הטכניון קיים בית ספר קיץ בנושא מבוא למחשוב קוונטי מעשי – קורס מרוכז במתכונת מקוונת, בהשתתפות כ-250 איש. הקורס חשף את המשתתפים ליסודות התאוריה של תורת המחשוב הקוונטי וכלל קורס מעשי בתכנות על מחשב קוונטי זעיר של IBM.
בשנים האחרונות עבר המחשוב הקוונטי אבולוציה דרמטית והפך מתחום מחקר אקדמי טהור לטכנולוגיה בהתהוות. כעת, כשברור שהמחשוב הקוונטי צפוי להפוך לתחום מרכזי בעתיד המחשוב, זימן בית הספר למחשוב קוונטי בטכניון הזדמנות לכל מי שמעוניין להיכנס לעולם מאתגר זה ולקחת חלק במהפכת המחשוב הקוונטי.
לדברי מארגני הקורס, חברות ענק כמו אמזון, מרצדס ו- ,Pfizerכמו גם בתי השקעות גדולים, בונים היום את התשתית שתאפשר להן להיות ערוכים לעתיד הקוונטי. הטכניון, כמוסד מוביל במדע ובטכנולוגיה, מעודד את הסטודנטים לתואר ראשון ללמוד מחשוב קוונטי כדי לספק את הדרישה של תעשיות ההייטק בשנים הקרובות וכן להמשיך לתארים מתקדמים ולהיכנס למחקר בתחום מלהיב וחלוצי זה.
“מחשבים קוונטיים הם הבטחה גדולה הצפויה לחולל מהפכה בעולם המחשוב,” אומר ד”ר נתנאל לינדנר, העומד בראש בית הספר. “במשימות מסוימות הם צפויים להוביל לקפיצת מדרגה איכותית יחסית למחשבים המוכרים לנו. אף שעדיין איננו יכולים לחזות את היקף השפעתם של המחשבים הקוונטים, יש בקהילה המדעית תמימות דעים שהשפעתם על המחקר, התעשייה והעסקים תהיה עצומה.”
בית הספר התקיים במסגרת מרכז הקוונטום ע”ש הלן דילר בטכניון ובתמיכתו הנדיבה של רוברט מגיד, התומך זה שנים בפעילות הקוונטום בטכניון. לדברי ראש המרכז פרופ’ יוסי אברון, “המחשבים הקוונטיים הקיימים עדיין נמצאים בחיתוליהם ואין להם שימושים פרקטיים. הם משמשים פלטפורמה למשחקים של מדעני מחשוב קוונטים ומזכירים את הסנוניות של עולם המחשוב, כמו משחק המחשב של אטארי שהקדים את המחשבים האישיים הראשונים.”
את החלק המעשי של הקורס, שנועד להכשיר את המשתתפים ולהעניק להם את הידע הנדרש לכתיבת תוכנה המפעילה מחשבים קוונטיים, העבירו הדוקטורנטית תסנים ותד וד”ר יוסי ווינשטיין. לדברי ותד, “התוכנה האמורה מאפשרת לממש מגוון רחב של אפליקציות, ניסויים ואלגוריתמים קוונטיים, והקורס העניק למשתתפים הזדמנות לחקור ולגלות בעצמם מה הן האפשרויות הגלומות בעולם המחשוב הקוונטי. המשתתפים בחלק המעשי למדו להשתמש בממשק הגרפי של IBMהזמין כממשק Web browser. ממשק ידידותי זה מאפשר למשתמש לבנות מעגלים קוונטיים בצורה גרפית ולהריץ אותם מרחוק על גבי המחשבים הקוונטיים של IBM. בנוסף הועברו תרגולים מעמיקים על השימוש בספרייה הנקראת Qiskit שפותחה גם היא על ידיIBM . ספרייה זו כתובה בשפת Python והיא כוללת כלים ופונקציות מובנות המשמשות לבניית מעגלים קוונטיים מורכבים. הספרייה מכילה מגוון גדול של אלגוריתמים קוונטיים שלמים. אחת הדוגמאות המעניינות הנמצאות בספרייה היא אלגוריתם חדש יחסית לחישוב מצבי יסוד של מולקולות על ידי חישוב משולב על גבי המחשב הקלאסי והמחשב הקוונטי”.
חוקרים בטכניון פיתחו שיטה חדשנית, בעלת דיוק גבוה, לאבחון קורונה ללא צורך בהגברת PCR. בשיטה זו מזוהה נוכחותו של נגיף SARS-CoV-2 בדגימה על סמך ספירה וכימות של מולקולות אר-אן-איי בודדות.
פרופ’ עמית מלר
את המחקר שהתפרסם בכתב העת ACS Nano הובילו פרופ’ עמית מלר והפוסט-דוקטורנטית ד”ר יאנה רוזבסקי והשתתפו בו ד”ר טל גלבוע, ד”ר קסנדר ון קוטן וד”ר דיאנה הוטנר – כולם חוקרים בפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון – ופרופ’ אולריקה שטיין ממרכז מקס דלברוק לרפואה מולקולרית ומבית החולים שריטה בברלין.
בדיקת RT-qPCR, שהיא הבדיקה הנהוגה כיום באבחון Covid-19, מבוססת על שורה של שלבי הכנה ובהם איסוף הדגימה מהנבדק באמצעות מטוש, “פתיחה” של הנגיף כדי לחשוף את החומר הגנטי שבתוכו ומיצוי החומר הגנטי של האר-אן-איי. לאחר מכן מגיע שלב ה-RT, ובעברית “שעתוק לאחור”, שבו מתורגמים רצפי האר-אן-איי לרצפי די-אן-איי, ואחריו שלב ה-PCR (“הגברה מעריכית”) שמכפיל שוב ושוב את מולקולות הדי-אן-איי כדי להגיע לכמות המאפשרת דגימה שלהן בתמיסה וקביעה אם אכן מדובר בדי-אן-איי של SARS-CoV-2.
בדיקת RT-qPCR היא תהליך ממושך המצריך חומרים מיוחדים (ריאגנטים), ציוד מעבדה יקר ואנשי מקצוע מנוסים. יתר על כן, מחקרים שנערכו לאחרונה מעידים כי תוצאות הבדיקה עשויות להשתנות מיום ליום וכי בתהליך ההגברה המאסיבי עלולות להיווצר טעויות משמעותיות. זה הרקע למאמץ הכלל עולמי לפיתוח שיטות מהירות, זולות ומדויקות יותר. זהו אתגר מורכב מאוד כשלעצמו, והוא מורכב במיוחד כאשר מולקולות הנגיף מועטות ואינן תופסות חלק משמעותי בדגימה.
שיטת האבחון החדשנית שמציגה קבוצת המחקר של פרופ’ מלר במאמר מבוססת על טכנולוגיה מקורית שהוא מפתח בעשור האחרון, טכנולוגיה שיעילותה כבר הודגמה בהקשרים רבים אחרים. מטרתה: single-molecule sensing, כלומר אבחון קליני על סמך אנליזה של מולקולות ביולוגיות בודדות, ללא צורך בדגימות גדולות המכילות העתקים רבים של אותה מולקולה. טכנולוגיה זו, שפותחה בין השאר לצורך אבחון תאי סרטן על סמך סמנים ביולוגיים, מבוססת על משיכת מולקולות ביולוגיות כגון די-אן-איי, באמצעות שדה חשמלי, לתוך חור ננומטרי המכיל חיישנים חשמליים או אופטיים. הפלט האלקטרוני עובר ניתוח חישובי המאפשר זיהוי וספירה ישירה ומיידית של המולקולות. גישה זו פותחת אפשרות למזעור מערכות החישה המולקולריות תוך שיפור הדיוק והאמינות של הבדיקות והרחבתן למקרים שבהם הגברת ה-PCR אינה יעילה או שהיא פוגעת במהימנות הבדיקה.
