ארכיון

Posts Tagged ‘כימיה פיזיקאלית’

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 :-)

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 :-)