ארכיון

Archive for ספטמבר, 2013

מה מסוכן יותר: קיקלופ עם עין אחת או עם שלוש? על ראיה ועל מיקרוסקופיה בשלושה מימדים

כאשר ברחו אודיסאוס וחבריו ממערת הקיקלופ פוליפמוס היה זה אחרי שאודיסאוס נעץ מוט עץ מחודד בעינו האחת של הענק האימתני וגרם לו לעיוורון. בעודם נמלטים מהאי בהפלגה הקניט אודיסאוס את הקיקלופ וזה הטיל באוניה שני סלעים כבירים אחד אחרי השני שהחטיאו את המטרה אך במעט.

אתם וודאי אומרים: "ברור שהחטיא כי הסתמך רק על שמיעה, אך אם היתה לו עוד עינו האחת ודאי היה פוגע". אך האם כך הדבר?

אמנם זהו סיפור הלקוח מהמיתולוגיה היוונית אך ניתן לומר שאם היה אכן יצור בעל עין אחת שבדומה לבני אדם היה מסתמך בעיקר על ראיה כחוש להתמצאות סביר שהיה גרוע למדי בהשלכת סלעים למטרה. ככל הנראה תפיסת העומק ואמידת מרחק לא היו הצד החזק שלו מכיוון שראיה בשלושה מימדים מצריכה שתי עיניים.

קיקלופ

תמונה 1: הציור 'פוליפמוס' מאת Johann Heinrich Wilhelm Tischbein. המקור לתמונה: ויקיפדיה.

***

מה הסוד שלנו?

כיצד אנחנו רואים בשלושה מימדים? במילה אחת: המוח. התמונה המוקרנת דרך עדשת העין על הרשתית, שהיא רשת גלאי האור של העין, היא כמובן דו-ממדית. התמונה התלת-ממדית מורכבת על ידי המוח שמסתמך על שתי תמונות של כל עצם משתי זוויות שונות, אחת מכל עין. את המידע הזה הוא משלב עם ניסיון העבר ועם רמזים שונים כגון: פרספקטיבה, אור וצל, טשטוש וחדות, מי מסתיר את ומי ועוד. חלק גדול מהאשליות האופטיות המוכרות מבלבלות את המוח על ידי 'רמייה' באחד התחומים האלה.

במילים אחרות, ראיה בשלושה מימדים היא במובן מסוים היכולת של המוח להעריך את המרחק של עצמים שונים בשדה הראיה מהמתבונן על ידי ניתוח שתי תמונות משתי זוויות שונות ושימוש ברמזים נוספים ובניסיון העבר.

רואים כפול רואים קיטוב

סטריאוסקופיה היא טכניקה שמטרתה לגרום לאשליה של עומק בתמונה דו-ממדית על ידי שימוש בשתי תמונות שונות שמוקרנות אחת לכל עין. התמונות עצמן צולמו משתי זוויות שונות המתאימות לזוויות הראיה של העיניים. יש לציין שזאת רק אשליה ולא תמונה תלת-ממדית אמיתית (כמו למשל הולוגרפיה) ולכן שינוי זווית המתבונן לא תוסיף עוד מידע לתמונה.

הדרך הפשוטה ביותר למימוש היא לשים שתי תמונות אחת ליד השניה ולהתבונן בהן כך שכל עין רואה את התמונה המתאימה לה. דרך מתוחכמת יותר היא לשדר אל העיניים את שתי התמונות יחדיו ולהשתמש במנגנון כלשהו כדי שרק התמונה הנכונה תגיע לכל עין, למשל על ידי משקפיים, כמו בסרטים בתלת-מימד בקולנוע. אחת השיטות לסינון התמונות היא שימוש באור מקוטב.

