כשמביטים בטבע, ניתן להבין חוקים חדשים. זה בדיוק מה שקרה לחוקרים מאוניברסיטת בן-גוריון בנגב, שבדקו חומר היוצר צבע לבן בשרימפסים וגילו שיש לו תכונות שהופכות אותו לבוהק יותר מחומרים אחרים. הגילוי נחשב הישג מדעי, כיוון שהוא מהווה בסיס לעקרון חדש בתחום האופטיקה, שיכול לשמש להמצאת חומרים חדשים. ממצאי המחקר פורסמו בכתב העת Nature Photonics.
שרימפס במעבדה - צבע לבן בוהק של האנטנות, הרגליים והגב
(צילום: אנה פרייז)
בעולם הכימיה כיום קיים אתגר - הפקת חומר לבן ידידותי לסביבה ולא מזיק לבריאות, שיהיה בוהק מספיק וכמה שיותר דק. מדוע? חלקיקים שאינם אורגניים (כגון טיטניום דו חמצני ותחמוצת אבץ) נמצאים בשימוש נרחב כחומרי הלבנה במזונות, קוסמטיקה וצבעים. עם זאת, בשל חשש שחומרים אלו נושאים עימם סכנות בריאותיות, יש כיום חיפוש נרחב אחר חומרים אורגניים ידידותיים לסביבה, כך שיוכלו להחליף חומרים אלו בצורה בריאה יותר. כעת, עם ממצאי המחקר החדש, ייתכן שהחומר שגורם לצבע הלבן הבוהק בשרימפסים הוא זה שיענה על האתגר העולמי.
עבודת המאסטר של טלי למקוף, בליווי ד"ר בן פלמר מהמחלקה לכימיה באוניברסיטת בן-גוריון בנגב, התמקדה בחקירת החומר שיוצר צבע לבן בשרימפסים. לשרימפס יש צבע לבן בוהק במיוחד על גבו ועל גפיו, שמטרתם למשוך דגים, אותם הוא "מנקה" ממזיקים שמהם הוא ניזון. בדיקה מעמיקה של החומר הלבן באמצעות מיקרוסקופים אלקטרוניים מיוחדים העלתה שהחומר מורכב משכבה דקה להפליא של ננו-ספרות (כדורים בקוטר זעיר מאוד) צפופות מאוד.
3 צפייה בגלריה
התאים הלבנים בזנב השרימפס
(צילום: מיקרוסקופ אלקטרונים חודר, אוניברסיטת בן-גוריון בנגב)
באוניברסיטת בן-גוריון הסבירו כי המפתח לאופטיקה המיוחדת הזו הוא בסידור המולקולות בננו-ספרות, בכדורים המרכיבים אותו. המולקולות מסודרות כ"גביש נוזלי", סידור שבו ערמות של מולקולות ממוקמות בתוך עמודות היוצאות מנקודה מרכזית משותפת ממרכז הננו-ספרה, ממש כמו חישורי גלגל. הסידור מקנה לננו-ספרות תכונה אופטית שנקראת השתברות כפולה. מסתבר שסידור המולקולות וההשתברות הכפולה הם המפתח להתגברות על המכשול שמפחית את החזרת האור. ההשתברות הכפולה מאפשרת לארוז את הננו-ספרות בצפיפות ולהפחית את עובי השכבה הנדרשת בכדי לייצר חומר לבן בוהק. הפקת חומר לבן ועבה קיימת בטבע ובתעשייה, אולם הכנת חומר שמחזיר אור לבן בוהק שהינו דק, מהווה אתגר בשל תופעה הגורמת לירידה בכמות האור שמוחזרת מחומרים צפופים ודקים מידי. המחקר החדש העלה שלמרות שהחומר המופק בשרימפס הינו בעובי 5 מיקרון (מיליונית של מטר) בלבד, הוא מצליח להחזיר אור לבן בצורה יוצאת דופן שהופכת אותו לאחד החומרים שמחזירים אור לבן באופן הכי יעיל בטבע.
"בהתחלה חשבתי שזה לא מעניין כי הננו-ספרות לא הסתדרו כמו גבישים קלאסיים, בסדר תלת מימדי ארוך-טווח. אבל כשהסתכלנו מקרוב באמצעות מיקרוסקופים אלקטרוניים, הבנו לא רק שהחלקיקים הם גבישים נוזליים, כמו אלה המצויים בתצוגות LCD, אלא שהם בעלי השתברות כפולה, שהיא נדירה מאוד בעולם החי”, אמרה למקוף.
3 צפייה בגלריה
התאים הלבנים והסתעפויותיהם
(צילום: מיקרוסקופ אלקטרונים חודר, אוניברסיטת בן-גוריון בנגב)
3 צפייה בגלריה
המבנה הפנימי של הננו-ספרה שצורתו מאפשרת החזרת אור מאוד יעילה וצבע לבן בוהק במיוחד
(צילום: מיקרוסקופ אלקטרונים חודר, אוניברסיטת בן-גוריון בנגב)
באוניברסיטת בן-גוריון הדגישו כי לגילוי זה חשיבות רבה, שכן הוא משנה הנחות וחוקים מעולם האופטיקה. "זו באמת אחת הפעמים הראשונות שבה למדנו עיקרון חדש לגמרי מחקר של אורגניזם. השרימפס התגבר על מכשול בסיסי באופטיקה על ידי יצירת ננו-ספרות עם הסידור המיוחד הזה של מולקולות. עכשיו השאלה היא איך נוכל לשחזר את האפקט הזה ליצירת חומרים חדשים שנוכל להשתמש בהם כתוסף מזון בלחם לבן, או בצבע לבן ויישומים אחרים", אמר ד"ר פלמר.
מחקר זה נתמך על ידי ERC, תוכנית המחקר והחדשנות Horizon 2020 של האיחוד האירופי, מענק הקרן הלאומית למדע בשוויץ, ומענק HFSP (מס' RGP0037/2022) שהוענק לד"ר בן פלמר. ד"ר פלמר הוא זוכה המענק של נחום גוז'יק וזוכה מלגת עזריאלי לסגל צעיר לשנת 2019. מחקרי מיקרוסקופ אלקטרונים נתמכים על ידי מכון אילזה כץ למדע וטכנולוגיה ננומטרית באוניברסיטת בן-גוריון בנגב.
ד"ר בן פלמרצילום: דני מכליס, אוניברסיטת בן-גוריון בנגבקבוצת המחקר כללה את: ד"ר בן פלמר, טלי למקוף, אביטל וגנר, ד"ר גן זהנג - מהמחלקה לכימיה, ד"ר מריאלה פבן - מכון אילזה כץ למדע וטכנולוגיה ננומטרית, כולם באוניברסיטת בן-גוריון בנגב. לוטם אלוס, פרופ' דן אורון - מכון וייצמן. ד"ר יוהאנס הטג'ה - אוניברסיטת קיימברידג', בריטניה, ואוניברסיטת אלאטו, פינלנד. ד"ר לוקאס שרטל – אוניברסיטת קיימברידג', בריטניה ואוניברסיטת פריבורג, שוויץ. ד"ר ונקטה ג'איסוריה יאלפרגדה – המכון ההודי לטכנולוגיה. פרופ' סילביה ויגנוליני- אוניברסיטת קיימברידג', בריטניה.
