תחומי המחקר של חברי.ות הסגל

 

פרופ' יובל אבנשטיין

מחקר רב-תחומי המשלב מיקרוסקופיה אופטית מתקדמת, ננו-טכנולוגיה, ביולוגיה ומדעי המחשב לפתרון בעיות בביולוגיה ורפואה. המחקר בקבוצה מתחלק בין פיתוח שיטות וטכנולוגיה לבין מחקר בסיסי בביו-פיסיקה וביו-רפואה.

• אחד האתגרים העומדים בפני המדע הוא היכולת לזהות ולעקוב אחר מולקולות ביולוגיות בודדות על מנת להבין את אופן פעולתן ואת האינטראקציות שלהן עם סביבתן. אנו מפתחים סמנים פולטי אור המבוססים על ננו-גבישים המתבייתים על מטרות מולקולריות כגון חלבונים או רצפים ספציפיים של DNA.  בשילוב מיקרוסקופיה וספקטרוסקופיה של תהליכי העברת אנרגיה מאפשרים סמנים אלה לעקוב אחר פעילות אנזימטית ביולוגית כגון סינטזה של DNA ו-RNA בזמן אמת.

• מטילציה של DNA באזורים שונים של הגנום היא בעלת השפעה מכרעת על מגוון מנגנונים ביולוגיים כגון התמיינות של תאי גזע ו סרטן. אנו מפתחים שיטה ל מיפוי גנומי של מטילציה ב-DNA בעזרת סימון פלואורסצנטי ומתיחה של מולקולות DNA  בודדות על משטחים. צילום הסימונים לאורך המולקולות בשילוב ביו-אינפורמטיקה וכלים חישוביים אחרים מאפשרים בניה של "ברקוד"  המאפיין את ה-DNA המצולם ומעניק מידע על תכונות התא ומצבו.

• מחלות שונות מאופיינות בייצור מוגבר (או מופחת) של מולקולות ביולוגיות ספציפיות. אחד הכלים החשובים לדיאגנוזה רפואית הוא זיהוי כמותי של מולקולות אלה  בדגימות רפואיות. אנו מפתחים שיטה אופטית מהירה אשר בעזרת ביו-סנסורים ננומטריים תאפשר זיהוי מולקולרי כמותי ברגישות גבוהה תוך שימוש בכמויות זעירות של דגימות רפואיות.

• טלומרים הם רצפים יחודיים הנמצאים בקצה הכרומוזום ומתקצרים עם כל חלוקת תא עד הגעתם לאורך קריטי המסמן לתאים למות. שיבושים במנגנוני שימור האורך של הטלומרים גורמים לתופעות כסרטן והזדקנות. בעזרת מניפולציה ננומטרית של DNA בשילוב הדמיה אופטית אנו יכולים למדוד את אורך הטלומרים באופן ישיר מכרומוזומים בודדים ולחקור קורלציה של אורך הטלומרים עם מגוון מצבים ביולוגיים.

 

פרופ' אמיר גולדבורט

כימיה, ביולוגיה, ווירולוגיה מבנית בעזרת תהודה מגנטית גרעינית (ת.מ.ג.) במצב מוצק.

תהודה מגנטית גרעינית (NMR) היא שיטה ספקטרוסקופית שמסתמכת על פיצול רמות האנרגיה של גרעין האטום בשדה מגנטי על מנת לקבל אינפורמציה על הסביבה הכימית, המבנה, והדינאמיקה של מולקולות.

אנו משתמשים בת.מ.ג. במצב מוצק על מנת לחקור ברזולוציה אטומית מבנים של מערכות שונות החל ממולקולות אי-אורגניות קטנות, ועד חלבונים ווירוסים שלמים.

דגש מיוחד ניתן על (1) מטלואנזימים ומולקולות שקשורים למחלות פסיכיאטריות, ואופן פעולת הריפוי של מלחי ליתיום; (2) אופן ההיווצרות והמבנה של וירוסים וכן השפעת מוטציות על המבנה ואופן ההגנה על גדיל הד.נ.א.; (3) אינטראקציות חלבון-ד.נ.א. והמבנה של גדילי ד.נ.א. גדולים; (4) פיתוח שיטות ספקטרוסקופיות ושיטות אנליזה חדשות לחקר חלבונים, אנזימים וקומפלקסים של מתכות. שיטות אלו נסמכות על מכניקה קוונטית מחוץ לשווי משקל, וסימולציות נומריות, ונבדקות ומאוששות ע״י ניסיונות מתאימים.

