מחקרים

RESEARCH

מה מעניין אותך?

כל הנושאים
אמנויות
מוח
הנדסה וטכנולוגיה
חברה
מדעים מדויקים
ניהול ומשפט
סביבה
רוח
רפואה ומדעי החיים

לובי מחקרים

carousle news research: 
news research carousel: 
תמונת באנר: 
תמונת באנר: 
תמונת באנר: 
בחר את סוג הלובי: 
מחקרים

מחקר

27.12.2020
לראשונה בישראל: קידוח בקרקעית ים המלח מתעד 220,000 שנה של רעידות אדמה

קידוח ראשון מסוגו בקרקעית ים המלח חושף: רעידת אדמה קשה בעוצמה 6.5 בסולם ריכטר צפויה בשנים הקרובות

  • מדעים מדויקים

מחקר ראשון מסוגו שנערך בקרקעית ים המלח חושף כי רעידת אדמה הרסנית בעוצמה של 6.5 בסולם ריכטר צפויה לפגוע באזורנו בשנים הקרובות. על פי המחקר רעידת אדמה בעוצמה כזו מתרחשות בארץ ישראל במחזוריות ממוצעת של בין 130 ל-150 שנה, אך היו מקרים בהיסטוריה שהפער בין רעידה אחת לשנייה היה של עשרות שנים בודדות בלבד.

 

רעידת האדמה האחרונה בעוצמה של 6.5 בסולם ריכטר הורגשה בבקעת ים המלח ב-1927, אז נפגעו מאות אנשים ברבת עמון, בירושלים, בבית לחם ואפילו ביפו. כעת, בעקבות ממצאי המחקר, החוקרים מתריעים שרעידת אדמה נוספת עלולה בסבירות גבוהה לקרות עוד בימי חיינו, בשנים הקרובות או בעשורים הקרובים.

 

המחקר נערך בהובלת צוות חוקרים בינלאומי, בהשתתפות פרופ' שמואל מרקו, ראש בית הספר לסביבה ולמדעי כדור הארץ ע"ש פורטר באוניברסיטת תל אביב, ועמיתיו החוקרים מבית הספר לסביבה ולמדעי כדור הארץ: ד"ר ין לו, פרופ׳ אמוץ עגנון, ד"ר ניקולס ולדמן, ד"ר נדב ווצלר וד"ר גלן ביאסי. תוצאות המחקר פורץ הדרך פורסמו בכתב העת היוקרתי Science Advances.

 

במסגרת המחקר צוות החוקרים הסתייע בארגון בינלאומי שנקרא ICDP, שמבצע קידוחי עומק באגמים בכל רחבי העולם, במטרה לחקור את האקלים הקדום של כדור הארץ ושינויים אחרים שקרו בסביבה. ב-2010 הוצבה האסדה במרכז ים המלח והחלה לקדוח בקרקעית, לעומק של מאות מטרים, המאפשרים ניתוח של כ-220,000 שנות גיאולוגיה של ים המלח – הרקורד הארוך מסוגו בעולם.

 

עונות השנה בשכבות

לדבריו של פרופ' מרקו, כיוון שים המלח הוא המקום הנמוך בכדור הארץ, מדי חורף, מי השיטפונות שזורמים לים המלח נושאים עמם סחף, שמצטבר בקרקעית האגם לשכבות שונות. שכבה כהה בת כמילימטר המייצגת את סחף החורף ושכבה בהירה בת כמילימטר שמייצגת את האידוי המוגבר של המים במשך הקיץ, כאשר כל שתי שכבות כאלו מייצגות שנה אחרת.

 

יחד עם זאת, ברגע שיש רעידת אדמה, המשקעים מתערבלים, השכבות ששקעו קודם בסידור מושלם מתערבבות ושוקעות מחדש בצורה אחרת. בעזרת משוואות פיזיקליות ומודלים ממחושבים שהחוקרים פיתחו במיוחד לצורך מחקר זה, הם הצליחו לשחזר מהרקורד הגיאולוגי את ההיסטוריה של רעידות אדמה לאורך התקופה.

 

מניתוח הממצאים עולה כי שכיחות רעידות האדמה בבקעת ים המלח אינה קבועה בזמן. היו תקופות של אלפי שנים עם יותר פעילות טקטונית ואלפי שנים עם פחות פעילות טקטונית. בנוסף, לחוקרים התברר כי הייתה הערכת חסר משמעותית בתדירות רעידות האדמה בישראל.

 

אם עד כה חוקרים סברו כי בקע ים המלח רועד בעוצמה של 7.5 בסולם ריכטר מדי 10,000 שנה בממוצע – כעת מסתבר שהרעידות הקטלניות תכופות הרבה יותר, מחזוריות ממוצעת שנעה בין בין 1,300 ל-1,400 שנה. החוקרים מעריכים שהרעידה האחרונה בעוצמה כזאת פגעה בנו בשנת 1,033 – כלומר כמעט לפני אלף שנה. פירושו של דבר שבמאות השנים הקרובות צפויה רעידה נוספת בסולם 7.5 ומעלה.

 

לעומת זאת, החוקרים כאמור מצאו שרעידות אדמה בעוצמה של 6.5 מתרחשות אומנם באזורנו בממוצע מדי 130 עד 150 שנה, אך התדירות בין הרעידות משתנה, ובעוד שהיו מקרים שבהם הפערים בין רעידה אחת לשנייה היו של מאות שנים, הרי שגם היו מקרים שבהן התרחשו רעידות אדמה עוצמתיות בהפרש של עשרות שנים בודדות בלבד.

