נס פיזיקלי: השכן הגאון שיביא יום אחד פרס נובל לפתח תקווה

גילוי נאות: אני חלש מאוד בלימודים ריאליים. עד כמה חלש? קיבלתי ציון 74 בבגרות במתמטיקה, שלוש יחידות. ובכל זאת, במשך שעתיים ישבתי עם אחד משכניי בכפר גנים בפתח־תקווה, בשעה שהוא הסביר לי בפירוט מדעי על אחד החומרים המרתקים ביותר שחוקרים הפיזיקאים בשני העשורים האחרונים: שכבת פחמן דו־ממדית כמעט, בעובי אטום אחד בלבד, המכונה גְרָפֵן (Graphene).

השכן הזה, ד"ר רפי ביסטריצר, שלא שמעתי את שמו מימיי, זכה לאחרונה בפרס וולף, הפרס השני בחשיבותו בעולם המדע. מתברר שאפשר לזכות בפרס הזה בלי שידעו דבר על קיומך. והאמת, אפשר להבין מדוע ביסטריצר עלום כל כך. נסו להבין מדוע הוא זכה בפרס: לפני עשור בערך הוא פרסם יחד עם פיזיקאי אמריקני הוכחה תיאורטית, חישובית, לקיומו של מצב מוליכות ייחודי בגרפן; לפני שלוש שנים מדען שלא הכיר כלל הצליח להוכיח בניסוי את התיאוריה שלו, ולגלות מהן התכונות של הגרפן במצב הזה. בעקבות כך, ביסטריצר ושני המדענים האחרים זכו יחד בפרס וולף בפיזיקה (ולכן הפכו גם למועמדים טובים לזכות בעתיד בנובל), על "עבודה חלוצית בתיאוריה וניסוי של גרפן דו־שכבתי מסובב".

אל דאגה, מיד נסביר את המשפט הסתום הזה – אבל קודם, קצת על הדוקטור: הוא בן 47, נשוי לענת, ויש להם שלושה ילדים. שתי הבנות, ניצן וטופז, משרתות בצבא. יותם עולה לכיתה י'. הם יכולים להסביר את התגלית שלו, אומר ביסטריצר, "אבל רק בעקבות הפרס". הוא גדל במשפחה ציונית־דתית בתל־אביב, ולמד בתיכון הטכנולוגי בר־אילן. "קיבלתי חינוך מדעי מצוין", הוא מספר. "בבית היה לנו מנוי קבוע על 'סיינטיפיק אמריקן', את הרוב לא הבנתי אבל עצם העובדה שכתב העת היה בבית חשפה אותי לעולם המדעי וגירתה את החושים". לפיזיקה נחשף לראשונה בתיכון. "המורה שלי בכיתה י', ד"ר חיים דנינו, היה הראשון שהראה לי את היופי של הפיזיקה וגרם לי להתאהב בה".

בשנים האחרונות עבד ביסטריצר בכמה חברות בהייטק הישראלי, ולאו דווקא בתחום הנדסת החומרים. "בבואך לפתור בעיה בפיזיקה אתה חייב לבוא בגישה מלאת ביטחון של חצי א־לוהים", אומר לי ביסטריצר. "בכל זאת, אתה הולך לפתור משהו שאיש לפניך לא הצליח לפתור. גישה אחרת לא תביא אותך לשום מקום. צריך להרגיש מסוגלות בלתי רגילה. אבל מצד שני, בלי הצטנעות, אתה מרגיש כמו אדווה קטנה בהיסטוריה של המדע. הגילוי שלי מבוסס על תגליות רבות חשובות הרבה יותר. התמזל מזלי לתרום את התרומה הזו ואני מרגיש בר מזל שיצא לי לשחק את התפקיד הקטן הזה, אבל המדע גדול ורחב כל כך שאני תמיד שם את זה בראש ונכנס לפרופורציה".