מה זה בכלל קיטוב? גל הוא הפרעה מחזורית המתקדמת בתווך. גל אלקטרומגנטי מורכב משדה חשמלי ומגנטי הניצבים זה לזה ושעוצמתם מתנודדת על מישורים הניצבים לכיוון התנועה של הגל (ראו איור 2). חישבו על הקיטוב כחץ המורה על כיוון ההפרעה במישור כאשר אורכו מעיד על עוצמתה (נקבע לפי תנודת השדה החשמלי). גודלו וכיוונו של החץ משתנים בזמן אך ישנם מקרים בהם אורכו של החץ המשתנה 'משרטט' קו על גבי המישור. קיטוב זה נקרא קיטוב ליניארי, ומכאן ששני גלי אור יכולים להיות מקוטבים ליניארית וניצבים אחד לשני. ניתן לקבל אור מקוטב ליניארית על ידי העברת אור לא מקוטב (אור השמש או אור מנורת להט) דרך רכיב פשוט המעביר רק אור מקוטב.

קיטוב ליניארי

איור 2: קיטוב ליניארי. הגל האלקטרומגנטי מתקדם בניצב למישור הכחול שעליו מתנודד השדה החשמלי. הקווים האדומים והכחולים מייצגים היטלים הזמן של השדה. המקור לאיור: ויקיפדיה.

כדי לקבל אפקט תלת-מימד בסרט מוקרנים על המסך בו-זמנית שני סרטים שצולמו מזוויות מעט שונות וכל סרט מקוטב באופן ניצב למשנהו ולכן התמונות אינן 'מתערבבות'. העין האנושית כלל אינה רגישה לקיטוב האור ולכן יש להרכיב משקפיים שבהן כל עדשה מאפשרת העברה של כיוון קיטוב אחד בלבד. כל עין רואה רק סרט אחד, וביחד שני הסרטים יוצרים במוח אשליה של תלת-מימד.

ומה עם מיקרוסקופ?

גם למיקרוסקופ יש בדרך כלל רק 'עין' אחת. הדרך הפשוטה ביותר לראות בשלושה מימדים דרך המיקרוסקופ היא על ידי שימוש בסטריאו-מיקרוסקופ. מכשיר זה מכיל בעצם שני מיקרוסקופים זהים שכל אחד מקרין תמונה מזווית מעט שונה אל אחת העיניים. בדרך כלל מרחק העבודה במיקרוסקופים אלה, כלומר המרחק בין העדשה לדגם, גדול והם משמשים בעיקר לניתוח (בסכין) של דגימות ביולוגיות ולבחינה של פגמים מכאניים בחומרים.

הבעיה העיקרית בדגם ביולוגי כמו תאים למשל היא שהם שקופים ולכן תמונת מיקרוסקופ האור הרגיל שטוחה וגם לא חדה. כדי להימנע מהצורך לצבוע את התא ולהרוג אותו בתהליך פותחו שיטות להגברת הניגודיות (הקונטרסט) כגון Differential interference contrast microscopy, או בקיצור DIC, ומיקרוסקופית פאזה. ב-DIC, למשל, נשלחות שתי קרניים זהות אך מקוטבות בניצב אחת לשניה לשתי נקודות קרובות על הדגם. כל קרן עוברת דרך הדגם והגל צובר פיגור שונה בזמן בהתאם לחומר שבו עבר. לבסוף מאוחדות הקרניים חזרה באותו קיטוב. אם הגלים צברו מספיק פיגור ביניהם,  לאחר החיבור האות יחלש. אם הדרך היתה דומה ולא נצבר פיגור אז האות יתחזק (הסבר על חיבור גלים). בצורה זאת אנחנו מקבלים הגברה של הניגודיות בתמונה וגם הרגשה של עומק, כך שהתמונה תראה כמו תחריט עם בליטות. החיסרון העיקרי הוא שהשיטה מעוותת את ההארה כך שלא ניתן להשתמש בניתוח כמותי של העוצמה מתוך התמונה שהתקבלה אלא רק ברושם איכותי של מה שמתרחש.