 

"אני לא רוצה להפחיד", מסכם פרופ' מרקו, "אבל אנחנו חיים בתקופה פעילה מבחינה טקטונית. הרקורד הגיאולוגי לא משקר, ורעידת אדמה גדולה בישראל בוא תבוא. כמובן, אין לנו דרך לחזות בדיוק מתי האדמה תרעד מתחת לרגלינו - מדובר בתחזית סטטיסטית – אבל לצערי אני כן יודע לומר שרעידת אדמה שתגרום למאות נפגעים תקרה בשנים הקרובות, זה יכול להיות בעוד עשר שנים או עשרות שנים, אבל זה גם יכול בשבוע הבא ואנחנו חייבים להיערך לכך.

 

מחקר

08.11.2020
בעקבות החומר האפל הקל (שקשה מאוד לגלות)

פיתוח טכנולוגי חדש יסייע בגילוי חלקיקי החומר האפל

  • מדעים מדויקים

אחת מהתעלומות הגדולות שנותרו עדיין ללא מענה בפיזיקה של ימינו היא מהות החומר האפל. היה זה אייזיק ניוטון שהסביר לראשונה את כוח המשיכה המחזיק כוכבים בתנועה זה סביב זה. תורתו של ניוטון התפתחה והוכללה ליחסות הכללית שפיתח אלברט איינשטיין. אולם ניתוח של תצפיות אסטרונומיות בתנועת הגלקסיות והכוכבים לימד אותנו כי תיאוריות אלו אינן יכולות להסביר את התצפיות, אלא אם הרוב המוחלט של החומר ביקום והגורם המרכזי לכוח המשיכה אינו החומר הסטנדרטי שאנחנו מכירים היטב, אלא מה שקיבל את הכינוי חומר אפל (Dark Matter).

 

החומר האפל הוא ההסבר המקובל לכך שכוכבים לא בורחים מהגלקסיות שלהם. כמות החומר האפל ביקום הנדרשת כדי להסביר את התצפיות האסטרונומיות גדולה פי חמש יותר מהחומר הנראה שמורכב מאטומים מוכרים. במילים אחרות, הפיזיקה עדיין מחפשת את מה שמהווה למעלה מ- 80% מהיקום. למרות חיפושים בלתי נלאים במאיצי חלקיקים, בתצפיות אסטרונומיות ובגלאים ייעודיים, המדע טרם הצליח לפענח את זהותו החלקיקית של החומר אפל: מהי  מסתו, אילו כוחות (בנוסף לכבידה) פועלים עליו, כיצד הוא מגיב עם החומר הנראה, וכיצד הוא נוצר ביקום המוקדם, לפני יותר מ-13 מיליארד שנה.

 

משימה בלתי אפשרית?

אחת הדרכים לחפש חומר אפל היא לטמון גלאים רגישים במיוחד בעומק האדמה, שלשם חלקיקי חומר אנרגטיים שמגיעים בקצב גבוה לכדור הארץ מהחלל, כמעט ואינם חודרים. על פי התיאוריה המקובלת, בשל סיבוב כדור הארץ סביב השמש וסיבוב השמש סביב מרכז הגלקסיה, אנו חולפים על פני מיליארדי חלקיקי חומר אפל בכל רגע נתון.  אם חומר זה מגיב עם הגלאי אפילו רק בסבירות נמוכה מאוד, מדי פעם אחד מאותם חלקיקים אפלים יוכל ״לבעוט״ באחד מהחלקיקים המרכיבים את הגלאי, ולהעביר כמות מזערית של אנרגיה, אותה המדענים מנסים לאתר.

 

ככל שהחומר האפל קל יותר, כך כמות האנרגיה שהוא יכול להעביר קטנה יותר, והמשימה הופכת מקשה לבלתי אפשרית בשיטות גילוי אלו. מכאן, האתגר המרכזי הוא פיתוח גלאים רגישים במיוחד, אתגר המחייב פיתוח גישות חדשות לגילוי, המאפשרות רגישות שיא לאותות נמוכים ואפשרות להבחין בינם לבין סיגנלים מדומים.

 

טכנולוגיה בעלת רגישות גבוהה

עתה, חוקרים מאוניברסיטת תל אביב מעריכים כי פיתוח טכנולוגי חדש עשוי להביא לפריצת דרך בגילוי חלקיקי החומר האפל. לטכנולוגיה החדשה רגישות גבוהה ורעש רקע הנמוך ביותר שנמדד אי פעם בגלאי סיליקון, שעשוי לסייע בגילוי חלקיקי החומר האפל, שהמסה שלהם נמוכה מאוד וקשה מאוד לאתר אותם.

 

הטכנולוגיה פותחה על ידי חוקרים מישראל, מארה"ב ומארגנטינה. בקבוצת המחקר הישראלית חברים החוקרים: פרופ׳ תומר וולנסקי, ד״ר לירון ברק ופרופ׳ ארז עציון מבית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר של אוניברסיטת תל אביב.

 

שלב חדש ומסעיר בחיפוש אחר החומר האפל

לפני כעשור הציע פרופ׳ תומר וולנסקי עם שותפים מארה"ב שיטה חדשה ורגישה במיוחד, הבוחנת את האינטראקציה של חומר אפל עם האלקטרונים – אותם חלקיקים תת-אטומים החגים סביב גרעיני האטום – ובכך מאפשרת את החיפוש אחר חומר אפל קל, שעד לאותו הזמן נחשב לבלתי ניתן לגילוי.

 

בעקבות הפיתוח הרעיוני, פותח לאחרונה גלאי חדש על ידי הקולבורציה הבינלאומית SENSEI, שבה שותפים גם החוקרים מאוניברסיטת תל אביב. הגלאי החדש, הנקרא Skipper-CCD, מאפשר לגלות את שחרורו של אלקטרון בודד מתוך טריליוני הטריליונים של האלקטרונים החגים בו. בחודשים האחרונים החלה התקנה של הגלאי במעבדה התת קרקעית, SNOLAB שבקנדה, ותוצאות ראשונות צפויות בשנה הבאה. הפיתוח מביא לשלב חדש ומסעיר בחיפוש אחר החומר האפל. 