עבודת המעבדה היא רב תחומית ולכן דורשת התמצאות ולמידה של תחומים שונים: גידול וניקוי של חלבונים ווירוסים ואפיון בסיסי של התוצרים בשיטות ביופיסיקליות, ספקטרוסקופיה מגנטית (בביה״ס לכימיה ישנם ברשותנו שני מגנטים לת.מ.ג. במצב מוצק)  וכן אנליזה ספקטרלית ואוטומציה באמצעות מחשבים.

 

פרופ' דיאנה גולודניצקי

1. סינתזה, אפיון חומרים ותופעת מעבר יונים בננומבנים של אלקטרודות ואלקטרוליטים מוצקים.

2. שיקוע חשמלי (אלקטרודפוזיציה), אלקטרופורטי (electrophoretic deposition , EPD) ושדה מגנטי הומוגני/מדורג על מנת לייצר ננו חלקיקי קרמיקה-פולימר ומתכות אלקליות במבני קליפה-ליבה.

3. תהליכי redox בסוללות בעלות צפיפות אנרגיה גבוהה המבוססות ליתיום סיליקון/סולפור במצב מוצק

4. תופעת הספיחה בסופר-קבלים מבוססי ננו-חוטי סיליקונים נקבוביים

5. טופוגרפיה תלת מימדית (בשיתוף פעולה עם Imperial College, London) ברזולוציה סאב-ננומטרית

6. 3Dמיקרו-בטריות נטענות במימדים של 1-10mm3 בעלי צפיפות אנרגיה גבוהה והספק גבוה למיקרואלקטרוניקה מתקדמת. 

 

פרופ' חיים דימנט

תיאוריה של נוזלים מורכבים וחומרים רכים

בניגוד לרושם שעלול להיווצר בלימודי התואר הראשון, רוב החומרים מסביבנו אינם גזים אידיאליים, נוזלים פשוטים או מוצקים גבישיים. חשבו לדוגמא על הנייר אותו אתם קוראים עכשיו, הדיו שעליו, השמפו שבו השתמשתם, האוכל שאתם אוכלים, או הרקמות שמהן עשויים אתם עצמכם. חומרים אלה נראים ומתנהגים באופן שונה מאוד מן החומרים הפשוטים שעליהם למדתם. הסיבה הבסיסית לכך היא שהם מכילים מבנים ברמות ביניים שבין המולקולה הבודדת למערכת המקרוסקופית.

מטרת המחקר של קבוצתי היא להבין את העקרונות שמאחורי ההתארגנות העצמית של מבנים כאלה. דוגמאות למערכות רלוונטיות: ממברנות, חד-שכבות, פולימרים, גבישים נוזליים, תרחיפים, תחליבים. מערכות אלה מציבות בעיות מעניינות של הופעת מבנים בשיווי משקל, אולם לאחרונה אנו מתמקדים יותר בדינמיקה של היווצרות מבנים. אחת השאלות המרכזיות היא מהם העקרונות הקובעים את ההתפתחות של היררכיה מבנית. לבעיות מסוג זה יש כמובן השלכות על מבנים והיררכיה מבנית במערכות ביולוגיות. אופי העבודה הוא בעיקר אנליטי, אולם מערב לעתים גם סימולציות. המורכבות של המערכות הרלוונטיות מחייבת גמישות וגיוון בבחירת הכלים התיאורטיים, כגון תרמודינמיקה, מכניקה סטטיסטית, אלסטיות, הידרודינמיקה וגיאומטריה.

 

פרופ' עודד הוד

המחקר במסגרת קבוצתי עוסק בפיתוח תיאוריות ושיטות ובביצוע חישובים קוונטו-מכאניים של התכונות הפיזיקאליות של מגוון מערכות בסקאלה הננומטרית. חקר הפיזיקה הבסיסית של מערכות אלו מוביל ליישומים שונים בתחום ההתקנים הננו-אלקטרוניים, ספינטרוניקה, חיישנים כימיים, ומערכות ננו-מכאניות וננו-אלקטרומכאניות.  

להלן מספר דוגמאות לכיווני מחקר המתנהלים במסגרת הקבוצה:

1. גלאים כימיים ננומטריים על-רגישים: המחקר בתחום זה עוסק בהשפעת ספיחה כימית של מולקולות מזהם על תכונות ההולכה האלקטרונית של ננו-חוטים שונים כגון ננו-שפופרות פחמן (carbon nanotubes) ננו-רצועות גרפן (graphene nanoribbons), וננו-חוטי סיליקון (silicon nanowires).

2. התקני אלקטרוניקה מולקולארית וספינטרוניקה: פיתוח אמצעים לשליטה בתכונות האלקטרוניות והמגנטיות של מערכות בעלות ממדיות נמוכה ותכנון מרכיבים אלקטרוניים עתידיים כגון ננו-טרנזיסטורים מולקולאריים, דיודות, ופילטרים של ספין אלקטרוני החיוניים לפיתוח דור העתיד של המחשבים.

