משחק הלגו כמודל להבנת תהליכים בסקאלת המיקרומטר והננומטר

משחק הלגו כמודל מצוין להבנת תהליכים בסקאלת גודל המיקרומטר והננומטר

נראה שבדיוק לרגל שנת הלימודים מדעני ג’ון הופקינס הגיחו עם רעיון מבריק לכיתת המדעים: הביאו לכיתה את משחק הלגו, שיכול לשמש מודל זול וגם אמין למתרחש בעולם המיקרו ואף הננומטר. להלן הסיפור.

מהנדסים מהמכון לננו-ביוטכנולוגיה באוניברסיטת ג’ון הופקינס ברשות ג’ואל פרשט וג’רמן דרזר משתמשים במשחק הלגו כמודל שייסע להם לבצע ויזואליזציה להתנהגות החלקיקים, התאים והמולקולות בסביבות שהן יותר מידי קטנות לעין שלנו. החוקרים משחקים באבני לגו קטנות שמעוצבות כמו פינים כדי ליצור מחדש פעילות מיקרוסקופית שמתרחשת ברמה המיקרוסקופית והננוסקופית. מכיוון שקשה למדוד את הכוחות הפועלים ברמות הזעירות, המדענים מג’ון הופקינס החליטו לחשוב בגדול.

 

German Drazer, assistant professor of chemical and biomolecular engineering, prepares to use a LEGO board to study the way particles behave in a microfluidic device to re-create microscopic activity taking place inside lab-on-a-chip devices at a scale they can more easily observe.

פרופ’ ג’רמן דרזר חוקר במערך לגו – מודל בגודל שונה – וצופה באופן שבו חלקיקים מתנהגים ברכיבים מיקרו-נוזלים כדי לשחזר  את הפעילות המיקרוסקופית על רכיבי מעבדה על צ’יפ.

הרעיון שעומד מאחורי הפרויקט הוא המושג של “אנליזה ממדית”, לפיה תהליך נחקר בגודל שונה ובסקאלת זמן שונה, בעוד אנו שומרים על אותם העקרונות המדעים.

המהנדסים מג’ון הופקינס השתמשו בלגו כדי לשחזר בסקאלה נראית יותר את הפעילות המיקרוסקופית שמתרחשת במה שקרוי רכיבי מעבדה על צ’יפ. ברכיבי מעבדה על צ’יפ אלה, שידועים גם בשמם מערכים מיקרו-נוזלים, הכוחות הפועלים הם כה זעירים שקשה למודדם. ולכן כדי לפתור בעיה זו המהנדסים מג’ון הופקינס פנו למשחק הילדים הידוע לגו.

מעבדה על צ’יפ היא רכיב שמשלב מספר פונקציות מעבדה על צ’יפ אחד בגודל של כמה מילימטרים רבועים. המעבדה על צ’יפ מבצעת מניפולציה בנפחי נוזל זעירים ביותר בגודל של פחות מפיקו ליטרים. מדובר במערכים מיקרו-נוזלים שעושים שימוש ביחידות נפח של נוזלים. כלומר, “מזיזים” יחידת נוזלים על פני מרחק מסוים בערוצים מיקרו-נוזלים.

החוקרים מג’ון הופקינס חקרו שיטות במערכים המיקרו-נוזלים שהם חשדו שיישארו זהות במעבר מהגודל הזעיר של המיקרומטר או הננומטר לגודל של בדידי הלגו.

הקבוצה השתמשה בחרוזים בגודל של כמה מילימטרים, באקווריום שהוא מלא בגליצרול ובאבני לגו שהיו מסודרות על לוח לגו כדי לנסות ולחשוף את המסתורין במערכים המיקרו-נוזלים. התצפיות, כך לפי החוקרים, יכולות לסייע לשיפור התכנונים של היצור של טכנולוגיות המעבדה על הצ’יפים. המחקר אודות הטכניקה של שילוב הלגו במודל פורסם ב-11 לאוגוסט ב- Physical Review Letters.

שחרור כדור זעיר במערך לגו

החוקרים בנו מערך לגו שעולה לא יותר מכמה מאות דולרים וניתן לכן לשחזרו בכל יריד למדעים. המערך עושה שימוש באבני לגו בצורת גלילים המסודרים על לוח הלגו בשורות ועמודות כדי ליצור רשת של מכשולים. הלוח חובר באמצעות פלסטיק כדי לשפר את קשיחותו והוא נלחץ כנגד קיר אחד של מיכל פלסטי מלא בגליצרול. כדורי מתכת אל-חלד בעלי שלושה גדלים שונים, נוסף לכדורי פלסטיק, שוחררו ידנית מהקצה העליון של המערך. מסלולם מלמעלה ועד למטה סומן ותוזמן בעזרת מצלמה.

