לצלם את הכימיה בזמן אמת

מה קורה בתוך מולקולה כשהיא פוגשת אור? זו שאלה קשה לפתרון, בין השאר כי מדובר באחד הרגעים הכי קצרים, מהירים וחמקמקים בטבע. תארו לעצמכם קרן אור שמגיעה לתא עור, או מולקולת צבע ירוקה בצמח שקולטת קרן שמש, או חומר בתא סולרי שממיר אור לאנרגיה. ברגע הזה, בתוך שבריר של שנייה, מתחיל תהליך שמשנה את המולקולה מבפנים. וכשאנחנו אומרים שבריר, אנחנו מתכוונים לזה כלשונו – כל התהליך נמשך רק פמטושנייה (femtosecond), כלומר מיליונית של מיליארדית השנייה. כמה מהר זה באמת? היחס בין פמטושנייה לשנייה הוא כמו היחס בין דקה אחת לגיל היקום.

בזמן הקצרצר הזה, האלקטרונים במולקולה מתעוררים וזזים, ואיתם זזים גם גרעיני האטומים. מחקר חדש מציע דרך חדשה לבחון את התהליכים המהירים האלה באמצעות יצירת מערכת פשוטה, שתשתמש באטומים בודדים כדי לדמות את מה שמתרחש במולקולות מורכבות הרבה יותר.

האור שבקצה המדע

הפוטוכימיה – חקר התגובות הכימיות שמופעלות באמצעות אור – נולדה כתחום מדעי עוד במאה ה-19, כשהכימאים תאודור גרוטוס (Grotthuss) וג’ון ו’ דרייפר (Draper) קבעו שכדי שאור יוביל לשינוי כימי בחומר הוא חייב להיבלע בו. 

רק בשנת 1905 חלה התפתחות משמעותית נוספת בתחום, כשאלברט איינשטיין פענח את האפקט הפוטואלקטרי, שזיכה אותו בפרס נובל, והראה שהאור עשוי ממנות אנרגיה בדידות (קוונטים). הגילוי הזה לא רק היה הבסיס שעליו נבנתה בהמשך תורת הקוונטים, אלא גם הניח את היסודות להבנת האופן שבו פוטון בודד יכול לעורר אלקטרון. התברר שהאנרגיה של הפוטונים צריכה להיות גבוהה מספיק כדי לגרום לאלקטרון להשתחרר ממקומו בחומר ולהגיב. אפשר לדמות את זה לילד שמנסה לבעוט כדור מבעד לגדר: אם יבעט חלש מדי, הכדור ייתקע בגדר ויעצור; אם יבעט בדיוק בעוצמה הנכונה, הכדור יעבור את הגדר וייפול מיד מאחוריה; ולבסוף אם יבעט חזק יותר, הכדור יעבור את הגדר וימשיך לנוע הלאה מעבר לה.

אנלוגיית הכדור והגדר מתאימה לתיאור האפקט הפוטואלקטרי, שבו האלקטרונים נעקרים מהחומר, אך יש בטבע גם תהליכי מעבר של אלקטרונים בתוך המולקולות עצמן. בתהליכים האלה, הפוטונים צריכים להיות עם אנרגיה שתואמת בדיוק את זאת שדרושה למעבר. בשונה מהכדור, שיכול להמשיך לנוע רחוק יותר, האלקטרונים שבתוך המולקולה מתנהגים כמו ספר בספרייה: אפשר להניח את הספר על המדפים, אבל לא ביניהם. עם נשקיע פחות מדי או יותר מדי אנרגיה, ונרים את הספר לגובה שנמצא בין מדף למדף, לא נוכל להניח אותו שם והוא יחזור למקומו המקורי.

במחצית השנייה של המאה העשרים חלו התפתחויות טכנולוגיות חשובות שקידמו מאוד את יכולתנו לעקוב אחרי תהליכים כימיים מהירים במיוחד. מנפרד אייגן (Eigen), רונלד נוריץ’ (Norrich) וג’ורג’ פורטר (Porter) זכו בפרס נובל לשנת 1967 על פיתוח הפלאש-פוטוליזה, שאפשרה למדוד תגובות שאורכות מיליוניות שנייה בלבד. ב-1999 זכה הכימאי המצרי-אמריקאי אחמד זוויל (Zewail) בפרס נובל על פיתוחה של הפמטוכימיה, שיטה שאפשרה לראשונה לתעד את האטומים עצמם במהלך התגובה; וב-2023 הצטרפו גם הפיזיקאים אן ל’וויליה (L’Huillier), פייר אגוסטיני (Agostini) ופרנץ קראוס (Krausz) לרשימה המכובדת של זוכי פרס נובל, על פיתוח של מצלמות מהירה עוד יותר.