 

על פיתוח זה, זכה פרופ' תומר וולנסקי בפרס היוקרתי "פריצת דרך-אופקים חדשים בפיזיקה 2021" (Breakthrough Prize- The New Horizons in Physics Prize).  הפרס הוענק על ידי קרן "פריצת דרך" (Breakthrough Prize), שנוסדה בשנת 2012 על ידי פילנתרופ המדע יורי מילנר, במטרה להוקיר תרומות משמעותיות לידע האנושי. הפרס מוענק מדי שנה לחוקרים בתחומי המתמטיקה, הפיזיקה ומדעי החיים. 

 

 

מחקר

12.10.2020
לראות את העולם בצבעים חדשים

טכנולוגיה חדישה תאפשר ראייה וצילום של צבעים שהעין האנושית לא קולטת

  • מדעים מדויקים

פיתוח חדש של חוקרים מאוניברסיטת תל אביב יאפשר לזהות בצילום רגיל צבעים שהעין האנושית וגם מצלמות רגילות לא מסוגלות לקלוט. בין השאר, הטכנולוגיה החדשה תאפשר לצלם גזים כמו מימן, פחמן ונתרן, שלכל אחד מהם יש צבע ייחודי, או חומרים ביולוגיים שונים שנמצאים בטבע אך לא נראים בעין. את הטכנולוגיה החדשה ניתן יהיה ליישם בתחומים רבים בחיי היום יום כמו משחק וצילום, ובענפי תעשייה חשובים כמו ביטחון, רפואה ואף בלווייני חישה מרחוק בחלל.

 

מעבר למה שהעין רואה

לצבעוניות של תמונה חשיבות גדולה, שכן לחומרים רבים יש חתימת צבע ייחודית בתחום התת-אדום הבינוני. כך, למשל, לתאים סרטניים יש ריכוז גבוה יותר של מולקולות מסוג מסוים. "העין האנושית קולטת פוטונים באורכי גל של בין 400 ננומטר – הצבע הכחול, ל-700 ננומטר – הצבע האדום", מסביר ד"ר מרג'ן ממנהלי המחקר. "אבל זה רק חלק מזערי מהספקטרום האלקטרומגנטי, שכולל גם רדיו, מיקרו, רנטגן ועוד. מתחת ל-400 ננומטר יש קרינה על-סגולה, או UV, ומעל ל-700 ננומטר ישנה קרינה תת-אדומה, או אינפרה-אדומה, שבעצמה נחלקת לתת-אדום קרוב, בינוני ורחוק. בכל אחד מהמקטעים האלה של הספקטרום האלקטרומגנטי יש מידע רב של צבעים שעד כה היה סמוי מהעין".

 

הטכנולוגיות הקיימות כיום לגילוי אינפרא אדום יקרות ובעיקר מתקשות לשקף את אותם ״צבעים״. בהדמיה רפואית, נעשו ניסויים שבהם ממירים תמונות תת-אדום לאור הנראה כדי לזהות את התאים הסרטניים לפי המולקולות. עד היום, המרה זו נעשתה צבע אחרי צבע, ולשם כך נדרשו מצלמות משוכללות ויקרות מאוד, שלא בהכרח היו נגישות לאזרחים בחיי היום יום. במסגרת המחקר, החוקרים הצליחו לפתח טכנולוגיה זולה ויעילה, "שמתלבשת" על מצלמה רגילה ולמעשה מאפשרת בפעם הראשונה להמיר בבת אחת את הפוטונים של האור מכל תחום התת-אדום הבינוני לתחום האור הנראה, בתדרים שהאדם יכול לקלוט.

 

את המחקר פורץ הדרך ערכו ד"ר מיכאל מרג'ן, יוני ארליך, ד"ר אסף לבנון ופרופ' חיים סוכובסקי מהמחלקה לפיזיקה של חומר מעובה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר. תוצאות המחקר פורסמו לאחרונה בכתב העת Laser & Photonics Reviews

 

צבעים חדשים. הטכנולוגיה שתשנה את הדרך בה אנו רואים את העולם

 

טביעת ה(א)צבע של החומר

"בתחום התת-אדום הבינוני יש אינפורמציה חד-חד-ערכית על החומרים בעולמנו, בעיקר למולקולות אורגניות", מסביר פרופ' סוכובסקי. "כלומר, לחומרים שונים יש 'טביעת אצבע' שונה בצבע. אנחנו בני האדם רואים בין אדום לכחול. אם היינו יכולים לראות בתחום התת-אדום, היינו רואים שליסודות כמו מימן, פחמן ונתרן יש צבע ייחודי. לוויין סביבתי שהיה מצלם בתחום הזה היה רואה איזה מזהם נפלט עכשיו מאיזו ארובה, ולוויין ריגול היה רואה איפה מחביאים חומרי נפץ או אורניום. בנוסף, מאחר שכל עצם פולט חום בתחום התת-אדום, ניתן לראות את כל המידע הזה גם בלילה".

 

לאחר שרשמו פטנט על המצאתם, מפתחים החוקרים בימים אלה את הטכנולוגיה באמצעות מענק מפרויקט קמין של רשות החדשנות, ויש כבר מספר חברות ישראליות ובינלאומיות שהביעו בה עניין. "בעתיד נוכל להציע בעלות של כמה מאות דולרים מכלול שירותים המבוססים על הגביש הייחודי שלנו, שאותו ניתן יהיה להתקין בקלות גם על מכשיר סלולרי. כך יוכל המשתמש לראות בלילה בצבעים שלא הכיר עד כה ובעושר מידע חדש", מסכם פרופ' סוכובסקי.

