RESEARCH

המחקר נערך בהובלת ד"ר איתי כרמלי תחת מעבדתו של פרופ' שחר ריכטר מהמלחקה למדע ולהנדסת חומרים בפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן והמרכז לננוטכנולוגיה באוניברסיטת תל אביב. המחקר נעשה בשיתוף עם פרופ' אוסוואלדו דיאגוז ופרופ' טוביה מילוא מאוניברסיטת תל אביב, פרופ' חגי כהן ממכון ויצמן וכן חוקרים נוספים מאוניברסיטת בן -גוריון ותל אביב, מאוסטרליה ומארה"ב.

החוקרים מסבירים כי במאה ה-17 התגלתה תופעה מרהיבה: אם לוקחים פיסות של קמפור, חומר המופק מעץ הודי, ושמים אותן על פני המים - חתיכות העץ מתחילות 'לרקוד' על פני המים. ההסבר הכימי-פיזיקלי מאחורי תופעה  זו הוא מנועי טבע. הקמפור הינו חומר מסיס חלקית וגם נדיף, מה שמאפשר למולקולות שלו להתפזר על פני המים ולגרום לתנועתו. האפקט שמסביר תופעה זו נקרא  'אפקט מרנגוני' והוא נוגע להשפעתו של מעבר חומר ממקום למקום על מתח הפנים.

במחקר הנוכחי, צוות המחקר מאוניברסיטת תל אביב גילה חומרים חדשים שמתנהגים בצורה דומה, וכאשר מניחים אותם על המים, הם מתחילים להסתובב. כיוון תנועתם (עם או נגד כוון השעון), נקבע על ידי המבנה המולקולה שמרכיבה אותם. חומרים אלו שוקלים מספר מיליגרמים בודדים, אך החוקרים גילו כי הם יכולים לסחוב מטען הכבד פי 40 ממשקלם וגם להאיץ את המהירות. החוקרים מעריכים כי זהו "השחיין המלאכותי" המהיר ביותר שעולם המדע מצא עד היום.

חומר חדש שמתנועע גם בחושך

"במחקר זה, עסקנו בחומרים עם כיראליות כימית. חומרים כיראליים הם מולקולות הבנויות מאותן חומרי יסוד ועם סימטריה הפוכה, כמו יד ימין ושמאל שלנו. לחומרים אלה ישנן תכונות מיוחדות שהופכות אותם למושא מחקר מעניין", מסביר פרופ' ריכטר ומרחיב "כיוונו את המחקר לסינתזה וגילוי של חומרים היברידיים המורכבים ממולקולות כיראליות וננו מתכות, אשר ינועו בעזרת אור. וכמו שקורה הרבה פעמים במחקר, להפתעתנו גילינו תופעה קצת שונה: אחד ממאות החומרים שיצרנו, התחיל להסתובב על פני המים באופן עצמאי גם בחושך".

בהמשך, ד"ר סלין בוניו שעבדה ביחד עם ד"ר כרמלי על הפרויקט, הבינה שהם יצרו אפקט מרגוני מיוחד: "המבנה של המולקולות הכיראליות, בשילוב העובדה שחלקן מסיס במים וחלקן נדיף, יצר גביש שאינו יציב, שהמולקולות שלו משתחררות וגורמות לסיבוב החלקיק שאותו עזבו, וכך נוצר המנוע. ברמה המולקולרית, האינטראקציות גורמות לשינוי מקומי של תכונות  המים וליתר דיוק - של מתח הפנים של המים, מה שמייצר גרדיאנט לא אחיד של ריכוזים על פני המים ובתוצאה מכך תנועה פורטית", אומר פרופ' ריכטר.

^{פרופ' שחר ריכטר}

הבסיס למנועים חדשים וירוקים?