ד”ר יאנה רוזבסקי
המאמר הנוכחי מציג יישומים של שיטה זו בשני הקשרים: איתור מולקולות אר-אן-איי המדווחות על היווצרות סרטן גרורתי ואבחון קורונה. בשני המקרים פיתחו החוקרים תהליך לפירוק אנזימטי של כל מולקולות הרקע מלבד מולקולות המטרה הרלוונטיות. בהקשר הראשון הדגימו החוקרים את פוטנציאל השיטה לטובת גילוי מוקדם של סרטן גרורתי, וזאת על ידי כימות עוצמת ההתבטאות של MACC1 – אחד הגנים החיוניים למעבר למצב גרורתי. הודות לרגישותה הרבה הצליחה הטכניקה החדשה לכמת את התבטאות הגן במדויק בתאים סרטניים מתחילת המחלה – אתגר שטכנולוגיות מבוססות PCR כשלו בו. למותר לציין שככל שהסמנים הגנטיים של מחלת הסרטן מתגלים בשלב מוקדם יותר, סיכויי הצלחת הטיפול גדלים מאוד.
בהקשר השני החוקרים כימתו באותה שיטה את מולקולות האר-אן-איי של נגיף SARS-CoV-2. השיטה המוצגת במאמר, RT-qNP, אינה השיטה הראשונה לאנליזה של מולקולה בודדת, אולם בניגוד לקודמותיה היא מייתרת תהליכים מקדימים המכניסים “רעש” וחוסר דיוק למערכת. שניים מתהליכים “מרעישים” אלה הם טיהור הדגימה, המוביל לאובדן של רוב הסמנים הביולוגיים המשמעותיים, והגברה של מולקולות הדי-אן-איי המובילה כאמור לשגיאות ולאבחון שגוי.
לדברי פרופ’ מלר, “השיטה שלנו מאפשרת חישה כמותית של הביטוי הגנטי של המולקולה באמצעות התקן מבוסס ננו-חיישנים פשוט יחסית, ללא צורך בטיהור הדגימה וללא צורך בהגברה – תהליכים הפוגעים ברגישות הבדיקה ובמהימנותה. כפי שהראינו, הטכנולוגיה שלנו משמרת במשך כל התהליך את רמת הביטוי הגנטי של מולקולות האר-אן-איי המקוריות. כך מושגת אנליזה מדויקת יותר, החיונית בשני ההקשרים הנדונים – סרטן גרורתי ונגיף SARS-CoV-2.”
עבור קבוצת המחקר של פרופ’ מלר, המאמר הנוכחי הוא ציון דרך חשוב מאוד אולם אינו סוף פסוק. מערכת החישה המבוססת ננו-חרירים עתידה להפוך להתקן נייד ולייתר את השימוש בציוד מעבדתי מסורבל. המחקר ממשיך לאפיקים טכנולוגיים וקליניים בפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון תוך שיתוף פעולה עם בנק הדגימות (biobank) בקריה הרפואית רמב”ם. בה בעת נעשים צעדים למסחור הטכנולוגיה כדי להביאה בהקדם האפשרי לשימוש רחב.
ד”ר דיאנה הוטנרד”ר קסנדר ון קוטן
המחקר נתמך על ידי האיחוד האירופי (מענק ERC במסגרת תוכנית Horizon 2020 של הנציבות האירופית למחקר באיחוד האירופי), קרן המדע הלאומית (ISF) ותוכנית SignGene התומכת במשתלמים לדוקטורט.
תוכנית “הכוכבים העולים” של אינטל העולמית בחרה בעשרה חברי סגל הצפויים לפתח טכנולוגיות מחשוב חדשות. חוקרים אלה מפתחים כבר כיום טכנולוגיות חדשניות בתחומים מגוונים – ממחשוב ענן, דרך פלטפורמות מחשוב והתקני זיכרון הפועלים בהספק נמוך במיוחד, ועד מערכות בינה מלאכותית הלומדות תוך כדי תנועה.
התוכנית מטפחת אקדמאים הצפויים להפוך למנהיגי העתיד בטכנולוגיות מחשוב פורצות דרך ותומכת גם בשיתופי פעולה ארוכי טווח עם אנשי מפתח בתחום הטכני באינטל. החוקרים נבחרו על סמך מחקר מתמשך במדעי המחשב, בהנדסה ובמדעי החברה כדי לתמוך במהפכה הדיגיטלית העולמית בתחומים הבאים: תוכנה, אבטחה, ענן, זיכרון, ארכיטקטורה ועיבוד.
ד”ר דניאל סודרי נבחר לרשימה היוקרתית לנוכח הישגיו הנוגעים לאתגרי הליבה בייעול הלמידה העמוקה במונחים של משאבי מחשוב. המודלים שפיתח מאפשרים להפיק מרשתות נוירונים ביצועים טובים ללא צורך בדיוק נומרי גבוה, וכך סוללים את הדרך לצמצום שטח הצ’יפ, לצמצום הזיכרון הנדרש לאחסון רשת הנוירונים ולשיפור משמעותי בניצולת האנרגטית.
ד”ר סודרי השלים את כל תאריו בטכניון – תואר ראשון (בהצטיינות יתרה) בהנדסת חשמל ובפיזיקה ודוקטורט במסלול ישיר במרכז לחקר רשתות ביולוגיות בהנחיית פרופ’ רון מאיר. הוא הצטרף לסגל הפקולטה להנדסת חשמל ע”ש ויטרבי באוקטובר 2017 אחרי פוסט-דוקטורט באוניברסיטת קולומביה בניו-יורק, שם עסק בקשרים בין מדעי המוח ללמידה חישובית.
ד”ר סודרי, עמית קתדרת טאוב למנהיגים במדע וטכנולוגיה, זכה במענק AI GRANT, בפרס גולדברג על תרומה לתעשייה הישראלית, במלגת Gruss Lipper, במלגת Technion-MIT ועוד.
בעבודתו המחקרית משלב ד”ר סודרי תאוריה ופרקטיקה בספקטרום רחב של תחומים ובהם למידה
עמוקה ((Deep learning, מערכות לומדות, למידה חישובית ומדעי המוח. למחקריו השלכות יישומיות רבות ומגוונות ובהן זיהוי עצמים בתמונות, זיהוי דיבור, ניבוי התפשטות מגפות ושיפור ביצועים של טלפונים סלולריים.
ד”ר סודרי הוא היחיד ברשימה מאוניברסיטה מחוץ לארה”ב. שאר חברי הסגל ברשימה הם מאוניברסיטאות אמריקאיות מובילות: קורנל, ג’ורג’יה טק, סטנפורד, אוניברסיטת קליפורניה סן דייגו, אוניברסיטת אילינוי באורבנה שמפיין, אוניברסיטת מישיגן, אוניברסיטת פנסילבניה, אוניברסיטת טקסס באוסטין ואוניברסיטת וושינגטון.
