מה משותף לטיפת שומן ולכדור כדורגל?

במחקר שבוצע באוניברסיטת בר-אילן, הודגם שחומר אורח יכול להתארגן בדפוס קבוע על פני נוזל שומני. לגילוי עשויים להיות יישומים מרחיקי לכת בתחום החם והמבטיח של מטא-חומרים לשימוש ברפואה ובתעשייה.

קבוצת פיזיקאים וכימאים מאוניברסיטת בר-אילן פיתחה שיטה, המאפשרת לשלוט במיקומן של מולקולות אורחות על פני טיפת נוזל כדורית. המולקולות מסתדרות באופן עצמאי ב-12 מיקומים מדויקים על-גבי הטיפה. אם נדמה את הטיפה הנוזלית לכדור כדורגל, 12 המיקומים האלה נמצאים בדיוק במרכזי המחומשים השחורים של פני הכדור. התהליך נשלט על ידי טמפרטורת הדגם ואינו מוגבל לסוג מסוים של מולקולה אורחת: כל מולקולה פעילת-שטח, כלומר מולקולה שנספחת לפנים של הטיפה, תתנהג באופן דומה. בטמפרטורות נמוכות, המולקולות האורחות מסתדרות על פני הטיפה במרחק מרבי אחת מהשנייה (דמיינו את המחומשים השחורים על פני הכדורגל מתכווצים). בטמפרטורות גבוהות, כתמי המולקולות האורחות מתפשטים על פני הטיפה בדפוס ספציפי. החוקרים הופתעו לגלות שאותו דפוס חוזר על עצמו בכל מיליוני הטיפות בכל דגם.

החוקרים השתמשו בניסוי בנוזל שומני עבור הטיפות ובמולקולות פלורסצנטיות כמולקולות אורחות מאחר שניתן לעקוב אחריהן. המנגנון הבסיסי שהם פענחו כדי להסביר את התופעה עשוי לשחק תפקיד חשוב במערכות ביולוגיות: ממעטפות של וירוסים ועד מיקום חלבונים על-גבי קרום התא החי. בתחומי מיקרו-חומרים וננו-חומרים ניתן להשתמש בתופעה זו כדי לייצר חיבורים חכמים המאפשרים לטיפות להתחבר עצמאית למבנים על-טיפתיים, וכדי ליצור בצורה מדויקת מטא-חומרים - חומרים מהונדסים בעלי מבנה מיקרוסקופי ייחודי שאינו קיים בטבע ומקנה להם תכונות ייחודיות לפי דרישה.

לשיטה החדשה של מיקום מולקולות על גבי טיפות נוזל יש גם השלכות כמעט בכל אחד מהתחומים שבהם משתמשים בתחליבים (אמולסיות): תעשיית מזון, טיהור מים, תעשיות נפט, ננו-רפואה, ועוד. לדוגמה, בחלק מהחיסונים משתמשים בטיפות נוזל "מקושטות" במולקולות אנטיגן. המיקום והאוריינטציה המרחבית של מולקולות האנטיגן משפיעים על יעילות החיסון. השיטה שפיתחו החוקרים מאפשרת לשלוט בפרמטרים אלה כדי לשפר את יעילות החיסונים, כך שניתן יהיה לתת אותם במינונים נמוכים יותר ולהקטין חשש מתופעות לוואי. ניתן גם לחשוב על טיפות "חכמות" שאפשר להעמיס עליהן מטען של תרופות, שישוחררו עם הגעת הטיפה ליעד. בתחום המזון השיטה עשויה לשמש לשינוי מרקם, טעם, זמן מדף, תהליך עיכול, השפעות בריאותיות, ועוד. פרופ' אלי סלוצקין מקבוצת החוקרים, מציין שכל הכיוונים האלה מבטיחים מאוד, אך עדיין לא נחקרו.

פרופ' סלוצקין משתמש במודל הכדורגל כדי לתאר את המנגנון המסביר את תופעות היערכות המולקולות האורחות על פני טיפת הנוזל: מולקולות השמן מתארגנות, בטמפרטורה מסוימת, לחד-שכבה גבישית, המצפה את פני הטיפות. יצירת חד-שכבה גבישית כזו, אף שהיא מנוגדת לאינטואיציה, נצפתה בעבר בשמנים רבים. לשכבות גבישיות אלה יש מבנה של משושים, אך לא ניתן לייצר שכבה סגורה הבנויה ממשושים בלבד: כדי שהשכבה תהיה סגורה, צריך להשתמש ב-12 מחומשים (בדיוק), בנוסף למשושים. זאת הסיבה לכך שיש 12 מחומשים (שחורים) בכדורגל כשכל יתר החלקים (הלבנים) הם משושים. באופן דומה, בשכבות הגבישיות המכסות את פני הטיפות, יש בדיוק 12 "דפקטים" (פגמים של גביש) מחומשים: מולקולות, שיש להן חמישה שכנים קרובים, במקום שישה. הפגמים בגביש גורמים ללחצים בתוך הגביש. בשביל להקטין לחצים אלה, 12 הפגמים נדחקים אחד מהשני, רחוק ככל האפשר. כך 12 הפגמים ממקמים את עצמם במיקומים התואמים את מרכזי 12 המחומשים של הכדורגל. אם נכניס כעת מולקולות אורחות למערכת, הן ייספחו למיקומי הפגמים, כדי לפצות במידת מה על עיוותי הגביש בפגמים אלה, כך שהלחצים יקטנו. כך יוצא, שמולקולות האורח יימצאו ב-12 מוקדים על גבי הטיפה הכדורית, כאשר מוקדים אלה מרוחקים אחד מהשני באופן המרבי האפשרי.

המחקר, שעליו חתומים פרופ' אלי סלוצקין, ד"ר אלכס בוטנקו ופרופ' משה דויטש (מהמחלקה לפיזיקה); פרופ' יצחק מסתאי וד"ר סובהו דאס (מהמחלקה לכימיה) מאוניברסיטת בר-אילן, התפרסם בכתב העת Nature Physics‎‎.

כתבה: שחר שלוח