"כל התהליך נעשה באמצעות ערבוב של גבישים כיראליים עם מתכות, כך שחלקם  נעים בכיוון השעון וחלקם נעים בכיוון ההפוך, תלוי בכיראליות של המולקולות שמהן הם מורכבים. גילינו שהכיראליות גורמת להפרשים באנרגיית ההמסה של הגביש, מה שגורם לסיבוב הגביש בכיוון מסוים. לאחר תגלית זו, התחלנו לחשוב במעבדה אילו עוד שימושים ופיתוחים  פיזיקליים  אפשר לייצר לאפקט זה. כאשר הוספנו למים עם החלקיקים ההיברידים חומר מחזר (מוסר אלקטרון- כמו מחזר שנותן פרח), הוא האיץ את סיבוב החלקיק בצורה דרמטית עד כדי כך שאפילו באמצעות מצלמה מהירה היה קשה לכמת את התנועה בשלמותה", אומר ד"ר כרמלי.

"לאחר מכן, החלטנו  גם לנסות ולהוסיף משקל למולקולות ולתת להן לגרור את הגביש. התנועה של המולקולות המשיכה גם עבור משא השוקל פי 40 מהן. אנחנו מצליחים לחזות היום בדיוק של כ-80% את תנועת הגבישים, ומאמינים שתגלית חדשה זו טומנת בחובה  את האפשרות ליצור בעתיד מנועים חדשים וירוקים".

המחקר נערך בהובלתו של הדוקטורנט אופיר ישרים תחת הנחייתו של פרופ' עדי אריה, ראש הקתדרה על שם מרקו ולוסי שאול, מבית הספר להנדסת חשמל באוניברסיטת תל אביב. כמו כן השתתפו במחקר ד״ר שאולי פרל ויהושע פולי קומר מבית הספר להנדסת חשמל וכן ד״ר אירית יובילר מהמחלקה להנדסת חשמל במכללת סמי שמעון. המאמר, שכותרתו ״יצירת קיודיטים שזורים מרחבית באמצעות הולוגרפיה לא לינארית קוונטית״, פורסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי "Science Advances". 

צוות המחקר

מפתח הצפנה משותף

פרופ' אריה מסביר: "על מנת להעביר מידע חשאי בין שני משתמשים נדרש 'מפתח הצפנה', כלומר סדרה של ביטים שיש רק לשני המשתמשים, המאפשרת להצפין את המידע. בעולם הפיזיקה הקוונטית הוצעה שיטה ליצירת מפתח הצפנה משותף - באמצעות שימוש בשני פוטונים שזורים. כל אחד משני המשתתפים יכול למדוד רק אחד מהפוטונים, אבל בגלל שהם שזורים, קיים קשר בין המדידות הנפרדות האלה, אשר מאפשר את יצירת מפתח ההצפנה המשותף. היתרון הגדול של שיטת הצפנה זו לעומת השיטות הקיימות היא בכך שברגע שיש ניסיון פריצה למידע זה, מתוקף תכונותיו הפיזיקליות (חלקיקים בודדים שנהרסים לאחד שמדדו אותם) השידור ישתבש - ונוכל לדעת על ניסיון הפריצה". 

אופיר ישרים מוסיף: "כדי לבצע את כל המתואר לעיל, עלינו לייצר מערכת שבה זוג פוטונים שזורים קוונטית בעלי אותה צורה מרחבית. רוב הניסויים שנעשו עד היום השתמשו בעיקר בתכונת הקיטוב של האור, אך תכונה זו היא בעלת שני ממדים בלבד ומגבילה את כמות המידע שאפשר לצרוך ולהעביר. לכן, המגמה כיום היא לעבור לתכונה אחרת של האור- צורה מרחבית, בעלת מספר רב יותר של ממדים ולכן יש לה יתרונות מבחינת קצב העברת מידע ובנוסף יש לה גם יתרון מבחינת בטיחות המידע."