Brightfield_phase_contrast_cell_image

תמונה 3: צילום של תאים דרך מיקרוסקופ ללא הגברת ניגודיות (מימין) אל מול צילום זהה עם הגברת ניגודיות בשיטת מיקרוסקופית פאזה. המקור לתמונה: ויקיפדיה.

***

ושאלה לסיום: מה היה קורה אילו לקיקלופ היו שלוש עיניים? האם היה רואה טוב יותר מאיתנו, פחות טוב או שזה לא היה משנה? ומה היה עולה אם כך בגורלו של אודיסאוס? הרגישו חופשי להגדיר 'טוב' כרצונכם. אין לי תשובה לשאלה ואתם מוזמנים להציע את דעתכם.

מודעות פרסומת

אז מה עושים שם באוניברסיטה? פרק 17: כיצד להנדס תאריך תפוגה לחיידקים ולזכות בתהילת עולם

נפגשתי עם לירון אמיר וסתיו שמיר כדי לשמוע מהם על התחרות הבינלאומית לביולוגיה סינטטית בה הם משתתפים.

לירון היא המדריכה של קבוצה המונה 12 סטודנטים, בהם גם סתיו, שמשתתפת בתחרות iGEM הבינלאומית לביולוגיה סינטטית. בימים כתיקונם שניהם לומדים וחוקרים באוניברסיטת בן-גוריון שבנגב. סתיו הוא סטודנט שנה רביעית להנדסת ביוטכנולוגיה ולירון מסיימת בקרוב את עבודת הדוקטורט שלה בהנדסת ביוטכנולוגיה וכימיה.

הקבוצה הכינה סרטון קצר ומצוין על הפרויקט.

מהי התחרות הזאת?

סתיו: התחרות נקראת internationally genetic engineered machines או בקיצור iGEM והיא החלה ב-2004 ב-MIT אבל מאז התרחבה והשנה מתחרות מעל 200 קבוצות מכל העולם. קבוצות של סטודנטים לתואר ראשון עובדים על פרויקט כמה חודשים ומציגים את התוצאות בכנס אזורי, ואם הם עוברים שלב אז גם ב-MIT. נושא התחרות הוא ביולוגיה סינטטית והמטרה היא להביא אותה למודעות ולקדם את התחום.

לירון: מטרה נוספת של התחרות היא ליצור בנק פתוח של רכיבים ביולוגיים לשימוש במחקר ולכן מארגני התחרות דואגים שכל הידע והטכנולוגיה שמפותחים במהלכה נשארים זמינים למי שמעוניין בהם.

מהי ביולוגיה סינטטית?

סתיו: מדובר בגישה שבה בעזרת טכניקות של הנדסה גנטית מושתלים רכיבים גנטיים לתוך יצורים חיים לקבלת תוצרים שאינם קיימים בטבע אך יוכלו להועיל מאוד לאנושות. ניתן למשל להכניס תכונות מועילות לחיידקים ולהשתמש בהם ככלי. לדוגמה ניתן להוסיף למאגר מים שני סוגים של חיידקים, אחד זוהר כאשר הוא בה במגע עם זיהום של מתכות כבדות והשני מטהר את המים מהזיהום. כך אנחנו מזהים בעיה ומטפלים בה.

מה סינטטי בחיידקים האלה?

סתיו: יש כאן הרכבה של כמה אלמנטים שבאים ממקורות שונים. ראשית ישנו הגן שמייצר חלבונים פלואורסנטיים והוא לקוח ממדוזה. רכיב נוסף הוא מערכת הגנים שמזהה מתכות כבדות ולבסוף יש את החיידק שהוא הבסיס למערכת החדשה. את כל אלה יש להרכיב יחדיו כך שהמכונה תעבוד. החיידק המתקבל בסוף התהליך אינו קיים בטבע ולכן נקרא סינטטי.

והחיידקים האלה אינם מסוכנים עבורנו?

