مرشحات تدور

هل من الممكن إنشاء "غربال" يفرز الأجسام - على سبيل المثال، الإلكترونات - وفقا لاتجاه دورانها؟ وتبين أن هذا بالضبط ما فعلوه البروفيسور رون نعمان وأعضاء مجموعته في قسم الفيزياء الكيميائية في معهد وايزمان للعلوم. وقد يؤدي هذا الاكتشاف في المستقبل إلى ابتكارات مثل تقليل تكلفة إنتاج الهيدروجين، وتوسيع كمية المعلومات التي يمكن تخزينها على القرص الصلب.

تبدأ قصة بحث البروفيسور نعمان الحالي بالخاصية اللامركزية لجزيئات معينة: فهي تظهر في أزواج متطابقة في تركيبها ولكنها تختلف في ترتيب ذراتها في الفضاء، مثل اليمين واليسار، وهي تتميز بتناظر المرآة (الكلمة اللولبية تأتي من الكلمة اليونانية "اليد"). يتم بناء البروتينات من الأحماض الأمينية، وتستخدم في الطبيعة، من بين أمور أخرى، لنقل الإلكترونات، في عمليات مثل الأكسدة والتمثيل الضوئي.

في دراسة سابقة، أظهر فريق بحث البروفيسور نعمان أن جزيئات الحمض النووي، التي تكون كيرالية، وكذلك الببتيدات (التي تتكون من عدد صغير نسبيا من الأحماض الأمينية)، تنقل الإلكترونات بشكل أكثر كفاءة مع الدوران (السبين) في اتجاه واحد، مقارنة بـ الإلكترونات تدور في الاتجاه المعاكس. في الدراسة الحالية، مرر العلماء تيارًا من الإلكترونات ذات الدوران في كلا الاتجاهين المحتملين، من خلال جزيئات بيولوجية مراوانية. وبهذه الطريقة اكتشفوا أن هذه الجزيئات، مثل البروتينات، غالبًا ما تفضل نقل الإلكترونات باتجاه دوران معين. هذه هي الطريقة التي يمكن أن تعمل بها هذه الجزيئات كـ "مرشح دوران": فهي تمرر معظم الإلكترونات بدوران معين، وتمنع مرور معظم الإلكترونات بدوران معاكس.

أطلق العلماء على هذا الاكتشاف اسم تأثير CISS، وهو اختصار لعبارة Chiral Induced Spin Selectivity. النظرية التي تتناول هذا التأثير تم تطويرها من قبل الدكتور كيرين ميكايلي من قسم فيزياء المواد المكثفة. يقول البروفيسور نعمان: "هذه الظاهرة، المرشحات الدورانية، تنشأ عادة في المواد المغناطيسية الحديدية". "هذه هي المرة الأولى التي نلاحظ فيها أن الجزيئات العضوية اللولبية غير المغناطيسية يمكن استخدامها كمرشحات دورانية."

قد يكون لظاهرة كيبك المستمر (CISS) العديد من التطبيقات المستقبلية في مجموعة واسعة من المجالات، بما في ذلك إنتاج الهيدروجين من الماء وتطوير ذاكرة مغناطيسية تعتمد على الإلكترونيات السبينية، أي الذاكرة التي ستعتمد على خاصية دوران الإلكترونات، وليس على شحنتهم الكهربائية. ويقول البروفيسور نعمان: "إن أجهزة الذاكرة هذه موجودة بالفعل اليوم، ولكن تلك التي تعتمد على الجزيئات اللولبية سيكون إنتاجها أسهل، وسوف تستهلك طاقة أقل". تم إجراء هذا البحث بالتعاون مع مختبر البروفيسور يوسي بلاتيل من الجامعة العبرية.

كتب العلوم

ومقارنة باستهلاك الطاقة في أنظمة إنتاج الهيدروجين الحالية، أتاحت الطريقة الجديدة تقليل استهلاك الطاقة في عملية إنتاج الهيدروجين من الماء في المختبر بنسبة 30%.