"עד היום, חוקרים ביצעו את העבודה בשני שלבים - יצירת הפוטונים השזורים ולאחר מכן העברה לצורה מרחבית,  על ידי סדרה של רכיבים אופטיים. בעבודתנו הצלחנו לייעל את התהליך ע"י שימוש בגביש שהמקדם הלא ליניארי שלו תוכנן כך שיתפקד כמעין הולוגרמה קוונטית: אלומת לייזר רגילה מאירה את ההולוגרמה הלא לינארית, אשר יוצרת שזירות בין חזיתות הגל (הצורות המרחביות) של שני הפוטונים הנוצרים. זו הכללה לתחום הקוונטי של שיטת ההולוגרפיה הסטנדרטית, אשר מאפשרת לאחסן משרעת ומופע של אלומת אור ולשחזר אותה על ידי הארת ההולוגרמה על ידי לייזר. בדרך זו, יצירת השזירות נעשית על ידי מספר מינימלי של רכיבים – תכונה חשובה בשביל מעבר מהמעבדה ליישומים מעשיים. כדוגמא, ניתן יהיה להתקין מקור קוונטי זה על לוויינים או רחפנים, שבהם נדרש להשתמש במקור אור בעל נפח מינימלי". 

פרופ' אריה מסכם: "אנחנו עומדים בפתחו של עולם טכנולוגי חדש, ועימו מגיעות שלל הזדמנויות חדשות לצד שלל בעיות שטרם נתקלנו בהן. אני מאמין שמחקרנו  הינו חלק  מדור חדש של יישומים בתחומי המדע והטכנולוגיה הקוונטיים. בנוסף ליישומים בתחום התקשורת המוצפנת, מקורות האור שפותחו במחקר עשויים להיות שימושים בחיישנים קוונטים בעלי רגישות גבוהה." 

אחרי שפיתחו את הרובוט הראשון ששומע באמצעות אוזן ביולוגית, החוקרות והחוקרים של אוניברסיטת תל אביב העניקו לרובוט חוש נוסף: חוש הריח. פריצת הדרך המדעית מאפשרת לרובוט להריח באמצעות חיישן ביולוגי, לזהות האם נמצא בסביבתו ריח ולשלוח בתגובה אותות חשמליים שאותם הוא יודע לקרוא. החוקרים חיברו בהצלחה חיישן ביולוגי למערכת אלקטרונית ובעזרתה, תוך שילוב של אלגוריתם למידת מכונה, הצליחו להפריד ריחות ברגישות הגבוהה פי 10,000 ממכשירים אלקטרוניים קיימים. התקווה היא שבעתיד יוכל רובוט שמצויד בחושים אלו לשמור על חיי אדם ולזהות סכנות רבות, החל מחומרי נפץ וסמים, דרך זיהוי מחלות וכלה באסונות טבע. "השמיים הם הגבול", אומרים החוקרים.

^{הרובוט הראשון בעל האף הביולוגי. רק באוניברסיטת תל אביב.}

"אנו עוברים במגנומטר שעולה מיליוני דולרים ויודע להגיד אם אנו נושאים עלינו מתכות. אבל כשרוצים לבדוק אם נוסע מבריח סמים - מביאים כלב שירחרח אותו"

לשלוח את הטכנולוגיה ללמוד מהאבולוציה

פריצת הדרך הביולוגית והטכנולוגית נעשתה בהובלת הדוקטורנטית נטע שביל מבית הספר סגול למדעי המוח, ד"ר בן מעוז מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן ובית הספר סגול למדעי המוח, פרופ' יוסי יובל ופרופ' אמיר אילי מבית הספר לזואולוגיה ובית הספר סגול למדעי המוח. תוצאות המחקר התפרסמו בכתב העת היוקרתי Biosensor and Bioelectronics.

ד"ר מעוז ופרופ' אילי מסבירים: "ישנן טכנולוגיות שלא יכולות להתחרות במיליוני שנות אבולוציה. תחום אחד שבו אנו מפגרים במיוחד אחרי עולם החי הוא תחום חישת ריחות. דוגמה לכך אפשר למצוא בנמלי התעופה. כשאנו טסים לחו"ל, אנו עוברים במגנומטר שעולה מיליוני דולרים ויודע להגיד אם אנו נושאים עלינו מתכות. אבל כשרוצים לבדוק אם נוסע מבריח סמים - מביאים כלב שירחרח אותו. בתוך עולם החי, חרקים מצטיינים בקליטת ובעיבוד אותות חושיים . יתוש, למשל, יודע לזהות הפרש של 0.01% ברמת הפחמן הדו-חמצני באוויר. כיום אנחנו רחוקים מלייצר חיישנים שיתקרבו ביכולות שלהם לחושים של חרקים".