לירון: באופן כללי אנחנו עובדים עם גרסה מהונדסת של החיידק אי-קולי שהוא במקור חיידק שחי במעיים שלנו. מהחיידק המהונדס נמחקו כל הגנים שגורמים למחלות ולכן באופן עקרוני אינו אמור להיות מסוכן לנו כלל. עם זאת, מרגע ששחררנו את החיידק לסביבה אין לנו דרך לאסוף אותו חזרה. גם אם אינו יכול לגרום לנו למחלות באופן ישיר ישנה אפשרות שהחיידק המהונדס עלול לגרום לנזק לא ידוע לסביבה. מה גם שהפחד של אנשים מחיידקים מונע מאיתנו כיום להשתמש באפליקציות האלה, בין אם הם עלולות לגרום נזק ובין אם לא. ופה בדיוק נכנס הרעיון שלנו לתחרות.

EscherichiaColi_NIAID

תמונה 1: חיידקי אי-קולי שגודלו בתרבית והודבקו לזכוכית מצולמים במיקרוסקופ אלקטרוני. המקור לתמונה: National Institutes of Health האמריקאי, דרך ויקיפדיה.

ספרו לי מה אתם זוממים?

סתיו: מטרת הפרויקט שלנו היא לייצר מנגנון השמדה אוטונומי שניתן להשתיל בחיידקים. המנגנון יאפשר לחיידק לבצע את פעולתו המועילה ואז לאחר משך זמן שנקבע מראש יגרום למותו.

איך זה יעבוד?

סתיו: אנחנו עובדים בו-זמנית על שני כיוונים. האסטרטגיה הראשונה הוא להשתיל בחיידק פיסת DNA שמייצרת רעלן, ופיסה אחרת שמייצרת חלבון המונע את ביטוי הפיסה הראשונה ונקרא 'רפרסור' (ראו איור 2א). את הרפרסור נבנה כך שיפעל רק אם נמצא חומר חיצוני מסוים. כל עוד החיידק במעבדה אנחנו נספק לו את החומר שיאפשר את פעולת הרפרסור, שבתורו ימנע את ייצור הרעלן. ברגע שנשחרר את החיידק לעולם הוא לא יוכל לייצר חלבוני רפרסור נוספים. בכל פעם שהחיידקים יתחלקו תדולל כמות הרפרסור הקיימת בחיידק עד שבשלב מסוים הכמות נמוכה מידי, הרעלן מיוצר והחיידק מת (2ב).

האסטרטגיה השניה היא לקלקל את מנגנון יצירת אחד החלבונים החיוניים עבור החיידק על ידי שינוי ה-DNA שלו, ובו בזמן להשתיל מנגנון סינטטי שמהווה אפיק מקביל ומאפשר את יצירת אותו חלבון (2ד). פעולתו של המנגנון החלופי תלוי בקבלת חומר מיוחד מבחוץ. כאשר החיידק משוחרר אל מחוץ למעבדה הוא מאבד את היכולת לייצר את אותו חלבון דרך המנגנון החלופי ומת (2ה).

איור של אסטרטגיות
איור 2: תרשים סכמטי של שתי האסטרטגיות ליצירת מנגנון ההשמדה האוטונומי.

אז מה בעצם אתם צריכים להצלחת הפרויקט?

סתיו: אמנם רוב הרכיבים הגנטיים כמו אלה ליצירת הרעלן והרפרסור קיימים בבנק הרכיבים אבל צריך לתכנן ולשנות אותם כך שיתאימו לעבוד יחדיו באותו מנגנון, למשל לשנות את רכיב הרעלן כך שיהיה מבוקר על ידי הרפרסור. לאחר תכנון כל פיסות ה-DNA הדרושות הן מיוצרות על יד חברה שמתמחה בכך. לבסוף יש להשתיל את המנגנון בתוך חיידק. ההשתלה היא טכניקה סטנדרטית של הנדסה גנטית בה שמים את החיידקים במים עם רצפי ה-DNA ובתגובה לעירור ממברנת החיידקים ע"י חום או שוק חשמלי הם סופגים אותם לתוכם.

