מעבדה מתקדמת בכימיה פיזיקלית

מעבדה זו מיועדת להוראת שיטות ניסיוניות מתקדמות בכימיה פיזיקלית בשנה ג', ומרביתה מתקיימת במעבדות המחקר של חוקרי.ות בית הספר בציוד המשמש למחקר עכשווי. העבודה במעבדה מתקיימת בזוגות, כאשר כל זוג מבצע במהלך הסמסטר 3 ניסויים מתוך רשימת הניסויים המופיעה למטה.

האחראים האקדמיים של המעבדה הם:

פרופ' אורי צ'שנובסקי

פרופ' גיל מרקוביץ

רשימת המדריכים.ות במעבדה המתקדמת לכימיה פיזיקלית – סמ' ב' שנה"ל תשפ"ג:

1. שם הניסוי: (Scanning Probe Microscopy (AFM
   מיקרוסקופית גשש סורק
   
   תקציר: במעבדה זו נלמד את עקרונות הפעולה של מיקרוסקופ הכוח האטומי (AFM). הניסוי מתבצע במעבדה של פרופסור גיל מרקוביץ'.

   ה-AFM משמש לסריקת פני השטח של דוגמא, ובהתבסס על הכוחות הפועלים בין המשטח והתקן הסריקה ניתן לקבל הדמיה של טופוגרפיית פני השטח ברזולוציה אטומית.

   במהלך הניסויים נבצע באמצעות ה-AFM מדידות של דוגמאות ממחקר בתחום ה-Nanowires.
   
   
   ​

2. שם הניסוי: Langmuir-Blodgett Films (LB)
   שכבות חד-מולקולאריות ואפיונן
   
   תקציר: בניסוי זה ניצור באמצעות מכשיר ה- LB שכבות לנגמיר חד-מולקולאריות, המורכבות ממולקולות אמפיפיליות (בעלות קצה הידרופילי ושייר הידרופובי). את השכבות הללו ניצור בשטח המגע שבין שתי הפאזות בניסוי- הפאזה הנוזלית (מים) והפאזה הגזית (אוויר) אשר הינן בעלות מידת הידרופיליות שונה. כאשר יפוזרו בריכוז נמוך מספיק, כתוצאה מאופי הקישור השונה בשני קצוות המולקולות, הן ילכדו בשטח המגע בין שתי הפאזות, כך שהקצה ההידרופילי שלהן ימצא בתוך הפאזה המימית והשרשרת ההידרופובית בפאזת האוויר. במכשיר ה LB  יתבצעו ניסיונות דחיסה דו-ממדיים של המולקולות הלכודות בין המים לאוויר וע"י מדידת איזותרמות הדחיסה יוסקו יילמדו מעברי פאזות בתוך השכבות.
   
   
    

3. שם הניסוי: Point Contact and Molecular Junctions
   'פוינט קונטקט' וצמתים מולקולריים
   
   תקציר: בניסוי 'פוינט קונטקט' נתנסה בשיטות פבריקציה, איפיון ומדידה של צמתים מולקולריים. הניסוי נחלק לשלושה חלקים. בחלק הראשון נלמד על שיטת הפוטוליתוגרפיה המהווה את השיטה המרכזית לפבריקציה של התקנים מיקרוסקופיים בתעשיה ובכלל. חלק זה מתבצע כולו בחדר הנקי שבמרכז הננו. בחלק השני נכיר את שיטת האלקטרומגרציה להכנת צמתים מולקולריים וצמתים מסוג 'פוינט קונטקט'. חלק זה מתבצע במעבדה של יורם זלצר וכולל מדידות ואיפיון חשמלי של צמתים. בחלק השלישי והאחרון נלמד על מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) ונאפיין באמצעותו דגמים שהכנו בשני השלבים הראשונים.
   
   Abstract: When the size of electrical conductors becomes comparable to the characteristic wavelength of their charge carriers, the wave-nature of these carriers becomes apparent in their conduction properties. In this experiment we will learn about this phenomenon by measuring the conductance of a single gold atom. The experiment is divided into three parts including fabrication methods, characterization and electrical measurements of single gold atom junctions. The first week we’ll learn how to make nano constrictions with a width below 100 nm by e-beam lithography technique in TAU nano center. In the second week, the electromigration method for creating point-contacts and nanogaps will be introduced. This part is performed at the lab of Prof. Yoram Selzer and includes electrical characterization of the junctions. The third week teaches about scanning electron microscopy (SEM) which will be used to characterize the dimension of samples produced in the previous parts
   
    