3. התקנים ננו-אלקטרומכאניים: בתחום זה אנו חוקרים את התכונות המבניות של חומרים בסקאלה הננומטרית.  ההתנהגות המכאנית של רצועת גרפן בודדת או של גביש ננומטרי תחת מעמסים ומעוותים שונים נחקרת באופן השוואתי לעולם המאקרוסקופי.  הבנת ההשפעה של מעוותים שונים על התכונות האלקטרוניות של חומרים אלו מאפשרים יישומם בתור חיישני לחץ מזעריים בעלי רגישות-על.

4. דינאמיקה אלקטרונית ודינאמיקת ספין בהתקני אלקטרוניקה מולקולארית: במסגרת זו אנו מבצעים חישובים תלויים בזמן של ההולכה החשמלית בצמתים מולקולאריים. השיטות המפותחות במסגרת הקבוצה מאפשרות טיפול יעיל ומדויק בדינאמיקה האלקטרונית של המערכת הפתוחה, תוך תיאור מפורט של אפקטים חולפים (טראנזיינטים) ותרחישי מתח תלוי בזמן.  השפעת המבנה הכימי המלא של ההתקן המולקולארי על תכונות ההולכה נחקרים בזמן אמת.

 

לצורך ביצוע החישובים, אנו משתמשים בחוות מחשבים מתקדמת הכוללת מערך של מעבדים רבי ליבות ועתירי זיכרון.  במסגרת המחקר נעשה שימוש במגוון שיטות חישוב ברמות מורכבות שונה ובהתאם לבעיה הנחקרת. קשת הכלים העומדים לרשותנו נעה בין מודלים מתקדמים המבוססים על תיאוריית פונקציונאלי הצפיפות (Density Functional Theory) ועד מודלים פשטניים המספקים אינטואיציה פיזיקאלית על המערכות הנדונות. שילוב של תוכנות המפותחות על-ידינו ותוכנות מסחריות מאפשר טיפול במגוון רחב של בעיות מתחום הכימיה, פיזיקה, והנדסת החומרים בסקאלה הננומטרית.

 

ד"ר ברק הירשברג

• למידת מכונה וכימיה פיזיקלית, חיזוי תכונות דינמיות של חומרים קוונטים באמצעות רשתות נוירונים: דיפוזיה, ספקטרוסקופיה וקצבי ריאקציה.
• פיתוח שיטות לתיאור אפקטים קוונטים בסימולציות קלאסיות: דינאמיקה מולקולרית לדגימה של אינטגרלי מסלול עבור בוזונים ופרמיונים.
• סימולציות של תהליכים כימיים על משטחי מים, כימיה אטמוספרית ואחסון מימן בכלובים דמויי קרח (clathrate hydrates).

מחקרנו מתחלק לשני כיוונים: 

1. פיתוח סימולציות מולקולריות לתיאור תופעות כימיות ופיזיקליות אשר אינן ניתנות לתיאור מספק באמצעות הכלים הקיימים.
2. יישום שיטות אלו ואחרות לפתרון בעיות מרתקות אשר נמצאות בתפר שבין כימיה ופיזיקה.

כלי העבודה העיקרי הוא סימולציות דינמיקה מולקולארית. הן מעין "מיקרוסקופ וירטואלי" המאפשר לעקוב אחר הדינאמיקה הקלאסית של כל אטום בזמן, ולחקור תהליכים כימיים ופיזיקליים עבור מערכות גדולות כגון נוזלים ומוצקים. אך סימולציות אלו אינן מתאימות לטמפרטורות נמוכות ועבור חומרים קוונטים, אשר התכונות המקרוסקופיות שלהם נקבעות מהקורלציה הקוונטית בין החלקיקים המרכיבים אותם. לצערנו, פתרון מדויק למשוואות התנועה הקוונטיות הינו בלתי אפשרי למעט עבור מערכות המורכבות מאטומים מועטים.

כדי להתגבר על בעיה חשובה זו, אנו מפתחים סימולציות דינמיקה מולקולארית לדגימה של אינטגרלי מסלול, המאפשרות להנות משני העולמות: הן מתארות בצורה מדויקת את התכונות התרמודינמיות של מערכות קוונטיות גדולות אך עלותן החישובית נמוכה. אנו מתמקדים בפתרון שתי מגבלות מהותיות של סימולציות אלו ובכך נרחיב משמעותית את המערכות להן ניתן ליישמן:

