מחקר חדש הוכיח לראשונה כי קיים אפקט איזוטופי בהיווצרות ננו-גבישים. אפקט איזוטופי מתאר הבדלים בקצב תגובה כימית עם שינוי באיזוטופ של האטומים המשתתפים בה, שמשמעו שינוי במסה של האטומים בלי לשנות את אופיים הכימי. החוקרים הצליחו לצפות בתופעה בננו-גבישים המכילים זרחן ויסודות ממשפחת הלנתנידים, וטוענים כי ממצא זה יכול להוות בסיס למחקר למערכות גבישים נוספות.
את המחקר הובילו פרופ' גיל מרקוביץ' והדוקטורנטית גל שורץ מבית הספר לכימיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר באוניברסיטת תל אביב. כמו כן, לקחו חלק במחקר פרופ' אמיר גולדבורט וד"ר אורי חננאל מאוניברסיטת תל אביב, וד"ר ליאת אברהם מהמחלקה לתשתיות מחקר כימי במכון ויצמן למדע. המאמר פורסם בכתב העת היוקרתי Journal of American Chemical Society (JACS).
החוקרים הסבירו כי ננו-גבישים הם תצורה מיקרוסקופית של חלקיקים (מתכות, מלחים, יסודות אקזוטיים או חומרים אורגניים) אשר נוטים להתארגן במבנים גאומטריים סדורים כגון קוביות, מוטות, כדורים ועוד. קבוצתו של פרופ' מרקוביץ' חוקרת תופעות פיזיקליות וכימיות ייחודיות בסקאלה הננומטרית, הן כמדע בסיסי והן כצעד בדרך לשדרוג התקנים טכנולוגיים שונים. במחקרם החדש ניסו פרופ' מרקוביץ' ותלמידתו להתחקות אחר ההשפעה של סוג הממס בו מתפתחים הננו-גבישים, על קצב הגידול שלהם - ולשם כך השוו בין מים רגילים לבין מים כבדים, שבהם המימן מוחלף באיזוטופ בשם דאוטריום.
פרופ' מרקוביץ' הסביר: "כאשר מכניסים את מרכיבי הגביש הנחקר לתוך סביבה מימית חומצית, הם מתגבשים לננו-מוטות. בניסוי עקבנו אחר הופעת פליטת אור מהננו-גבישים לאחר הקרנתם באור אולטרה-סגול, תופעה שמתרחשת רק כאשר הגבישים מתחילים להיווצר. החידוש שהראינו הוא כי סוג הממס אכן משפיע על תהליך הגידול של הגבישים. השווינו בין ממס מסוג מים כבדים לבין מים רגילים, והבחנו כי במים כבדים תהליך ההתגבשות אורך זמן ארוך בהרבה לעומת מים רגילים. השלב הבא היה לפענח את המנגנון הקינטי שעומד בבסיס האפקט האיזוטופי הזה".
תופעות מסוג זה, מסבירים החוקרים, מסייעות להבין טוב יותר את התהליכים הראשוניים אשר גורמים להיווצרות הגבישים בתמיסה. במחקרם זה, כמו גם במחקרים רבים בתחום הננו, עשו החוקרים שימוש בטכניקות ספקטרוסקופיות מתקדמות לצורך הבנה מעמיקה של התופעה.
הדוקטורנטית גל שורץ הוסיפה: "בניסיון להמשיך ולפענח את מנגנון הגידול של הגבישים, השתמשנו במדידות תהודה מגנטית גרעינית (השיטה שעומדת בבסיס ה-MRI) של אטומי הזרחן, וזאת על מנת לעקוב אחר השלב המקדים להיווצרות גרעיני הגיבוש. לקחנו דגימות משלבים שונים של הגידול ועצרנו את התגובה. כך, מצאנו כי בטרם היווצרות גרעיני הגבישים הראשוניים, נוצרים צברים לא מסודרים של אבני הבניין של הגביש, ובהגיעם לגודל קריטי מסוים הם הופכים בבת אחת לגרעין הראשוני אשר ממנו ימשיך הגביש לגדול. מרתק לראות כי הבדל קטן ברכיב טריוויאלי לכאורה, הממס הכימי, משפיע בצורה כל כך דרמטית על הדינמיקה הכימית שעוברים החלקיקים בדרך להתגבשות".
כיום, מרבית המכשירים האלקטרונים המוכרים לנו עושים שימוש בננוטכנולוגיה, החל ממסכי טלוויזיה, דרך סמארטפונים ועד למעבדים במחשב. היכולת להתקדם הלאה בכל הקשור למזעור הרכיבים האלקטרוניים, לשיפור ההולכה שלהם וכנגזר מכך לשדרוג חוויית המשתמש – מבוססת על הבנה כימית ועל מדע בסיסי מסוג זה.
פרופ' מרקוביץ' סיכם: "זוהי תגלית חשובה לעולם הכימיה ומדע החומרים. למדנו עוד שיעור בהבנת תהליכי ההיווצרות של גבישים, נושא אשר נחקר לאורך עשרות ומאות בשנים, ואני מקווה כי המחקר שלנו ישפוך אור על תחומים שונים, מגאולוגיה ומינרלוגיה ועד ננוטכנולוגיה והנדסת חומרה".