כיצד אנו לומדים מיומנויות חדשות כגון צעדי ריקוד חדשים, חבטה בכדור, קליעה לסל או כתיבה? אחד המנגנונים החשובים בלמידה ובשיפור מיומנויות הוא למידה באמצעות חיזוקים – Reinforcement Learning.
למידה באמצעות חיזוקים מבוססת על משובים חיוביים ושליליים המאפשרים שיפור מתמיד. מנגנון הישרדותי חשוב זה, שהתפתח ביונקים במהלך האבולוציה, מהווה השראה עבור מהנדסים היוצרים מערכות מלאכותיות לומדות המשפרות את ביצועיהן באופן אוטומטי על סמך המשוב שהן מקבלות על פעולות קודמות שלהן.
צוות בין-תחומי של חוקרי הטכניון מהפקולטה לרפואה ע”ש רפפורט ומהפקולטה להנדסת חשמל ע”ש ויטרבי חקר את התהליך המוחי המתרחש בבעלי חיים בלמידה באמצעות חיזוקים. את המחקר שהתפרסם בכתב העת Neuron הובילו פרופ’ ג’קי שילר, פרופ’ עמרי ברק והדוקטורנטים שחר לוי ומריה לבזין מהפקולטה לרפואה ע”ש רפפורט, פרופ’ רונן טלמון ופרופ’ רון מאיר מהפקולטה להנדסת חשמל ע”ש ויטרבי וד”ר הדס בן איסטי, פוסט-דוקטורנטית בהנחיה משותפת של פרופ’ שילר ופרופ’ טלמון.
החוקרים הצליחו למפות מנגנון של משוב מוחי המסייע ליונקים לשפר את מיומנויותיהם בפעולות מוטוריות המצריכות תנועות ידיים עדינות ומורכבות. באמצעות דימות וכלים גנטיים, התנהגותיים וחישוביים חקרו החוקרים את המנגנונים המוחיים המאפשרים לעכבר ללמוד תנועה מורכבת בגפה הקדמית.
לפני העכבר הונחו פיסות מזון על מגש מסתובב, והעכבר נדרש ללמוד לתפוס אותן ולהביאן לפיו כדי לאכול אותן – בדומה לילד קטן הלומד לאכול בידיים. כדי לרכוש מיומנות זו נדרשת למידה של תנועה מורכבת, והעכבר מצליח רק בכמחצית מהניסיונות גם לאחר שהוא נהיה “מומחה”. החוקרים גילו כי תהליך הלמידה, המאפשר לעכבר לשפר את תנועות הידיים שלו מניסיון לניסיון, קשור לתיעוד של הצלחות וכישלונות. לתיעוד זה אחראיות שתי אוכלוסיות נוירונים שונות וייחודיות השוכנות בקליפת המוח המוטורית – “נוירוני הצלחה” ו”נוירוני כישלון”.
לדברי פרופ’ שילר, “נוירוני ההצלחה והכישלון” אינם מתעדים כל תנועה בנפרד, וגם לא את התגמול עצמו (האוכל), אלא הם משקללים את מכלול הפעולה וזוכרים אם החיה הצליחה או נכשלה בהשגת המטרה (end result) – השגת המזון, במקרה זה. ממצאי המחקר מצביעים על כך שהפעולה החישובית שהנוירונים האמורים מבצעים במוחם היא פעולה מורכבת המשקפת ייצוג מנטלי גבוה ולא רק ייצוג של התנועה או של התגמול לבדם.
החוקרים גילו כי ניסיונותיו של העכבר ללמוד תנועה חדשה (motor learning) מטביעים במוחו עקבות של כישלון והצלחה, ועקבות אלה מצטברות לכדי זיכרון מוטורי המאפשר לו להשתפר מניסיון לניסיון. הפעילות המוחית של הצלחה וכישלון מתרחשת בשכבות השונות של קליפת המוח, הקורטקס. בתחילה היא מחושבת בשכבה החיצונית יותר של קליפת המוח המוטורית, ואז היא נשמרת ומועברת לרשת העצבית בשכבות העמוקות יותר של קליפת המוח, שם מנוסחות פקודות התנועה הבאה.
גילויים של “נוירוני ההצלחה והכישלון” הוא צעד ראשון וחשוב בהבנה של המתרחש בקליפת המוח בשעת למידה באמצעות חיזוקים. עם זאת, אומרים החוקרים, עדיין רב הנסתר על הגלוי. “בעתיד נרצה לגלות, לדוגמה, מהם המסלולים המוחיים המשתתפים בהפעלת תאים אלה וכיצד אפשר להשתמש באותות אלה, בשילוב עם ממשקי מכונה-מוח, לשיפור התנועה בחולים, כגון חולי פרקינסון.”
בשל מורכבותם של יחסי הגומלין בין תנועה לפעילות מוחית הצריך המחקר הנוכחי שילוב בין שיטות ניסוי שונות בעת ובעונה אחת – מניפולציות התנהגותיות, משימות מורכבות של כף היד, מיפוי סידן בתאים והתערבות אופטוגנטית (הפעלה או דיכוי של תאי המוח על ידי אור). לשם כך חברו חוקרי הפקולטה לרפואה, שהובילו את הצד הניסויי, לחוקרים מהפקולטה להנדסת חשמל שהובילו את הצד החישובי. במחקר השתתף פרופ’ אדם הנטמן ממכון הווארד יוז בארצות הברית, שם שהתה פרופ’ שילר יחד עם תלמידתה ד”ר מריה לבזין והגתה את הפרויקט. במחקר תמכו תוכנית המחקר המשותפת ישראל-ארה”ב (BSF-NSF), רשויות הבריאות האמריקאיות (NIH), הקרן הלאומית (הישראלית) למדע (ISF), קרן אדליס ומרכז פרינס.
תמונה שהופקה במיקרוסקופ דו-פוטוני (TPEF): פעילות של תאי עצב בקליפת המוח המוטורית כפי שנרשמה במהלך ביצוע מטלה מוטורית. הפעילות מיוצגת בסקלה הנעה בין אדום, המייצג פעילות חשמלית גבוהה, לכחול המייצג פעילות נמוכה. תאים הנמצאים בשכבה העמוקה של קליפת המוח התנועתית )מימין, שכבה 5) הציגו פעילות הקשורה בעיקר לתנועה עצמה, ואילו תאים הנמצאים בשכבות החיצוניות יותר של קליפת המוח התנועתית (משמאל, שכבות 3-2) הציגו פעילות ייחודית המספקת משוב על ביצוע מוטורי מוצלח באמצעות “תאי הצלחה” ועל ביצוע מוטורי לא מוצלח באמצעות “תאי כישלון.”
הימים האחרונים מציבים אותנו, שוב, אל מול פני מגפת הקורונה. עליה מדאיגה במספרי הנדבקים והחולים הביאה את מדינת ישראל לכדי סגר. ההשפעה של הסגר ושל אי הוודאות על חיינו האישיים, החברתיים והמקצועיים ניכרת, כמובן, גם בטכניון.