1. שימוש ברשתות נוירונים לתיאור תכונות דינאמיות של חומרים קוונטיים (קבועי דיפוזיה, קצבי ריאקציה וספקטרוסקופיה). פיתוח זה ישמש לחקר אחסון מימן בכלובים דמויי קרח (clathrate hydrates) לצרכי אנרגיה מתחדשת. מאחר ומימן הוא היסוד הקל בטבע, ומאחר וחומרים אלו מיוצרים בטמפ' נמוכות מאוד אפקטים קוונטיים חשובים ולא ניתן להזניחם.
2. תיאור העובדה שחלקיקים קוונטיים הם בוזונים או פרמיונים ולכן פונק' הגל המתארת אותם היא סימטרית או אנטי-סימטרית להחלפה בין שני חלקיקים זהים. כלי זה יאפשר ליישם את השיטה לתיאור התכונות התרמודינמיות של אטומים קרים במלכודות. חומרים אלו מפגינים תכונות פיזיקאליות מרתקות כגון עיבוי בוז-איינשטיין וגם בעלי פוטנציאל לשמש בטכנולוגיות קוונטיות עתידיות.

 

פרופ' יורם זלצר

1. מחקר ניסיוני המתמקד בהבנת תהליכי הולכת מטען חשמלי וחום דרך צמתים המבוססים על מולקולה בודדת וכן בבקרת תהליכים אלו באמצעות שדה מגנטי וקרינת לייזר (אלקטרוניקה מולקולרית).

2. אלקטרוכימיה של מולקולה בודדת.

3. פיתוח שיטות ליתוגרפיה תת-מיקרוניות חדישות.

 

ד"ר גיא כהן

קבוצתנו חוקרת תופעות מחוץ לשיווי משקל בכימיה ובפיזיקה של חומר מעובה. אנו מנסים להבין כיצד מערכות קוונטיות המפגינות קורלציה אלקטרונית חזקה מגיבות לצימוד עם סביבה דיסיפטיבית והפרעות חיצוניות, במיוחד בהקשר של זרמים ודינמיקה במערכות ננומטריות. מדובר במערכות שהשיטות הסטנדרטיות נכשלות בטיפול בהן, ולכן זהו תחום מאתגר העוסק בשאלות עמוקות ובסיסיות הנמצאות בחזית המדע, והמאופיינות על ידי סיבוכיות חישובית עצומה. כדי להתמודד עם שאלות אלו, אנו מפתחים אלגוריתמים ייחודיים, בדגש על שיטות מונטה-קרלו מתקדמות.

מדוע אנו מתעניינים במערכות בעלות קורלציות חזקות? יש מגוון סיבות, וביניהן:

• הן קשורות לבעיות חשובות במדע החומרים, כגון אוקסידים של מתכות מעבר. אלו חומרים שיש להם מגוון תכונות יוצאות דופן: למשל, הם יכולים להפוך ממתכת למבודד כתוצאה משינויים קלים בלחץ, טמפרטורה או פרמטר חיצוני אחר. מסיבה זו, הם יכולים להיות שימושיים כרכיבי אלקטרוניקה או חיישנים רגישים. התכונות המיוחדות של חומרים אלו - בניגוד לאלו של מוליכים למחצה - נשמרות גם בסקלה ננומטרית, ולכן הם עשויים להוות את הבסיס לננו-אלקטרוניקה בעתיד.

• הן הבסיס להבנה של שאלות מרכזיות בפיזיקה: למשל, מוליכות על בטמפרטורה גבוהה מתרחשת בחומרים (מבוססי ברזל או נחושת) בעלי קורלציות חזקות, ויש לגביה יותר שאלות פתוחות מסגורות. כדוגמא נוספת, ההשפעה של אינטראקציה רב-גופית על לוקליזציה הנובעת מאי-סדר היא נושא לוהט במיוחד כיום. אלו תופעות שלגביהן דינמיקה והתנהגות מחוץ לשיווי משקל היא חשובה ורלוונטית ניסיונית, אך הטיפול התאורטי בנושאים אלו עדיין נמצא בחיתוליו.

• מדובר באתגר חישובי מהמדרגה הראשונה, וההתמודדות עמו מצריכה פיתוח כלים נומריים חדשניים המשתמשים במיטב הטכנולוגיה המודרנית כדי לקדם אותנו לתחומי ידע שלא היו נגישים עד עתה. כדי למצוא תגליות מדעיות חדשות, יש לפרוץ גבולות.

 

פרופ' גיל מרקוביץ'

1. סינתזה ומניפולציה כימית של ננו-גבישים אי-אורגניים.

2. ארגון הנַנוֹ-גבישים בְּעַל-מבנים בעלי רמות סדר ומימדיות שונות למשל, בעל-גבישים ("מוצקים מלאכותיים") או מערכים של ננו-חוטים.

