RESEARCH

מחקר חדש בהובלת חוקרים מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן מציע שיטה חדשנית לביטול החזרת גלי אור ממשטחים, אשר מונעת החזרה של טווח רחב של אורכי גל או תדרים. לשיטה זו עשויים להיות יישומים רבים, החל משיפור יעילותן של מערכות אופטיות וכלה בפיתוח מטוסים וכלי רכב חמקנים.

המחקר נערך בהובלת פרופ' קובי שויער ופרופ' פבל גינזבורג מביה"ס להנדסת חשמל, בשיתוף עם ד"ר דמיטרי פילונוב מהמכון לפיזיקה וטכנולוגיה במוסקבה, ופורסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי Optics Express.

כאשר קרן אור עוברת מתווך אחד לשני, גם אם שניהם שקופים (כגון מאוויר לזכוכית), חלק מעוצמת האור מוחזר וחלק עובר. תופעה זו, אשר מתבטאת למשל בהשתקפות שאנו רואים כאשר מסתכלים החוצה בשעות החשיכה מחדר מואר דרך החלון, היא תופעה כללית של התפשטות גלים וקיימת גם בגלי רדיו, מיקרוגל, גלי קול, גלי לחץ, ואף בפונקציות הגל המתארות חלקיקים קוונטיים.

(צילום: מתוך המחקר)

פרופ' שויער מסביר: "תופעת ההחזרה החלקית נובעת מכך שלתווכים שונים תכונות אופטיות שונות. כך למשל, ההחזרה החלקית מזגוגית החלון נובעת מכך שמהירות האור באוויר ובזכוכית הן שונות – האור מתקדם לאט יותר בזכוכית. תופעת ההד שאנו שומעים בקרבת מצוקים, נובעת מסיבה דומה – גלי הקול יכולים להתקדם בקלות בחומרים מוצקים, במהירות גבוהה יותר מאשר מהירותם באוויר. ההבדל בין מהירות הקול באוויר ובסלע גורם להחזרה חלקית של גלי הקול והוא זה שיוצר את ההד".

במקרים רבים, מציינים החוקרים, תופעת ההחזרה החלקית מהווה גורם מפריע. במערכות תצפית ואופטיקה מורכבות כגון מיקרוסקופ, תופעת ההחזרה החלקית עלולה לגרום להפחתה דרמטית בעוצמת האור המגיעה לעין האנושית או לגלאי, ובכך לפגיעה משמעותית בביצועי המערכת. כדי להעניק פתרון לתופעת ההחזר החלקית על פני טווח תדירויות רחב, החוקרים ניגשו לבעיה מכיוון שונה לחלוטין.

פרופ' שויער מרחיב: "באופן כללי, על מנת להפחית את תופעת ההחזרה החלקית ניתן להשתמש ב'ציפוי נגד החזרות' (anti-reflection coating). ציפוי זה מתפקד כמהוד (באנגלית resonator) הגורם להתאבכות בונה של האור בכיוון ההתקדמות ולהתאבכות הורסת לאחור, וכך מידת ההחזרה פוחתת. ציפויים מסוג זה ניתן למצוא במגוון רחב של מערכות אופטיות ואקוסטיות, ואפילו במשקפי ראייה. החיסרון העיקרי של השיטה הוא יעילותה המוגבלת, אשר מתאימה לתדר יחיד, זהו תדר התהודה".

במערכות הנדרשות לטפל בטווח של אורכי גל או תדרים, לדוגמה משקפי ראייה או מיקרוסקופ, השיטה הקיימת אינה מבטלת לחלוטין את ההחזרה החלקית של האור. עקרונית, ניתן להרחיב את השיטה לטיפול בטווח של אורכי גל או תדרים, וזאת ע"י הרכבת ציפוי שכולל מספר שכבות מחומרים ועוביים שונים, אך בפועל קשה מאוד לתכנן ציפויים מרובי שכבות מכיוון שנדרשת אופטימיזציה מסובכת של עובי השכבות ותכונותיהן.

