ریزبلورهای ترک‌خورده‌ای که ترمیم می‌شوند و دوباره نور را به دام می‌اندازند
ابزارهای فوتونیک کوچک‌تر و کوچک‌تر می‌شوند: موج‌برهایی که نور را حمل می‌کنند، تشدیدگرهایی که آن را به دام می‌اندازند، لیزرها. در این مقیاس، یک ترک میکروسکوپی برای خراب کردنشان کافی است. به نوشتهٔ نویسندگان، اینکه ترک‌ها در بلورهای نوری آلی چگونه پدید می‌آیند و ترمیم می‌شوند «تا حد زیادی ناکاویده» مانده است.
بلورهایی که ترک‌های خود را ترمیم می‌کنند، به تعبیر خود آن‌ها، «پدیده‌ای نادر و شگفت‌انگیز» هستند. نمونه‌های پیشینی که مقاله به آن‌ها استناد می‌کند شامل نمک سنگ، پتاسیم کلرید و آلومینا، و چند بلور مولکولی است. اما بیشترشان چند میلی‌متر تا چند سانتی‌متر طول داشتند و با پنس و سوزن جابه‌جا می‌شدند. برخی کند ترمیم می‌شدند: بلورهایی به طول حدود 3 میلی‌متر پس از 24 ساعت فشرده شدن تنها 6.7% بهبود یافتند. برخی دیگر، که سوزنی‌شکل بودند، در چند میلی‌ثانیه دوباره به هم پیوستند.
نوک میکروسکوپ در نقش چکش
ملکی چوزنیا (Melchi Chosenyah)، راجادورای چاندراسکار (Rajadurai Chandrasekar) و همکارانشان در دانشگاه حیدرآباد و دانشگاه مرکزی کارناتاکا، در هند، تا مقیاسی پایین رفتند که در آن بلورها به‌عنوان قطعات نوری کار می‌کنند. آن‌ها از ترکیبی آلی به نام HDMAC استفاده کردند که زیر نور فرابنفش به رنگ نارنجی-سرخ می‌درخشد و گسیلش در 660 نانومتر متمرکز است. این ترکیب، وقتی به صورت محلول روی یک لام شیشه‌ای چکانده شود، بلورهای نازک مربعی و مستطیلی به پهنای چند ده میکرومتر تشکیل می‌دهد.
ابزارشان نوک کانتیلور (cantilever) یک میکروسکوپ نیروی اتمی بود که هم برای ترک انداختن کنترل‌شده در بلورها و هم برای هل دادن تکه‌ها به سوی یکدیگر به کار رفت. نویسندگان واژگانشان را از شکستگی‌های استخوان وام گرفتند: ترک‌های عرضی از عرض بلور می‌گذرند، ترک‌های طولی در امتداد آن، و ترک‌های مایل به‌طور اریب؛ در کندگی (avulsion) تکهٔ کوچکی جدا می‌شود.
تکه‌هایی که به هم جوش می‌خورند
- در بلوری به ابعاد حدود 13.7 در 12.5 میکرومتر، ترکی اریب وقتی پهلوی بلور به درون هل داده شد ناپدید شد. زیر میکروسکوپ الکترونی، ترمیم تقریباً بی‌درز بود، با خطی کم‌رنگ در بزرگ‌نمایی بالا. تنها نقطه‌ای که تکه‌ای از آن کنده شده بود ترمیم‌نشده ماند.
- بلوری به طول حدود 20 میکرومتر به دو تکهٔ جدا شکافته شد. تکه‌ها، پس از هم‌ردیف شدن دوباره و فشرده شدن به هم، بی‌درنگ ترمیم شدند. وقتی سپس با نوک هل داده شد، بلور همچون یک جسم واحد جابه‌جا شد.