 

פרופ' נועה שנקר (צילום: תום שלזינגר)

מחקר

19.08.2020
כל התרופות זורמות אל הים

שיירי תרופות שנשפכים לים גורמים לנזק סביבתי ולפגיעה קשה ביצורים הימיים

  • מדעים מדויקים
  • רפואה ומדעי החיים

בעולם שבו אנו חיים כמעט לכל מחלה ופגע יש תרופה. אנחנו נוטלים כדורים, מורחים משחות, בולעים סירופ, מרגישים יותר טוב ושוכחים מכל הסיפור. אבל חשבתם פעם מה קורה לפסולת הרפואית שלנו ולאן היא מגיעה? במחקר בהובלת פרופ' נועה שנקר ותלמידת המחקר גל נבון מבית הספר לזואולוגיה בפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס וייז וממוזיאון הטבע ע"ש שטיינהרדט נדגמו מי ים ב-11 אתרים שונים לאורך חופי ישראל. בעשרה מתוכם נמצא ריכוז משמעותי של שיירי תרופות, שמוזרמות דרך השפכים אל הים. שיירי התרופות נדגמו באיצטלנים – חסרי חוליות ימיים קבועי-מקום הניזונים מסינון מי הים. מסתבר שהחשיפה לתרופות עלולה להשפיע עליהם לטווח ארוך ולמעשה להפר את האיזון העדין של כל מארג החיים הימי, ואפילו לפגוע בחובבי המטבח הקולינרי שמבוסס על מאכלי הים.

 

מה לאיצטלנים ולתרופות של בני אדם?

איצטלנים הם חסרי חוליות ימיים שגודלם מספר סנטימטרים, הנצמדים למשטחים קשים כמו סלע, מזח או שובר גלים. מכיוון שהם ניזונים מחלקיקים קטנים שנמצאים במים - נאגרים בגופם במהלך הזמן חלקיקים רבים מהסביבה הימית, בהם חומרים מזהמים.

 

במסגרת המחקר דגמו החוקרים איצטלנים מתשעה אתרים לאורך חוף הים התיכון (אכזיב, עכו, המרינה בחיפה, שדות ים, תחנת הכוח בחדרה, חוף אכדיה בהרצליה, חוף הסלע בבת-ים, המרינה באשדוד והמרינה באשקלון), ושני אתרים בים סוף (המרינה באילת וריף הדולפינים). הם ביצעו בהם אנליזה כימית על מנת לחפש חומרים פעילים משלוש תרופות נפוצות בשימוש האדם, שידועות בכך שכמעט ואינן מתפרקות במכונים לטיהור שפכים ונותרות זמן רב בסביבה הימית: בזפיברט, המשמש להורדת רמות שומנים בדם; קארבאמזפין לטיפול באפילפסיה ולייצוב מצב הרוח; ודיקלופנק, נוגד דלקות המצוי בתרופה המוכרת 'וולטרן'.

 

הממצאים שהתגלו מדאיגים מאוד: ב-10 מתוך 11 האתרים שנדגמו נמצאו שיירים של התרופות שנבדקו בריכוזים משמעותיים.

  • בארבעה אתרים (באשדוד, באשקלון, בשדות ים ובחיפה) נמצאו כל שלושת החומרים
  • בחמישה אתרים (אכזיב, עכו, הרצליה, בת ים והמרינה באילת) נמצאו שיירים של שתיים משלוש התרופות
  • בריף הדולפינים באילת, נמצאו רק שיירי תרופה אחת – דיקלופנק, אך בריכוז מדאיג
  • ריכוזים גבוהים במיוחד של דיקלופנק ובזפיברט נמצאו בעכו, באשדוד ובאשקלון

רק באיצטלנים שנדגמו מהעומק בתחנת הכוח בחדרה לא נמצאו כלל תרופות.

 

בלעו תרופה? גל נבון דוגמת אצטלנים מסוג Styela plicata במרינה קישון (צילום: ליאון נובק)

 

לא מתפרקות

פרופ' שנקר והחוקרת גל נבון מסבירות כי התרופות שבני האדם צורכים אינן מתפרקות בגופנו באופן מלא, ואחוזים גבוהים מהחומרים הפעילים מופרשים מהגוף בצורתם המקורית. בנוסף, עקב חוסר מודעות, תרופות שאינן בשימוש מושלכות לעתים קרובות לאסלה או לפח. מכוני טיהור השפכים הקיימים היום אינם ערוכים לטפל בשיירי תרופות, ואין פיקוח על ריכוזם בתום הטיפול בשפכים, בניגוד למזהמים אחרים. בסופו של דבר, חלק ניכר מהחומרים הללו מגיע דרך הביוב אל הים.

 

לדבריהן, בסביבה הימית ברחבי העולם ישנו מגוון גדול של שיירי תרופות, בהם סוגי אנטיביוטיקה, נוגדי דלקות, משככי כאבים, הורמונים, נוגדי דיכאון ועוד. "חלק ניכר מתרכובות אלה הן יציבות מאוד", מציינות החוקרות ומוסיפות: "הן אינן מתפרקות במהירות בסביבה הימית, והנזק ליצורים ימיים עלול להיות גדול במיוחד, מכיוון שהתרופות נועדו מלכתחילה לפעול על מערכות ביולוגיות (גוף האדם). כך למשל, מחקרים שונים שנעשו בעולם מצאו כי אסטרוגן המצוי בגלולות למניעת היריון יוצר סממנים נקביים בדגים זכרים, ולכן פוגע ביכולת הרבייה של מינים מסוימים; פרוזק גורם לאגרסיביות וללקיחת סיכונים בקרב סרטנים; נוגדי דיכאון פוגעים בזיכרון ובכושר הלמידה של דיונונים ועוד".

