MIKROKRISTAL RETAK YANG PULIH DAN KEMBALI MEMERANGKAP CAHAYA
Perangkat fotonik semakin mengecil: pemandu yang membawa cahaya, resonator yang memerangkapnya, laser. Pada skala itu, sebuah retakan mikroskopis sudah cukup untuk merusaknya. Bagaimana retakan terbentuk dan pulih dalam kristal optik organik, tulis para penulis, masih “sebagian besar belum dieksplorasi”.
Kristal yang memperbaiki retakannya sendiri, dalam kata-kata mereka, adalah “fenomena yang langka dan luar biasa”. Contoh-contoh sebelumnya yang dikutip dalam makalah itu meliputi garam batu, kalium klorida, dan alumina, serta beberapa kristal molekuler. Namun sebagian besar panjangnya milimeter hingga sentimeter, dan ditangani dengan pinset dan jarum. Sebagian pulih dengan lambat: kristal sepanjang sekitar 3 milimeter hanya pulih 6,7% setelah ditekan selama 24 jam. Yang lain, berbentuk jarum, menyambung kembali dalam hitungan milidetik.
Ujung mikroskop sebagai palu
Melchi Chosenyah, Rajadurai Chandrasekar, dan rekan-rekan mereka di University of Hyderabad dan Central University of Karnataka, India, turun ke skala tempat kristal berfungsi sebagai komponen optik. Mereka menggunakan senyawa organik bernama HDMAC, yang berpendar jingga-merah di bawah sinar ultraviolet, dengan emisi berpusat pada 660 nanometer. Diteteskan sebagai larutan ke atas kaca preparat, senyawa ini membentuk kristal tipis berbentuk persegi dan persegi panjang berukuran beberapa puluh mikrometer.
Alat mereka adalah ujung kantilever sebuah mikroskop gaya atom, yang digunakan baik untuk meretakkan kristal secara terkendali maupun untuk mendorong kepingan-kepingannya agar menyatu kembali. Para penulis meminjam kosakata dari patah tulang: retakan transversal melintang kristal, retakan longitudinal memanjang searah kristal, retakan oblik berjalan diagonal; sebuah avulsi merobek lepas sebuah fragmen kecil.
Kepingan yang menyatu
- Pada sebuah kristal berukuran sekitar 13,7 kali 12,5 mikrometer, sebuah retakan diagonal lenyap ketika sisi kristal didorong ke dalam. Di bawah mikroskop elektron, perbaikannya hampir tanpa bekas sambungan, dengan garis samar pada perbesaran tinggi. Hanya titik tempat sebuah fragmen terobek lepas yang tetap tidak pulih.
- Sebuah kristal sepanjang sekitar 20 mikrometer dibelah menjadi dua keping terpisah. Setelah disejajarkan kembali dan ditekan bersama, keduanya langsung pulih. Ketika kemudian didorong dengan ujung mikroskop, kristal itu bergerak sebagai satu kesatuan.
- Retakan di sepanjang dua bidang kristal yang berbeda sama-sama pulih. Hampir semua mikrokristal pulih ketika permukaan patahannya tetap bersih; serpihan-serpihan kecil yang berserakan di patahan menghambat pemulihan.
- Sebuah kristal besar berbentuk serpih, dengan susunan molekul yang sama, hancur berkeping-keping alih-alih retak dengan rapi, dan tidak pulih.
Berapa banyak cahaya yang kembali
Kristal yang panjang berperan sebagai pandu gelombang: cahaya yang dipancarkan di satu ujung merambat ke ujung lainnya. Pada sebuah kristal sepanjang 271 mikrometer, tim itu menyorotkan laser 405 nanometer ke satu ujung dan mengumpulkan pendaran yang terpandu di ujung lainnya, sebelum retak dan setelah pulih. Membandingkan keduanya menghasilkan “efisiensi pemulihan” sekitar 80%. Pada enam kristal semacam itu, nilainya berkisar dari 32% hingga 99%. Kehilangan cahaya berasal dari cahaya yang terhambur di retakan yang telah diperbaiki, terutama di tempat fragmen hilang.
Resonator yang dipulihkan
Kristal tipis juga berfungsi sebagai resonator: permukaan atas dan bawahnya berperan sebagai cermin, sehingga hanya warna cahaya tertentu yang menumpuk di antara keduanya. Semakin tipis kristalnya, semakin lebar jarak antara resonansi-resonansi ini. Sebuah kristal berukuran 31 kali 28 mikrometer dengan tebal 1,8 mikrometer menunjukkan resonansi yang berjarak 17,8 nanometer satu sama lain.
Tim itu meretakkannya memanjang tepat di tengah, tanpa membelahnya. Di retakan, resonansi-resonansi itu sangat teredam. Setelah pulih, resonansi itu kembali, dengan spektrum yang sesuai dengan spektrum kristal yang utuh. Citra fluoresensi yang diambil irisan demi irisan, setiap 257 nanometer, memperlihatkan jejak samar retakan hanya di lapisan-lapisan teratas; di bawah sekitar 770 nanometer, bagian dalamnya tampak telah pulih.
Lebih lunak di sambungan
Sebuah ujung intan yang ditekan ke dalam kristal dengan gaya yang sama terbenam 95 nanometer di daerah yang utuh dan 115 nanometer di daerah yang telah pulih. Kekakuan zona yang pulih, yaitu modulus Young-nya, turun dari 2,15 menjadi 1,49 gigapascal, sekitar dua pertiga dari nilai semula, dan kekerasannya kira-kira berkurang separuh. Zona itu masih memantul kembali sebagian ketika beban dilepaskan.
Apa yang menyatukan kepingan-kepingan itu? Perhitungan gaya antarmolekul menunjuk pada rantai tarikan yang bersinambung di sepanjang dua bidang pemulihan: ikatan hidrogen antarmolekul dan tarikan dipol antara lapisan-lapisan yang bertetangga, yang oleh para penulis dipandang sebagai salah satu gaya pendorongnya.
Para penulis menegaskan bahwa tidak ada satu angka pun yang dapat mewakili efisiensi pemulihan: ukuran kristal, jenis retakan, dan seberapa baik kepingan-kepingan disejajarkan kembali semuanya mengubah hasilnya. Tujuan mereka adalah komponen optik yang bertahan dari kerusakan — kristal berpendar yang, setelah patah, dapat dipasang kembali untuk bekerja.