קלות מעל מכשולים טורדניים, כגון מולקולה אורגנית, שמפריעים להם להגיע לאלקטרודת הזהב השניה. באלקטרודה השניה ישנם המון מצבי אנרגיה פנויים לאלקטרונים, בדיוק מה שאלקטרונים אוהבים. אבל זה רק חלק מהסיפור.
אחת התכונות החשובות של מתכות היא שהן מוצפות בים של אלקטרונים שאינם קשורים לאטומים שלהם ורק מחפשים הזדמנות להשתתף בהולכה חשמלית. כאשר מקרינים אור על מתכת, חלקו נבלע וחלקו מוחזר (כתלות באורך הגל ובמקדם הדיאלקטרי שהוא מידת ההשפעה של שדה חשמלי על החומר). עם זאת, עבור כל מתכת קיים תחום אורכי גל שבו האור לא בדיוק נבלע ולא בדיוק מוחזר, אלא גורם למשהו מיוחד.
כאשר אנו מקרינים את הלייזר באורך הגל הזה על הזהב, האלקטרונים החופשיים הרבים הנמצאים על פני השטח מתחילים לנוע בהשפעת השא"מ. תנועתם של האלקטרונים היא מחזורית ויוצרת תנודות בצפיפותם וכך גורמות לתנודות במטען החשמלי (פלזמונים).
תמונה 3: איור סכמטי המראה את הארת הלייזר שגורמת לתנודות מטען על גבי האלקטרודה. תנודות המטען משרות תנודות הפוכות באלקטרודה השניה. כך שלמשל באופן רגעי נוכל למצוא מימין עליה בריכוז המטען החיובי ומשמאל עליה בריכוז המטען השלילי.
מה התרומה של תנודות האלקטרונים לתהליך?
התנודות במטען מתפשטות על כל האלקטרודה כמו גלי ים, ובצורה זו ניתן לייצר ביתר קלות התקנים שבהם האזור המעניין אינו חשוף להארה ועדיין להיות מסוגלים להשפיע ע"י הארה. כמו כן, כאשר גלי המטען מתפשטים לעבר קצה האלקטרודה, השדה החשמלי משרה מטענים הפוכים בקצה של האלקטרודה השניה (ראו תמונה 3ב'). דבר זה מגביר את השדה האופטי המקורי ומקל עוד יותר על האלקטרונים לעבור לאלקטרודה השניה דרך המולקולה האורגנית. כל זאת ללא הפעלת מתח חיצוני נוסף, כך שאנחנו מרוויחים פעמיים על הלייזר.
ומה לגבי המולקולות בניסוי זה?
השתמשנו בניסויי במולקולות בעלות תכונות אלקטרוניות זהות אך באורכים שונים. כלומר בניסוי תפקידן של המולקולות היה לקבע את המרחק בין שתי האלקטרודות. מה שראינו הוא שככל שהמולקולות ארוכות יותר, כך הזרם שקיבלנו היה חלש יותר.
את התוצאה הזאת ניתן להסביר באופן ישיר על ידי ההשפעה של תנודות המטען. ככל שהאלקטרודות היו רחוקות אחת מהשניה, כך תנודות המטען בקצה אלקטרודה אחת השפיעו פחות על קצה האלקטרודה השניה. כלומר הגברת השדה החשמלי היתה קטנה יותר ולאלקטרון היה קשה יותר לעבור את המחסום ביחס למקרה שבו אורך המולקולה היה קצר יותר.
אז מה היה לנו? תוכל לסכם?
כיום ישנו מצב של חוסר ודאות בקהילה המדעית באשר לכמות ההגברה שמתרחשת עקב היווצרות פלזמונים. מצב זה נוצר עקב השימוש של כל קבוצת מחקר בהתקנים בעלי מימדים וקונפיגורציות מולקולריות שונים. בעזרת הניסוי הצלחנו לכמת את התופעה של ההגברה הפלזמונית עקב ההארה ולהציג עבורה ערכים כפונקציה של המרחק בין שתי האלקטרודות.
במחקר הראינו שאנו מסוגלים לדחוס אור לתוך מבנה ננומטרי המורכב מצומת מולקולארית, ועל ידי כך להשפיע על הולכת ההתקן. מכיוון שמחקרים קודמים הדגימו יכולת לשלוט על התקדמות הפלזמונים בזמן, ניתן להשתמש בשיטה זו גם על מנת לחקור את הדינמיקה של ההולכה החשמלית בזמנים קצרים מאוד. דינמיקה זו מושפעת משלל תופעות שיכולות להתרחש בהתקן עקב אינטראקציה של האלקטרונים עם תופעות אחרות בהתקן, למשל ויברציות. את נושא זה סימנו כמטרתנו הבאה!