 

במחקר השתתפה גם המעבדה ההידרוכימית של המרכז לחקר המים בביה״ס לסביבה ומדעי כדור הארץ ע"ש פורטר בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, בראשות פרופ' דרור אבישר. המאמר פורסם באוגוסט 2020 בכתב העת Marine Pollution Bulletin.

 

לעצור את הזיהום הכרוני

״אנו עובדים כבר 15 שנה על הגורל הכימי-פיסיקלי של שיירי תרופות במקורות מים יבשתיים, והימצאותם של שיירים אלו בסביבה הימית הפתיעה אותנו. תוצאות המחקר מעידות על ההיקף הגדול של זיהום כרוני בשיירי תרופות, וכן על קליטתם של מיקרו וננו-מזהמים, הנמדדים בריכוזים נמוכים מאוד, באורגניזמים הימיים״, אומר פרופ׳ אבישר.

 

"במחקר שלנו מצאנו שישראל אינה פטורה מהבעיה הגלובלית החמורה של זיהום מי הים בחומרים תרופתיים. התרופות שאנו צורכים מגיעות לים, בעיקר באמצעות הביוב, וגורמות נזק רב לסביבה הימית ולהשפעה עקיפה על בני אדם, הניזונים ממאכלי ים ונחשפים לזיהום זה", מסכמת פרופ' שנקר. "כדי להתמודד עם הבעיה ניתן לנקוט בצעדים שונים. ברמת הפרט, אנו ממליצים לכלל האוכלוסייה לקחת אחריות אישית ולהשליך תרופות שאינן בשימוש למכלים המיועדים לכך בבתי המרקחת ובקופות החולים. כמו כן, אנו פועלים להרחבת המחקר בנושא ניטור זיהום התרופות לאורך חופי ישראל, על ידי אנליזה מתקדמת למגוון גדול יותר של תרופות שנמצאות בשימוש נרחב. בנוסף אנו בוחנים אילו שינויים נגרמים לבעלי חיים הנחשפים לריכוזים סביבתיים של תרופות אלה".

גארי רוזנמן והבריכה הקוונטית

מחקר

27.07.2020
עושים גלים

חוקרים הצליחו למדוד תופעה קוונטית שנחזתה בשנת 1927, ופתרו תעלומה מדעית

  • הנדסה וטכנולוגיה
  • מדעים מדויקים

לראשונה בעולם, צוות חוקרים מאוניברסיטת תל אביב הצליחו ליצור תנאי מעבדה מיוחדים, שאיפשרו להם למדוד בצורה מדעית תופעה קוונטית שנחזתה לפני כמאה שנה, אך מעולם לא נחקרה. במאמץ משותף של בית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, בית הספר להנדסה מכנית ובית הספר להנדסת חשמל, בשיתוף פעולה עם חוקרים מהמכון לפיזיקה קוונטית באולם שבגרמניה, בנו החוקרים בריכת גלים מיוחדת באורך חמישה מטרים, שמדמה התפשטות גלים קוונטיים. באמצעות הבריכה, צוות החוקרים בהובלת הדוקטורנט גרי גאורגי רוזנמן, פרופ' עדי אריה, פרופ' לב שמר, מטיאס צימרמן, מקסים אפראמוב ופרופ' וולפגנג שלייך, צפו לראשונה בתופעה קוונטית בשם פאזת קנארד, שנחשבת לנדבך מרכזי בתורת הקוונטים, שנחזה בשנת 1927 אבל מעולם לא נמדד במעבדה. התגלית פורצת הדרך הובילה לפרסום שני מאמרים מדעיים ב-Physical Review Letters וב-Physical Review E - Rapid Communications.

 

גלי כבידה בבריכה

מכניקת הקוונטים היא שמה של תיאוריה מדעית, המתארת את עולם החלקיקים ברמה התת-אטומית. אחת מאבני היסוד בתורת הקוונטים היא התיאור הכפול של גופים פיזיקליים, הן כחלקיקים והן כגלים. בדומה לגלים בים, גלים קוונטיים מתארים תנודות מחזוריות במרחב ובזמן, ומתאפיינים בפאזה, או מופע. הפאזה של הגל קובעת האם בנקודה מסוימת במרחב ובזמן יהיה הגל בשיא המשרעת שלו, בשפל המשרעת או בכל מצב ביניים אחר. בשנת 1927 חזה הפיזיקאי התיאורטי ארל הסה קנארד כי חלקיק קוונטי שמופעל עליו כוח קבוע, כמו כוח כבידה על גוף בעל מסה, או שדה חשמלי קבוע על חלקיק טעון חשמלית, יצבור פאזה הקרויה כיום על שמו - פאזת קנארד.

 

"המטרה של המחקר שלנו היא לייצר פלטפורמה שמקיימת אנלוגיה מתמטית שלמה עם משוואת שרדינגר, המשוואה העיקרית של מכניקת הקוונטים, אבל בהתקן ענק שניתן לראותו בעין", מסביר רוזנמן. "הבריכה שלנו מייצרת גלי כבידה משטחיים, שמתנהגים באופן דומה לגלי חומר זעירים בעולם הקוונטי, וכך מאפשרת לנו למדוד תופעות קוונטיות במערכת מקרוסקופית. מבחינה תיאורטית יש תופעות במכניקת הקוונטים שקשה מאוד למדוד, ואנחנו מצאנו דרך לעקוף את המגבלה הזאת".

 

"תחילה זיהינו את השקילות בין מערכת קוונטית שמקיימת את משוואת שרדינגר לבין מערכת הידרודינמית של גלים שמתקדמים על פני מים", אומר רוזנמן וממשיך "בשלב השני, לקחנו את הקשר הזה שלב אחד קדימה ובנינו מערכת שמקיימת את משוואת שרדינגר וגם מפעילה כוח קבוע על הגל. על ידי שינוי הכוחות, אנחנו יכולים לראות במו עינינו כיצד חלקיקים צוברים את הפאזות שנחזו על ידי קנארד באופן תיאורטי. לפאזת קנארד עשויים להיות גם שימושים מעשיים, למשל במדידה רגישה של כוחות או בהבנה כיצד מערכות מאיצות תת-אטומיות פועלות. בימים אלה אנחנו משתמשים בבריכת הגלים כדי לצפות לראשונה באפקטים פיזיקליים אחרים, כמו צבירת הפאזה של גלים הנעים בסמוך לחורים שחורים".

