פרס נובל בכימיה יוענק השנה לשלושה ממפתחי ההתקנים הזעירים המכונים נקודות קוונטיות (Quantum dots). הפרס יוענק למונג'י בוונדי (Bawendi) מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס בארצות הברית, לואיס ברוס (Brus) מאוניברסיטת קולומביה בניו יורק, ולאלכסיי אקימוב (Ekimov), כימאי רוסי העובד כעת בחברת תרופות בארצות הברית. שמם של השלושה הודלף כמה שעות לפני ההכרזה, כיוון שהודעת דואר אלקטרוני נשלחה בטעות מהוועדה לטלוויזיה השבדית.
נקודות קוונטיות הם ננו-חלקיקים, כלומר גבישים זעירים של חומר, המתפקדים כמוליכים למחצה, שאפשר להנדס אותם למגוון עצום של שימושים בזכות היכולת לשלוט בתכונות האלקטרוניות והאופטיות שלהם. נקודות קוונטיות משמשות ברכיבים אלקטרוניים, בתאים סולריים, במכשירי דימות רפואי, מיקרוסקופים, לייזרים, התקני תאורה ועוד.
ההכרזה על הזוכים בפרס נובל בכימיה
(צילום: רויטרס)
גבישים מיוחדים
בגביש רגיל האטומים או המולקולות מסודרים בתבנית החוזרת על עצמה שוב ושוב, ואינה מוגבלת בגודל. הגביש יכול - לפחות מבחינה תיאורטית - להגיע לגודל אינסופי. ננו חלקיקים גבישים כאלה של אטומים או מולקולות, אבל בעלי גודל סופי בהחלט, וקטן מאוד. מדובר בחלקיקים המורכבים מכמה אלפי אטומים, או כמה עשרות אלפים, וגודלו של הגביש נמדד בננומוטרים, כלומר מיליוניות המילימטר. יש מגוון רחב מאוד של ננו חלקיקים, בעלי צורות גיאומטריות שונות, והרכבים כימיים שונים, ואלה מכתיבים גם את התכונות הפיזיקליות שלהם, למשל המגנטיות, החשמליות, והאופטיות, וכן את התכונות הכימיות שלהם, כלומר הנטייה להגיב עם חומרים מסוימים ולא עם אחרים. חוקרים יכולים לשלוט במבנה ובהרכב של ננו חלקיקים באמצעות תנאי התגובה הכימית שיוצרת אותם, כמו בחירת הממס, הטמפרטורה ועוד, וגם באמצעות שדות חיצוניים.
נקודה קוונטית היא כינוי לננו חלקיק שבו מתקיימת תופעת הכליאה הקוונטית (Quantum Confinement), הגורמת לכך שהם מתפקדים כמוליכים למחצה, כלומר משנים את המוליכות החשמלית בתנאים מסוימים.
עוד כתבות באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי:
מחלות ללא גבולות: מה זה ניפה?
סופות הטורנדו שעל פני הים
הטעם והריח של ארבעת המינים
כליאה קוונטית היא מצב שבו אלקטרון למעשה "כלוא" בתוך מולקולה, או גביש, וככל שהגביש הזה קטן יותר, טווח התנועה של האלקטרון מוגבל יותר. במונחים פיזיקליים, אנו אומרים שיש לו פס אנרגיה צר יותר: מספר קטן יותר של מצבים קוונטיים אפשריים עבור האלקטרון, או למעשה מינונים שונים של אנרגיה. כל עוד הנקודה הקוונטית לא מקבלת אנרגיה ממקור חיצוני האלקטרונים יהיו מוגבלים לפס האנרגיה הזה, שנקרא "פס הערכיות".