————————————————————
אני אשמח להפגש ולשוחח עם כל תלמיד מחקר (אולי אתם?) שמוכן להשתתף ולספר לי קצת על מה הוא עושה (והכול במחיר של שיחה לא יותר מידי ארוכה). תוכלו ליצור איתי קשר דרך טופס יצירת קשר.
זה הזמן לספר לכולם מה אתם עושים, אולי הפעם הם גם יבינו
סיפורנובה: טיזר עם אוטובוס-חתול
ביום שני הקרוב יתקיים אירוע מיוחד במסגרת ספקנים בפאב : "סיפורנובה – ערב סיפורי מדע ומדענים".
אני אצטט מתוך תיאור האירוע:
מה המקום שממלא המדע בחיינו? איך הוא משפיע על מי שאנחנו? מספרי סיפורים, חלקם מדענים, חלקם לא ראו מבחנה מקרוב מאז חטיבת הביניים, ישתתפו בהתלבטויות, מפגשים, כישלונות והצלחות במדע.
ערב סיפורים מיוחד על מדע ומדענים, לכל מי שאוהב מדע – ולכל מי שאוהב סיפור טוב.
הסיפורים:
* חתולים, אוטובוסים ואלקטרונים רוקדים –אורן שעיה, פוסט דוקטורנט בפקולטה למדעי החיים באוניברסיטת תל-אביב, וכותב "עד כדי קבוע".
* הליידי טועמת תה –יוסי לוי, ביוסטטיסטיקאי, חבר מועצת האיגוד הישראלי לסטטיסטיקה, וכותב "נסיכת המדעים".
* כשסבתא היתה צעירה ויפה – דפנה שיזף, בלשנית חישובית. מגישת הפודקאסט "הכוורת – רדיו רעיונות".
* טוטאל לוס – אורי ליפשיץ – יזם טכנולוגי ומרצה שאוהב לכתוב שירה ופרוזה, להבין פילוסופיה, לכוון מסדי נתונים, לשחק משחקי תפקידים, ולפענח מה באמת קורה בעולם מסביבו.
* עבודה שחורה – חנן שיינפוקס – דוקטורנט לפיזיקה בטכניון, אומן לחימה בדימוס, ועוסק גם במשחקי תפקידים, דיבייטינג וספקנות.
יום שני, ה-3/9, התכנסות ב-19:30, תחילת האירוע 20:00 בדיוק!
רדיו EGPB שד"ל 7 (במרתף),תל-אביב.
10 ש"ח או לפי היכולת.
סוף ציטוט.
אוטובוס-חתול או שמא חתול-אוטובוס. נקודות למי שמזהה מאיזה סרט זה לקוח ללא הצצה בקישור. המקור: צילום מסך מהסרטון הזה.
כאמור, אני אספר על "חתולים, אוטובוסים ואלקטרונים רוקדים", עם הופעות אורח של אמא והאחים כהן, לא פחות.
באופן כללי, אני חושב (ואני לא משוחד בכלל…) שמדובר באירוע ייחודי ושווה. דרך מצוינת לחבר בין אנשים למדע בצורה קצת יותר קלילה, אישית וידידותית למשתמש. מי לא אוהב לשמוע סיפור אישי? אירוע לא מעונב במקום לא מעונב ובאווירה לא מעונבת ( עניבה מישהו?).
כולי תקווה שהאירוע לא יהיה חד פעמי, אלא יפתח סדרה של אירועים דומים. אם אתם חושבים כמוני, בואו ביום שני.
אז מה עושים שם באוניברסיטה? פרק 7: לאמן את פאקמן להבקיע גולים – על רובוטיקה אבולוציונית
נפגשתי עם שלומי ישראל כדי לשאול אותו מה עושים שם באוניברסיטה.
שלומי נמצא לקראת סיום התואר השני שלו בהנדסת חשמל באוניברסיטת תל אביב. את מחקרו הוא ביצע תחת הנחייתו של דר' עמירם מושיוב מביה"ס להנדסה מכאנית, ועיקר עינינו הוא ברובוטיקה אבולוציונית. את התואר הראשון עשה בטכניון בהנדסת-חשמל ופיזיקה. שלומי, עד לא מזמן איש קבע, נשוי ומתגורר עם אשתו ובתו בחיפה. בזמנו הפנוי הוא אוהב להאזין לפודקאסטים, ולאחרונה התחיל לשחק אולטימייט פריזבי, שזה מין הכלאה בין פריזבי ופוטבול אמריקאי.
