מחקר

מערכות ביולוגיות עוררו השראה בקרב דורות של כימאים, בשל היכולת שלהן לייצב מולקולות ריאקטיביות, לזרז תגובות כימיות באופן סלקטיבי ולבנות מולקולות מורכבות וננו-מבנים אי-אורגניים. בניגוד לאופן שבו כימאים מבצעים בדרך כלל תהליכים כימיים, בתוך כלים שניתן לאחוז ביד או לראות בעין, במערכות ביולוגיות מתרחשים תהליכים כאלו בחללים קטנים מאוד, שגודלם ננומטרים בודדים. במסגרת המחקר, הנערך במעבדתנו, אנו חוקרים את התנהגותם של צורונים כימיים, הכלואים בתוך חללים ננומטריים מוגדרים. לשם כך, אנו מסנתזים מולקולות וחומרים, היוצרים חללים ננומטריים כאלו, וכוללים, בין השאר, את המערכות הבאות, חללים בתוך כלובי קואורדינציה (coordination cages), פני שטח של ננוחלקיקים קולואידים, וחללים בתוך חומרים נקבוביים, כגון רשתות של מולקולות ארומטיות. בנוסף לכך, אנו מפתחים משפחות חדשות של חומרים סינתטיים נקבוביים בעלי חללים ננומטריים, כגון החומרים הבאים: גבישים קולואידים בעלי יכולת להתארגנות עצמית הפיכה, היוצרים כלי-קיבול ננומטריים בעלי מבנה דינמי (“dynamic nanoflasks”), ננוחלקיקים מתכתיים בעלי צורת קערה, וסריגי-על של ננוחלקיקים, הארוזים במבנה מרווח (לא-צפוף).

המחקר הנערך במעבדתנו הוא אמנם מחקר יסודי בעיקרו, אך במקביל אנו שוקדים על פיתוחים טכנולוגיים המתבססים על תגליותינו, כגון גבישים פוטוניים, חקר של קיפול חלבונים בתוך חללים דמויי חלבון סוכך (chaperone protein), וסינתזה מבוקרת של פולימרים בכלים ננומטריים בעלי צורה וגודל מוגדרים ונשלטים.

אנו מאמינים שיש בכוחו של המחקר הבסיסי, העוסק בכימיה בחללים ננומטריים, לשנות את האופן שבו כימאים מבצעים תגובות כימיות, ולסלול את הדרך לתגליות של תופעות חדשות ומבנים יחודיים.

ננוחלקיקים אי-אורגניים (דהיינו, חלקיקים בגודל של 1-100 ננומטר) מציגים מגוון רחב של תכונות פיזיקו-כימיות מרתקות, כגון היכולת להמיר אור מתדירות אחת לתדירות גבוהה יותר, היכולת לקיים תהודה פלזמונית מאותרת (התופעה המעניקה גוון אדום לננוחלקיקים קולואידיים של זהב), או סופרמגנטיות. עם זאת, האפשרות להשתמש בננוחלקיקים כדי לייצר חומרים פונקציונליים תלויה ביכולת לארגן את אותם חלקיקים באופן מסודר ואחיד ליצירת מבנים מורכבים. בשל גודלם הקטן של ננוחלקיקים, הדרך המקובלת לבנות מערכים מסודרים שלהם היא באמצעות התארגנות-עצמית (self-assembly). לאור זאת, אנו מעוניינים לבחון באופן יסודי את האינטראקציות בין ננוחלקיקים, ואת האופן שבו ניתן להשתמש באינטראקציות כדי לבנות חומרים פונקציונליים, המבוססים על ננוחלקיקים. לדוגמא, הראנו במעבדתנו כיצד ניתן להשתמש בננוחלקיקים פשוטים בעלי צורת קוביה ליצירת מערך ננוחלקיקים מורכב בצורת סליל כפול, על ידי שילוב של כוחות בין-מולקולריים קצרי-טווח וארוכי-טווח. בנוסף, מחקרנו עוסק בתגובות כימיות מבוקרות של מערכי ננוחלקיקים שלמים, במטרה לפתח דרכים חדשות לבניית חומרים פונקציונליים על בסיס ננוחלקיקים.

יצורים חיים הם למעשה מבנים מתוחכמים, הנוצרים בהתארגנות-עצמית, ונמצאים הרחק משיווי משקל תרמודינמי, בעצם קיומם ופעילותם. הם מסוגלים לשמור על יציבותם, למרות שהם מסודרים מאוד (בעלי אנטרופיה נמוכה), הודות לצריכה קבועה של אנרגיה האצורה ב"דלקים כימיים", שאותה הם ממירים לפסולת בעלת אנרגיה נמוכה יותר. צורה זו של התארגנות-עצמית, שכוללת שחרור אנרגיה, נפוצה מאוד בטבע, ומאפשרת את קיומם של מבנים מסובכים ותכונות מורכבות, כגון תיקון-עצמי, שמירה על סביבה פנימית יציבה (הומאוסטאזיס) והסוואה. לעומת זאת, רוב רובם של החומרים המלאכותיים הם סטטיים: הם מתוכננים לשרת מטרה מסויימת, ולא לשנות את תכונותיהם בהתאם לתנאי הסביבה.

במסגרת תכנית המחקר שלנו, אנו עוסקים בפיתוח עקרונות לצורך תכנון מערכות בעלות יכולת להתארגנות-עצמית הפיכה, דינמית ומשחררת-אנרגיה. על מנת לממש מטרה זו, אנו נוקטים בגישות חדשניות ובלתי-שגרתיות, המבוססות בעיקר על שילוב של אבני בניין אורגניות וננוחלקיקיות. לעיתים קרובות, חומרים שנוצרו על ידי התארגנות-עצמית של ננוחלקיקים ניחנים בתכונות יחודיות, שאינן מאפיינות את הננוחלקיקים הבודדים, אלא מושפעות במידה רבה מהאינטראקציות בין החלקיקים הללו לבין עצמם. לדוגמה, ניתן לשלוט בתכונות האופטיות, המגנטיות, האלקטרוניות והקטליטיות של חומרים מסוג זה על ידי כיוונון המרחק שבין הננוחלקיקים. לפיכך, היכולת להרכיב ולפרק מערכים של ננוחלקיקים באופן הפיך נותנת בידינו את האפשרות לשלוט באותן תכונות באופן דינמי. המחקר שלנו מתמקד בעיקר בתכנון של ננוחלקיקים, המסוגלים להתארגן באופן עצמי בתגובה לגירוי חיצוני על ידי אור, שדות מגנטיים ודלקים כימיים. מחקרנו בתחום זה עשוי להוביל לפיתוחם של חומרים חדשים, היכולים להגיב לגירויים, ובכך להיות בעלי תכונות נשלטות, כגון זמן-חיים הניתן לשינוי, פעילות קטליטית תלוית-זמן ושיחלוף דינמי של אבני הבניין של החומר עצמו. אנו מקווים שמחקרנו יניח את היסודות לפיתוחם של חומרים, המתקבלים על ידי התארגנות-עצמית משחררת-אנרגיה, ובכך יצעיד אותנו לקראת פיתוחם של חומרים בעלי פונקציונאליות מגוונת ומשתנה, כמו אלו שניתן למצוא בטבע.