על מנת להתגבר על מגבלת היעילות בשיטות הקיימות, פיתחו החוקרים התקן המכונה "מהוד לאור לבן". פרופ' שויער: "בניגוד למהודים רגילים, המאופיינים ע"י מספר מסוים ומוגבל של תדרי תהודה, המהוד החדש מסוגל להגיב לטווח רציף של תדרים. הרעיון שמאחורי השיטה החדשה הוא שימוש בתכונות הייחודיות של המהוד לאור לבן על מנת ליצור התאבכות הורסת של הגלים המוחזרים על פני כל טווח התהודה של המהוד ובאופן זה לבטלם. מימוש המהוד המיוחד מתאפשר הודות לשילוב של מספר שכבות בעלות תכונות אופטיות שונות, אלא שבניגוד לגישה הקונבנציונלית, התכנון הוא פשוט ואינו דורש אופטימיזציה ממוחשבת מסובכת".

החוקרים אימתו את תקפות הרעיון ע"י מימוש מבנה שמבטל החזרות בטווח תדרים רחב בתחום המיקרוגל. לשם כך, הם הרכיבו שני מוליכי גלים בעלי מאפיינים שונים והראו כי ניתן לבטל את ההחזרה החלקית אשר מתרחשת באופן רגיל כאשר גלי מיקרוגל עוברים ממוליך גלים אחד לשני ע"י מימוש מהוד אור לבן המורכב ממקטעים של מוליכי גלים בעלי מאפיינים שנבחרו בהתאם. כדי לשלוט במאפייני המקטעים המרכיבים את המהוד, החוקרים מילאו אותם במטא-חומרים שמומשו באמצעות הדפסה תלת ממדית.

פרופ' שויער מסכם באופטימיות: "קונספט המהוד לאור לבן הינו אוניברסלי וניתן למימוש לכל סוגי הגלים ובכל טווחי התדרים. ליכולת לבטל החזרות על פני טווח תדרים רחב עשויות להיות השלכות מרחיקות לכת ויישומים רבים כגון מערכות תצפית ודימות טובות יותר, מערכות תקשורת בעלות טווח וקצב מידע משופרים וכן פיתוח טכנולוגיות חמקנות".

פרופ' עדי אריה מבית הספר להנדסת חשמל, פרופ' לב שמר מבית הספר להנדסה מכנית והדוקטורנט גאורגי גרי רוזנמן מהפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר.

בנוסף, החוקרים מאוניברסיטת אולם ומכון החלל הגרמני הם ד״ר מנואל רודריגז גונקאלבס, ד״ר מתיאס צימרמן, פרופ׳ מקסים איפראימוב ופרופ׳ וולפגאנג שלייך והחוקר מאצות הברית הוא פרופ׳ וויליאם קייס. פרופ' עדי אריה מופקד על הקתדרה לננו-פוטוניקה ע"ש מרקו ולוסי שאול. 

שהיה של הגל

גלים אלקטרומגנטיים, גלי חומר וגלי כבידה משטחיים יכולים להתרכז לאזור קטן וממוקד במרחב, תופעה המוכרת בתור מיקוד בהיר. זהו העיקרון על בסיסו פועלים שלל התקנים אופטיים ובהם עדשות, טלסקופים, מצלמות, מיקרוסקופים, זכוכית מגדלת וגם העין האנושית. עבודה קודמת שנעשתה אף היא במעבדתו של פרופ' אריה יחד עם חלק מהשותפים למחקר החדש, כללה את פיתוחו של מוליך גלים מסוג חדש, מראה כי ניתן לבצע מיקוד גם ללא עדשה – כאשר אור או כל גל אחר עובר דרך חריץ צר ומתרכז לאזור בהיר במרחב.

הדוקטורנט גאורגי גרי רוזנמן מסביר: "מיקוד בדרך כלל מקושר לעלייה בעוצמת האור באזור מצומצם במרחב, כפי שניתן לצפות באור העובר דרך עדשה, וכאן ניסינו לבצע את הפעולה ההפוכה, כלומר להוריד כמעט לאפס את כמות האור בנקודה מסוימת במרחב. התופעה שגילינו בניסוי וגם חקרנו באמצעות תאוריה נלווית, מכונה מיקוד עקיפתי אפל. במסגרת התופעה הזו, גלים מתרכזים לנקודה אחת במרחב, אבל שלא כמו במיקוד בהיר, מקבלים מינימום של עצמה בעוד שבכל שאר המרחב ישנם גלים בעוצמה גבוהה."