החוקרים מציינים שככלל, איברי החישה שלנו ושל כל שאר בעלי החיים, כמו העין, האוזן והאף, משתמשים בקולטנים שמזהים ומפרידים בין אותות שונים. בשלב השני, איבר החישה מתרגם את הממצאים לאותות חשמליים שהמוח מפענח כמידע. האתגר בביו-סנסורים הוא בחיבור איבר חישה כמו האף למערכת אלקטרונית שתדע לפענח את האותות החשמליים שמתקבלים מהקולטנים.

^{הדוקטורנטית נטע שביל וד"ר בן מעוז}

רגיש לריח פי 10,000

"חיברנו את החיישן הביולוגי ואפשרנו לו להריח ריחות שונים תוך כדי שאנחנו מודדים את הפעילות החשמלית שמעורר כל ריח וריח", מסביר פרופ׳ יובל. "המערכת אפשרה לנו לקבל זיהוי של כל ריח כבר ברמת איבר החישה הראשוני של החרק. בשלב השני השתמשנו בלמידת מכונה כדי ליצור 'ספרייה' של ריחות. במחקר הצלחנו לאפיין 8 ריחות, כגון גרניום, לימון ומרציפן, באופן שיכולנו לדעת מתי מוצג ריח לימון ומתי מרציפן. למעשה, אחרי שהניסוי נגמר המשכנו וזיהינו ריחות נוספים, שונים ומשונים, כמו למשל מיני ויסקי סקוטי שונים. השוואה למכשירי מדידה סטנדרטים הראתה שהרגישות של החיישן הביולוגי במערכת שלנו גבוהה פי כ-10,000 ממכשירים שנמצאים היום בשימוש".

"הטבע מתקדם מאיתנו בהרבה, לכן כדאי להשתמש בו. ניתן להשתמש בעיקרון שהצגנו וליישם אותו על חושים אחרים כמו ריח, ראייה ומישוש. לדוגמה, לבעלי חיים מסוימים יש יכולות מדהימות לזיהוי של חומרי נפץ וסמים, וייצור של רובוט עם מחוש ביולוגי יוכל לעזור לנו לשמור על חיי אדם ולזהות עבריינים באופן שלא ניתן כיום. יש בעלי חיים שיודעים לזהות מחלות ואחרים שיודעים לחוש רעידות אדמה. השמיים הם הגבול", מסכם ד"ר מעוז.

בעתיד, החוקרים מתכננים לשלב ברובוט גם יכולות ניווט שיאפשרו לו לאתר את המקור של הריח ולאחר מכן גם את סוגו.

^{האם בקרוב יוכל לצאת לפנסיה? כלב עבודה מחפש חומרים מסוכנים בשדה התעופה}

המחקר נערך על ידי צוות חוקרים של אוניברסיטת תל אביב בהובלת ד"ר בת-אל פנחסיק מבית הספר להנדסה מכנית בפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן, ופרופ' אמיר אילי מבית הספר לזואולוגיה בפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס וייז. כמו כן, השתתפו במחקר ד"ר ראקש דאס מבית הספר להנדסת מכונות, ד"ר משה גרשון מבית הספר לזואולוגיה, ופרופ' ערן פרלסון ואמג'ד איברהים מהמחלקה לפיזיולוגיה ופרמקולוגיה בפקולטה לרפואה ע"ש סאקלר.