מימין לשמאל: פרופ' טל אלנבוגן, מאי טל ושי קרן-צור

מחקר

19.01.2020
לרכב על הגל

חוקרים פיתחו גלי טרה-הרץ, שיזהו תרופות מזויפות ויאפשרו לבצע בדיקות דימות רפואיות בקרינה לא מייננת

  • הנדסה וטכנולוגיה
  • מדעים מדויקים

כמה פעמים חשבתם פעמיים אם לבצע בדיקה רפואית כלשהי, מחשש לנזק שהיא עלולה לגרום לכם בעקבות החשיפה לקרינה? האם שמעתם על תרופות שנמכרו במחיר זול מהרגיל, אך הסתבר שהן אינן מקוריות? קבוצת חוקרים מהמעבדה לננו אלקטרואופטיקה במחלקה לאלקטרוניקה פיזיקלית בבית הספר להנדסת חשמל באוניברסיטת תל אביב, בראשותו של פרופ' טל אלנבוגן, הצליחה לפתח שיטה חדשה שתזהה את אותן תרופות באמצעות גלי טרה-הרץ, ואף תאפשר את פיתוחם המואץ של מגוון יישומים חדשים וחיוניים בתחומי הרפואה, הטכנולוגיה, הביטחון ועוד.

 

אפילו קיר לא עוצר אותם

גלי טרה-הרץ הם גלים אלקטרומגנטיים באורכי גל קצרים מגלי מיקרו וארוכים מגלים בתחום האינפרה-אדום. לדברי פרופ' אלנבוגן, אחד היתרונות שלהם הוא האינטראקציה הייחודית שלהם עם חומרים. למשל, ניתן להשתמש בגלי טרה-הרץ כדי לזהות באופן מדויק חומרים שונים. בנוסף, גלים אלו יכולים לעבור דרך עצמים שנראים אטומים באורכי גל אחרים, כך שניתן להשתמש בהם על מנת לגלות עצמים נסתרים ואפילו את הרכבם.

 

זו הסיבה ששימוש נרחב בהם יכול לעשות מהפכה בגילוי תרופות המופצות בשוק תחת שמות מסחריים, אך לא יוצרו על ידי יצרן מקורי או כזה שלא מאושר על ידי משרד הבריאות, בזיהוי הרכב חומרים מרחוק ואפילו בהורדת סיכון החשיפה שלנו לגלי קרינה מייננים, כפי שקורה למשל בצילומי רנטגן ובדיקות דימות אחרות כמו CT או בטיפולי הקרנה לחולי סרטן, שלמרות התועלת שבהם, חשיפת יתר עלולה להזיק לבריאותנו.

 

התכונות של גלי טרה-הרץ מוכרות למדע זה זמן רב, אך עד כה היכולים לשלוט בגלים אלו היתה מוגבלת מאוד יחסית לתחומי קרינה אחרים. במעבדתו של פרופ' אלנבוגן, עם הסטודנטים שי קרן-צור ומאי טל , בשיתוף עם פרופ' דניאל מיטלמן מאוניברסיטת בראון בארה"ב וד"ר שר-לי פליישר, חוקר בביה"ס לכימיה באוניברסיטת תל אביב, הצליחו לפתח שיטה חדשה של ייצור ושליטה בגלי טרה-הרץ (Terahertz) תוך שימוש במשטחים מהונדסים בסקאלה ננומטרית, הנקראים מטא-משטחים, אשר יוצרו במרכז הננו של אוניברסיטת תל אביב, בשיטות ננו-טכנולוגיות מתקדמות.

 

תוצאות המחקר התפרסמו לאחרונה בכתבי העת NATURE Communications  ו-Nano Letters ויוצגו בתחילת פברואר 2020 בכנס הבינלאומי לאופטיקה Photonics West  שיערך בסן פרנסיסקו.

 

איך עושים גלים?

במסגרת התהליך יצרו החוקרים משטחים מרוצפים באנטנות ננו-מטריות מזהב (ננומטר שווה ערך למיליארדרית המטר), הקולטות ביעילות אור מלייזרים בעלי פעימות קצרות מאוד, ובתהליך של המרת אנרגיה הן משדרות במקומן פעימות של קרינת טרה-הרץ. על ידי שליטה באנטנות על גבי המטא-משטח הראו החוקרים שניתן לעצב את צורתה המרחבית והזמנית של פעימת הטרה-הרץ, שנוצרה בצורה שלא ניתנת להשגה באמצעים הקיימים עד כה.

 

פרופ' אלנבוגן: "ההדגמה שעשינו במעבדה פורצת דרך, מכיוון שהשימוש בחומרים ננו-מטריים והיכולת לייצר מהם אור בצורה נשלטת, מוסיפים כלים טכנולוגיים חשובים ויכולות חדשות ולוקחים את המחקר בתחום צעד גדול קדימה״.

 

לדבריו, ״היכולת לשלוט באופן מושלם בצורה המרחבית ובמאפיינים נוספים של גלי הטרה-הרץ, כפי שהודגם במחקר, מאפשרת את יישומן ופיתוחן של שיטות דימות מתקדמות, מיקרוסקופיה וספקטרוסקופיה חדשות. כך לדוגמה, ניתן יהיה לזהות מרחוק וללא שימוש בבדיקות מעבדה כימיות הרכב חומרים שונים ואת המבנה המרחבי שלהם בצורה טובה יותר, למשל זיהוי תרופות מזויפות בקלות וכן זיהוי של חומרי נפץ".