כאשר הנקודה הקוונטית מקבלת אנרגיה ממקור חיצוני, למשל קרן אור שפוגעת בה, האלקטרונים יוכלו לקפוץ לרמות אנרגיה גבוהות אפילו מהרמה הגבוהה ביותר בפס הערכיות; הנמוכה שברמות האלה נקראת "פס ההולכה". כלומר האלקטרון נפלט למעשה מהגביש, אבל אם אספקת האנרגיה החיצונית לא תימשך, הוא יקרוס חזרה לפס הערכיות, מה שיגרום לפליטה של פוטון - חלקיק אור - יחיד, בעל האנרגיה שמתאימה להפרש האנרגטי בין הרמה שממנה קפץ האלקטרון לרמה שאליה הגיע. כאשר התהליך הזה מתרחש במוצק רגיל, אלקטרונים רבים קורסים בבת אחת בחזרה לפס הערכיות, ונפלטים פוטונים רבים. אולם יישומים אופטיים וביולוגיים מסוימים דורשים דווקא פוטון יחיד ברגע נתון, וכאן הייחודיות והחשיבות של הנקודות הקוונטיות.
האפשרות להנדס את הנקודות הקוונטיות - מבחינת "זמן החיים" של העירור האלקטרוני, היציבות ועוד - כך שיתאימו לצורך המחקרי או היישומי, הופכות אותן למושא מחקר אינטנסיבי ולבעלות יישומים רבים. ישנן כיום טלוויזיות חדשניות שבהן הנקודות הקוונטיות מחליפות את נורות הלד כדי לספק הפרדה (רזולוציה) גבוהה יותר; שימוש חשוב עוד יותר הוא בדימות רפואי - היציבות של החלקיקים הללו מאפשרת קבלת תמונות של רקמות ביולוגיות בהפרדה גבוהה גם כן. יש המשתמשים בנקודות קוונטיות גם לצורך מעקב "חי" אחר מולקולות ותאים בתנועתם, ואף להובלה של תרופות לאתרי יעד בגוף.
בין החומרים שמסוגלים להתארגן בצורה של נקודות קוונטיות אפשר למצוא פחמן, סיליקון, גרמניום, קדמיום סלניד (CdSe), ואינדיום גליום ארסניד (InGaAs). לכל אחד תכונות אחרות; ברבות השנים הונדסו נקודות קוונטיות מסוג ליבה-מעטפת (Core-Shell) שכשמן כן הן מכילות ליבה מחומר אחד ומעטפת מחומר אחר. המבנה הזה מאפשר ללכוד אלקטרונים על פני השטח של הנקודה, מה שמהווה יתרון ביצירה של התקנים אופטיים מסוימים.
פיתוח בן 40
אלכסיי אקימוב היה אחד הראשונים שחקרו לעומק את הנקודות הקוונטיות. הוא נולד ב-1945 ברוסיה, למד פיזיקה באוניברסיטת סנקט פטרבורג, וב-1974 סיים דוקטורט בפיזיקה במכון יופה בעיר. הוא החל לעבור במכון ואווילוב (Vavilov) לאופטיקה, שם עסק בחקר ננו-גבישים מוליכים למחצה. ב-1981 פרסם מאמר ראשון העוסק בתכונות הקוונטיות הייחודיות של של גבישים זעירים בתוך מטריצת זכוכית, עוד לפני שקיבלו את השם "נקודות קוונטיות". בניסיון "להנדס" את הנקודות הללו הוא כיוון את הטמפרטורה ואת משך חימום הזכוכית, וכך יצר נקודות בטווח רחב יחסית של גדלים; בהמשך הוא חקר לעומק את תכונותיהן הקוונטיות, האופטיות והחשמליות של הנקודות. מחקרו העלה כי הנקודות הן "אטומים מלאכותיים", במובן זה שהאנרגיות של הנקודות, כמו אלו של האטומים, מוגדרות בצורה בדידה, ושניהם מכילים מספר קטן יחסית של אלקטרונים.