- ترک‌ها در امتداد دو صفحهٔ بلوری متفاوت هر دو ترمیم شدند. وقتی سطوح شکسته تمیز می‌ماندند، تقریباً همهٔ ریزبلورها ترمیم شدند؛ انبوهی از خرده‌های ریز در محل شکست مانع ترمیم می‌شد.
- بلوری بزرگ و پولک‌مانند، با همان چینش مولکولی، به جای آنکه به‌طور تمیز ترک بردارد، خرد شد و ترمیم نشد.
چه مقدار نور بازمی‌گردد
بلورهای بلند همچون موج‌بر (waveguide) عمل می‌کنند: نوری که در یک سر گسیل می‌شود تا سر دیگر می‌رود. در بلوری به طول 271 میکرومتر، گروه لیزری 405 نانومتری را به یک سر تاباند و درخشش هدایت‌شده را در سر دیگر گردآوری کرد، پیش از ترک انداختن و پس از ترمیم. مقایسهٔ این دو «بازدهی ترمیم» حدود 80% به دست داد. در شش بلور از این دست، این مقدار از 32% تا 99% متغیر بود. اتلاف‌ها از نوری بود که در ترک ترمیم‌شده پراکنده می‌شد، به‌ویژه جایی که تکه‌هایی گم شده بودند.
تشدیدگری که بازسازی شد
بلورهای نازک همچنین در نقش تشدیدگر (resonator) کار می‌کنند: وجه‌های بالا و پایینشان همچون آینه عمل می‌کنند، پس تنها رنگ‌های معینی از نور میانشان تقویت می‌شود. هرچه بلور نازک‌تر باشد، فاصلهٔ میان این تشدیدها بیشتر است. بلوری به ابعاد 31 در 28 میکرومتر و ضخامت 1.8 میکرومتر تشدیدهایی با فاصلهٔ 17.8 نانومتر از هم نشان داد.
گروه آن را از وسط و در امتداد طولش ترک انداخت، بی‌آنکه دو نیمه شود. در محل ترک، تشدیدها به‌شدت سرکوب شدند. پس از ترمیم، بازگشتند، با طیفی که با طیف بلور سالم مطابقت داشت. تصاویر فلوئورسانس که لایه به لایه، هر 257 نانومتر، گرفته شدند ردی کم‌رنگ از ترک را تنها در لایه‌های بالایی نشان دادند؛ زیر حدود 770 نانومتر، درون بلور ترمیم‌شده به نظر می‌رسید.
نرم‌تر در محل درز
نوکی الماسی که با نیرویی یکسان به درون بلور فشرده شد، در نواحی سالم 95 نانومتر و در ناحیهٔ ترمیم‌شده 115 نانومتر فرو رفت. سفتی ناحیهٔ ترمیم‌شده، یعنی مدول یانگ (Young’s modulus) آن، از 2.15 به 1.49 گیگاپاسکال کاهش یافت، حدود دو سوم مقدار اولیه، و سختی‌اش تقریباً نصف شد. با این حال، وقتی بار برداشته شد، هنوز تا حدی به حالت اول بازگشت.
چه چیزی تکه‌ها را کنار هم نگه می‌دارد؟ محاسبات نیروهای میان مولکول‌ها به زنجیره‌های پیوستهٔ جاذبه در امتداد دو صفحهٔ ترمیم اشاره می‌کنند: پیوندهای هیدروژنی میان مولکول‌ها و جاذبه‌های دوقطبی میان لایه‌های همسایه، که نویسندگان آن‌ها را یکی از نیروهای پیش‌برنده می‌دانند.
نویسندگان تأکید می‌کنند که هیچ عدد واحدی بازدهی ترمیم را به‌تمامی بیان نمی‌کند: اندازهٔ بلور، نوع ترک و دقت هم‌ردیف شدن دوبارهٔ تکه‌ها همگی نتیجه را تغییر می‌دهند. هدفشان قطعات نوری‌ای است که از آسیب جان سالم به در ببرند — بلورهای درخشانی که پس از شکستن بتوان دوباره به کارشان گرفت.