3. מדידות תכונות אופטיות, אלקטרוניות ומגנטיות של מערכי הננו-גבישים. הרכבת התקנים ננו-אלקטרוניים ומגנטו-אלקטרוניים, על בסיס שיטות כימיות ליצור שכבות דקות, ומדידת תכונותיהם.

4. ננו-כיראליות – הכנת ננו-גבישים מחומרים כיראליים אי-אורגניים וחקר האינטראקציות בין מולקולות כיראליות לננו-חלקיקי מתכות ומוליכים למחצה.

 

ד"ר רעיה סורקין

תהליכים פיזיולוגיים רבים מערבים שינויים דרמטיים בממברנות תאיות, למשל הדבקה ע"י וירוסים בעלי מעטפת ממברנלית, איחוי ממברנות בתהליך ההפריה או איחוי ואסיקולות סינפטיות עם ממברנות תאיות אשר מאפשר את פעיולת תאי העצב. אנחנו חוקרים תהליכים של דפורמציות ממברנליות מנקודת מבט כימית- פיזיקאלית בעזרת כלים המאפשרים מדידות מדוייקות של כוחות אינטקאקציה בין חלבונים וממברנות ותכונות מכאניות של ממברנות. כלים אלה כוללים מיקרוסקופ כוח אטומי, ולכידה אופטית בשילוב מיקרוסקופיה קונפוקאלית פלורסנטית. בעזרת מדידות כמותיות אלה אנו מקווים לתרום להבנת תהליכים ביולוגיים המערבים דפורמציה ואיחוי ממברנות. 

 

ד"ר עמית סיט

חומרים הניתנים לתכנות הם חומרים אשר התכונות, ההתנהגות, והפונקציונאליות שלהם מוכתבות באופן ישיר מהאינפורמציה הכימית המוטמעת ו"מתוכנתת" בתוכם. הדוגמא הקלאסית לחומרים אלו הם החלבונים, בהם תכנות רצף חומצות האמינו הבונה את החלבון (המבנה הראשוני) קובע באופן ישיר את המבנה התלת ממדי שלו (המבנה השלישוני).

קבוצתנו חוקרת מערכות הניתנות לתכנות כימי, ואשר מכילות רצף הוראות (אינפורמציה) המקודד במבנה הכימי לשם ביצוע משימה או פונקציה ספציפיות. אנו מתמקדים בבנייה ויצירה של סיבים פולימריים חדישים עליהם מתוכנתת אינפורמציה כימית ופיזיקלית, וחוקרים כיצד ניתן להשתמש באינפורמציה זו לקיפול של סיבים חד-ממדיים למבנים תלת ממדיים, וכיצד מבנה ספציפי יכול להוביל לקישור סלקטיבי ולהתארגנות עצמית. באמצעות שימוש בכלים מהתרמודינאמיקה ומתורת האינפורמציה, אנו חוקרים את העקרונות היסודיים אשר קובעים את ההתנהגות של חומרים הניתנים לתכנות. כמו כן אנו חוקרים את השימוש בחומרים אלו ליצירה של מערכות מיקרו-מכניות ומיקרו-ריאקטורים, ולאפליקציות רפואיות כגון הנדסת רקמות ושחרור מבוקר של תרופות.

במעבדה אנו משתמשים במגוון של רב של שיטות פבריקציה כגון ליתוגרפיה, טוויה אלקטרו-הידרודינמית, ושיטות דפוזיציה מתקדמות. כמו כן אנו משתמשים במיקרוסקופיה וספקטרוסקופיה לצורך אפיון, ובכלים חישוביים ותיאורטיים מגוונים למידול, ניתוח והבנת התכונות של חומרים אלו. 

 

פרופ' פרננדו פטולסקי

1. סינתזת ננו-חומרים (ננו-חוטים) חדישים ברוחב שיטות מתקדמות בפאזה גזית/נוזלית/מוצקה ואפיונם הכימי והפיזיקאלי.

2. סינתזת ננו-חומרים "חכמים" המשלבים תכונות חשמליות, אופטיות ומגנטיות מבוקרות.

3. פיתוח התקנים חשמליים, מגנטיים ואופטיים המבוססים על ננו-חוטים וננו-חומרים אחרים.

4. יישום ננו-התקנים אלקטרוניים בפיתוח חיישנים ביולוגיים-כימיים עתידיים.