הבנת התהליכים האלה אינה רק שאלה של סקרנות; הפוטוכימיה היא מנוע בלתי-נראה שמאפשר את החיים בכדור הארץ. הדוגמה הבולטת ביותר היא כמובן הפוטוסינתזה – המפעל הכימי החשוב של הטבע, שבו צמחים לוכדים את אנרגיית השמש ומתמירים אותה לאנרגיה כימית זמינה, בדמות מולקולות של סוכרים. התהליך הזה הוא הבסיס לכל שרשרת המזון כמו גם לחמצן שאנו נושמים.

מדענים מתמקדים כיום ביצירת מערכות פשוטות  שיסייעו להסביר את התהליכים האלה. לדוגמה, מדענים ברחבי העולם מנסים לפצח את המנגנון של הפירוק הפוטוכימי של מים. זוהי אחת השאיפות הגדולות ביותר בתחום האנרגיה הירוקה – היכולת להשתמש באור שמש בלבד כדי להפיק מימן נקי שישמש כדלק, בלי לפלוט מזהמים.

נוסף על אנרגיה ומזון, הפוטוכימיה היא גם המגן שלנו בכדור הארץ. במרומי האטמוספרה, תגובות פוטוכימיות הן אלו שיוצרות ומשמרות את שכבת האוזון, שבולעת את הקרינה העל-סגולה המסוכנת. כך שהבנה מעמיקה של התנועות המולקולריות הזעירות הללו היא המפתח לשליטה בתהליכים עצומים שמתווים את חיינו בעולם הזה.

התקן קוונטי מתוכנת

מדידת כל הפרטים של תגובה כימית מהירה היא משימה קשה. כדי לפשט אותה אפשר אולי לשחזר אותה באופן יזום בתוך מערכת מבוקרת. זה מה שניסתה קבוצת חוקרים לעשות כשבנתה התקן קוונטי מתוכנת: מערכת קטנה שבנויה כך שתחקה את ההתנהגות של מולקולה אמיתית כשהיא נחשפת לאור.

במרכז ההתקן הזה עומד יון בודד – אטום בעל מטען חשמלי – שכלוא בתוך שדה חשמלי ומוקף בלייזרים ממוקדים. לכאורה יון כזה לא דומה כלל למולקולה מורכבת ואין לו אותו הרכב או אותה מסה כמו המולקולה הנחקרת. אבל מבחינה פיזיקלית איננו צריכים לבנות העתק מדויק של המולקולה. די בכך שניצור אנלוגיה פיזיקלית: מערכת שמתנהגת לפי אותם חוקים.

הסידורים האפשריים של היון והאלקטרונים שבו מדמים את אלו של המולקולה. באופן דומה, התנועה של היון מחקה את רטט האטומים במולקולה. אומנם המסה של אטום בודד שונה מאוד מזאת של מולקולה גדולה עם אטומים רבים, אבל אפשר לשלוט בקצב הרטט כך שהתנועה שלו תדמה את תנועת המולקולה.

היופי הוא בכך שאפשר לתכנת את המערכת הזאת על ידי שליטה פיזית במצב האטום הנבדק. על ידי כך, אותו התקן בדיוק מאפשר לדמות מולקולות שונות אם משנים את הגדרות הניסוי. כך יכולה מערכת פשוטה של אטום אחד לתאר את סיפורה של מולקולה שלמה בזמן אמת.

מולקולה אחת, שלוש דרכים להגיב

כדי לבדוק אם ההדמיה באמת עובדת, החוקרים ביצעו ניסויים בתנאים שמדמים שלוש מולקולות מוכרות, שכל אחת מהן מגיבה אחרת לאור ומדענים כבר מכירים את ההתנהגות שלהן, מחישובים קודמים או מניסויים שנעשו בעבר. התוצאות היו מרשימות: ההדמיה הצליחה לשחזר לא רק את התגובה הכללית של כל מולקולה, אלא גם את הפרטים הקטנים שבה: איך האלקטרונים מגיבים, מתי מתרחש מעבר בין מצבים ואיך תנועת האטומים משנה את התמונה.

בעזרת הדמיות כאלה אולי נוכל בעתיד לפתח חומרים רגישים לאור שיפעלו בדיוק בזמן הנכון, מתוך הבנה מעמיקה של התגובה הכימית שלהם לאור. על ידי כך נוכל ליצור תרופות חכמות שמתעוררות לפעולה בתוך הרקמה המבוקשת בגוף בתגובה לאור, קולטי שמש יעילים במיוחד ועוד שלל פיתוחים אחרים, שאת חלקם עדיין איננו מסוגלים אפילו לדמיין.