הסמסטר יפתח כמתוכנן בתאריך 21.10.2020. בפתיחת הסמסטר, הלמידה תתבצע באמצעים מקוונים בלבד. כל פעילות ההוראה תונגש באופן דיגיטאלי-סינכרוני ותוקלט, וההקלטות תעמודנה לרשות הלומדים והלומדות עד סוף הסמסטר. לשם כך נערכנו בחודשים האחרונים והשקענו משאבים ניכרים בזיווד כיתות הלימוד בקמפוס בציוד צילום מתקדם ובהכנתן לפתיחת הסמסטר.
לקריאת ההודעה המלאה של המשנה הבכיר לנשיא הטכניון, לחצו כאן
חברת, ההזנק H2PRO המפתחת טכנולוגיה חדשנית שהומצאה בטכניון לייצור מימן באמצעות אנרגיה ירוקה, עלתה לרשימת הפיינליסטיות בתחרות היוקרתית של חברת האנרגיה SHELL, והיא החברה הצעירה ביותר ברשימה והיחידה מישראל. במסגרת התחרות, הקרויה New Energy Challenge, נערכו כמה סבבי סינון וכעת הכריזו המארגנים על חמשת הפיינליסטים המיועדים להשקעה ולגמלון [הגדלה] (Ventures track: Scale-ups) ובהם H2PRO.
הטכנולוגיה החדשנית של H2PRO מבשרת עידן חדש בייצור מימן ירוק על ידי פיצול מים למימן וחמצן באמצעות אנרגיה חשמלית (אלקטרוליזה). באלקטרוליזה המסורתית מיוצרים המימן והחמצן בעת ובעונה אחת בסמיכות זה לזה – מצב מסוכן המצריך ממברנה המפרידה ביניהם. השימוש בממברנה מייקר משמעותית את המערכת ואת תפעולה. מימן ירוק הוא דלק חלופי לנפט וגז טבעי, ויש לו תפקיד קריטי בהקטנת פליטות מזהמים מתחבורה, ייצור חומרים וכימיקלים, חימום ואגירת אנרגיות מתחדשות.
הטכנולוגיה החדשה מייתרת את הממברנה משום ששני הגזים נוצרים בשלבים שונים. יתר על כן, טכנולוגיה זו מגדילה את ניצולת האנרגיה מסביבות 75% ל-95%, משפרת משמעותית את בטיחות התהליך, מפחיתה בכמחצית את ההוצאה ההונית לבניית המערכת ומגדילה את לחץ המימן הנוצר ובכך מצמצמת את המאמץ הנדרש לדחיסת הגז.
H2PRO נוסדה ב-2019 על ידי חוקרי הטכניון פרופ’ גדעון גרדר (הנדסה כימית), פרופ’ אבנר רוטשילד וד”ר חן דותן (מדע והנדסה של חומרים), אליהם חברו מייסדי חברת Viber בראשות היזם טלמון מרקו. החברה קיבלה רישיון בלעדי למסחור הטכנולוגיה מ-3T, יחידת המסחור של מוסד הטכניון, ועד כה גייסה הון מהחברות יונדאי, סומיטומו ובזן, מקרנות וממשקיעים פרטיים. המחקר שהוביל להקמת H2PRO נתמך על ידי תכנית האנרגיה ע”ש ננסי וסטיבן גרנד בטכניון (GTEP), תרומת אד סאטל, קרן אדליס, משרד האנרגיה והנציבות האירופית (תוכנית המסגרת 2020 של האיחוד האירופי). המחקר התבצע עם ד”ר אביגיל לנדמן, שהייתה סטודנטית משותפת של הפרופסורים רוטשילד וגרדר.
כתב העת Physical Review X מדווח על פיתוחו של מָהוֹד אופטי, חסר תקדים ביכולות הההעצמה התהודתית שלו. את המהוד פיתח יעקב ח’יר-אלדין בזמן שהשתלם במעבדתו של פרופ’ טל כרמון.
מהוד (Resonator) הוא מתקן הכולא בתוכו גלים ומעצים אותם באמצעות החזרתם מדופן לדופן בתהליך הקרוי העצמה תהודתית (Resonance enhancement). כיום יש בעולם מהודים מתוחכמים ומשוכללים מסוגים שונים אך גם על מהודים פשוטים המוכרים לכולנו – למשל תיבת התהודה של גיטרה, המעצימה את הצלילים שמפיקים המיתרים, או גוף החלילית המעצים את הצלילים הנוצרים בפיית הכלי.
הגיטרה והחלילית הן מהודים אקוסטיים שבהם מהדהד הקול בין קירות המהוד. בפיזיקה קיימים גם מהודים אופטיים, למשל במכשירי לייזר. לדברי פרופ’ כרמון, מהוד הוא אחד המכשירים החשובים ביותר באופטיקה – “הוא הטרנזיסטור של האופטיקאים.”
מהודים מצריכים שתי מראות לפחות, אולם הם יכולים להכיל גם יותר משתיים – למשל שלוש מראות המחזירות את האור במסלול בצורת משולש, ארבע במרובע וכן הלאה. אפשר גם לסדר הרבה מראות בצורה כמעט מעגלית כך שהאור מסתובב בצורה כמעט מעגלית, וככל שנגדיל את מספר המראות בטבעת האמורה נתקרב למבנה של מעגל מושלם.
אבל זה אינו סוף פסוק, שכן הטבעת מגבילה את תנועת האור למישור יחיד. הפתרון הוא כמובן מבנה כדורי, המאפשר לאור להסתובב בכל המישורים העוברים דרך מרכז המעגל, בלי קשר להטייתם, כלומר במרחב התלת-ממדי.
כעת אנו עוברים מהפיזיקה להנדסה: כיצד לייצר מהוד שהוא כדור נקי, חלק ומדויק ככל האפשר, שהאור יסתובב בתוכו פעמים רבות ככל האפשר וכך יועצם באופן המרבי? אתגר זה העסיק קבוצות מחקר רבות והניב בין השאר מהוד זכוכית זעיר בצורת כדור או טבעת, המוחזק ליד סיב האופטי מדוקק שמצמד לתוכו את האור. דוגמה לכך הציג פרופ’ טל כרמון לפני שנתיים בכתב העת Nature.
אולם גם מהוד הזכוכית הכדורי אינו סוף פסוק, שכן נקודת החיבור שלו לסיב האופטי יוצרת עיוות בצורתו הכדורית. מכאן נולדה השאיפה לייצר מהוד מרחף – מהוד שאינו מוחזק על ידי שום עצם חומרי.
המיקרו-מהוד הראשון בעולם הודגם בשנות ה-70 על ידי ארתור אשקין, חתן פרס נובל בפיזיקה לשנת 2018, שאכן הציג מהוד מרחף. למרות ההישג, כיוון מחקר זה ננטש עד מהרה. כעת, בהשראת עבודתו החלוצית של אשקין, מציגים חוקרי הטכניון את המהוד המרחף המפגין העצמה תהודתית של 10,000,000 סיבובי אור, וזאת לעומת כ-300 סיבובים במהוד של אשקין.