אלה המשימות הביולוגיות, אבל יש משימות נוספות. אנחנו גם כותבים תוכנת מחשב שתחשב את זמן החיים המצופה של החיידק בעזרת מודל מתמטי. אנחנו עובדים על פרזנטציה ועל אתר אינטרנט לפרויקט ואנחנו גם עוסקים בהנגשת הפרויקט לציבור ובהגברת המודעות לנושא. גם משימות אלה מהוות חלק חשוב בתחרות.

לירון: מכיוון שהפרויקט מורכב מאוד ורבגוני גם הסטודנטים באים מרקע מאוד מגוון. ישנם סטודנטים מהנדסת ביוטכנולוגיה, כימיה, כלכלה, מדעי-המחשב, ביואינפורמטיקה ומערכות-מידע.

ודבר נוסף שאנחנו זקוקים לו הוא עזרה במימון.

אתם מגייסים כסף לפרויקט באתר headstart

סתיו: כן, את הפרויקט יזמנו אנחנו הסטודנטים ולכן היינו זקוקים לתמיכה כלכלית כדי לממנו. חלק מהמימון קיבלנו מחברות מסחריות ומגופים בתוך האוניברסיטה. פנינו לפרויקט התמיכה כדי להשלים את סכום הכסף שחסר לנו.

אחת המטרות של הפרויקט היא להקים תשתית שתשמש כבסיס לקבוצות נוספות שישתתפו בתחרות בשנים הבאות. מדובר בתחרות יוקרתית מאוד בעולם המדע והקבוצה שלנו וקבוצות נוספות שישתתפו בעתיד יכולות להביא כבוד גדול ומודעות למדע בישראל. כמו כן כפי שציינו, כל הפיתוחים בתחרות זמינים ופתוחים לכלל הקהילה המדעית ולכן התמיכה בקבוצות היא תמיכה ישירה בקידום המדע בכלל והמדע הישראלי בפרט.

לירון: הפרויקט שלנו עוסק בבטיחות ולכן הפוטנציאל שלו להועיל ולתרום להנגשת התחום לתועלת האנושות הוא גבוה. אפילו אם נספיק לפתח רק חלק מהכלים, הרי הם יהיו זמינים לכולם בגלל מודל הקוד הפתוח, וזה חלק מהיופי במיזם.

דף הפרויקט באתר headstart

***

קבוצתית לפני עיבוד (2)

הסטודנטים המשתתפים בפרויקט הם: אור שלזינגר, סתיו שמיר, יונתן שמלא, גל מרגוליס, עידן אלוביק, אלכס מלמוד, אפרת מילר, נטע ויס, רייצ'ל גרגור, עדי לוי, אסף קזקוב ורן דך.

המדריכה של הקבוצה: לירון אמיר.

המנחים של הקבוצה הם: פרופ' סמדר כהן, פרופ' ליטל אלפונטה ודר' ניב פפו מהמחלקה להנדסת ביוטכנולוגיה ע"ש אברהם וסטלה גולדשטיין גורן באוניברסיטת בן-גוריון בנגב.

———————————————————

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 :-)

הגודל כן קובע! על איבוד הסְגוּליות בסקלה ננומטרית

"מה כבד יותר, קילו נוצות או קילו ברזל?"

מדוע אנשים מתבלבלים לעתים במתן תשובה לשאלה זאת? אני מניח שהסיבה נעוצה בכך שברזל אכן שוקל יותר מנוצות. במילים אחרות, מטיל ברזל שוקל יותר ממטיל נוצות. מטיל עופרת שוקל יותר ממטיל זהב. ניתן לפרק את המשקל (או המסה) של מטיל לשני גורמים: נפח וצפיפות (density). הנפח הוא פרמטר 'חיצוני' שנוכל לקבוע כרצוננו והצפיפות היא תכונה 'פנימית' של החומר ולא נוכל לשנות אותה בקלות בהינתן החומר.

