המבנה הכימי הפשוט ביותר שניתן לחשוב עליו הוא מולקולה, חבורה של אטומים המחוברים ביניהם. לאחרונה, צוות משותף לשתי קבוצות מחקר מהאוניברסיטה העברית הצליח להראות כי מולקולות יכולות לתפקד כמו מגנטים קטנים, גם אם אין בתוכן ולו אטום מגנטי אחד! יתרה מכך, החוקרים הראו כי ניתן להשתמש בתכונה זו של המולקולות לצורך דימות מגנטי של חומרים שונים.

המבנה הכימי הפשוט ביותר שניתן לחשוב עליו הוא מולקולה. במולקולה, האטומים חולקים ביניהם במשותף חלק מהאלקטרונים שלהם. האלקטרונים טעונים במטען שלילי, והם מאזנים את המטען החיובי שבגרעיני האטומים. מולקולות הן סוג של ננו-קיבוץ, אם תרצו.

לכל אלקטרון במולקולה יש תכונה שנקראת "ספין". ספין הוא יצור מעולם מכניקת הקוונטים (תוכלו לקרוא עליו עוד כאן [1]). מכיוון שאין שום דבר בחוויה האנושית שאפילו קרוב לדבר שנקרא ספין, הטוב ביותר שאנחנו יכולים לעשות כדי להסביר מהו ספין הוא למצוא אנלוגיות, למשל, ספין של אלקטרון הוא כמו סיבוב שלו סביב עצמו. אבל רק כמו. האלקטרון יכול להסתובב ימינה, או שמאלה (ומכאן שמו, ספין, או "סחריר" בעברית). בגלל תכונת הספין, האלקטרון מתפקד כמו מגנט קטן.

עבור רוב האטומים, האלקטרונים המפוזרים סביב הגרעין מסודרים זוגות-זוגות, באופן כזה שהספינים שלהם הפוכים ומבטלים זה את זה. אולם, לאטומים של חלק מהיסודות יש אלקטרון בודד, ומכיוון שאין לו בן-זוג עם ספין הפוך, הספין שלו דווקא כן משפיע. בחומרים פרו-מגנטיים, האלקטרונים מסתדרים כך שכל הספינים שלהם, "החצים המגנטיים", מכוונים באופן מקביל (למשל, כולם "מצביעים" למעלה). כך נוצר שדה מגנטי חזק לכיוון אחד - קיבלנו פרו-מגנט! אתם מכירים פרו-מגנטים אם אי פעם פירקתם דיסק-קשיח והוצאתם ממנו את המגנט שלו. או אם יש לכם משהו שנראה כמו קוביה מברזל ש"נדבקת" למקרר. למעשה, חומרים פרו-מגנטיים קיבלו את השם שלהם בגלל שהחומר הפרו-מגנטי הראשון שהתגלה היה ברזל שבלטינית קוראים לו פרום (Ferrum).

אז הבנו מהי מולקולה ומהו פרו-מגנט, אבל האם מולקולה ללא אטומים מגנטיים בכלל יכולה לתפקד כמגנט? התשובה היא שהיא לא הייתה אמורה להתנהג ככה! אבל במולקולות מסויימות מתרחש משהו יוצא דופן. ה"משהו" הזה מתרחש במולקולות הנקראות מולקולות כיראליות. בקצרה, מולקולות כיראליות הן מולקולות שאינן סימטריות לשיקוף. כלומר, מולקולות שתמונת המראה שלהן אינה זהה לתמונה המקורית. הידיים שלכם הן כאלה: אם תביטו בתמונת מראה של יד ימין שלכם היא תראה כמו יד שמאל וההיפך.

לצורך ההסבר הבא יהיה קל יותר לדמיין בורג, או קפיץ. גם הם לא יהיו זהים לתמונת המראה שלהם. בורג שמתברג עם כיוון השעון יהפוך לכזה שמתברג נגד כיוון השעון.

מתברר, שאם אלקטרון עובר דרך מולקולה כיראלית, המסלול שהאלקטרון יעבור לאורך המולקולה משמש כמסננת - אלקטרונים עם ספין מסויים יכולים לנוע רק לכיוון אחד, והאלקטרונים עם הספין ההפוך יכולים לנוע רק בכיוון ההפוך. תופעה זו היא לב לבו של המחקר ולמעשה, עד כה לא ניתן לה הסבר תיאורטי מספק, למרות ניסיונות מרובים [2].

