קבוצת המחקר של פרופ' אלי סלוצקין הצליחה לעצב טיפות שמן בצורות גיאומטריות

פרופ' אלי סלוצקין, גילה ופענח ביחד עם שותפיו למחקר מאוניברסיטת בר-אילן ומהמעבדה הלאומית ברוקהייבן בארה"ב, את המנגנון הפיסיקאלי של מעבר פאזה חדש ובלתי צפוי: טיפות נוזל, שמקבלות באופן ספונטאני צורה של מצולעים מסויימים, בעוד הטיפה נשארת נוזלית. התופעה עשויה לשפוך אור על הפיזיקה של תהליכי מורפוגנזה, ועתידה לשמש ליצירת אבני בניה חדשים עבור טכנולוגיות ננו.

ננו טיפות – מהן?

כידוע, צורתה של טיפת נוזל היא תמיד מעוגלת. אולם לאחרונה צוות מדעי בהובלת פרופ' אלי סלוצקין הצליח לראשונה ליצור טיפה, שעל אף היותה נוזל,  צורתה מצולעת, כולל טיפת נוזל שצורתה "מגן דוד". תופעה חדשה זו, המנוגדת לניסיון היום-יום של כולנו, נשלטת על-ידי הטמפרטורה של הדגם. לטיפה מצולעת כזו חזויים  שימושים רבים בתחום הננוטכנולוגיה. 

כידוע, שמן איננו מסיס במים. ואולם, השמן יתמוסס במים בקלות, אם נוסיף למים מעט סבון ("חומר פעיל-שטח", בשפה המדעית). בשטיפת כלים אחרי אוכל שומני, מולקולות הסבון עוטפות את טיפות השמן, וטיפות אלה מתנתקות מהכלים המלוכלכים, ומרחפת במי השטיפה. עובי שכבת הסבון על פני טיפות השמן  הוא כמה ננומטרים בסך הכל, אך אפילו מעטפת דקה זו מספיקה כדי לגרום לטיפות השמן, שקוטרן פי 10,000 ויותר, לרחף באופן חפשי בתוך המים. טיפות שמן אלו, המיוצבות על ידי הסבון, והמרחפות במים, נקראות "אמולסיה" (תחליב). עד עכשיו, ההנחה היתה כי צורתן של טיפות השמן הללו כדורית או מעוגלת, כמו כל טיפות הנוזל בהן אנו נפגשים בחיי היום-יום. 

ובכן, אף שפעולת הסבון ידועה היטב, מתברר שהדברים לא כל כך פשוטים! במחקר המתפרסם בימים אלה בכתב-העת המדעי היוקרתי של האקדמיה האמריקאית למדעים (PNAS) מדווחים מדענים ישראלים, שטיפות אלה יכולות לקבל באופן ספונטאני צורות גיאומטריות שונות. למשל, הטיפות יכולות להפוך ל-"מגן-דוד" או לאיקוסהדרון (פאון משוכלל, בעל 20 פאות ו-12 קדקודים), וזאת מבלי לאבד את נוזליותן. למעשה, בעוד כולנו רגילים לטיפות נוזל עגולות, זוהי הפעם הראשונה שנצפו טיפות נוזל בצורה של פאונים ומצולעים. הצוות, מהמחלקה לפיזיקה והמרכז לננוטכנולוגיה של אוניברסיטת בר-אילן, מצא דרך אלגנטית ופשוטה לשלוט על צורתה של הטיפה הנוזלית: שינוי הצורה נעשה על ידי שימוש בסבון מיוחד והקפאת שכבת הסבון הננומטרית, המכסה את פני הטיפה. 

קיפאון שכבת הסבון מתרחש בטמפרטורה גבוהה יותר מנקודת הקיפאון של השמן המהווה את גוף הטיפה. על כן, שכבת הסבון המוצקה, בעובי של 2 ננומטר בסך הכל (מולקולה בודדת!), גורמת לכל הטיפה הנוזלית, שגודלה עשרות מיקרומטרים, להפוך לפאון בעל צלעות ישרים. יתרה מזו, סוג הפאון או המצולע שנוצר, איקוסהדרון, מגן-דוד או צורה אחרת, מוכתב באופן מוחלט על-ידי המבנה הגבישי של שכבת הסבון הקפואה. הצוות המדעי, בראשות ד"ר אלי סלוצקין והדוקטורנטית שני גוטמן-אפיקי, ובשיתוף עם פרופ' משה דויטש מהמחלקה לפיזיקה באוניברסיטת בר-אילן, וד"ר בנימין אוקו מהמעבדה הלאומית ברוקהייבן בארה"ב, גילה גם את המנגנון הפיסיקאלי שמכתיב את צורת הטיפה. עם זאת, לא ברור עדיין, מה גורם לשכבות הסבון הקפואות במערכת זו להיות כל-כך קשיחות: שכבת סבון בעובי של מולקולה בודדת מצליחה להכתיב את הצורה של טיפה השמן, הכוללת כ-10 בחזקת 15 (מיליון מיליארדים) מולקולות שמן!