"כשנקבת הארבה מבקשת להטיל את ביציה, היא חופרת בור באדמה שיעניק להן הגנה ותנאים אופטימליים לבקיעה. לצורך זה היא מצוידת באיבר חפירה ייעודי, שמורכב משני זוגות כפות חפירה, שממוקמים בקצה הבטן, משני צדדיו של צינור ההטלה. תוך כדי חפירה, הנקבה מאריכה את גופה, עד שחיישנים הממוקמים לאורכו מאותתים שהגיעה לנקודה מתאימה להטלה. כך, נקבה בוגרת, שאורך גופה כ-4-5 ס"מ, עשויה למתוח אותו לצורך ההטלה עד לאורך של 10-15 ס"מ, ואז לשוב במהירות לאורכה הרגיל, ולהתארך שוב בהטלה הבאה", מסבירה ד"ר פנחסיק.

"יכולת העל של נקבל הארבה היא כמעט בגדר 'מדע בדיוני'. בטבע בכלל מוכרות רק עוד שתי דוגמאות של 'ביצועים' דומים: לשונו של הלוויתן המכונה 'ראשתן גדול ראש', וסוג מסוים של חילזון ימי, שמערכות העצבים שלהם מסוגלות להתארך משמעותית בזכות מנגנון דמוי אקורדיון. אנחנו ביקשנו לברר מהו המנגנון הביומכני המקנה לנקבת הארבה את יכולתה המופלאה", אומר פרופ' אילי.

המפתח לטיפולי שיקום ורפואה רגנרטיבית?

במסגרת המחקר, החוקרים הוציאו מנקבות ארבה את מערכות העצבים המרכזיות שלהן, והניחו אותן בתוך נוזל המדמה את הסביבה הטבעית, בתנאים פיזיולוגיים דומים לאלה שבתוך הגוף. באמצעות מכשירי מדידה רגישים ביותר הם מדדו את הכוחות הדרושים כדי להאריך את מערכת העצבים.

"בניגוד להשערות קודמות ולדוגמאות המוכרות, לא מצאנו כל מנגנון דמוי אקורדיון. גילינו שמערכת העצבים של נקבת הארבה עשויה מחומר אלסטי, שמסוגל להתארך ואחר כך לחזור מעצמו למצבו המקורי, מוכן לשימוש חוזר, מבלי שנגרם לרקמה כל נזק. זהו ממצא כמעט בלתי-נתפס מבחינה ביומכנית ומורפולוגית", אומר ד"ר פנחסיק.

"מדובר ביכולת מופלאה שאינה מוכרת באף בעל חיים אחר. במחקרי המשך נברר את הסוגייה לעומקה, במטרה לזהות את המנגנון הספציפי שמאפשר את התכונה הייחודית. אנחנו מקווים שבעתיד יסייעו הממצאים שלנו לפיתוח רקמות סינתטיות עם גמישות גבוהה ולשיקום עצבים בטיפולים של רפואה רגנרטיבית", מסכם פרופ' אילי.

^{מימין: ד"ר בת-אל פנחסיק , ד"ר ראקש דאס  ופרופ' אמיר אילי}

המחקר נערך בהובלת הדוקטורנט אנדריי איתן רובין והסטודנטית לימור עומייסי מהמעבדה של ד"ר אינס צוקר, בפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן ובבית הספר לסביבה ולמדעי כדור הארץ על שם פורטר. המחקר פורסם בכתב העת המדעי Marine Pollution Bulletin.

במהלך שנת 2021 אספו החוקרים דגימות מששה אזורים לאורך רצועת החוף: אשקלון, ראשון לציון, תל אביב, חדרה, חוף דור וחיפה. לאחר האיסוף הועברו הדגימות למעבדה, שם נעשו אנליזות שונות, בהן ספירת חלקיקים, מדידות מסה, ניתוח תמונה וניתוח כימי לזיהוי הפולימר שמרכיב את הפלסטיק וכן זיהוי של היסודות שספוחים על גבי חלקיקי המיקרופלסטיק. החוקרים גילו, בין היתר, כי הדגימות כללו פלסטיק שמקורו באריזות מזון, כלים חד-פעמיים ורשתות דייג.