ניתן להגדיר צפיפות כמסת האטום הבודד כפול מספר האטומים ליחידת נפח. היא שימושית מאוד מכיוון שאינה תלויה בכמות של החומר או בנפחו ולכן היא נקראת תכונה סגולית של החומר. הצפיפות של קילוגרם ברזל זהה לצפיפות של שני קילוגרמים של ברזל, אך גבוהה יותר מהצפיפות של כל כמות נוצות שתבחרו. ובכיוון ההפוך, צפיפות של מטיל זהב שווה לצפיפות של חצי מטיל זהב ששווה לצפיפות של רבע מטיל זהב וכך הלאה. אך האם זה נכון עבור כל מקרה? אם נחלק את הנפח שוב ושוב לבסוף נגיע למצב שבו אין מספיק אטומים כדי למלא את 'יחידת הנפח' הבסיסית של החומר. במקרה זה מספר האטומים ליחידת נפח ישתנה כפונקציה של הנפח והצפיפות תחדל להיות גודל סגולי ותחל להיות תלויה בנפח.

תופעה זאת של 'איבוד הסגוליות' היא מאפיין של חומרים וגבישים בסקלה ננומטרית, וזאת לא התכונה היחידה שמשתנה בסקלה זאת. בואו ונבחן שתי דוגמאות בהן תופעה זאת באה לידי ביטוי ואף יכולה להיות שימושית מאוד.

Goldkey_logo_removed

תמונה 1: קילוגרם של מטיל זהב שוויצרי. המקור לתמונה: ויקיפדיה.

עם הראש בקיר: מוליכות סגולית בשכבות דקות

ההתנגדות החשמלית של חומר היא ההתנגדות שלו לזרימה של אלקטרונים ועקב כך איבוד אנרגיה לחום. ניתן לחלק את הגורמים לחוזק ההתנגדות של פיסת מוליך מסוים לשניים: גיאומטריה והתנגדות סגולית. בהנחה שכל יחידה של חומר מייצרת התנגדות ברור שככל שהפיסה ארוכה יותר (l באיור 2) כך ההתנגדות גדולה יותר. לעומת זאת, ככל ששטח החתך (A באיור 2) של הזרימה גדול יותר, מפתח הצינור רחב יותר וההתנגדות קטנה יותר. אלה הם הגורמים החיצוניים להתנגדות. הגורם הפנימי הוא ההתנגדות 'הטבעית' של החומר לזרימת אלקטרונים, או בשמה המדעי התנגדות סגולית (resistivity). בדומה לצפיפות גם ההתנגדות הסגולית אינה תלויה במימדים של המוליך.

Resistivity_geometry

איור 2: פיסה של חומר מוליך בעל התנגדות המחובר בשני קצותיו למגעים חשמליים. המקור לאיור: ויקיפדיה.

כעת בואו ונחשוב על הניסוי הבא: מה יקרה להתנגדות הסגולית של תיבה (גוף מלבני, ראו איור 2) אם נקטין את גובהה שוב ושוב? התוצאה הצפויה מתוארת באופן סכמטי בגרף באיור 3. כפי שניתן לראות עד לעובי מסוים הערך של ההתנגדות הסגולית נותר קבוע. זה צפוי מכיוון שאנחנו לא משנים את החומר שממנו עשויה התיבה. אבל מעובי קריטי כלשהו ההתנגדות הסגולית מתחילה לעלות. כיצד זה יכול להיות?

התנגדות סגולית כפונקציה של עובי שכבה

איור 3: התנגדות סגולית כפונקציה של עובי השכבה. ערך קבוע עד העובי הקריטי ואחריו ההתנגדות הסגולית עולה.