כשהאלקטרונים קופאים

הבטחנו להסביר מהו הגילוי של ביסטריצר, אבל מוכרחים להתחיל בהקדמה. אחת משאלות הטריוויה הנפוצות שכולנו יודעים לענות עליהן מתוך שינה היא מהו החומר החזק ביותר בעולם: יהלום, נמלמל, ונתהפך לצד השני מתחת לשמיכה. אבל זו טעות. הגרפן, החומר הדק־דקיק המתואר לעיל, חזק יותר מיהלום מבחינה פיזיקלית טהורה. "גרפן חזק פי מאתיים מפלדה, קשה יותר מיהלום, אלסטי מאוד ואפשר למתוח אותו ב־25 אחוז בלי שיישבר", אומר ביסטריצר. "הוא גם מוליך חום וחשמל בצורה בלתי רגילה". איפה אפשר למצוא את הגרפן רב העוצמה הזה? בכל עיפרון פשוט.

ההברקה שפרצה את הדרך למציאת "זווית הקסם", אומר ביסטריצר, הייתה ההבנה שאפשר להתייחס למערכת גרפן דו־שכבתית מסובבת בתור גביש. "ברגע שאפשר לתאר אותה כמו גביש, ברור שיש פסי אנרגיה. ואז אתה בונה תיאוריה, מערכת משוואות שמתארת מה קורה בחומר הזה, ופותר אותה בצורה אנליטית או בחישוב נומרי באמצעות מחשב. ראינו בחישוב נומרי שבזווית 1.1 מעלות פס האנרגיה נעשה מאוד שטוח. הייתי בטוח שיש פה טעות ובדקתי את החישוב כמה פעמים, אבל התוצאה הייתה זהה. בנוסף, הצלחנו להראות באופן אנליטי שמהירות האלקטרונים מתאפסת בזווית הקסם בנקודות מיוחדות, הנקראות נקודות דיראק".

הגרפיט שבעיפרון הוא חומר חלש ופריך – כדי לשבור אותו לפיסות זעירות די בכוחו של נייר דבק פשוט. אבל הגרפן חזק מאוד. "השכבות בגביש גרפיט מחוברות בכוח חלש מאוד, ומתפרקות בלחץ עדין מאוד, ולכן הגרפיט טוב לכתיבה", מסביר ביסטריצר. "כל אות שכתובה בעיפרון על דף מכילה כמה מיליוני שכבות כאלה, וכל שכבה כזו היא גביש דו־ממדי. בעבר הייתה טענה תיאורטית שאי אפשר לבודד שכבה אחת של גרפיט בעובי של אטום, כי היא לא יציבה ו'תתקפל' מיד. אבל ב־2004 הצליחו אנדרה גיים וקונסטנטין נובוסלוב, שני פיזיקאים מאוניברסיטת מנצ'סטר, לבודד שכבה אחת ולתפוס אותה משני צדדיה כך שתישאר יציבה. הם קיבלו על כך פרס נובל לפיזיקה ב־2010.

"כשמדענים מדדו את התכונות של שכבת הגרפן גילו שהן בלתי רגילות. בגרפיט עצמו הכוח המחבר בין השכבות חלש מאוד, אבל כל שכבה בעובי אטום היא חזקה מאוד בפני עצמה. אני עבדתי בעיקר עם תכונות אלקטרוניות של גרפן: התברר שהאלקטרונים בגרפן מתנהגים באופן שונה מאוד מאלקטרונים רגילים במתכות ובמוליכים למחצה".

בזמן שעבד על הדוקטורט שלו במכון ויצמן יצא ביסטריצר לכנס השנתי של אגודת הפיזיקה האמריקנית. "גרפן היה אז הדבר החם ביותר בעולם הפיזיקה, ועשרות מהדיונים בכנס עסקו בו. בתוך שנים ספורות גילו בו הרבה תופעות מעניינות, גם תיאורטיות וגם בניסויים מעשיים". בכנס הוא פגש את הפיזיקאי פרופ' אלן מקדונלד, ולאחר הדוקטורט החליט להצטרף למעבדה שלו באוניברסיטת אוסטין למחקר פוסט־דוקטורט, למשך שלוש שנים.

מקדונלד העביר בשנים ההן קורס שעסק ב"מצב מוצק", ובאחת מהמשימות בקורס ביקש מהסטודנטים לתאר "מעבר של אלקטרון בין שתי שכבות של גרפן המונחות זו על גבי זו, כך שכל שכבה מסובבת ביחס לחברתה". מתברר שהמערכת הדו־שכבתית הזאת אינה יוצרת גביש מוליך – האלקטרונים בשכבה אחת מבודדים מהאלקטרונים בשכבה האחרת. מקדונלד הבטיח בונוס בציון לסטודנטים שיציגו פתרון תיאורטי אפשרי, וביסטריצר גילה שהם פונים אליו, הפוסט־דוקטורנט, כדי שיעזור להם. "ישבתי איתם ולא הצלחתי. הלכתי לפרופ' מקדונלד ואמרתי לו שלא הצלחתי לפתור את תרגיל הבונוס שלו. שאלתי אותו מה הפתרון. הוא ענה לי שאין לו מושג – וכך התחיל המחקר".