המהוד המרחף
במהוד העשוי מראות המחזירות 99.9999 אחוז מהאור, האור יסתובב כמיליון סיבובים או “טיולים מעגליים”, כפי שקוראים להם בשפה מדעית. אם ניקח אור שהספקו 1 ואט, בדומה לאור של המבזק (פלאש) בטלפון סלולרי, וניתן לו להסתובב הלוך וחזור בין המראות הללו, הספק האור יתעצם לכמיליון ואט – הספק המשתווה לצריכת החשמל של שכונה גדולה בחיפה. בהספק האור הרב נוכל להשתמש, למשל, כדי לעורר תגובת גומלין בין אור לחומר שקוף הנמצא בין המראות.
למעשה, מיליון הוואט מורכבים מאותו חלקיק אור בודד העובר הלוך ושוב דרך החומר, אבל החומר אינו “יודע” שזה אותו חלקיק אור שנע שוב ושוב דרך החומר, ורק “מרגיש” בהספק הרב. בהתקן מסוג זה חשוב גם שמיליון הוואט יעברו דרך שטח חתך קטן, ואכן, המכשיר שפיתח ח’יר-אלדין מוליך את האור ב-10 מיליון טיולים מעגלים, כשהאור ממוקד לשטח אלומה הקטן פי 10,000 משטח החתך של שערה. בכך שבר ח’יר-אלדין את שיא העולם בהעצמה תהודתית של אור.
המהוד שפיתחו חוקרי הטכניון עשוי מטיפת שמן זעירה בקוטר של כ-20 מיקרון – רבע מעובייה של שערה. הטיפה מוחזקת באוויר באמצעות אור בטכניקה הקרויה “מלקחיים אופטיים”. טכנולוגיה זו, המאפשרת להחזיק חלקיקים באמצעות אור, משמשת כאן להחזקת הטיפה באוויר בלי תמיכה חומרית – סיב או עמוד אחר – העלולה לפגום בצורתה הכדורית או ללכלך את הטיפה. לדברי פרופ’ כרמון, “ההמצאה האופטית הגאונית הזאת, המלקחיים האופטים, משמשת המון במדעי החיים, בכימיה, בהתקני מיקרו-זרימה ועוד, ודווקא האופטיקאים כמעט ולא משתמשים בה – קצת כמו סנדלר שהולך יחף. במחקר הנוכחי אנחנו מראים שלמלקחיים האופטיים יש פוטנציאל עצום בתחום ההנדסה האופטית. אפשר למשל לבנות מעגל אופטי באמצעות מלקחיים אופטיים מרובים המחזיקים מהודים רבים ושולטים על מיקומם של המהודים ועל צורתם בהתאם לצורך.”
גם ממדיה הזעירים של הטיפה מסייעים לשיפור שלמותה הכדורית, משום שכוח הכבידה כמעט אינו מעוות אותה, שכן הוא שולי בממדים הללו יחסית לכוחות מתח הפנים של הנוזל המקנים לו צורת כדור.
במערכת הייחודית שפיתחו חוקרי הטכניון מוחזקת טיפת השמן על ידי קרן לייזר ומקבלת את האור מסיב אחר, שגם מקבל את האור חזרה אחרי שעבר במהוד. על פי תכונותיו של האור החוזר בסיב יכולים החוקרים לדעת מה קרה בתוך הטיפה. לדוגמה, הם יכולים לכבות את האור הנכנס למהוד ולבדוק כמה זמן ישרוד פוטון במהוד לפני שידעך, ועל סמך נתון זה ומהירות האור לחשב את מספר הסיבובים שעושה הפוטון (בממוצע) בטיפה. כאן, כאמור, מדובר בשיא עולם בהעצמת אור: 10,000,000 סיבובים העוברים דרך שטח חתך של כמיקרון בריבוע ומגבירים את האור פי 10 מיליון.
במחקר השתתפו גם שי מעייני, מארק דוידזון ולאונרדו מרטין מהטכניון ולב דייץ מהפקולטה לפיזיקה ב-Queens College of CUNY. המחקר נערך במסגרת מרכז מצויינות “מעגל האור” של הקרן הלאומית למדע ושל הועדה לתכנון ותקצוב (ICORE), קרן ארה”ב-ישראל למדע (BSF), קרן המדע האמריקאית (NSF), והקרן הלאומית למדע (ISF).
מלמעלה למטה: המערכת שבמרכזה הטיפה המרחפת באוויר המשמשת מהוד אופטי (הנקודה הירוקה היא הטיפה המרחפת); הטיפה במבט על, באמצעות מיקרוסקופ; הטיפה במבט צד (העצם הארוך מימין הוא הסיב האופטי המחדיר את האור למהוד); והגדלה של הטיפה במבט צד.
MedHacks הוא ההאקתון הגדול ביותר בארה”ב לפיתוח טכנולוגיות רפואיות, והשנה השתתפו בו יותר מאלף סטודנטים, רופאים, מהנדסים, אנשי מדע ויזמים מכל העולם. האירוע נערך בשיתוף פעולה בין אוניברסיטת ג’והנס הופקינס ל-MLH – ארגון המוביל מאות האקתונים סטודנטיאליים בכל שנה – ובמימון גורמים שונים ובהם Google Cloud.
בקבוצת Scan&Sound חברים ארבעה סטודנטים ובוגרים מהטכניון: הדס ברוידא, סטודנטית בפקולטה לרפואה ע”ש רפפורט (שנה שישית); שון היילברון-דורון, סטודנטית בפקולטה לרפואה (שנה רביעית); שונית פולינסקי, סטודנטית לתואר שני בפקולטה להנדסת מכונות; ורון לירז, בוגר תואר שני בפקולטה להנדסת חשמל ע”ש ויטרבי. הסטודנטית החמישית בקבוצה היא ליאור לוינשטיין, סטודנטית לרפואה (שנה שלישית) באוניברסיטת מיזורי בארצות הברית.
שבץ מוחי הוא תופעה קלינית הפוקדת כל אדם רביעי (בארצות הברית) בשלב כלשהו במהלך חייו. אירוע זה יכול להתרחש ברמות שונות של חומרה – משבץ שהאדם כלל אינו מודע לקיומו ועד אירוע המוביל למגבלות קוגניטיביות ומוטוריות חמורות ואף למוות. בנוסף לפגיעה האישית והבין-אישית גוררים אירועי שבץ הוצאות פיננסיות עצומות לאדם, למערכת הבריאות ולמדינה, מה שמגביר את המוטיבציה לפיתוח שיטות לזיהוי השבץ בשלב מוקדם שבו הטיפול בו יעיל יותר.
האפליקציה שפיתחה הקבוצה זכתה במקום השני בהאקתון בקטגוריית “רפואה מותאמת אישית המבוססת על נתונים”. Scan&Sound מזהה מצבים מוקדמים ומינוריים של שבץ מוחי על סמך ניתוח קול והבעת פנים וניתוח הנתונים באמצעות בינה מלאכותית. במקרה של שינוי משמעותי תודיע האפליקציה למשתמש כי הוא סובל מתסמינים שעלולים להצביע על שבץ מוחי ותציע לו להתקשר לאנשי קשר שנקבעו מראש או למוקד חירום.