במאמר מפרטים החוקרים את הניתוח התאורטי של הבעיה באמצעות כלים ממכניקת הגלים וממכניקת הקוונטים. החוקרים מציינים כי על פי התחזית התאורטית, תופעה זו יכולה להתרחש גם בהיעדר עדשה המרכזת את האור, בנוכחות סדק בלבד. רוזנמן מוסיף ואומר כי "הבסיס לעקרון הפעולה החדש שפענחנו, הוא שבמחצית מהסדק תתבצע השהיה של הגל, לעומת החצי השני שבו הגל יעבור לא השהיה. עבור גלים אופטיים למשל, ניתן לממש השהיה כזו על ידי הוספת לוחית דקה של זכוכית שתכסה את מחציתו של הסדק. הניסוי שבוצע השתמש ברעיון דומה, אבל עבור גלי מים".

רוזנמן מפרט לגבי השלב השני של המחקר, בו חזו בתופעה המרתקת גם בגלי כבידה משטחיים של מים: "במעבדתו של פרופ' לב שמר, יצרנו מערך של גלי כבידה משטחיים בבריכת גלים שאורכה כ-5 מטרים. על בסיס התחזית התיאורטית הנדסנו את מבנה הסדק המיוחד במרחב הזמן, וצפינו לראשונה בתופעה של מיקוד עקיפתי אפל באופן ניסיוני. למעשה הבנו כי מיקוד עקיפתי אפל איננו רק התאום המנוגד  למיקוד הבהיר, אלא שיש לו גם הרבה תכונות מעניינות בפני עצמו. למשל, ראינו כי המיקומים של מוקדי החושך שונים מאלה של מוקדי האור, וכי הוצאת המערכת מפוקוס עשויה לגרום להיווצרותם של פסי חושך רחבים".

החוקרים טוענים כי לתופעה החדשה שגילו והסבירו יש השלכות מעניינות בהבנה של תופעות גליות, וכי יתכנו יישומים שלה גם בגלים אקוסטיים ואלקטרומגנטיים. רוזנמן מסכם: "בעזרת המסקנות מהניסויים שערכנו ומהתאוריה שבנינו, אנו מעריכים כי ניתן יהיה להעלים רעשים באופן ממוקד או ללכוד ולהזיז חלקיקים בצורה יעילה יותר. אמנם התופעה עוסקת בחושך אך היא כנראה תביא הרבה אור מדעי לחיינו, שכן זהו פתח לתופעות פיזיקליות חדשות".

המחקר פורסם בעיתון היוקרתי Applied Physics B 

קישור למחקר

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

מחקר חדש של המעבדה לננוטכנולוגיה סביבתית בראשות דר' אינס צוקר ובהובלת הדוקטורנט אנדריי איתן רובין מוצא כי מיקרופלסטיקים הם בעלי פוטנציאל לספיחה של חומרים אורגנים רעילים בסביבה הימית.

כשהצמד מגיע לבני האדם, רעילותם של המיקרופלסטיקים יחד עם החומרים הספוחים (אשר אינם רעילים בריכוז שנספח) מוגברת פי 10! תיאור המנגנון לפיו המיקרופלסטיק משמש נשא אפקטיבי של המזהם מהסביבה אל תנאים שמדמים סביבה תאית, ולבסוף גורם לרעילות מוגברת פורסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי Chemosphere

באיור (איור מהמחקר) החוקרים מראים 2 מסלולי חשיפה למיקרופלסטיק, בראשון כשהוא ללא מזהמים ספוחים עליו (נקי) והמסלול השני כשהמיקרופלסטיק ספח מזהם מהסביבה.

