מולקולות אורגניות בעלות קשר כפול יכולות להסתדר במרחב בשתי צורות. במקרים מסוימים ההבדל בסידור המרחבי של האטומים סביב הקשר הכפול יכול לשנות את התכונות הכימיות והפיסיקליות של החומר. במקרים נדירים אפשר לשלוט בפשטות יחסית בסידור המרחבי של המולקולות וכפועל יוצא מזה גם בתכונות החומר. קבוצות מחקר רבות בעולם מנסות לרכוש שליטה בסידור המרחבי של המולקולות כדי ליצור מערכות מתוחכמות ודינמיות שיאפשרו מעבר פשוט בין מצבים שונים של המערכת.

מערכת כימית שמאפשרת מעבר בין שני מצבים שונים, שמתבטאים בהתנהגות שונה של החומר, יכולה לשמש כ"מתג כימי" שמדליק ומכבה התנהגויות מסוימות. אפשר לדמיין מגוון אדיר של יישומים שמערכת כזו תוכל להציע, החל ביחידת זיכרון במחשב וכלה בדיו שנמחק לפי דרישה.

איזומרים
כדי ליצור מערכות דינמיות שמבוססות על הסידור המרחבי של אטומים במולקולות, עלינו להכיר לעומק את המושג "איזומרים". מדובר במולקולות שהנוסחה המולקולרית שלהן זהה, כלומר יש להן מספר זהה של אטומים מכל אחד מהיסודות שמרכיבים אותן, ובכל זאת המולקולות אינם זהות לחלוטין – הסידור של האטומים במרחב שונה בין איזומר אחד למשנהו. לעתים ההבדל הזה מתבטא בתכונות שונות מאוד של החומר.

על פי רוב מחלקים את האיזומרים לשני סוגים עיקריים – איזומרים מבניים ואיזומרים מרחביים. באיזומרים מבניים השוני בין האיזומרים נובע מהבדלים במבנה המולקולה, שעשויים להיות בולטים למדי. איזומרים מרחביים נבדלים זה מזה רק בסידור המרחבי של האטומים, ופעמים רבות קשה לזהות את ההבדל ביניהם. בתרשים שלמטה מופיעה המחשה של שני הסוגים.


איזומרים מבניים לעומת איזומרים מרחביים

גם אם רובנו נתקשה להבחין בכלל בהבדל בין שני איזומרים, תכונותיהם יכולות להיות שונות מאוד. למעשה שתי מולקולות שנראות זהות לחלוטין אך יש להן כיראליות שונה יכולים להיות שונים עד כדי כך שאחת מהן יכולה לשמש כתרופה יעילה בעוד השנייה עלולה לגרום נזקים חמורים. כך קרה למשל עם התרופה תלידומיד, שגרמה פגיעות חמורות לעוברים של נשים שקיבלו את התרופה במהלך ההיריון.

איזומרי ציס-טראנס
איזומרים מרחביים שכיחים מאוד הם איזומרי ציס וטראנס. איזומרים כאלה יכולים להופיע בכמה מערכות, ובכלל זה במולקולות טבעתיות וקומפלקסים מתכתיים, אבל כאן נעסוק בצורה הנפוצה ביותר שלהם, שמופיעה במולקולות אורגניות סביב קשר כפול.

הסידור המרחבי של האטומים סביב קשר כפול במולקולה אורגנית יכול ליצור איזומרי ציס וטראנס תחת תנאים מסוימים. המקרה הפשוט ביותר הוא סביב קשר כפול בין שני אטומי פחמן, במצב הזה, מעבר לקשר הכפול עם אטום הפחמן השכן יכול כל אטום פחמן להיקשר לעוד שתי קבוצות אורגניות. לשם הפשטות קוראים לקבוצות כאלו "מתמירים".

איזומרי ציס וטראנס יופיעו רק אם על אטום פחמן אחד יש שני מתמירים שונים –במקרה שמוצג למטה, על כל פחמן יש אטום ברום (Br) כמתמיר אחד וקבוצת מתיל (CH3) כמתמיר הנוסף, ועל אטום הפחמן השני נמצאים אותם שני מתמירים.


מצבי ציס וטראנס לדוגמה

בתרשים למעלה אפשר לזהות שעל כל אטום פחמן יש עוד שני מתמירים ששונים זה מזה, ועל כל פחמן יש אטום ברום (Br) כמתמיר אחד וקבוצת מתיל (CH3) כמתמיר הנוסף. כשהמתמירים הזהים פונים לאותו כיוון במרחב, המולקולה נמצאת במצב הציס שלה. כשהמתמירים הזהים פונים לכיוונים מנוגדים, המולקולה נמצאת במצב טראנס.

אזו-בנזן

המולקולה שמופיעה בתרשים למטה נקראת אזו-בנזן, והיא נחשבת שימושית מאוד בשל ההתנהגות יוצאת הדופן שלה. המצב הטבעי והיציב יותר של המולקולה הוא מצב הטראנס, אבל כשמקרינים אותה באור על-סגול המבנה המרחבי של המולקולה משתנה למצב הציס. חשיפה של מולקולה במצב הציס לאור נראה (אור רגיל) תחזיר אותה למצב הטראנס.


מצבי הציס והטראנס של המולקולה אזו-בנזן

המעבר בין איזומר הטראנס לאיזומר הציס ולהיפך בהתאם לאנרגיית האור שבו מאירים עליה הופך את האזו-בנזן לחומר שמסוגל לשמש כמתג כימי. עכשיו נותר רק לבנות את המערכת המתאימה שתנצל את המתג הכימי בצורה הטובה ביותר.