הדס ברוידא, ראש הקבוצה, העלתה את הרעיון לאחר שאדם קרוב אליה לקה בשבץ מוחי. ביום האירוע נפגש אותו אדם עם חבריו ובני משפחתו, שהבחינו מיד כי משהו אינו כשורה אולם לא חשדו שמדובר בשבץ. “כתוצאה מכך,” אומרת ברוידא, “הגיע האיש לבית החולים באיחור והחמיץ את ‘החלון הטיפולי’. מאז לא הפסקתי לחשוב איך למנוע את האירוע הבא ואיך יתכן שהטלפון, שנמצא איתנו כל הזמן ואוסף עלינו מידע ממילא, אינו יכול לזהות ולהתריע שאנחנו לא בסדר.”
הדס ברוידא ושון היילברון-דורון הכירו כבר קודם, כשהתחרו יחד בהאקתון T2Med שערכה הפקולטה לרפואה ע”ש רפפורט בטכניון. בעקבות הניצחון ב-T2Med נרשמו השתיים להאקתון בג’והנס הופקינס והזמינו את רון לירז, מהנדס חשמל מוכשר ומנוסה שהכירו בT2Med-, לחבור אליהן. שתי חברות קבוצה נוספות הגיעו, כמיטב המסורת הישראלית, דרך היכרות אישית וקשר משפחתי. כך התגבשה הקבוצה הטראנס-אטלנטית הייחודית והמגוונת שפיתחה את Scan&Sound.
העבודה בהאקתון עצמו הייתה מאתגרת במיוחד, שכן מלבד המרחק הפיזי נדרשו חברי הקבוצה להתמודד עם הפרשי השעות לארה”ב ועם מחויבויות קודמות כגון לימודים בבתי חולים. היעד הושג בזכות תקשורת, תכנון, נחישות, חלוקת עבודה ובעיקר מחויבות אישית של כל אחד מחברי הקבוצה לפרויקט.
השופטים בתחרות התלהבו מאוד מהפרויקט וביקשו מחברי הקבוצה, בהומור מעורב בהתפעלות, לזכור אותם גם אחרי שיתעשרו ויתפרסמו; אבל ברוידא וחבריה מדגישים כי המטרה האמיתית של הפרויקט היא לתת לכל אדם הזדמנות להגיע לטיפול בזמן ולשמור על מוחו, זהותו וחייו, וכי זאת המוטיבציה המניעה אותם במאמציהם להקים צוות טכנולוגי וליצור שיתופי פעולה עם מחלקות נוירולוגיות ועם מרכזי שיקום בישראל ובארצות הברית.
אלה השבועות הראשונים של שמרית אברהם ובן קורין בארצות הברית, שם הם התחילו את הפוסט-דוקטורט שלהם, כל אחד בתחומו. השבוע הם קיבלו, בטקס וירטואלי, את תוארי הדוקטור מהפקולטה לרפואה ע”ש רפפורט בטכניון, ויהיו מעתה ד”ר אברהם וד”ר קורין.
הטיסה לארצות הברית, שתוכננה לאפריל 2020, התעכבה בכמה חודשים בגלל הקורונה ויתכן שהייתה מתעכבת עוד אילולא נרתם הטכניון לעזרת כלל הפוסט-דוקטורנטים לעתיד בארצות הברית. דרך פרופ’ שמעון מרום, המשנה לנשיא הטכניון לעניינים אקדמיים, הועברה פנייה לוועד ראשי האוניברסיטאות וממנו לשר החינוך זאב אלקין שפנה לשגריר ארה”ב בישראל. בסופו של דבר הבקשה נענתה וכ-100 מסיימי דוקטורט ישראלים נשמו לרווחה.
ההחלטה על פוסט-דוקטורט לא הייתה פשוטה, שכן כמו רבים אחרים המסיימים את עבודת הדוקטורט, גם שמרית ובן התלבטו אם להמשיך באקדמיה או לצאת לתעשייה. בסופו של דבר הם מצאו את השילוב האופטימלי: פוסט-דוקטורט בתעשייה, במעבדת מחקר של חברת הביוטכנולוגיה הענקית Genentech.
ד”ר שמרית אברהם
בן קורין: מהנדסה לרפואה
בן השלים את כל תואריו האקדמיים בטכניון. “כחיפאי מלידה, לטכניון תמיד הייתה פינה חמה בלב שלי עוד מהטיולים בקמפוס בתקופת הילדות. כבר בתיכון ידעתי כי ברצוני ללמוד בטכניון, שבעיניי היה תמיד המוסד המוביל בארץ בתחום ההנדסה.”
לאחר השירות הצבאי החל בן ללמוד לתואר ראשון בפקולטה להנדסת ביוטכנולוגיה ומזון – “תקופה מדהימה שאני מתגעגע אליה מאוד למרות האתגרים הרבים. שם זכיתי ללמוד ממרצים ומתרגלים מוכשרים ובעלי ידע רב. במבט לאחור אני יכול לומר כי תקופה זו אכן עיצבה אותי כמדען וביססה בתוכי את הסטנדרטים הגבוהים של הטכניון.”
את פרויקט הגמר ערך בן במעבדתה של פרופ’ סימה ירון, “מעבדה שהיא מקור עצום לניסיון מחקרי והסביבה הכי תומכת שאפשר לבקש. למדתי שם המון וזכיתי להכיר אנשים מדהימים שעד היום אני חב להם רבות.”
כדי להרחיב אופקים ולצאת מאיזור הנוחות, כדבריו, עבר בן מעולם ההנדסה לעולם הרפואה, והמשיך למסלול ישיר לדוקטורט בפקולטה לרפואה ע”ש רפפורט בהנחיית פרופ’ אסיה רולס. “בתחומי המחקר של פרופ’ רולס – מדעי המוח והמערכת החיסונית – הידע שלי היה מוגבל, אבל החיבור איתה היה מיידי. הוקסמתי מהנושא ומהתשוקה שלה למחקר והצטרפתי למסע, וזו הייתה החלטה נכונה. ככלל חברי המעבדה, חברים לכל החיים, הייתי שותף מלא לצדדים הקשים והטובים של המחקר ולמדתי איך ליצור מדע. שנות הדוקטורט היו שנים מאתגרות אך מגוונות מאוד. הייתה לי הזכות ללמוד ולקחת חלק במחקרים פורצי דרך, לפגוש חוקרים מוכשרים במגוון תחומים, לעבוד (ולטייל) במקומות רבים בעולם, ולהכיר את עצמי באמת.”
“יש סטודנטים שהנוכחות שלהם ממש מעצבת את המעבדה,” אומרת פרופ’ רולס, “ובן הוא לחלוטין סטודנט כזה מפני שהוא אדם שאכפת לו, מפני שמצוינות היא חלק ממי שהוא ומפני שאהבת המדע שלו רק הולכת וגוברת. בן כל הזמן גרם לי לחשוב, תמיד אתגר אותי ולא קיבל שום דבר כמובן מאליו. מה עוד אפשר לבקש מסטודנט? שיחזור כבר.”
שמרית אברהם: מביוטכנולוגיה ימית לחקר הסרטן
שמרית התחילה את לימודיה האקדמיים במכמורת (מכללת רופין), שם השלימה תואר ראשון בביוטכנולוגיה ימית. “במכמורת נולדה האהבה שלי למדע וזכיתי להכיר חברי אמת ומורים לחיים שמלווים אותי עד היום. לימודי התואר השני, בבית הספר הימי של אוניברסיטת חיפה, היו ימים מאתגרים ומלמדים שדרכם רכשתי ידע רב, למדתי לשאול שאלות מדעיות ולענות עליהן וליצור שיתופי פעולה וחברויות מסביב לעולם.”