"במחקר הזה אנחנו מראים שאפילו ריכוזים מאוד נמוכים של מזהמים סביבתיים, שאינם רעילים לאדם, כאשר הם ספוחים על המיקרופלסטיק גורמים לעלייה ברעילות. הסיבה לכך, היא שבעצם המיקרופלסטיק מהווה מן מגנט למזהמים סביבתיים ומרכז אותם על גביו, הוא "מסיע" אותם דרך מערכת העיכול שלנו ומשחרר אותם בצורה מרוכזת באזורים מסוימים ובכך גורם לרעילות מוגברת. חדשנות המחקר היא בכך, שבעצם בפעם הראשונה אנחנו מראים תמונה כוללת של הגורל המיקרופלסטיק, מרגע השחרור שלו לסביבה, דרך ספיחה של מזהמים סביבתיים ועד לרעילות מוגברת באדם." מסביר אנדריי איתן רובין.

למאמר

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

עבודתה של ד"ר גילי ביסקר ומנהלת המעבדה שלה ד״ר עדי הנדלר-נוימרק בנושא, התפרסמה בכתב העת המדעי Materials Today Bio בה הן חושפת את השיטה החדשנית למעקב אחר ננו-הצינוריות מפחמן בתוך תולעים. במחקר הייתה שותפה גם ד״ר ורנה וולף, פוסטדוקטורנטית במעבדתה של גילי.

ד"ר ביסקר מפתחת במעבדה שלה ננו-חיישנים אופטיים תוך שימוש בתכונות האופטיות של ננו-הצינוריות מפחמן כדי לזהות ולכמת מולקולות מטרה בצורה ספציפית וסלקטיבית. החיישנים מבוססים על ננו-צינוריות מפחמן הפולטות פלורסנציה בתחום האינפרא-אדום הקרוב, וכך מתאפשר לראות עמוק יותר בתוך הרקמה ובדוגמאות ביולוגיות, ולשפר את היחס בין האות לרעש.

תולעים כחיית מודל

תולעים משמשות חיית מודל נפוצה בזכות דמיון גנטי גבוה לבני אדם בגנים מחוללי מחלות כמו למשל במחלת הפרקינסון. למרות היתרונות הרבים שלהן כגון גודלן הקטן ושקיפותן, חסרון אחד משמעותי הוא האוטופלורסנציה שלהן בכל התחום הנראה, הנובעת מחלבונים שנמצאים בתוך התולעת עצמה הפולטים פלורסנציה. חסרון זה קיים לא רק בתולעים, אלא בחיות מודל רבות, עובדה המקשה מאוד על שימוש בצבענים או חלבונים פלורסנטים סינתטיים, היות ולא ניתן להפריד בין החלבונים הפלורסנטים הטבעיים של האורגניזמים לבין הצבען הפלורסנטי הסינתטי.

תמונה מהמאמר: בשורה העליונה ניתן לראות תמונות פלורסנטיות של התולעים במספר אורכי גל, התמונה השמאלית (NIR) היא של ננו-הצינוריות (אדום). התמונה האמצעית (DAPI+NIR) והימנית (GFP+NIR) הן תמונות משולבות של ננו-הצינוריות מפחמן באדום עם התמונות של האוטופלורסנציה של התולעת באורך גל המתאים לצבע הפלורסנטי הסינתטי DAPI או GFP (כחול או ירוק). בשורה השנייה התמונות הפלורסנטיות מוצגות על גבי תמונה באור לבן של התולעים, על מנת למקם את ננו-הצינוריות ביחס למעי של התולעת.

החוקרות השתמשו בננו-צינוריות מפחמן אשר פולטות פלורסנציה בתחום האינפרא אדום הקרוב – זהו תחום ספקטרלי בו אין אוטופלורסנציה כלל. "באמצעות ננו-הצינוריות הצלחנו לעקוב אחר פעילות העיכול של התולעים, לראות את המעבר שלהן בוושט עד צינור המעי, ולנטר את פעילות השאיבה של האוכל", מסבירה ד"ר הנדלר-נוימרק.