4. שם הניסוי: Raman Spectroscopy
   ספקטרוסקופיית ראמאן
   
   תקציר: בניסוי תוצג שיטת מדידה אופטית המבוססת על אינטראקציית קרני אור עם רמות אנרגיה וויברציוניות של חומר בתהליך שנקרא פיזור ראמאן. במהלך הניסוי, המתבצע במעבדת אורי צ'שנובסקי, ילמדו הסטודנטים את העקרונות התאורטיים של השיטה  ויכירו לעומק את המערכת הניסיונית הבנויה ממיקרוסקופ ,מקור לייזר ,ספקטרוגרף וגלאים רגישים. הסטודנטים יאפיינו באמצעות המערכת חמרים שונים ביניהם שכבות אטומית בודדת של גרפן וננו-צינוריות פחמן. בנוסף הסטודנטים ינטרו טמפרטורה בהתקנים אלקטרונים תוך מדידת אכלוס רמות האנרגיה. המעבדה תקנה כלים חשובים למחקר ולתעשיה בתחום האופטיקה.
   
   
    

5. שם הניסוי: SPT - Colloidal suspension – a tool to observe the microscopic properties of material phases
   תרחיפים קולואידים – נקודת מבט מיקרוסקופית על גזים ונוזלים​
   
   תקציר: במעבדה זו נחקור את התנועה המיקרוסקופית והסידור המרחבי של מולקולות בגז ובנוזל על ידי התבוננות המערכת מודל, תרחיף קולואידי, בו החלקיקים הקולואידים משמשים כמודל למולקולות. אנו נתבונן בתרחיפים קולואידים בריכוזים שונים בעזרת מיקרוסקופ אופטי, ונשתמש בשיטות של עיבוד תמונה בכדי לעקוב אחר תנועתם של החלקיקים (Single Particle Tracking). נתמקד בשתי גישות שונות בכדי להשוות התנהגות של מולקולות בגז ובנוזל:

   1. דינמיקה של מולקולה בודדת: דיפוזיה.

   2. מבנה מרחבי של התרחיף: pair correlation function.
      
      
      
      ​

6. שם הניסוי: (Electron Paramagnetic Resonance (EPR

   תהודה פראמגנטית אלקטרונית
   
   בניסוי זה נתנסה בטכניקה ספקטרוסקופית של תהודה פראמגנטית אלקטרונית (EPR). בדומה לתהודה מגנטית גרעינית (NMR) המאפשרת אפיון וחקר של מולקולות ע"י מדידת אינטראקציות מגנטיות בין ספינים גרעיניים, שיטת הEPR מאפשרת אפיון וחקר של רדיקלים וחומרים פאראמגנטיים אחרים ע"י מדידת אינטרקציות של הספין האלקטרוני. מהיתרונות הבולטים של השיטה אפשרות הסתכלות ישירה על רדיקלים, מה שאינו אפשרי בNMR, ואפשרות למדידה ישירה של תכונות דינמיות של המערכת המולקולרית כגון תנועות טרנסלטוריות וסיבוביות של הרדיקלים השונים.

   בניסוי זה, המתבצע במעבדתו של ד"ר איליה קמינקר, נלמד את עקרונות השיטה ונחקור דוגמאות שונות ואת תכונותיהן הפיזיקליות באמצעות ספקטרוסקופיית ה-EPR. נסתכל בצורה כמותית איך תנועת הרדיקלים מושפעת מתנאי הסביבה כגון ריכוז, צמיגות הממס והטמפרטורה. במפגש האחרון ניישם את הנלמד על שיטת הEPR למדידת שינוי המוביליות של הליפידים במעבר פאזה של ממברנה ביולוגית.  

   
   
    

7. שם הניסוי: Introduction to Molecular Dynamics (MD) Simulations and Their Applications
   
   תקציר:

   Molecular dynamics simulations follow the dynamics in time of each atom in a system composed of many particles, such as a liquid or a solid. It is essentially a virtual microscope that enables performing experiments on your computer with atomic resolution! 

   These techniques are key for learning new insights that cannot be found out in other ways. Molecular dynamics (MD) simulations were first accomplished in 1957 by Alder and Wainwright to describe a system of hard spheres that move at a constant velocity between perfectly elastic collisions. Within a few years (Rahman, 1964), MD simulations were carried out on a system of particles under the Lennard-Jones interaction potential. Rahman and Stillinger carried out an early attempt to develop an MD model for liquid water already in 1971.

   Since then, MD simulations have developed to investigate very complex systems such as polymers, proteins, carbohydrates, and many more. Today MD simulations are employed to solve many fundamental and applicable problems ranging from protein folding to atmospheric chemical reactions. In this theoretical/computational lab, you will use MD to solve different problems yourselves.
   
   
    

8. שם הניסוי: Time domain terahertz spectroscopy
   
   Abstract: When the size of electrical conductors becomes comparable to the characteristic wavelength of their charge carriers, the wave-nature of these carriers becomes apparent in their conduction properties. In this experiment we will learn about this phenomenon by measuring the conductance of a single gold atom. The experiment is divided into three parts including fabrication methods, characterization and electrical measurements of single gold atom junctions. The first week we’ll learn how to make nano constrictions with a width below 100 nm by e-beam lithography technique in TAU nano center. In the second week, the electromigration method for creating point-contacts and nanogaps will be introduced. This part is performed at the lab of Prof. Yoram Selzer and includes electrical characterization of the junctions. The third week teaches about scanning electron microscopy (SEM) which will be used to characterize the dimension of samples produced in the previous parts.