כאשר מולקולה מתקרבת למשטח, וזה נכון לכל סוג של מולקולה (גם מולקולה שאינה כיראלית) ולכל סוג של משטח, האלקטרונים המשותפים (מאנלוגיית הקיבוץ) מסתדרים מחדש לאורך המולקולה. במידה והמולקולה כיראלית, כשהאלקטרונים מסתדרים מחדש בתוך המולקולה הם בהכרח גם עוברים דרכה, ולכן ימויינו לפי הספין שלהם. התוצאה היא שבצד אחד של המולקולה נקבל ספין בכיוון אחד ובצד השני של המוקולה נקבל ספין בכיוון השני. למעשה, הפכנו את המולקולה למגנט קטן!

כיצד הצליח צוות המחקר למדוד ולהשתמש בתופעה? במחקר [3], שנערך במסגרת שיתוף פעולה בין קבוצת המחקר של פרופסור יוסי פלטיאל מהמחלקה לפיסיקה יישומית וקבוצת המחקר של פרופסור מיטל רכס מהמחלקה לכימיה באוניברסיטה העברית, נעשה שימוש במיקרוסקופ כוח אטומי (AFM). המיקרוסקופ מתפקד כפטיפון בקנה מידה של אלפית המיקרון. כשם שהמחט של הפטיפון רוטטת לפי חיספוס פני השטח של התקליט, והרטט מתורגם למוזיקה, כך ב-AFM ישנה מחט מאוד מחודדת שגורמת לרטט התלוי בפני השטח של הדוגמה הנמדדת, שניתן לתרגם לאות חשמלי. כך, ניתן לקבל תמונה ברזולוציה ננומטרית וניתן להבחין בפרטים קטנים מאלפית המיקרון בדוגמאות שונות. במחקר, מולקולות כיראליות ייחודיות הולבשו על קצה המחט, ומכיוון שהן מתפקדות כמו מגנט קטן, הדבר איפשר לקבל תמונה של דגמים מגנטיים.

הסיבה שכל זה מעניין היא שבשיטות האחרות הקיימות היום לדימות של חומרים מגנטיים, קשה להגיע לרזולוציה גבוהה בתנאים מסויימים. התוצאות של המחקר מראות שאפשר לשפר משמעותית את הרזולוציה של מדידות של דגמים מגנטיים קטנים. כמו כן, הגילוי חשוב מאוד לפיתוח של זיכרונות מגנטיים עליהם מבוססים רכיבי הזכרון במחשבים ובטלפונים. 

אבל יש סיבה נוספת מרגשת, והיא קשורה לעובדה שכל הביולוגיה, כולל המולקולות המרכיבות את כף היד האוחזת במכשיר הסלולרי שבעזרתו אתם אולי קוראים את הטקסט הזה, היא כיראלית. למה הכוונה? כאמור אפשר לדמיין מולקולות כיראלית כמו סליל. וסליל, יכול להיות ימני או שמאלי. הבעיה היא, שלפי כל מה שידוע למדע הכימיה, לא אמורה להיות העדפה למולקולות ימניות או שמאליות. ואכן, כאשר חוקרים מייצרים מולקולה באופן מלאכותי, נוצרות גם מולקולות ימניות וגם מולקולות שמאליות. אולם הטבע בחר כיוון אחד בלבד, ונכון להיום, אין למדע הסבר לכך. ייתכן כי הכח שנמדד במסגרת מחקר זה, אשר העיד על שינוי אנרגטי בהתקרבות של המולקולה למשטח מגנטי בכיוונים שונים, רומז להסבר אפשרי ל"בחירתו" של הטבע.

הטקסט נכתב על ידי אמיר זיו, ידיד העמותה וממחברי המאמר.

מקורות וקישורים לקריאה נוספת:

[1] - על "ספין" באתר מדע גדול, בקטנה

[2] - המאמר המתאר את התופעה במולקולות כיראליות (קובץ pdf)

[3] המאמר המתאר את היישום בדימות מגנטי