חשיבותה  המעשית של התגלית החדשה היא בשימוש הנרחב שיש לאמולסיות בשטחים רבים: ממוצרי קוסמטיקה והיגיינה, דרך מגוון תרופות, ועד לתחום התזונה. יתרה מכך, לאמולסיות יש שימושים חשובים בתחום האנרגיה: למשל, בתהליכי מחזור מתכות מתמיסות, ובהפקת נפט מבארות ופצלי שמן. כיום, רק פחות מ-40% מהנפט בכל באר מופק ומנוצל. את שאר הנפט לא מצליחים בינתיים להוציא מהבארות. הטכניקות הקיימות להוצאת 60% הנוספים של הנפט – יקרות מידי. הופעת טיפות שמן מצולעות, שנצפתה באוניברסיטת בר-אילן, מלווה בעליה דרמטית במסיסות השמן במים; גם מסיסות מוגברת זו נובעת מקיפאון מעטפת הסבון של הטיפות. בעתיד, ניתן יהיה לנצל מסיסות מוגברת זו כדי לשטוף את שאריות הנפט מהבארות על ידי  המסתן במים וסבון מתאים. תגלית זו של טיפת נוזל שאיננה בהכרח כדורית, וצורתה ניתנת לכוונון על ידי שינויי טמפרטורה היא חדשה ומפתיעה. אף שהדרך לשימוש בפירות התגלית הייחודית הזו בחיי היום-יום עודנה ארוכה, היא פותחת כיוונים חדשים לאפשרויות שימוש מגוונות בשטחים מדעיים וטכנולוגיים רבים. 

החוקרים מסבירים כי ניתן יהיה להשתמש בטיפות אלה ליצירת חלקיקי-ננו, בצורות של פאונים ומצולעים. חלקיקי-ננו אלה ישמשו כקוביות Lego עבור חומרים מבוססי-ננוטכנולוגיה עתידיים, העשויים לאפשר בניה של מחשבי-על חזקים הרבה יותר, המבוססים על פוטונים (חלקיקי אור), במקום הולכה חשמלית.

דוגמה אחרת לשימוש, היא בתחום התרופות. כיום, הטיפול התרופתי שניתן לחולה מתחיל רק בשלב  שהדלקת מתפתחת וגורמת לתסמינים ניכרים בגוף, דבר שעלול להקשות על הטיפול. כעת דמיינו תרופות חכמות, שנמצאות בגופו של החולה כל העת, בכמויות מזעריות, מומסות בשמן וכלואות בתוך טיפות זעירות בעלות דופן מוצקה. כאשר הגוף בריא והטמפרטורה שלו רגילה, הדופן המוצקה אינה מאפשרת יציאת התרופה לגוף. אך מיד עם עליה מקומית ומוגבלת של החום באיבר כלשהו בגוף המעטפת המוצקה של הטיפות המצולעות הנמצאות באותו איבר ניתכת והופכת לנוזל, כך שהתרופה פשוט נשפכת מתוך הטיפה לגוף החולה. הטיפול ניתן על כן מיד עם עלית החום, וישירות לנקודה הפגועה, וכל זאת תוך שימוש בכמויות תרופה מזעריות.  

פרופ' סלוצקין מציין: "התהליך שגילינו, משמש, ככל הנראה, את התרבותם והפצתם של וירוסים בגוף החי.  וירוסים אלו  למדו במשך דורות רבים להשתמש במנגנונים הפיסיקאליים שגילינו לשנות את צורת התא החי, בו הם מתרבים, לפאון, תוך יצירת פתחי יציאה בקודקודי הפאון. עכשיו, כשאנחנו מבינים במידה מסוימת את המנגנון הפיסיקאלי הבסיסי של תופעות אלה, נוכל אולי להשתמש במנגנון זה דווקא לטובתנו: לריפוי במקום ליצירת מחלה".