הדרך הפשוטה ביותר להסביר את התוצאה היא על ידי מודל התנגשויות. ההתנגדות החשמלית נגרמת על ידי התנגשויות של אלקטרונים באטומים המאטות את מהירותם. האטומים מפוזרים בצורה הומוגנית בנפח ולכן ההתנגדות הסגולית זהה עבור כל חלק של המוליך. אבל הטריק הוא שהאלקטרונים מתנגשים גם בדפנות המוליך. כל עוד השכבה עבה כמות ההתנגשויות בדופן זניחה ביחס לכלל ההתנגשויות. כאשר מימד העובי קטן באופן קיצוני, החלק היחסי של ההתנגשויות בדפנות גדל ומשנה את ההתנגדות הפנימית של השכבה לזרימת אלקטרונים וכך בעצם את ההתנגדות הסגולית.

אבל זה לא הדבר היחיד שקורה לאלקטרון. בואו ונמשיך להקטין.

קלסטרופוביה של אלקטרונים: התלות של פער האנרגיה בגודל נקודה קוונטית

מה שמייחד מוליך-למחצה ממתכת הוא פער האנרגיות האסורות בין אלקטרון קשור לאטום לאלקטרון חופשי להולכה. כדי שאלקטרון יעבור למצב אנרגטי שבו הוא זמין להולכה הוא צריך לקבל מספיק אנרגיה כדי לדלג מעל פער האנרגיות. נניח מצב שבו חלקיק אור פוגע בחומר ומעביר את האנרגיה שלו לאלקטרון. אם אנרגית הפוטון גדולה מפער האנרגיה אז הפוטון יעלם והאלקטרון יעבור למצב אנרגיה גבוה המאפשר הולכה חשמלית. מכיוון שהאלקטרון מעדיף להיות באנרגיה נמוכה הוא יאבד אנרגיה בהדרגתיות לחום עד שיגיע לאנרגיות האסורות. כעת יאבד האלקטרון בבת אחת את כל האנרגיה שנותרה ופוטון יפלט מהחומר. צבע האור הנפלט תלוי בגובה הפער האסור שקובע כמה אנרגיה מאבד האלקטרון. זהו תהליך פלואורסנטי במוליכים למחצה.

פער האנרגיה הוא גודל סגולי של החומר ואינו תלוי בגיאומטריה. אך כאשר המימדים של הגביש הם מסדר גודל של פונקצית הגל של האלקטרון, הוא מתחיל 'לחוש' את קירות המלכודת סוגרים עליו והפתרונות הקוונטיים הם שונים. מצב זה נקרא 'quantum confinement' ובו פער האנרגיה נהיה תלוי ביחס הפוך לגודל המלכודת. ככול שהמלכודת קטנה יותר כך פער האנרגיה גדול יותר והאור שייפלט כחול יותר. הגבישון הננומטרי הזה נקרא נקודה קוונטית או quantum dot בלעז.

QD_S

תמונה 4: בקבוקים עם תמיסות המכילות נקודות קוונטיות בגדלים שונים ומוארים באור אולטרה-סגול. כל נקודה פולטת אור פלואורסנטי שונה בהתאם לגודל שלה. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש walkman16.

על ידי שילוב נכון בין החומר לגודלה של הנקודה הקוונטית נוכל להנדס חומר המאיר בצבע לפי בחירה (ראו תמונה 4). כבר היום נעשה שימוש בנקודות כמולקולות צבע לסימון בביולוגיה ולפיתוח של התקני פליטת אור מתקדמים. יש להן גם שימושים רבים אחרים שאינם קשורים לפליטת אור.

ובאופן כללי, לב ליבה של הננוטכנולוגיה הוא הניצול של התכונות השונות והמשונות שמתגלות בחומרים מסדר גודל ננומטרי לטובת המדע והטכנולוגיה. הנושא חוזר פה בבלוג שוב ושוב ומספר הדוגמאות גדול משאוכל למנות. המשחק המדעי של היום הוא הטכנולוגיה המתקדמת של מחר.

ושאלה לסיום: מה שוקל יותר, קילו גבישוני ברזל ננומטריים או קילו נוצות ננומטריות?