המחקר כולו היה תיאורטי לחלוטין. באמצעות משוואות ובסיוע מחשב הם ניסו להסביר, ראשית, מדוע שתי השכבות מבודדות זו מזו. "הצלחנו להסביר באמצעות תיאוריה למה שתי שכבות גרפן המונחות זו על גבי זו בזוויות גדולות יחסית, יותר מעשר מעלות, הן מבודדות. אלא שבזוויות קטנות יותר התיאוריה לא עבדה", מסביר ביסטריצר. רק כששילבו בתיאוריה שלהם יסודות מהפיזיקה של הגבישים – תחום בעל היסטוריה של מאה שנות מחקר – הם גילו ש"בזווית מדויקת של 1.1 מעלות קורה משהו מדהים: האלקטרונים קופאים".

מה זה אומר?
"כשאתה רוצה לבחון תכונות אלקטרוניות של מערכת יש שני כוחות מתחרים – האינטראקציה בין האלקטרונים, שדוחים זה את זה, והאנרגיה הקינטית שלהם. אם האלקטרונים קופאים, זה אומר שכל התכונות של החומר נקבעות רק לפי האינטראקציה בין האלקטרונים, ואז קורות כל התופעות הכי מעניינות בפיזיקה.

"עד היום אני לא מבין מה מיוחד דווקא בזווית הזו. יש הרבה עבודות שמנסות לשפוך אור על כך, אבל אין באמת תשובה פשוטה. לכן קראנו לכך 'זווית הקסם'. כשזווית הסיבוב משתנה מעט האלקטרונים חוזרים לחיים; רק בזווית הזאת נוצר למעשה חומר חדש שאין תיאוריה פיזיקלית שיודעת לנבא את מה שיקרה בו. ידענו שיקרה משהו מעניין, לא ידענו מה בדיוק".

מבחינה אלקטרונית, אפשר לחלק את החומרים בחלוקה גסה למוליכים ולמבודדים. "במוליכים אם אתה דוחף את האלקטרונים הם זזים, ובמבודדים הם לא זזים – לפחות עד הפעלת כוח מסוים. מוליכים למחצה הם חומרים מבודדים שקל להפוך אותם למוליכים. כדי להסביר מה הופך חומר למבודד או מוליך צריך להשתמש בתורת הקוונטים; לא ניכנס לעומק, רק נגיד שבחומר מבודד 'פסי האנרגיה' מתמלאים לגמרי, והאלקטרון לא יכול לקפוץ ממקום למקום, ובחומר מוליך האלקטרונים ממלאים רק חצי 'פס אנרגיה', ואז האלקטרון קופץ בקלות לפס האנרגיה הבא, ויש תנועה. הגרפן הוא כאמור מוליך עם תכונות מאוד טובות, גם חשמלית וגם תרמית. התברר גם שצורת שבירת הגל שלו היא ישרה, לעומת צורה פרבולית בחומרים אחרים, מה שהופך אותו לדומה לחלקיק־אור, וזה כבר מבטיח תכונות פיזיקליות מיוחדות מאוד".

ומיד הבנתם שזו תגלית חשובה?
"הבנו שזה מעניין. אבל לא בסדר גודל של פרסים בינלאומיים חשובים, כי לא ידענו לומר מה יקרה בפועל. כשהאינטראקציה בין האלקטרונים חזקה כל כך אי אפשר בדרך כלל לנבא את התנהגות החומר. במצבים כאלה התיאוריה מגיעה בשלב מאוחר יותר, לאחר שנעשה ניסוי, ובמטרה להסביר את תוצאות הניסוי".