קבוצות מחקר רבות בעולם יצרו מערכות מורכבות שמתבססות על המעבר הדינמי של האזו-בנזן בין מצבי הציס והטראנס שלה, בכל הקבוצות הרעיון הבסיסי היה לבנות מערכת שתשנה את תכונותיה בהתאם לסוג האור שיקרינו עליה. כשיאירו את המערכת באור על-סגול היא תתנהג בצורה אחת בגלל מצב הציס של האזו-בנזן, וכשיאירו אותה באור נראה היא תתנהג אחרת כתוצאה מהשינוי המרחבי למצב הטראנס של המולקולה.

את אחת העבודות המעניינות בנושא זה עשו רפאל קליין, חוקר צעיר ומבטיח במכון ויצמן, ועמיתיו. החוקרים ניצלו את היכולת של האזו-בנזן לשנות את המבנה המרחבי שלו כדי ליצור דיו מחיק.הרעיון שלהם היה פשוט ואלגנטי: אפשר להשתמש בשינויים במבנה המרחבי של האזו-בנזן כדי לתמרן את הסידור של ננו-חלקיקי זהב בתמיסה או ג'ל, וכך לשלוט בצבע התמיסה, באמצעות תופעה שנקראת תיחום קוונטי. אם חלקיקי הזהב מפוזרים בתמיסה באופן אקראי, צבעה יהיה אדום, אבל אם הם מתקבצים יחד בצברים גדולים, צבעה ישתנה לסגול.

ראשית יש לחבר את מולקולות האזו-בנזן לננו-חלקיקי הזהב. למטרה זו הצמידו למולקולת האזו-בנזן שרשרת של אטומי פחמן שבסופה קבוצת אורגנית בשם "תיול" שמכילה אטום גופרית. התיולים הם חומרים שאוהבים מאוד להיקשר לזהב, ולכן מחברים ביעילות את מולקולות האזו-בנזן לחלקיקי הזהב.

ננו-חלקיקי הזהב המחוברים למולקולות האזו-בנזן במצב טראנס, נטו להיות יציבים ולהתפזר בתמיסה באופן אחיד בצורה שהעניקה לה צבע אדמדם. כאשר האירו את התמיסה באור על-סגול היא הפכה לסגולה בבת אחת. מה גרם לשינוי הפתאומי בצבעה של התמיסה?

בחשיפה לאור על-סגול, כל מולקולות האזו-בנזן משנות את סידורן המרחבי למצב הציס שלהן. במצב כזה ננו-חלקיקי הזהב מפסיקים להיות יציבים לבדם בתמיסה ועל כן נצמדים במהירות זה לזה ויוצרים צברים של ננו-חלקיקים שמעניקים לתמיסה צבע סגול. בתרשים הבא אפשר לראות את המצב המרחבי של מולקולות אזו-בנזן בעת הקרנת אור על-סגול ואור נראה על ננו-חלקיקי הזהב, וכתוצאה מכך את פיזור ננו-חלקיקי הזהב בתמיסה.


מצב האזו-בנזן (למעלה) והננו-חלקיקים בתמיסה בחשיפה לאור נראה ואור על-סגול | אילוסטרציות: ד"ר רפאל קליין

כך נוצרה מערכת שמנצלת את איזומריית הציס-טראנס של מולקולת האזו-בנזן כדי לשנות את הצבע של תמיסה או ג'ל שיש בהם ננו-חלקיקי זהב. את יכולת שינוי הצבע של ג'ל עם ננו-חלקיקי זהב ניצלו החוקרים כדי לכתוב או לצייר תמונות בצבע סגול על רקע אדום.


יצירת תמונות על ידי מסכה ואור על-סגול ומחיקתן בחשיפה לאור נראה | באדיבות ד"ר רפאל קליין

הקרנת אור על-סגול דרך מסכה מאפשרת לקרני האור העל-סגול להגיע רק לחלקים שצבעם צריך להיות סגול. באזורים האלה האזו-בנזן עובר למצב ציס ולכן ננו-חלקיקי הזהב מתקבצים לצברים וצובעים את האזורים האלה בסגול. באזורים שלא נחשפים לאור העל-סגול האזו-בנזן נמצא במצב טראנס וחלקיקי הזהב מפוזרים בג'ל בצורה אקראית, כך שצבעם נשאר אדום. כשרוצים לאחר מכן למחוק את התמונה פשוט מאירים את כולה באור נראה, מולקולות האזו-בנזן חוזרות למצב הטראנס שלהן והתמונה מאדימה.

ומה הלאה?
ראינו שאיזומרים הן מולקולות שנבדלות רק בסידור המרחבי או המבני של האטומים ונוכחנו לדעת שלפעמים אפילו הבדלים קטנים כאלה יכולים להביא לשינויים משמעותיים בתכונות החומר. חוקרים רבים בעולם מנסים כיום ליצור מערכות דינמיות נוספות שינצלו את ההבדלים הנשלטים בתכונות החומר ויוכלו להעביר כך באופן מבוקר את המערכת ממצב תפקודי אחד לאחר.

למעשה, העיקרון של שינוי תכונות חומר בעזרת התערבות חיצונית עומד במרכזה של כל תעשיית המיקרו-אלקטרוניקה, שכן זיכרון ועיבוד אלקטרוני מנצלים מצבים שונים של חומר כדי לשמור מידע ולעבד אותו. כך יכולים הבדלים קטנים להוביל בידיים הנכונות לדברים גדולים.

איתן אוקסנברג
דוקטורנט, המחלקה לחומרים ופני שטח
מכון ויצמן למדע



הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.

תגובה אחת

  • אנונימי

    הסבר מעולה, תודה!