החוקרים בצעו מספר ניסויים פיזיקאליים במודל הלגו הזה. הם סובבו את הלוח בתוך האקווריום של הגליצרול, בחנו את תנועת הכדורים שנעים דרך מכשולי הלגו ובחנו האם ניתן להשוותה לתנועת דיפוזיה או תנועה אקראית והשוו אותה למקבליהם במערך המיקרו-נוזלי. הם שמו לב שמסלול הכדורים היה מחזורי ברגע שהכדורים היו בתנועה ותנועתם חפפה עם זו של כיוון הרשת של אבני הלגו. בעוד החוקרים סובבו את המערך עם אבני הלגו הגליליים וכך אבני הלגו הגליליים נטו להפעיל מעין כוח עם זווית הסיבוב, זווית אילוץ, חלק מהכדורים נטו לזוז אל עבר אחד, שניים, שלושה או מספר אבני לגו. זאת בטרם הם המשיכו במסלולם לעבר נפילה אנכית כלפי מטה.  

החוקרים הראו את הדבר הבא בניסוי שלהם: אם לוקחים מערך של לגו, ובוחנים את התנועה של הכדורים סביב מכשולי הלגו, רואים שהכדורים נעים באותו הכיוון בתוך המערך עבור זוויות אילוץ שונות. כלומר, הרשת ביצעה להם מה שקרוי “נעילת פאזה” או סנכרון. היא נעלה את הכדורים בתוכה וסנכרנה אותם והם לא עפו מתוך הרשת כאשר שינו את הזוויות.

עתה נניח שנקטין את מערך הלגו עוד ועוד ועוד ועוד… עד לרמת גודל המיקרו ואפילו לרמת גודל הננו. מה יקרה? החוקרים טוענים שהם מצפים שתופעות אלה בדיוק עדיין יתקיימו ואפילו יתגברו, כל זאת תלוי בגורמים כמו סדירויות בלתי צפויות כמו גודל החלקיק וחספוס פני המשטח. ולכן, החוקרים בניסוי שלהם עם בדידי הלגו הראו שעל ידי בניית מודל הלגו ניתן לנבא את המסלול של החלקיקים במערך מיקרו-נוזלים בכל זווית אילוץ על ידי שיקולים גיאומטריים.

 

הכל יחסי בעולם הלגו. מכאן.

 

מה למדנו מהניסוי של המדענים מאוניברסיטת ג’ון הופקינס? שיש ערך למשחק הלגו ודומיו כמודל פיזיקאלי כאשר רוצים לבצע בכיתה בבית הספר למשל הדגמה ממדית זולה יחסית. כלומר, כאשר רוצים להבין תהליך מיקרוסקופי או אפילו ננוסקופי – תהליך בגודל שונה ובסקאלת זמן שונה- ניתן לפנות למשחק הלגו ולעוד כמה חומרים שהם יחסית בהישג יד – וזאת כאשר אנו שומרים על אותם העקרונות המדעיים. 

 

הכנסת משחק הלגו לכיתת מדעים יכולה באמת להיות רעיון נחמד. רק הערת אגב על רעיונות מקוריים לשיפור החינוך. בימים בהם כל יום שר החינוך של ישראל מר גדעון סער שולף מהכובע רעיון חדש “לשיפור החינוך”, חלק מהרעיונות הם רעיונות “האפבייקט”. אתמול נכתב ב”הארץ“, ששר החינוך מר גדעון סער, הציג בפני חברי ועדת החינוך את היערכות משרדו לקראת פתיחת שנת הלימודים בשבוע הבא. בין השאר, מתכנן משרד החינוך להשיק מקצוע חדש בשם “מורשת ותרבות ישראל”, לתגמל בתי ספר עם שיעור מתגייסים גבוה. באגודה לזכויות האזרח אמרו בתגובה ליוזמת סער, כי “ראוי להזכיר לשר סער כי הזכות לחינוך ולשוויון היא זכות יסוד, ולא ניתן להתנות אותה בדבר, גם לא בשירות צבאי. היוזמה מעלה חשש כבד להעמקה נוספת של האפליה בחינוך ממנה סובל כבר עכשיו המגזר הערבי, הפטור על פי חוק משירות ביטחון”.

ד”ר האפבייקט 

 

 

המאמר:

 

Phys. Rev. Lett. 103, 078301 (2009) [4 pages]

Directional Locking and the Role of Irreversible Interactions in Deterministic Hydrodynamics Separations in Microfluidic Devices

Manuel Balvin, Eunkyung Sohn, Tara Iracki, German Drazer, and Joelle Frechette
Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Johns Hopkins University, Baltimore, Maryland 21218, USA

Received 24 April 2009; published 11 August 2009

We performed macroscopic experiments on the motion of a sphere through an array of obstacles that highlight the deterministic nature of the lateral displacements that lead to particle separation in microfluidic systems. The motion of the spheres is irreversible and displays directional locking. The locking directions can be predicted with a single parameter that distinguishes between reversible and irreversible particle-obstacle collisions. These results stress the need to incorporate irreversible interactions to predict the movement of a non-Brownian sphere passing through a periodic array.

 

Advertisements