המאמר של ביסטריצר ומקדונלד התפרסם ב־2011, ומיד החלו פיזיקאים בכל רחבי העולם לנסות להציב שתי שכבות גרפן זו על גבי זו בזווית מדויקת של 1.1 מעלות, ולראות אם התיאוריה עומדת בניסוי. החוקרים התקשו בתחילה לשלוט בזווית, אבל "בסוף הצליחו לעשות זאת באמצעות שבירה של שתי שכבות מאותו גביש. גילו כל מיני דברים, ואז ב־2018 הגיע פרופ' פבלו חריו־אררו מ־MIT, הצליח להגיע ל־1.1 מעלות, וגילה שם בתנאים מסוימים מוליכות־על". וזה מה שהביא את ביסטריצר, שנתיים לאחר מכן, לקבל את פרס וולף.

מאסטר שף נגד וולף

ב־2018 ביסטריצר בכלל לא עסק במחקר בסיסי, אלא היה עמוק בתעשיית ההייטק. "כשחזרתי ארצה אחרי הפוסט־דוקטורט, אמרו לי שהתגלית הזו פשוט לא מעניינת. אני לא הסכמתי – חשבתי שצצה פה מערכת חדשה שאפשר לשאול עליה המון שאלות, וזו קרקע פורייה למחקר. אבל לא קיבלתי כאן משרה אקדמית, ולכן התנתקתי מהפיזיקה ומהפיזיקה התיאורטית, והקשר היחיד שלי לתחום היה טלפון שהרמתי אחת לשנה לאחל שנה טובה לפרופ' מקדונלד. כשהעבודה של חריו־אררו פורסמה ב־2018, היא יצרה תהודה שלא הייתי מודע לה. בשיחת הטלפון השנתית שלנו מקדונלד שאל אם שמעתי מה קרה עם התגלית. אמרתי שלא, ומאז התחלתי לעקוב.

מאז גילוי הגרפן ב־2004 ועד היום גילו בו הרבה תכונות פיזיקליות חדשות ומעניינות, לדברי ביסטריצר, ולאט־לאט הוא גם נכנס לתעשייה. "יש לו הרבה שימושים אפשריים. אפשר למשל לחורר שכבת גרפן ולייצר סנן מצוין וזול למערכת המים במדינות נחשלות", הוא אומר. חברות הזנק פועלות לנצל את תכונותיו הייחודיות של הגרפן גם לייצור סוללות־על, חיישנים רפואיים שיתריעו בפני חקלאים על צמחים חולים, מערכות מחשוב קוואנטי זולות, שתלים ביו־אלקטרוניים שיאפשרו טיפול במחלות עצבים, ואפילו ציפוי רב עוצמה, שקוף ועדין, שיימרח על יצירות אמנות כדי להגן עליהן מפגעי הזמן.

ובכל זאת, השימוש המסחרי בגרפן מתעכב, ולא תמצאו אותו כמעט בשוק. "חלפו רק 15 שנה מאז שגילו את החומר", מסביר ביסטריצר. "ב־2013 הצליחו לייצר שכבת גרפן בשטח 10 מ"מ על 10 מ"מ, והיום בטח מסוגלים לייצר שכבה גדולה יותר – אבל זה לוקח זמן. כל שינוי קטן בתעשייה אומר השקעה של עשרות מיליארדי דולרים. אי אפשר לקום בבוקר ולהחליף חומר אחד בחומר אחר. גם מהמצאת הפלסטיק ועד שהוא הגיע לשוק ולצרכנים עברו יותר מעשרים שנה".

"בפיזיקה, מה שבאמת חשוב הוא הניסוי. כל תיאוריה פיזיקלית חייבת שיוכיחו אותה אמפירית. ב־2011 אחד מכתבי העת המובילים בעולם סירב לפרסם את התיאוריה שלנו; אבל כשחריו־אררו עשה ניסוי על בסיס התיאוריה, וגילה את מוליכות־העל ועוד תכונות של הגרפן המסובב, מיד הבינו בעולם הפיזיקה שזו מערכת עם פוטנציאל לפריצת דרך בשאלות קשות, שאנו מתמודדים איתן כבר עשורים.

"בשנים שלאחר הניסוי של חריו־אררו ראיתי שהעבודה שלנו מצוטטת הרבה במאמרים, ושכמעט בכל חוג פיזיקה משמעותי באוניברסיטאות העולם יש מישהו שמתעסק עם הגרפן המסובב. ואז, בתחילת השנה שעברה, במוצאי שבת אחד, התקשרה אליי המנכ"לית של קרן וולף לבשר לי על הפרס. פרופ' מקדונלד כבר קיבל את ההודעה בשבת. זו הייתה הפתעה גדולה מאוד".