שלומי, אז מה אתם עושים שם?
אנחנו עוסקים בשילוב בין שני תחומים: רובוטיקה אבולוציונית ו-multi-objective optimization (אופטימיזציה מרובת מטרות). אני יודע שהמושגים מרתיעים אבל אל דאגה, אנחנו נפרק אותם לאט ובזהירות.
תמונה 1: רובוט עם הנעה דיפרנציאלית שפותח ב- Georgia Institute of Technology. המקור לתמונה: ויקיפדיה.
אז בוא נתחיל בשאלה מהם רובוטים?
הרובוטים שבהם אנו עוסקים הם ישויות בעלות יכולת לחוש קלט על העולם סביבם ולהגיב לפי חוקיות מסוימת. הקלטים יכולים להיות למשל חיישנים המודדים את המרחק מקיר או מכדור והפלט יכול להיות תנועה. התנועה ברובוטים שלנו מתבצעת על ידי הנעה דיפרנציאלית בעזרת שני גלגלים. בין הקלט לפלט ישנו בקר שקובע כיצד לנהוג עבור קלטים שונים. בבקר ישנם פרמטרים חיצוניים שאותם אפשר לשנות ולהשפיע על התנהגות הרובוט.
למרות שמדובר ברובוטים הנעים במרחב, גם הרובוטים וגם המרחב נמצאים בד"כ בסימולציה במחשב. עם זאת, החיישנים, ההנעה והבקרים של הרובוטים מבוססים על החומרה האמיתית וניתן בקלות יחסית להעביר את המערכת לעולם האמיתי. אם ניקח לדוגמא את מכשיר ה-Roomba, סביר להניח שלפני שיוצר לראשונה הוא נבדק כתוכנת מחשב המנקה חדר וירטואלי לחלוטין, ונבנה רק אחרי שהראה ביצועים טובים שם.
תמונה 2: רומבה בנקודת העגינה. המקור לתמונה: ויקיפדיה.
אוקיי, אז מהי רובוטיקה אבולוציונית?
המפעיל האנושי מגדיר מטרת-על עבור הרובוטים שאינה מתוכנתת בהם מראש. הניסוי מתבצע בזירה בה אוכלוסיה אקראית של רובוטים מתמודדת להשגת המטרה, ולאחר מספר התמודדויות בודקים את ביצועי הרובוטים. אם למשל מטרת העל היא להגיע מנקודה A ל-B אז בודקים מי מבין הרובוטים הגיע הכי קרוב. מהרובוטים המוצלחים ביותר יוצרים את הדור הבא של הרובוטים, כאשר משכפלים את הבקרים שלהם עם שינויים אקראיים, ואף משלבים בקרים שונים במין זיווג. את הסיכוי למוטציות בדרך כלל קובעים מראש מתוך מודלים שנחקרו בעבר. הניסוי מסתיים לאחר מספר דורות אבל אז חוזרים להריץ אותו שוב עוד מספר פעמים מכיוון שנתוני הפתיחה הם אקראיים והתוצאות של ניסוי בודד משתנות מריצה לריצה.
הרובוטיקה האבולוציונית מאפשרת לפתח בקרים מורכבים מאוד בצורה יעילה. אבל המטרה הכללית של המחקר היא הנדסית – לפתח שיטות שבעזרתן נוכל לתכנן ביתר קלות רובוטים שיתמודדו עם מגוון תנאי סביבה שלא נקבעו מראש. כלומר, לא לפתח את הרובוט המושלם, אלא לפתח את התהליך האופטימלי לאמן רובוטים למשימות נדרשות.
ומהי אופטימיזציה מרובת מטרות?
כאשר מבצעים אופטימיזציה יש להגדיר פונקצית מטרה שתגיד לנו עד כמה הרובוט מוצלח. למשל אם המטרה היא להגיע מנקודה A ל-B אז ככל שהרובוט קרוב יותר ל-B, הפונקציה תוציא ניקוד גבוה יותר. באופטימיזציה מרובת מטרות מגדירים מספר פונקציות מטרה. אם נחשוב לדוגמא על פאקמן, אז מטרה אחת שלו היא לאכול כמה שיותר נקודות ופירות, ומטרה שניה היא לשמור על כמה שיותר פאקמנים חיים.