 

בשל חשיבותו הרבה זכה המחקר למימון של סוכנות ה-ERC (European Research Council) היוקרתית למענקים מחקריים של האיחוד האירופי ושל משרד המדע והטכנולוגיה.

 

מחקר

01.01.2020
מחשבים מסלול מחדש

מחקרים שהתחילו עם כיוון מסוים והגיעו למקומות אחרים לגמרי

  • הנדסה וטכנולוגיה
  • מדעים מדויקים
  • רוח
  • רפואה ומדעי החיים

תמיד אומרים לנו שהדרך חשובה לא פחות מהמטרה. זה נכון לגבי תחומים רבים בחיים, ובמיוחד למי שעוסק במחקר. גמישות, סקרנות ותשומת לב לפרטים הקטנים יכולות להוביל לחשיפת אוצרות, שבכלל לא יצאנו לחפש. החוקרות והחוקרים שלנו מספרים על מחקרים שקיבלו תפנית, בזכות הפתעות משמחות בשטח ובמעבדות.

 

תסתכלו בקנקן

משלחת חפירה ארכיאולוגית גילתה שלפעמים, ממש כמו בפתגם הידוע, כדאי להסתכל בקנקן. "באחת ממשלחות החפירות במגידו הורדנו את המחיצות המפרידות בין ריבועי החפירה, ומצאנו כלי חרס שלם מלא בעפר", מספרת נעמה ולצר, דוקטורנטית בחוג לארכיאולוגיה ותרבויות המזרח הקדום באוניברסיטת תל אביב.

 

"ארזנו אותו והתכוונו לשלוח אותו למעבדה לבדיקת שיירים מולקולאריים, כדי לגלות מה שמרו בתוך כלי חרס זה, שתוארך לסביבות 1100 לפנה"ס". הכלי נשאר במשרד ולאחר זמן מה התברר שהשימור באזור זה של החפירה לא מספיק טוב. לכן החליט הצוות לרוקן אותו מן העפר, באופן מבוקר כמובן, ושפך את תכולתו על השולחן. "את מה שחיכה לנו שם לא ציפינו למצוא: אוצר תכשיטים יקרי ערך, שנחשב לאחד המטמונים העשירים ביותר מתקופת המקרא שנמצאו בישראל!".

 

חשוב להסתכל בקנקן. כד החרס שנתגלה בחפירות מגידו. צילום באדיבות המכון לארכיאולוגיה ע״ש סוניה ומרקו נדלר

 

בין היתר, נמצאו במטמון תשעה עגילים גדולים וטבעת חותם עם חריטה של דג עשויים זהב, למעלה מאלף חרוזי זהב קטנים, מחרוזות ותכשיטים עשויים כסף. "כך מצאנו את המטמון הגדול של שטח H, שמוצג היום בתצוגה הקבועה של מוזיאון ישראל בירושלים", מסכמת ולצר.

 

אם גם אתם בעניין חפירות ואוצרות, תשמחו לדעת שהרישום לעונת החפירות במגידו בקיץ 2020 בעצומה.

 

עגילים, טבעות וחרוזי זהב. אחד המטמונים העשירים ביותר מתקופת המקרא שנמצאו בישראל. צילום באדיבות המכון לארכיאולוגיה ע״ש סוניה ומרקו נדלר

 

התיעוד הכי ארוך במקום הכי נמוך

מים שקטים חודרים עמוק, עמוק מאוד, ואפילו יכולים לחולל רעידת אדמה של ממש: "חיפשתי מקומות שבהם אפשר לדגום סלע, ששקע בסביבה שקטה על קרקעית אגם ים המלח", נזכר פרופ' שמוליק מרקו, ראש בית הספר לסביבה ולמדעי כדור הארץ ע"ש פורטר.

 

"המטרה הייתה למדוד את התכונות המגנטיות של הסלע, על מנת לשחזר את השינויים שחלו בשדה המגנטי של כדור הארץ בעבר. המידע הזה חיוני להבנת ההתנהגות של השדה, שמהווה אחת התעלומות החשובות בגאולוגיה. לחוקרים אין עדיין הסבר מניח את הדעת למנגנון שגורם לשינויים שחלים בשדה המגנטי, כגון היפוכים מפתיעים או שינויים מתמידים במיקום הקטבים המגנטיים. תוך כדי דגימה בסלעים, שנראו מסודרים כאילו ששום דבר לא הפר את שלוותם מעולם, מצאתי שכבות שנראו מבולגנות. המחקר תפס תפנית לא צפויה, ואחרי שמצאתי הוכחות לכך שאת ה״בלגן״ חוללו רעידות אדמה - זה הפך לנושא העיקרי של המחקר".

 

במקום הכי נמוך. שכבות סלע בים המלח

 

בגלל שסיסמוגרפים מודרניים קיימים רק כמאה שנה, זה זמן קצר מדי בכדי לתעד מספיק רעידות אדמה חזקות באזור מסוים, ולכן אי אפשר לדעת איך האזור מתנהג בפרקי זמן ארוכים. אצלנו בישראל למשל, יש תיעוד החל מתקופת התנ"ך (כ-3,000 שנה), וזה עדיין נחשב מעט. "אבל עכשיו יש לנו תיעוד של רעידות האדמה שקרו בסביבות ים המלח ב-220 אלף השנים האחרונות, שנחשב לשיא עולמי, היות ואין עוד תיעוד כל כך ארוך ורציף בשום מקום בעולם", מסכם פרופ' מרקו.