 

ד"ר אבנר פליישר

קבוצתנו מפתחת מצלמה אולטרא-מהירה שביכולתה יהיה לצלם סרט המראה בזמן אמת כיצד אורביטלים אלקטרוניים אטומיים ומולקולריים מתפתחים במהלך תגובות כימיות. היות והתפתחות אורביטלים אלקטרוניים מתרחשת בסקאלת זמן קצרה ביותר הנעה בין עשרות פמטו-שניות (1 פמטו-שניה=אלפית פיקו-שניה) לכמה אטו-שניות  בודדות  (1 אטו-שניה=אלפית פמטו-שניה), אנו משתמשים בפולסים אולטרא-קצרים ואולטרא-חזקים של לייזר כדי להפעיל כוחות עצומים על האלקטרונים בחומר, כדי גם להניע בו דינמיקה אלקטרונית לא לינארית קיצונית וגם "לצלם" אותו. המחקר הוא מחקר בסיסי ומולטידיסיפלינארי, המערב את הטכניקות המתקדמות ביותר הקיימות כיום בתחומי האופטיקה הלא-לינארית, וואקום אולטרא-גבוה, אלומות מולקולריות, אלקטרוניקה מהירה, מס-ספקטרומטריה קורלטיבית של אלקטרונים ויונים וסימולציות של מערכות ותהליכים קוונטו-מכניים בנוכחות שדות לייזר חזקים.  

 

ד"ר שר-לי פליישר

בעוד הספקטרוסקופיה עוסקת בהשפעת החומר על האור והסקה על תכונותיו ומצבו של החומר, השליטה הקוהרנטית עוסקת בתהליך המשלים: שליטה על החומר באמצעות האור. המחקר בקבוצה מתמקד בפיתוח שיטות לשליטה במולקולות בפאזה הגזית ושימוש בהם לחקר תהליכים דינאמיים המתרחשים בקבועי זמן קצרים (פיקו-שניות). לצורך כך אנו משתמשים בפולסי לייזר אולטרא-קצרים (פמטו-שניות) עוצמתיים בתחומי האינפרא-אדום/אור-נראה (Hz1014) והטרה-הרץ (Hz1012).

 

• שליטה קוהרנטית בדינמיקה סיבובית של מולקולות
  פיתוח שיטות לשליטה בפיזור הזוויתי של מולקולות בפאזה הגזית, יישור והכוונת מולקולות לזמן קצר לצורך חקירתם בשיטות מתקדמות של ספקטרוסקופיה לא לינארית. מניפולציות אופטיות של רמות הרוטציה וחקר האינטראקציה בין המולקולות בצבר ע"י ספקטרוסקופית טרה-הרץ דו מימדית.

• מדידה ואפיון של תהליכים כימיים דינמיים באופן ישיר
  אנחנו מתעניינים בחקר הדינמיקה המולקולרית – כלומר מדידה ואפיון השינויים המבניים המתרחשים (בקבועי זמן מהירים מאד) ומערבים שינוי במבנה המרחבי של מולקולות, תוך כדי ההתרחשות ובאופן ישיר. נתמקד באיזומריזצית ציס-טרנס של מולקולות אזו-בנזן (azobenzene) ע"י מדידת הפרגמנטים המולקולריים בעקבות "פיצוץ קולומבי".

• אפקטים אופטיים קולקטיביים בפאזה הגזית
  כאשר שדה טרה-הרץ 'עובר דרך' צבר של רוטורים מולקולריים ומקנה להם תנועה סיבובית, הוא גם יוצר מצבים רדיאטיביים קוהרנטיים המתבטאים בפליטה של פולסי טרה-הרץ באופן מחזורי. מתברר שכמות האנרגיה הנישאת אל מחוץ למערכת המולקולרית אינה זניחה כפי שמקובל להניח, ומתבטאת בשינוי משמעותי במאפייני הסיבוב של הרוטורים, המוסבר בהתנהגותם הקולקטיבית בדומה לסופר-קרינתיות (superradiance) נתמקד בחקר והבנת התופעה המתוארת ובשימושיה השונים.

 

ד"ר איליה קמינקר

פיתוח שיטות מתקדמות בספקטרוסקופיית תהודה מגנטית לאפיון ברה אטומית של קומפלקסים קואורדינטיביים ומולקולות על פני השטח.

• קיטוב גרעיני דינמי (Dynamic Nuclear Polarization, DNP)

• תהודה פאראמגנטית אלקטרונית (Electron Paramagnetic Resonance, EPR) בשדה גבוה.

• שימוש בשיטות תהודה מגנטית לאפיון של זרזים הטרוגניים חד אטומיים.

השיטה הספקטרוסקופית של תהודה מגנטית גרעינית (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) היא השיטה הספקטרוסקופית השכיחה והטובה ביותר לפיענוח מבנים מולקולריים. מגבלה עיקרית של שיטה זו המונעת שימוש נרחב בה גם לאפיון של מולקולות על פני השטח היא חוסר הרגישות. קיטוב גרעיני דינמי (DNP) מאפשר להעצים את סיגנל  ה-NMR ובכך לאפשר שימוש בשיטה זו גם לאפיון מבנים המוגבלים בריכוזם כגון אלה הנמצאים על פני שטח.