"מעניין היה לראות כי פלסטיק ממקור יבשתי (כגון אריזות מזון), היה דומיננטי יותר על פני פלסטיק ממקור ימי (למשל, רשתות דיג). הדבר מצביע על הצורך ברגולציה טובה יותר של פסולת חופית", אומר אנדריי איתן רובין.

^{ד"ר אינס צוקר והדוקטורנט אנדריי איתן רובין}

הכי מזוהמים: חופי תל אביב וחדרה

עוד נתון שעלה מממצאי המחקר הוא כי מבין החופים שנבדקו חופי הים של תל אביב וחדרה הם המזוהמים ביותר. רמת הזיהום בחופים אלו, אשר נמצאים בהתאמה בסמיכות לנחל הירקון ולנחל אלכסנדר, הייתה גבוהה פי 4 מרמת הזיהום שנמדדה בראשון לציון ובחוף דור, שהם שני החופים בעלי ריכוז חלקיקי המיקרופלסטיק הנמוך ביותר. יחד עם זאת, גם בשמורת חוף דור, שמנוקה באופן תדיר, נמצאו חלקיקי מיקרופלסטיק בכמות לא מבוטלת.

החוקרים מעריכים כי רמת הזיהום הגבוהה בחופי תל אביב וחדרה והעובדה שהם נמצאים בסמיכות לנחלים, מצביעה על כך שמימי הנחל סוחפים עימם לים חלקיקי מיקרופלסטיק ובכך מעצימים את רמת הזיהום בחוף. כך למשל, מעריכים החוקרים שנחל אלכסנדר אוסף תשטיפים של שפכים לא מטופלים מהגדה המערבית וכן פסולת מאזורי חקלאות ותעשייה הנמצאים בסמוך לאפיקי הנחל. באופן דומה, נחל הירקון סופח אליו מצבור של מיקרופלסטיק ממרכזי התעשייה בתל אביב.

"ככל שחלקיקי הפלסטיק קטנים יותר - כך קשה יותר להרחיק אותם מהסביבה והם מסוכנים יותר לסביבה ולבריאות האדם. את חלקיקי המיקרופלסטיק שנסחפים לים בולעים הדגים, ושרידיהם מגיעים בסופו של דבר אל בני האדם"

"המחקר שלנו מגלה כי רצועת החוף הישראלי מכילה ככל הנראה יותר משתי טונות של פסולת מיקרופלסטיק. פלסטיק זה מתפרק באיטיות תחת התנאים הסביבתיים לחלקיקים קטנים עוד יותר. ככל שחלקיקי הפלסטיק קטנים יותר - כך קשה יותר להרחיק אותם מהסביבה והם מסוכנים יותר לסביבה ולבריאות האדם. את חלקיקי המיקרופלסטיק שנסחפים לים בולעים הדגים, ושרידיהם מגיעים בסופו של דבר אל בני האדם", אומר אנדריי איתן רובין.

"המחקר מהווה נדבך חשוב להבנת השפעות נוכחות מיקרופלסטיק בסביבה. מחקר ניטור הפלסטיק בישראל עוד בחיתוליו, ועלינו לכלול גם ניטור של חלקיקי פלסטיק קטנים יותר, מדגימות סביבתיות נוספות כמו מי ים ונחלים, בכדי להבין עוד יותר דפוסים סביבתיים בהקשר של  נוכחות המיקרופלסטיק", מוסיפה ד"ר צוקר ומסכמת "נראה כי החשיפה לפסולת פלסטיק חלקיקית היא בלתי נמנעת. אנחנו פועלים גם בכדי להעריך את ההשפעות הסביבתיות והבריאותיות שעלולות להופיע מהמצאות החלקיקים בשכיחות ובריכוזים גבוהים כמו שנמצאו. מה שבטוח הוא שנדרשים צעדים מעשיים כדי לצמצם את תרומת ישראל לזיהום המיקרופלסטיק בים התיכון".