למה הופתעת בעצם?
"לא הבנתי באמת כמה השפעה הייתה לנו. חשוב לי לציין שהפרס ניתן לשלושתנו בשווה – מקדונלד, חריו־אררו ואני".

יותר משליש מזוכי פרס וולף בתחומי המדע הבסיסי זוכים לאחר מכן בנובל. אתה חושב שזה יקרה גם לכם?
"זה לא בידיים שלי, אבל אני יכול לומר שקרה כאן משהו די נדיר בפיזיקה. בדרך כלל יש ניסוי ואז באה התיאוריה. רק במקרים מעטים – ואחד מהם הוא המקרה שלנו – יש קודם תיאוריה ועל בסיסה עושים ניסוי, כי קשה לנבא תיאורטית תופעות מפתיעות".

בסקר בלתי מחייב בקרב חבריי בשכונה, איש מהם לא שמע על עבודתו פורצת הדרך של ביסטריצר. "אנשים מכירים דברים שהם מחוברים אליהם", הוא מתרץ. "הזוכה של מאסטר שף – שאני לא יודע מי הוא – יהיה מפורסם יותר מזוכה פרס וולף. ככה העולם עובד. פיזיקה היא לא דבר שמתחברים אליו, כי זה לא נוגע באנשים".

אבל הסיפור הזה דווקא מרתק.
"אני מסכים, ולכן אני שמח על הריאיון הזה. זו דרך לפתוח את הפיזיקה לאנשים אחרים, חשוב לחשוף את העולם הזה לציבור וגם לדור הצעיר, בעיקר כדי שאנשים יבינו עד כמה המדע חשוב ומהפכני ומעניין".

בני משפחתו רופאים: אביו, פרופ' צבי ביסטריצר, היה עד יציאתו לגמלאות מנהל מחלקת הילדים בבית החולים אסף הרופא, ואחיו גם הוא רופא. "גם אני הייתי אמור להיות רופא, אולי אבא שלי נרגע עכשיו כשקיבלתי את הפרס, למרות שגם זה לא בטוח".

אולי הוא יירגע אם תקבל פרס נובל.
"יש בדיחה ידועה על אמא יהודייה שהבן שלה קיבל פרס נובל והיא יושבת ליד מישהי בטקס ואומרת לה – 'את רואה את ההוא על הבמה? אחיו רופא'. אז אצלנו במשפחה זו לא ממש בדיחה. אני הכבשה השחורה". ובכל זאת, אמו של ביסטריצר, יוכי, ענדה לו את מדליית וולף בעצמה באופן חריג. "בדרך כלל טקס פרס וולף נערך בכנסת בהשתתפות כל הזוכים ובמעמד נשיא המדינה ושר החינוך. בגלל הקורונה, במקום הטקס הרגיל נערכו טקסים קטנים במדינות הזוכים, והטקס האינטימי יותר אפשר את המעמד המרגש הזה, ואת קבלת הפרס מידי הוריי".

אדם, יסודו לא מעפר

ביסטריצר מעולם לא הרגיש מתח בין עבודתו המדעית ובין אמונתו הדתית. "בעולם הדתי יש מי שמתייחסים למדע בחשדנות, אבל זו גישה לא נכונה בעיניי. יש תיאוריות מדעיות שהעולם הדתי לא מתמודד איתן היטב, כמו האבולוציה, המפץ הגדול ובריאת העולם. לפעמים הנושאים האלה מכניסים את האדם המאמין למגננה. אבל התפיסה שלי היא שלעולם לא יכולה להיות סתירה בין תורה למדע. מדע מתעסק בתופעות מדידות – יש לי תיאוריה וניסוי, מדדתי וקיבלתי תוצאה. התורה מתעסקת באיך אדם צריך להתנהג. המדע מתעסק בדברים מדידים שניתנים להבנה. אלה שני שדות שונים לחלוטין.