שיטת התהודה הפאראמגנטית אלקטרונית מאפשרת אפיון של חומרים פאראמגנטים כגון רדיקלים חופשיים וקומפלקסים של מתכות מעבר. כיום רוב מדידות ה-EPR נעשות בשדה מגנטי נמוך מה שמגביל את כמות המידע אשר ניתן לקבל. פיתוח שיטות EPR בשדה גבוה יאפשר הבנה טובה יותר של מנגנוני ה-DNP, כמו גם קבלת מידע מבני חיוני בדגש על קומפלקסים פאראמגנטיים של מתכות מעבר.

שיטות אלה ישמשו לאפיון ברמה האטומית של מולקולות וקומפלקסים על פני השטח בדגש על אפיון של אתרים פעילים בזרזים (קטליזטורים) הטרוגניים חד אטומיים במטרה לפענח את מנגנוני הפעולה שלהם. מחקר זה בעל חשיבות רבה בעבור תכנון מושכל של זרזים מהדור הבא עם ביצועים טובים יותר.

 

פרופ' שלומי ראובני

מחקר תיאורטי בסיסי, החוצה גבולות דיסציפלינריים מוכרים, יונק ומפתח כלים מתורת ההסתברות והסטטיסטיקה, לתיאור, הסבר, וחיזוי של תופעות, ולחקר מערכות בתחומים שונים של הכימיה הפיזיקלית ושל הפיזיקה הסטטיסטית והביולוגית.

אקראיות עומדת בבסיסם של תהליכים רבים המתרחשים ברמה המיקרוסקופית. שני חלקיקים הנעים בתמיסה ימצאו עצמם במקומות שונים אפילו אם החלו את תנועתם מאותו מקום, באותו זמן, ובאותה מהירות; ובשני תאים זהים, הגדלים באותה סביבה, נמצא לרוב מספר שונה של מולקולות מסוג מסוים. אך כיצד ניתן לתאר אקראיות? ובאיזו מידה הדרך בה אנו בוחרים לעשות זאת משפיעה על האופן שבו אנו מפרשים ניסויים? בשנים האחרונות נעשתה התקדמות טכנולוגית עצומה ביכולת לצפות בתהליכים המתרחשים ברמת המולקולה, החלקיק והתא הבודדים — אך במקרים רבים התיאור המתמטי הניתן לתהליכים אלו עדיין שאול מתורות קלאסיות שאינן לוקחות בחשבון אקראיות כלל, או לחילופין עושות זאת בהסתמך על הנחות פשטניות. כך ניתן לפספס לחלוטין את אפשרות קיומן של תופעות מסוימות או לשגות בהבנתן של תופעות אחרות. אנו מפתחים ומשכללים כלים אנליטיים לחקר תהליכים אקראיים ע"מ לחזות את קיומן של תופעות חדשות, וכדי להאיר באור שונה ומקורי תצפיות קיימות, תוך שימת דגש מיוחד על אוניברסליות ועל ניסיון להכליל לקחים הנלמדים ממודלים פשוטים.

חוקי הטבע מכתיבים שלל מגבלות, חסמים ותמורות (trade-offs). בתואר הראשון למדתם שישנה יעילות מקסימלית למנוע חום (קרנו), ושזו אינה תלויה כלל בחומרים המרכיבים אותו, או באופן שבו תוכנן, עוצב ונבנה. מגבלות יסודיות מעין אלו חלות גם על "מכונות" ביולוגיות והניסיון לאפיינן עומד בחזית המחקר המדעי. את המהירות שבה תאים מתחלקים ניתן למדוד, אך האם קיימת מהירות מרבית אותה לא ניתן לחצות? ואם כן, מה קובע אותה? תאים מפעילים שלל חיישנים מולקולריים המאפשרים להם למדוד טמפרטורה וריכוז ולהגיב בהתאם, אך האם ישנם חסמים אוניברסליים על מינימום ההשקעה הנדרשת ע"מ לעשות זאת בצורה טובה ומדויקת מספיק? שאלות אלו אינן פשוטות כיון והן דורשות הבנה מעמיקה הן של המערכות המולקולריות המצויות ביצורים חיים והן של חוקי הטבע הבסיסיים, והקושי לספק עליהן מענה אמפירי מדגיש ומעצים את האתגר התיאורטי הניצב לפתחנו. נהוג לחשוב ששנים של אבולוציה דחפו את החיים סביבנו למקסם את התועלת אותה הם מפיקים מסביבתם, אך כיצד ניתן לדעת זאת בוודאות מבלי לאפיין תחילה מהי התוצאה "הטובה ביותר" אותה ניתן להשיג במגבלות הנתונות? רק אם נצליח בכך, נוכל לדעת עד כמה באמת מערכות ביולוגית קרובות לחסמים המגבילים את פעולתן, ובאיזו מידה הייתה לקרבה זו השפעה על האופן שבו הן נראות ועל הדרך שבה הן פועלות.