בתום התואר השני, מתוך הבנה שהמחקר המולקולרי הימי בישראל עדיין נמצא בראשיתו, החליטה לוותר על תחום זה והגיעה לטכניון. “הבנתי שאני צריכה לעבור מעולם החי בים לחיית מודל יבשתית שהמחקר סביבה רחב יותר – האדם. חיפשתי מקום שישלב מחקר בסיסי עם מדע פונקציונלי, והפקולטה לרפואה סיפקה את שתי השאיפות.” את הדוקטורט בטכניון עשתה בהנחייה משותפת של פרופ’ עמי אהרונהיים, החוקר פקטורי שעתוק ואת השפעתם על מחלות לב, ושל פרופ’ יובל שקד העוסק בפיתוח טיפולים חדשים לסרטן.
“קפצתי ראש למים העמוקים,” היא אומרת, “ושילבתי שיטות מתקדמות בביולוגיה מולקולרית עם חקר הסרטן. זה לא היה פשוט – אבל בהחלט מתגמל ומלמד.”
המחקר הבין-תחומי הוביל אותה לשאלת מחקר בין-תחומית: כיצד משפיעות מחלות לב על התפתחות סרטן? מתוך העבודה על שאלה זאת נולד מאמר שהתפרסם לאחרונה בכתב העת Circulation: חוקרי הטכניון, עם עמיתיהם מבתי החולים רמב”ם וכרמל, גילו כי שיבושים במערכת הלב, גם בשלב מוקדם שלהם, עלולים להאיץ תהליכים סרטניים. לפיכך יש לשקול במקרים מסוימים טיפול בבעיות לב גם בשלב שהן מינוריות ולא מסכנות חיים.
“כבר בפגישתנו הראשונה שמרית שידרה ביטחון עצמי ורצון רב להצליח,” אומר פרופ’ אהרונהיים. “לאורך תקופת הדוקטורט היא עבדה בחריצות רבה וגילתה התמדה וכוח רצון רב שהובילו אותה להישגים יפים ומכובדים. כמו כן נפתח למעבדתנו פתח למחקר חדש ופורץ דרך לעשייה לשנים הבאות עבור תלמידי מחקר נוספים שיגיעו.”
“שמרית בנויה מהחומר הנכון של חוקרת באקדמיה,” אומר פרופ’ שקד. “יש לה דרייב, יכולת חשיבה אנליטית, חוצפה אקדמית (במובן הטוב של המילה), העזה ואופטימיות. כל אלה יחד, עם הדרכה מתאימה משני מנטורים שונים מאוד, הובילו לשני מחקרים יוצאים מן הכלל הפותחים צוהר חדש למחקר בתחום הסרטן, מערכת החיסון והלב. אני זוכר ששמרית הגיעה מאוד ‘ירוקה’ ומהר מאוד הצליחה לפתח יכולות מחקריות מתקדמות ביותר. לא פשוט לעבור מביולוגיה ימית לביולוגיה תאית, וברמת החיה השלמה. בזכות יכולותיה והאופי המיוחד שלה הצליחה שמרית להביא את הידע שלה לידי ביטוי. אני מאחל לה הצלחה ומאוד רוצה לראות אותה חוזרת ארצה לאקדמיה.”
צמד מנצח
שמרית ובן נפגשו לראשונה בריטריט – אירוע פקולטי שבו נפגשים חוקרי הפקולטה להרצאות ולעדכונים הדדיים. שמרית ארגנה את האירוע ובן הגיע אליו עם קבוצת המחקר של פרופ’ רולס. “זאת אהבת אמת,” אומר בן. “גיליתי בשמרית את החברה הכי טובה שלי, מדענית מקצועית ביותר וחסרת פשרות. היינו ביחד במעבדה ומחוצה לה, ואנחנו אפילו חתומים על כמה מאמרים משותפים.”
“בן הוא הנפש התאומה שלי ואהבת חיי,” אומרת שמרית. “הוא לימד אותי את סודות הטכניון ואיך ליהנות ולטייל בעולם מבלי להתפשר על עבודה קשה ומדע איכותי.”
כעת, כשהם מתארגנים על חייהם החדשים באמריקה, הם מסכמים בסיפוק את התקופה הטכניונית אך מבינים שהמסע עוד ארוך. “זוהי רק תחילתה של הדרך המחקרית שלנו ואני סקרנית לראות מה יהיה בהמשך,” אומרת שמרית. “מה שבטוח – את התקופה המדהימה שהייתה לנו בטכניון לא אשכח.”
בתמונה: שמרית ובן בטיול סיום הדוקטורט בווייטנאם – פברואר 2020, רגע לפני שהגבולות נסגרו
במבצע משולב של הטכניון, עיריית חיפה ופיקוד העורף נהרס אולם הספורט במבנה אהרוני בשכונת הדר. מדובר באולם הספורט ההיסטורי של בית הספר בסמ”ת ששימש למשחקים רבים ואירח בימיו הטובים את ליגת בתי הספר.
האולם, שנשרף בשנה שעברה, נחשב מאז למבנה המסכן את הבניין כולו. לאחרונה, בעקבות קבלת אישור ההריסה ממהנדס עיריית חיפה, חבר הטכניון לפיקוד העורף, שהחליט לנצל את ההזדמנות לתרגול חיוני בחילוץ נפגעים מהריסות. בעקבות זאת הוטמנו באתר, לפני הריסתו, בובות תרגול של פיקוד העורף, ובשבוע שעבר התקיים תרגיל החילוץ בהשתתפות 100 לוחמי יחידת החילוץ הארצית בשיתוף עם יחידת הבטחון של הטכניון ומתנדבי עיריית חיפה, כיבוי אש, מד”א וזק”א.
התרגיל דימה התקפת טילים על ישראל ונפילת מבנים בקרית שמונה צפת וחיפה.
מעורבותו של הטכניון בשכונת הדר פרוסה על פני למעלה ממאה שנה מאז הנחת אבן הפינה לבניין ההיסטורי שלו ב-1912. בשנות ה-60 וה-70 עברו הפקולטות השונות לקמפוס נווה שאנן ובשנות ה-80 העמיד הטכניון את הבניין ההיסטורי שלו לטובת פעילות העמותה המפעילה במקום את מוזיאון המדעטק. בשנת 2016 חידש הטכניון את בניין ההדריון והפך אותו למתקן הוראה ומרכז קהילתי לימודי בהובלת הפקולטה לארכיטקטורה ובינוי ערים.
“אנו מברכים על שיתוף הפעולה עם פיקוד העורף,” אמר פרופ’ בועז גולני המשנה לנשיא ומנכ”ל הטכניון, “שיתוף הפעולה המשלב הריסה של מבנה מסוכן עם פעילות תרגול חיונית, ומתנצלים מראש על ההפרעה הזמנית לדיירי השכונה.”
מפקד יחידת החילוץ הארצית בפיקוד העורף, אל”ם (מיל׳) גולן ואך אמר: ״יחידת החילוץ של פיקוד העורף קיימה בשבוע שעבר תרגיל המדמה תרחיש אמת של ירי טילים וכתוצאה ממנו הרס בשלוש ערים מרכזיות ברחבי הצפון: צפת, חיפה וקריית שמונה.