"הרמב"ם כתב שאדם צריך לפעול באופן מסוים כדי להיות בריא. היום מתברר שצריך לפעול אחרת, וברור לי שאם הרמב"ם היה חי היום הוא היה משנה את דעתו בהתאם למדע. ככה גם לגבי האבולוציה. זו התיאוריה הכי טובה שיש לנו להתפתחות המינים. אולי תימצא תאוריה טובה ממנה בעתיד, אבל לבטח היא לא תטען שהאדם נוצר מעפר. קביעת התורה היא תמיד ערכית, אף פעם לא מדעית.

הניסוי של חריו־אררו פורץ דרך, אומר ביסטריצר, משום שהוא גילה שלגרפן המסובב בזווית של 1.1 מעלות יש תכונות של מוליך־על. "מוליכי־על בטמפרטורה גבוהה הם תופעה שנחקרת באינטנסיביות כבר עשורים, אבל אם נצליח ליצור מוליכי־על בטמפרטורת החדר, זה יעשה מהפך אדיר כמעט בכל תחומי החיים", אומר ביסטריצר. "המחקרים שנערכים במוליכי־על בטמפרטורות גבוהות הם קשים ומסורבלים. אבל בעקבות הניסוי שלנו, כל מה שאתה צריך לעשות זה להביא שתי שכבות של גרפן בזווית של 1.1 מעלות, לעשות בה ניסויים ולראות מה קורה".

"אם אדם רוצה לחיות אך ורק בעולם הגמרא, זה בעיניי מאוד מצומצם; ואם הדבר הופך לאידיאולוגיה – זה כבר ממש חילול שם שמיים, כי הוא מכריז שכדי ליישב את התורה עם המציאות צריך להיות בור. צריך לקבל את האמת ממי שאמרה. בתפילת ערבית אנחנו מתפללים: 'הפותח בכל יום דלתות שערי מזרח ובוקע חלוני רקיע, מוציא חמה ממקומה ולבנה ממקום שבתה'. כמו רבים בעולם העתיק, חז"ל כנראה סברו שהשמש נכנסת מחלון מזרחי ברקיע ויוצאת מחלון מערבי. היום ברור לנו שזה לא נכון. זה לא אומר שאנחנו צריכים לשנות את התפילה אבל גם לא אומר שאנחנו צריכים לפסול את סיבוב כדור הארץ סביב צירו.

"אסור לקשור קשר בין המדע לתורה. ראשית כי באמת אין קשר, ושנית כי גישה כזו יכולה לגרום לזלזול בתורה. הציבור שלנו לא נשאר בארבע אמות של תורה אלא יוצא לאוניברסיטה. הנוער חשוף היום לידע, ואם תספר לו סיפורי מעשיות הוא יישבר כשיראה את האמת. חלק מהחילון נגרם לדעתי גם מכך. בן תורה לא צריך להיות בור, ויש המון מה ללמוד מהמדע והחכמה הכללית".

בזמן מגפת הקורונה העולם נחשף למדע יותר מאי פעם. אנשים רגילים מתעמקים לפתע בגרפים, לומדים על צמיחה מעריכית, מחשבים מקדמי הדבקה.
"כשמגיעה מגפה כזו אנחנו מבינים את חשיבות המדע. הידע שנצבר במחקר בן מאות שנים הביא ליצירת חיסון במהירות רבה. אני לא יודע עד כמה אנשים מבינים שהקִדמה היא תוצאה של מאות שנים של עבודה מדעית, ושלכן יש אחריות עצומה על המדינה בפרט והאנושות בכלל להשקיע במדע. כשגילו את מבנה הפסים בגביש, איש לא חשב שיום אחד יעשו מזה טרנזיסטורים שיפעילו לנו מכשירים חשמליים. כשגילו את מולקולת ה־DNA אף אחד לא חשב שיום אחד הגילוי ישפיע על מציאת חיסון לנגיף שמשתק חצי עולם.

"בתרבות האינסטנט אנשים רוצים מיד ועכשיו. קצב ההתקדמות מטורף ואנשים חושבים שפשוט ככה הדברים עובדים, אבל האמת היא שהדברים החשובים באמת הם תוצאה של תהליכים. לא רק במדע אלא גם בחברה, כמו מעמד האישה למשל. הקפיצות בחשיבה המדעית והחברתית הן למעשה תהליכים שקורים לאט, וחשוב להשקיע בהם לאורך עשורים".

לתגובות: dyokan@makorrishon.co.il