 

מסודרות ומבולגנות. שכבת סלע שהסדר המקורי בה הופר בין שכבות מסודרות

 

הארה ממקום לא צפוי

לקראת סיום לימודי פוסט-דוקטורט באוניברסיטת ייל, החליטה ד"ר אינס צוקר מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן להנחות סטודנט לתואר ראשון במחקר קצר ומבטיח, שההיפותזה שלו התבססה על תוצאות קודמות.

 

אבל כמו שכולנו יודעים, רק דבר אחד בטוח, וכל השאר נתון לשינויים: "מטרת המחקר הייתה להראות הבדל בפגיעה בליפוזומים (מעין כדוריות מיקרוסקופיות בנויות מחלל מוקף ממברנה וממולאות בנוזל פלוריסנטי, המשמשות כיום כלי חשוב הן במחקר אקדמי של ממברנות ביולוגיות והן ברפואה), על ידי ננוחומר בשם MnO2, המיוצר במבנים שונים", מסבירה ד"ר צוקר.

 

"בעבר, הראינו דליפה של חומר פלוריסנטי (כלומר, פגיעה בשלמות הליפוזום), כתלות בתכונות פני השטח של ננוחומרים, והפעם רצינו להראות זאת כתלות במבנה. אבל... למחקר חוקים משלו - לא הצלחנו לזהות שום פגיעה כזו. רגע לפני שהמחקר נגנז, לקחנו את המערכת למיקרוסקופ פלוריסנטי, שבו ראינו למרבה ההפתעה כי הליפוזומים והננוחומר עוברים אינטראקציה מסוג שאינו נצפה בעבר בהקשר זה: הליפוזומים עוטפים את הננוחומר, אבל נשארים ככדוריות שלמות ללא דליפה! זה אכן היה נס גדול ומאיר תרתי משמע".

 

"הרבה פעמים גילויים לא צפויים מפתיעים אותנו". ד"ר צוקר במעבדה

 

הלו ספייסבוי

עוד ערב שגרתי של סקירת חלל בטלסקופ רובוטי על ידי ד"ר יאיר הרכבי מהחוג לאסטרופיזיקה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, הוביל לתצפית בתופעה שטרם נראתה כמותה: כוכב שחזר לחיים.

 

"לפני כמה שנים נתקלנו ב'כוכב שלא רצה למות', והמשיך להתפוצץ שוב ושוב", מספר הרכבי. "בכל לילה הטלסקופ היה מוצא המון דברים חדשים, רובם לא מעניינים. גם לגבי הסופרנובה הזו (שהיא כוכב שהתפוצץ) חשבנו בהתחלה שהיא לא מעניינת, כי כשהסקר תפס אותה לראשונה היא הייתה בשלב דעיכת האור וחשבנו שזהו, פספסנו את החלק המעניין. אבל אחרי כמה שבועות שמנו לב שהסופרנובה התחילה להתבהר מחדש, שזה משהו שלא אמור לקרות, ולכן התחלנו להתעניין ולעקוב אחרי הסופרנובה עם טלסקופים נוספים".

 

סופרנובה מתפוצצת במרחק שנות אור

 

"בדרך כלל, בפיצוץ של כוכב עוצמת האור עולה ויורדת ונעלמת אחרי כמה חודשים. במקרה הזה עוצמת האור עלתה וירדה, ואז עשתה זאת ושוב. סה״כ חמש פעמים במשך שנתיים. מה שהפתיע אותנו עוד יותר הוא שגילינו שהכוכב הזה בעצם התפוצץ כבר ב-1954, ואחרי שכוכב מתפוצץ הוא לא אמור להתפוצץ עוד פעם, כי הרי לא אמור להיות יותר כוכב אחרי הפיצוץ. עד היום אף אחד לא מצליח להסביר מה בדיוק קרה שם, ומאז לא ראינו אירוע דומה".

 

אי אפשר לדעת מה יילד לילה. ד"ר הרכבי ומצפה כוכבים בהוואי

 

לא לריב, יש מקום לכולן

קרה לכם פעם שחיפשתם פיתרון לבעיה, ועל הדרך מצאתם תשובה לשאלה נוספת, אחרת לחלוטין? זה בדיוק מה שקרה לפרופ' נועם שומרון מבית הספר לרפואה ע"ש סאקלר.

 

"רצינו לפתור זיהוי של מחלה אחת, ראינו נוספות בדרך ולכן שמנו אותן כמטרה נוספת למחקר", הוא מספר. "עקבנו אחרי אלפי נשים בהריון, כדי לאפיין מולקולות בדם היכולות להוות סמנים מוקדמים לרעלת היריון, שעשויה להופיע רק בקרב נשים הרות, החל מהשבוע ה-20 ואילך. לא רק שמצאנו אותן, אלא גם הצלחנו לאפיין בדרך מולקולות היכולות להעיד על סכרת היריון" (אין קשר בין שתי המחלות, מלבד העובדה שהן מתרחשות בהיריון).

 

"מה שמרגש בכל הסיפור הזה, הוא שכיום אין עדיין דרך לזהות בבדיקת דם פשוטה בשליש הראשון להיריון מחלות הפורצות רק בשליש השני או השלישי, אבל התגלית שלנו תאפשר לפתח בדיקות פשוטות מסוג זה עבור שתי המחלות, כדי לנקוט אמצעי מניעה כבר בשלבים מוקדמים ולהבטיח את שלום האם והעובר".

 

פרופ' שומרון מספר על התגלית המקרית באירוע "אתנחתא"

 

אוניברסיטת תל אביב עושה כל מאמץ לכבד זכויות יוצרים. אם בבעלותך זכויות יוצרים בתכנים שנמצאים פה ו/או השימוש שנעשה בתכנים אלה לדעתך מפר זכויות, נא לפנות בהקדם לכתובת שכאן >>
אוניברסיטת תל-אביב, רחוב חיים לבנון 30, 6997801.
UI/UX Basch_Interactive