ניסויים שלא יתקיימו בשנה"ל תשפ"ג:

שם הניסוי: (Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC
מדידת זמני דעיכה של פלואורסצנציה בפאזה מעובה באמצעות ספירת פוטונים

תקציר: בניסוי זה אנו רואים שינוי משמעותי בתכונות כימיות באמצעות עירור מולקולה ממצב יסוד אלקטרוני למצב מעורר. השינוי שאנו רואים הינו שינוי בערך ה- pKa, כלומר שינוי במידת חומציות המולקולה. מולקולות בהם מתרחש אפקט שכזה נקראות פוטו-חומצות. בניסוי זה אנו נלמד על העקרונות של ספקטרוסקופיה אופטית, בדגש על ספקטרום בליעה אופטית ופלואורסצנציה. נלמד למדוד זמני דעיכה פלואורסצנטיים בשיטת (Time-correlated single photon counting (TCSPC . בניסיון אנו מקשרים את תוצאות המדידה בטכניקת TCSPC ובספקטרום הפלורסנציה לשינוי בערך ה- pKa של המולקולה 8-Hydroxypyrene-1,3,6-trisulfonic acid, שהיא פוטו חומצה נפוצה.

שם הניסוי: Single Molecule Epectroscopy
ספקטרוסקופיה של מולקולה בודדת

תקציר: 
The experiments carried out in the lab of Prof. Yuval Ebenstein will teach basics of fluorescence microscopy and its application for the analysis of epigenetic modifications on single DNA molecules. We will assemble a fluorescence microscope, then use it to image DNA molecules that are stretched out on surfaces and labelled with an intercalating fluorescent dye. In the second part, we will label epigenetic modifications on genomic DNA with aside groups, use click chemistry to attach two different fluorescent dyes and compare the bleaching behavior of single dye molecules. For this we will work with a more-advanced fluorescence microscope in the Ebenstein lab.

שם הניסוי: (Nuclear magnetic resonance (NMR
תהודה מגנטית  גרעינית

תקציר: כמשתמע מכך שמערך ה-NMR הינו חלק מהמעבדה המתקדמת בכימיה פיסיקלית, מערך זה נועד ללמד את הפן הפיסיקלי של ה-NMR. ניתן לומר שהמעבדה בנושא זה משלימה את הקורסים יסודות התהודה המגנטית ותהודה מגנטית גרעינית בכימיה ובביורפואה. שלא כמו במעבדות בכימיה אורגנית ובקורס יישום שיטות פיסיקליות בכימיה אורגנית, שם מתמקדים באנליזה של הספקטרה, כאן החומרים פשוטים ביותר וכפועל יוצא גם הספקטרה פשוטים ביותר וההתמקדות היא בעקרונות השיטות ולא ביישומן. כמו שאר המערכים במעבדה, גם כאן ישנם שלושה מפגשים שבנויים מן הקל אל הכבד – במפגש הראשון לומדים את הבסיס. למעשה, בסופו של המפגש הראשון מתקבל ספקטרום NMR חד מימדי פשוט. בשבוע השני לומדים ומבצעים מדידות רלקסציה והשבוע השלישי הוא שבוע חופשי בו נלמדים נושאים מתקדמים ב-NMR. הנושאים הספציפיים מתחלפים משנה לשנה ו/או ממדריך למדריך ויכולים להיות NMR דינמי, מעבר מגנטזציה, NMR דו ממדי, מדידות דיפוזיה או שלל ניסיונות מתקדמים אחרים.

שם הניסוי: Random Walk - Group A, Random Walk - Group B
הילוך אקראי
​
תקציר: 
The term "random walk" was first coined in 1905 by Karl Pearson as part of a question he presented to the readers of the journal Nature:

"Can any of your readers refer me to a work wherein I should find a solution of the following problem, or failing the knowledge of any existing solution provide me with an original one? I should be extremely grateful for aid in the matter. A man starts from a point "O" and walks "l" yards in a straight line; he then turns through any angle whatever and walks another "l" yards in a second straight line. He repeats this process "n" times. I require the probability that after "n" stretches he is at a distance between "r" and "r+δr" from his starting point "O".

More than a century later, the theory of random walks has greatly evolved and it is now routinely applied in physics (diffusion, polymers), chemistry (chemical reactions), biology (from the motion of organisms to that of organelles and molecules inside the cell), and economics (models of stock exchange). In this theoretical/computational lab you will familiarize yourself with random walks and their applications through a hands-on problem-solving approach.