התרגיל נועד לשיפור כשירותנו לתת מענה מיטבי לכל אירוע חירום אליו נידרש בארץ ובעולם. האתרים בהם התאמנו הם אתרים המיועדים להריסה במסגרת פרויקט ״פינוי בינוי״. הרצון הטוב של כלל הגופים והרשויות שאחראים על האתרים בהם התאמנו, סייעו לנו להפוך את ההליך לטוב יותר לשם השגת מטרתנו – קיום תרגיל חשוב״.
חוקרים בטכניון פיתחו מקורות קרינה מדויקים העשויים להחליף מאיצי חלקיקים יקרים ומסורבלים המשמשים כיום ליצירת קרינה כגון קרינת רנטגן (X-ray). מקורות חדשים אלה מייצרים קרינה מבוקרת בספקטרום צר ומדויק וברזולוציה גבוהה, וזאת בהשקעה אנרגטית נמוכה יחסית. לפיכך הם צפויים להוביל לפריצות דרך יישומיות בהקשרים מגוונים – אנליזה ספקטרלית של חומרים כימיים וביולוגיים, דימות רפואי, מכשור רנטגן בבידוק ביטחוני ושימושים נוספים המצריכים מקורות אמינים של קרינה מדויקת.
ד”ר עדו קמינר
את המחקר שהתפרסם אתמול בכתב העת Nature Photonics הובילו ד”ר עדו קמינר והמסטרנט מיכאל שנציס. ד”ר קמינר הוא ראש המעבדה לדינמיקה קוונטית של אלומות אלקטרונים ע”ש רוברט ורות מגיד, חבר סגל בפקולטה להנדסת חשמל ע”ש ויטרבי ובמכון למצב מוצקוחברבמכון לננוטכנולוגיה ע”ש ראסל ברי (RBNI) ובמרכז הקוונטום ע”ש הלן דילר.
המאמר הנוכחי מציג תצפית ניסויית ראשונה המהווה הוכחת היתכנות למודל תאורטי שפותח בעשור האחרון בשורה של מאמרים מכוננים. המאמר הראשון בנושא, שהופיע באותו כתב עת (Nature Photonics), נכתב על ידי ד”ר קמינר ב-MIT עם המנחים שלו בפוסט-דוקטורט, פרופ’ מרין סולייצ’יץ’ ופרופ’ ג’ון ג’ואנופולוס. באותו מאמר הציגו קמינר ועמיתיו קונספט תאורטי לשימוש בחומרים דו-ממדיים ליצירת קרני רנטגן. המאמר ההוא, לדברי ד”ר קמינר, סימן את “תחילתו של מסע אל מקורות קרינה המבוססים על הפיזיקה הייחודית של חומרים דו-ממדיים ושל שילובים שונים ביניהם – הטרו-מבנים. את פריצת הדרך התאורטית מאותו מאמר המשכנו לפתח מאז בשורה של מאמרים תאורטיים, וכעת אנו נרגשים לבשר על התצפית הניסויית הראשונה ביצירת קרינת רנטגן בהתקנים כאלה, תוך שליטה מדויקת בפרמטרים של הקרינה.”
חומרים דו-ממדיים הם מבנים מלאכותיים ייחודיים שפרצו לתודעה בסביבות שנת 2004 עם פיתוח הגרפן על ידי הפיזיקאים אנדרה גיים וקונסטנטין נובוסלוב – לימים חתני פרס נובל בפיזיקה לשנת 2010. גרפן הוא משטח מלאכותי של אטומי פחמן, כלומר מבנה בעובי אטום בודד, שאינו קיים בטבע. את מבני הגרפן הראשונים יצרו שני הנובליסטים על ידי קילוף של שכבות חומר דקות מגרפיט, “החומר הכותב” שבעיפרון, באמצעות נייר דבק. השניים, וחוקרים שבאו בעקבותיהם, גילו כי לגרפן תכונות ייחודיות ומפתיעות השונות מתכונות הגרפיט התלת-ממדי: חוזק (הגרפן חזק עשרות מונים מיריעת פלדה בעובי דומה), שקיפות כמעט מוחלטת, מוליכות חשמלית ויכולת הולכת אור שמאפשרת פליטת קרינה – היבט מרכזי במאמר הנוכחי. תכונות ייחודיות אלה הופכות את הגרפן, וחומרים דו-ממדיים אחרים, לשחקנים מבטיחים בדורות הבאים של חיישנים כימיים וביולוגיים, תאים סולריים, מוליכים-למחצה, מסכים ועוד.
המצאת הגרפן פתחה שדה מחקר חדש המתמקד בחומרים דו-ממדיים שונים ובהם חומרי ון דר ואלס (vdW materials) שעמדו במוקד המחקר הנוכחי של ד”ר קמינר. חומרים אלה קרויים על שמו של יוהנס דידריק ון דר ואלס, שזכה בפרס נובל בפיזיקה בדיוק מאה שנה קודם, בשנת 1910.
ד”ר קמינר ומיכאל שנציס יצרו חומרי vdW שונים ושיגרו דרכם אלומות אלקטרונים בזוויות ספציפיות, שהובילו לפליטה מבוקרת ומדויקת של קרינת רנטגן. כך הושגה תצפית ניסויית ראשונה בקרינת רנטגן הנפלטת מחומרי vdW. יתר על כן, החוקרים הדגימו כוונון מדויק (tunability) של ספקטרום הקרינה ברזולוציה חסרת תקדים, וזאת בהשקעה מזערית של אנרגיה ותוך ניצול הגמישות בתכנון משפחות של חומרי vdW.
לסיכום, המאמר החדש של קבוצת המחקר של ד”ר קמינר מכיל תוצאות ניסוייות, תאוריה חדשה והוכחת היתכנות ליישום חדשני של חומרים דו-ממדיים כמערכות המפיקות קרינה מבוקרת ומדויקת. לדברי ד”ר קמינר, “הניסוי שערכנו, והתיאוריה שפיתחנו כדי להסבירו, מביאים תרומה משמעותית למחקר הפיזיקלי של אינטראקציית אור-חומר וסוללים דרך ליישומים רבים ומגוונים בדימות בקרני רנטגן, בספקטרוסקופיית קרני רנטגן המשמשת לאפיון חומרים ועוד, ובעתיד תאפשר ליצור מקורות אור קוונטיים בתחום הרנטגן.”
במחקר הנוכחי, שנערך כאמור בשיתוף בין יחידות שונות בטכניון, השתתפו חוקרים מהפקולטה לכימיה ע”ש שוליך, מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים ומהמוסדות הבאים: The Barcelona Institute of Science and Technology, מכון ICREA בברצלונה, Arizona State University, Technical University of Denmark ו-Nanyang Technological University בסינגפור.
מיכאל שנציס
כל ניסויי הוכחת ההיתכנות נערכו במיקרוסקופי האלקטרונים שבמרכז המיקרוסקופיה מיק”א בפקולטה למדע והנדסה של חומרים.
במחקר תמכו גם האיחוד האירופי (מענק ERC ומענקי H2020), קרן המדע הלאומית בישראל (ISF) וקרן עזריאלי.
