חוקרים מאוניברסיטת תל אביב פיתחו מערכת ניסיונית של דיפוזיה עם אתחול אקראי וגילו את המגבלות על העלות האנרגטית שלה. את המחקר הובילו פרופ' יעל רויכמן מבית הספר לכימיה ובית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה וד"ר שלומי ראובני מבית הספר לכימיה. במחקר השתתפו גם החוקרים אופיר טל פרידמן, ד"ר ארנב פאל וד"ר אמנדיפ סכון. המחקר פורסם ב-Journal of Physical Chemistry Letters.
הדמיה של התהליךהדמיה של התהליך
הדמיה של התהליך
(צילום: מתוך המחקר)
דיפוזיה הוא תהליך של פיזור אטומים בין חומרים שונים, שמקורו בתכונתו הבסיסית של זורם (גז או נוזל) להתפשט ולמלא במידה שווה את כל הנפח העומד לרשותו. הדיפוזיה היא תוצאת תנועתן האקראית של מולקולות הזורם, המביאה למעברן ממקום שבו ריכוזן גבוה למקום שבו הריכוז נמוך, עד אשר מושג ריכוז שווה.
לדברי החוקרים, כולנו מכירים את כפתור האתחול במחשב, אבל בעצם אפשר (לפחות באופן עקרוני) להפסיק ולהתחיל מחדש כל תהליך העולה על הדעת ובאתחול אקראי הדבר נעשה ברגעים אקראיים בזמן. אתחול אקראי יכול לזרז באופן ניכר את הזמן הלוקח להשלמתם של תהליכים מסוימים בכימיה, בפיזיקה, ובביולוגיה.
דוגמה קלאסית לתהליך שהשלמתו מואצת על ידי אתחול היא "חיפוש באמצעות דיפוזיה". בתהליך זה, אומרים החוקרים, חלקיק מנסה למצוא מטרה חבויה כאשר הוא מבצע הילוך אקראי במרחב. באופן לא מפתיע, הזמן הלוקח לחלקיק כזה למצוא את המטרה הוא לרוב ארוך מאוד, אך מתברר כי אתחול יכול לקצר את זמן ההגעה למטרה באופן משמעותי.

פרופ' יעל רויכמן פרופ' יעל רויכמן
פרופ' יעל רויכמן
(צילום: אוניברסיטת תל אביב)

ד"ר שלומי ראובניד"ר שלומי ראובני
ד"ר שלומי ראובני
(צילום: אוניברסיטת תל אביב)
פרופ' רויכמן וד"ר ראובני מציינים שבעבר נערכו מחקרים תיאורטיים רבים על דיפוזיה עם אתחול אקראי, אך טרם נערך מחקר שבו נושא זה נלמד במעבדה ותחת תנאים מבוקרים. "לשם כך, פיתחנו מערכת ניסיונית ראשונה מסוגה המאפשרת לעקוב אחר חלקיק המבצע דיפוזיה, ולאתחל את מיקומו באמצעות מלקחיים אופטיות. מלקחיים אלו הן בעצם קרני לייזר המשמשות להזזה ומניפולציה של חלקיקים מיקרוסקופיים, וזאת בדומה לקרן הגרירה הזכורה לחלקנו מהסדרה 'מסע בין כוכבים'", אמרו החוקרים.
"המחקר שלנו שפך אור על היבטים ריאליסטיים של אתחול אקראי", מוסיפים החוקרים. "היבטים אלו הוזנחו במחקרים תיאורטיים קודמים. בפרט, חקרנו את העלות האנרגטית של אתחול וגילינו שזו חסומה מלמטה עקב אילוצים פיזיקליים על פרוטוקולי אתחול אותם ניתן לממש בפועל. הכלים שפיתחנו יאפשרו מחקר של אתחול אקראי במערכות שבהן יותר מחלקיק יחיד. מעניינות במיוחד הן מערכות רב גופיות עם אינטראקציות חזקות שגם אותן יהיה ניתן יהיה לחקור באמצעות המערכת שפיתחנו".