בדרך כלל המטרות השונות באות אחת על חשבון השניה כי אחרת יכולנו להסתפק רק באחת מהן. לדוגמא, אם פאקמן ייקח יותר מידי סיכונים לשם אכילת פירות רבים, סביר שהוא יסיים את המשחק מהר עקב מפגש תכוף עם השדים. אך אם לא ייקח סיכונים כלל, לא יאכל פירות. לבעיה קיים סט של פתרונות אופטימליים, שונים בהרכבם אבל טובים באותה מידה. המטרה שלנו היא להביא את המערכת לאחד מאותם פתרונות. כל עוד ניתן לשפר מטרה אחת ללא פגיעה במטרה אחרת, אנחנו יודעים שעוד לא מצאנו את אחד מהפתרונות האופטימליים (בעגה: חיפוש ה- Pareto front).
תמונה 3: צילום מסך של משחק פאקמן מהאתר הזה.
ואיך קושרים את ריבוי המטרות לאבולוציה?
במקרה של אופטימיזציה מרובת מטרות, הרובוטים שירכיבו את הדור הבא יבחרו לפי מספר מטרות-על, תוך שימוש בניתוח שתיארתי קודם. למשל נוכל להגדיר שתי מטרות-על: להגיע מנקודה A ל-B ולאסוף כמה שיותר חפצים בדרך. מכיוון שאלו שתי מטרות מנוגדות, סביר שבסוף התהליך הרובוטים לא יצטיינו באף אחת מהמטרות הבודדות אלא ידגימו סוג של פשרה מיטבית.
אז מה ניתן לחקור עם כל הרובוטים האלה?
אני אתן לך דוגמא. לפני כמה שנים התפרסם מחקר שבו הריצו רובוטים בזירה שבה שני אלמנטים חשובים: נקודות אוכל ונקודות רעל. מטרת העל של המתכנן, שאינה ידועה לרובוטים, היא שהם ישהו כמה שיותר זמן בנקודות האוכל וימנעו מנקודות הרעל. הרובוטים יכולים לאותת אחד לשני בעזרת אור, מבלי שמוגדרת להם משמעות הפעולה.
בחירת הרובוטים להרכבת הדור הבא נעשתה במחקר באחת משתי דרכים: או לפי הצלחה של רובוטים בודדים או לפי הצלחה קבוצתית. תוצאות המחקר הצביעו על כך שבמקרים שההצלחה נשפטה לפי קבוצה, התפתחה בין הרובוטים היכולת לאותת "חבר'ה, בואו לפה, יש כאן אוכל!". הרובוטים שפיתחו קשר בין איתות למיקום אוכל הם אלו שעברו לדורות הבאים. לעומת זאת, במקרים שבהם ההצלחה נשפטה לפי רובוטים בודדים, או שהאיתות לא התפתח למשהו בעל משמעות או שהוא התפתח לאות שמטרתו הולכת שולל, למשל איתות ליד הרעל, וזאת מכיוון שיש תחרות על משאבים.
כלומר שבניסוי די פשוט הצליחו החוקרים לגרום לרובוטים לפתח התנהגות מורכבת למדי, וכזאת שמתאימה למה שאנחנו רואים בטבע.
ספר לי בקצרה על מה אתה עושה במחקר שלך.
בכיף. אנו מאמנים שתי קבוצות רובוטים לשחק גרסה פשוטה של כדורגל, כלומר המטרה היא להבקיע גולים. כפי שכבר ציינתי, את הניסוי מתחילים עם אוכלוסיה אקראית. אך מה הסיכוי שאוכלוסיה כזאת תצליח להכניס אפילו גול אחד? ואם כולם נכשלים, אז איך נבחר את הרובוטים המוצלחים לדור הבא? ניתן כמובן, להגדיר מטרות יותר ממוקדות, אך אז אנחנו בעצם כבר מהנדסים את הפתרון וזה קצת חוטא למטרת הניסוי. יש לנו פה בעיה של bootstrapping – אתחול הניסוי. הגישה שלנו לפתרון היא להפריד את הבעיה הכללית מבעיית האתחול. עבור בעיית האתחול אנו קובעים יעדי ביניים, ותוקפים אותה באמצעות אופטימיזציה מרובת מטרות.
תוך שימוש בשיטות סטטיסטיות עלה בידינו להראות שהשיטה שפיתחנו משיגה תוצאות טובות יותר (למשל יותר גולים) משיטות מקובלות אחרות בתנאי ריצה זהים.
————————————————————
אני אשמח להפגש ולשוחח עם כל תלמיד מחקר (אולי אתם?) שמוכן להשתתף ולספר לי קצת על מה הוא עושה (והכול במחיר של שיחה לא יותר מידי ארוכה). תוכלו ליצור איתי קשר דרך טופס יצירת קשר.
זה הזמן לספר לכולם מה אתם עושים, אולי הפעם הם גם יבינו
עד כדי קבוע 