לואיס ברוס, יליד 1943, עבד מ-1973 במעבדות בל (Bell) - מעבדות מחקר פרטיות גדולות בארצות הברית. שם פיתח בתחילת שנות השמונים, בנפרד מעבודתו של אקימוב, נקודות קוונטית הפעילות בתוך תמיסה. גם הוא בדומה לאקימוב התעניין בקשר שבין גודל הנקודה הקוונטית לבין תכונותיה. ב-1996 עזב את מעבדות בל לטובת משרת חוקר באוניברסיטת קולומביה בניו יורק, שם הוא עובד עד היום; מחקרו שם התמקד, בין היתר, בחקר פיזור ריילי - הידועה יותר בתור התופעה שגורמת לשמים להיראות כחולים - בננו-צינוריות פחמן.
מונג'י בוונדי, יליד 1961 הוא כימאי אמריקני-צרפתי ממוצא טוניסאי. בוונדי חוקר אף הוא נקודות קוונטיות בתמיסות, בדגש על פלואורופורים אורגניים - כלומר נקודות קוונטיות המבוססות על חומרים אורגניים ופולטות אור צבעוני במנגנון פלואורוסנציה. הוא ידוע בפרט בזכות המצאת שיטת "ההזרקה המהירה" אשר מצויה בשימוש נרחב לצורך יצירת נקודות קוונטיות, אך גם בזכות מחקריו המשתמשים בנקודות קוונטיות בביולוגיה ובספקטרוסקופיה.
בשנה שעברה הוענק הפרס בכימיה לקרוליין ברטוצי (Bertozzi), מורטן מלדל (Meldal) וקרל בארי שרפלס (Sharpless), על פיתוח דרכים חדשות לבניית מולקולות והצמדתן זו לזו. שרפלס היה לאדם הרביעי בהיסטוריה שמקבל פעמיים פרס נובל במדעים. בשנת 2021 קיבלו את הפרס בכימיה בנימין ליסט (List) ודייוויד מקמילן (MacMillan) על פיתוח שימוש במולקולות קטנות כזרזים לתגובות אורגניות, במיוחד להבחנה בין שתי צורות שהן "תמונות ראי" של אותה מולקולה, כאשר לכל אחת יש פעילות ביולוגית שונה. בשנת 2020 הוענק הפרס לשתיים ממפתחות שיטת CRISPR לעריכה גנטית, עמנואל שרפנטייה (Charpentier) וג'ניפר דאודנה (Doudna).
ביום שני נפתח שבוע הנובל בהכרזה על זוכי פרס נובל ברפואה, שיוענק השנה לקטלין קריקו (Karikó) ולדרו וייסמן (Weissman) על המחקרים שהובילו לפיתוח של חיסוני mRNA, שהיו הבסיס לחיסוני הקורונה. קריקו היא גם האישה הראשונה שזוכה בפרס ברפואה מאז 2015.
אתמול הכריזו בשבדיה על הזוכים בפרס נובל בפיזיקה. הפרס יחולק בחלקים שווים בין פרופ' פייר אגוסטיני (Agostini) חוקר אמריקני-צרפתי מאוניברסיטת אוהיו בארצות הברית, פרופ' פרנץ קראוס (Krausz) יליד הונגריה החוקר במכון מקס פלנק לפיזיקה במינכן, גרמניה, ופרופ' אן ל'הוליייר (L’Huillier) ילידת צרפת החוקרת באוניברסיטת לונד בשבדיה. קראוס ול'הוליייר קיבלו בשנה שעברה את פרס וולף על עבודתם בתחום הזה.
ביום חמישי תהיה ההכרזה על פרס נובל בספרות, ובשישי - ההכרזה על פרס נובל לשלום. שבוע הנובל יסתיים ביום שני, בהכרזה על זוכי הפרס בכלכלה על שם אלפרד נובל, פרס שלא נכלל בצוואתו המקורית של נובל, ומוענק למעשה על ידי הבנק של שבדיה מאז 1969.
יהונתן ברקהיים, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