לדברי ד״ר ביסקר, ״הננו-חלקיקים הללו מתאימים לעבודה עם דוגמאות ביולוגיות ואינם פוגעים בהן, ולכן מאפשרים לעקוב אחר תהליכים בתוך אורגניזמים או תאים חיים ללא הפרעה של האוטופלורנסנציה הטבעית שלהם. השימוש בננו-צינוריות מפחמן יכול להוות יתרון משמעותי במעקב אחר תהליכים בחיות מודל קטנות כמו תולעים וגם לעקוף לחלוטין את האתגר של אוטופלורסנציה בתחום האור הנראה״.

אלה שמתאהבות בבעיה הן אלה שממציאות לה פתרון

המחקר נערך בהובלת קבוצות המחקר של ד"ר בן מעוז מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית ובית הספר סגול למדעי המוח, פרופ' אורי אשרי מבית הספר סגול למדעי המוח והפקולטה למדעי החיים, ופרופ' רודד שרן מבית הספר למדעי המחשב ע"ש בלווטניק - כולם חוקרים באוניברסיטת תל אביב. במחקר השתתפו גם פרופ' יעקב נחמיאס מהמכון למדעי החיים באוניברסיטה העברית, והחוקרים ד״ר רוסאנה ראוטי, ד״ר יעל ברדוגו והדוקטורנט מיישר שחוח מאוניברסיטת תל אביב. תוצאות המחקר החדש התפרסמו בכתב העת eLife.

"אנחנו רואים שכיחות גבוהה מאוד של מחלות כלי דם וקרישת דם, דוגמת שבץ והתקף לב, בקרב חולי קורונה", מסביר ד"ר בן מעוז. "אנחנו רגילים לחשוב על קורונה כעל מחלה נשימתית בעיקרה, אבל האמת היא שחולי קורונה נמצאים בסיכון מוגבר עד פי שלושה לעבור שבץ או התקף לב למשל. כל העדויות מראות שהנגיף פוגע קשות בכלי הדם או בתאי האנדותל העוטפים את כלי הדם. אלא שעד היום התייחסו לנגיף כולו כאל מקשה אחת. אנחנו רצינו לגלות אילו חלבונים בתוך הנגיף אחראים לנזק הזה".

נגיף הקורונה החדש הוא נגיף פשוט יחסית – והוא מורכב בסך הכול מ-29 חלבונים שונים (לעומת עשרות אלפי חלבונים שמייצר גוף האדם). החוקרים מאוניברסיטת תל אביב השתמשו ב-RNA של כל אחד מחלבוני הקורונה ובדקו את התגובה שנוצרת כאשר מחדירים את רצפי ה-RNA השונים לתאים אנושיים של כלי דם במעבדה, וכך הצליחו לזהות חמישה חלבוני קורונה שפוגעים בכלי הדם.

"כשנגיף הקורונה חודר לגוף, הוא מתחיל לייצר 29 חלבונים, נוצר נגיף חדש, הוא מייצר 29 חלבונים חדשים וכך הלאה", מספר ד"ר מעוז. "בתהליך הזה, כלי הדם שלנו הופכים מצינורות אטומים למעין רשתות או חתיכות בד חדירות, ובמקביל חלה הגברה בקרישת הדם. אנחנו בדקנו ביסודיות את ההשפעה של כל אחד מ-29 החלבונים שהנגיף מבטא, והצלחנו לראשונה לזהות חמישה חלבונים ספציפיים שמחוללים את הנזק הגדול ביותר לתאי האנדותל ומכאן גם ליציבות ולתפקוד כלי הדם. בנוסף, השתמשנו במודל חישובי שפותח על ידי פרופ' שרן, המאפשר לשער ולזהות אילו מחלבוני הקורונה הם בעלי ההשפעה הגדולה ביותר על רקמות נוספות פרק לכלי הדם, וזאת מבלי שראינו אותם ב'פעולה' במעבדה".

לדברי ד"ר מעוז, לזיהוי החלבונים עשויות להיות השלכות משמעותיות במאבק במחלה. "המחקר שלנו יכול לסייע במציאת מטרות לתרופה שתשמש לעצירת פעילותו של הנגיף, או לפחות למזעור הנזק בכלי הדם".