יש לכם זיקה חזקה לתיאוריה וראש מלא ברעיונות לא שגרתיים? היכנסו לאתר הבית שלנו: http://shlomireuveni.weebly.com. נשמע לכם מעניין? רוצים לקחת חלק? מועמדים הרואים עצמם מתאימים מוזמנים לפנות כבר כעת (הקבוצה תחל את פעילותה בסתיו 2017).  

 

פרופ' יעל רויכמן

מחקר ניסיוני בתחום החומרים הרכים ומכאניקה סטטיסטית מחוץ לשיווי משקל תרמי.

• מכאניקה סטטיסטית מחוץ לשיווי משקל תרמי.
  מערכת הניסוי תכלול מלקחיים הולוגרפים אופטיים (Holographic Optical Tweezers) שבעזרתם נלכוד ונניע חלקיקים קולואידים. הדינאמיקה של חלקיקים אלו תימדד בעזרת שיטות עיבוד תמונה מתקדמות. בתחום מחקר זה נערוך ניסויים במספר מערכות שונות על מנת ללמוד מהפרט אל הכלל מה מאפייני הדינאמיקה של מערכות שאינן בשיווי-משקל תרמי.

• חומרים אקטיבים (active matter).
  חומרים אקטיבים הם חומרים שמכילים מרכיבים שיכולים להמיר אנרגיה כימית או חשמלית לתנועה. במעבדה אנו חוקרים תנועה קולקטיבית של צברי רובוטים קטנים כמערכת מודל למערכות אלו. המחקר עוסק בהבנת האינטראקציות בין הרובוטים דרך הסביבה שלהם, בהתנהגות הקולקטיבית של צברי רובוטים המכילים מספר קטן יחסית (עד 20), ובהכוונה של התנועה וההתנהגות של הצבר בהתערבות מינימלית. אחד היישומים של צבר רובוטים קטן אליו אנו שואפים הוא כמערכת הובלת מטען דרך מכשולים, באופן שמחכה התנהלות של נחילי נמלים.

• ניתוח תנועה של חלבונים בודדים במערכות חיות.
  אנו מתעניינים באופני התנועה של חלבונים בתוך תאים בכדי להבין תהליכים ביולוגים שונים. לשם כך אנו משתפים פעולה עם מספר מעבדות בארץ. למשל, יחד עם חוקרת בפקולטה לרפואה אנו חוקרים את הביופיזיקה של חלבוני כרומטין במערכת העצבים. אנו מעוניינים להבין כיצד מחפשים ומוצאים החלבונים הללו את אתרי הקישור ב DNA בזמן חלוקת התא.

 

ד"ר טל שוורץ

כאשר אור עובר אינטראקציה עם חומר בסקלת גודל ננומטרית, ההתנהגות יכולה להיות שונה מאד מאשר ברמה מקרוסקופית – התכונות האופטיות של החומר ותגובתו לאור משתנים כתלות בגיאומטריה ספציפית ולכן  ניתן על ידי יצירת מבנים מלאכותיים לשלוט על תכונות אלו ולקבל חומרים מרוכבים עם תכונות חדשות. במחקר נתרכז בשני נושאים עיקריים, המשלבים כימיה עם אופטיקה, פיסיקה קוונטית ומדע חומרים:

1. אינטראקציה חזקה של אור ומולקולות אורגניות: חקירת תכונות אופטיות של מולקולות מצומדות להתקנים אופטיים והבנת תהליכים קוונטים רבי-חלקיקים באותן מערכות היברידיות. שליטה על אותן אינטראקציות  עם דגש על שימושים לפוטו-כימיה, תאים סולריים והתקנים פולטי אור אורגנים. במחקר זה נעשה שימוש בגיאומטריות שונות, כולל מבנים פלזמונים המאפשרים שליטה ומיקוד אור למימדים ננומטריים.

2. תכונות אופטיות של ננו-חלקיקים מתכתיים: צבעו של חלקיק זהב בגודל ננומטרי אינו מזכיר כלל זהב. הסיבה לכך היא שכאשר מעצבים מתכת במימדים ננומטריים תכונותיה האופטיות תלויה בפרטים כמו גודל וצורה. במחקר נעסוק בגידול ננו-חלקיקים וצבירים של אותם חלקיקים על מנת לקבל חומרים עם תכונות אופטיות חדשות, אותן נחקור על ידי שימוש במגוון שיטות ספקטרוסקופיות מתקדמות.