तडा गेलेले सूक्ष्म स्फटिक, जे पुन्हा सांधतात आणि पुन्हा प्रकाश अडकवतात

फोटॉनिक उपकरणे लहान होत आहेत: प्रकाश वाहून नेणारे मार्गदर्शक (guides), तो अडकवणारे अनुनादक (resonators), लेझर. त्या पातळीवर, त्यांना बिघडवण्यासाठी एक सूक्ष्म तडा पुरेसा आहे. सेंद्रिय प्रकाशीय स्फटिकांमध्ये तडे कसे निर्माण होतात आणि कसे सांधतात, हे लेखकांच्या शब्दांत अजूनही “बहुतांशी अनभ्यासलेले” आहे.

स्वतःचे तडे स्वतः दुरुस्त करणारे स्फटिक म्हणजे, त्यांच्या शब्दांत, “एक दुर्मीळ आणि उल्लेखनीय आविष्कार”. शोधनिबंधात उद्धृत केलेल्या आधीच्या उदाहरणांमध्ये खडेमीठ, पोटॅशियम क्लोराइड आणि ॲल्युमिना, तसेच अनेक आण्विक स्फटिक यांचा समावेश आहे. पण त्यापैकी बहुतेक मिलिमीटर ते सेंटिमीटर लांबीचे होते, आणि चिमट्यांनी व सुयांनी हाताळले गेले. काही हळूहळू सांधले: सुमारे 3 मिलिमीटर लांबीचे स्फटिक 24 तास दाबून ठेवल्यानंतर केवळ 6.7% पूर्ववत झाले. इतर, सुईच्या आकाराचे स्फटिक, मिलिसेकंदांत पुन्हा जोडले गेले.

सूक्ष्मदर्शकाचे टोक हातोडा म्हणून

भारतातील University of Hyderabad आणि Central University of Karnataka मधील Melchi Chosenyah, Rajadurai Chandrasekar आणि सहकारी, स्फटिक जिथे प्रकाशीय घटक म्हणून काम करतात त्या पातळीपर्यंत उतरले. त्यांनी HDMAC नावाचे एक सेंद्रिय संयुग वापरले, जे अतिनील प्रकाशात नारिंगी-लाल चमकते आणि ज्याचे उत्सर्जन 660 नॅनोमीटरभोवती केंद्रित असते. द्रावणाच्या रूपात काचेच्या पट्टीवर टाकल्यावर, ते काही दहा मायक्रोमीटर रुंदीचे पातळ चौरस आणि आयताकृती स्फटिक तयार करते.

त्यांचे साधन होते अणुबल सूक्ष्मदर्शकाच्या (atomic force microscope) कँटिलिव्हरचे (cantilever) टोक, ज्याचा वापर स्फटिकांना नियंत्रित पद्धतीने तडे देण्यासाठी आणि तुकडे पुन्हा एकत्र ढकलण्यासाठी, दोन्हींसाठी केला गेला. लेखकांनी आपली शब्दावली हाडांच्या अस्थिभंगांवरून घेतली: आडवे (transverse) तडे स्फटिकाला आडवे छेदतात, उभे (longitudinal) तडे त्याच्या लांबीच्या दिशेने जातात, तिरपे (oblique) तडे कर्णाच्या दिशेने; अव्हल्शन (avulsion) मध्ये एक छोटा तुकडा उखडला जातो.

जुळून जाणारे तुकडे

• सुमारे 13.7 बाय 12.5 मायक्रोमीटरच्या एका स्फटिकात, स्फटिकाची बाजू आत ढकलल्यावर एक कर्णरेषीय तडा नाहीसा झाला. इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शकाखाली दुरुस्ती जवळजवळ बेमालूम दिसली, फक्त उच्च विवर्धनावर एक अस्पष्ट रेषा होती. जिथून एक तुकडा उखडला गेला होता, केवळ तीच जागा न सांधलेली राहिली.
• सुमारे 20 मायक्रोमीटर लांबीचा एक स्फटिक दोन वेगळ्या तुकड्यांत विभागला गेला. पुन्हा रेषेत आणून एकत्र दाबल्यावर, ते तात्काळ सांधले. त्यानंतर टोकाने ढकलल्यावर, स्फटिक एकसंध वस्तूप्रमाणे हलला.
• दोन वेगवेगळ्या स्फटिक-प्रतलांच्या बाजूने गेलेले तडे, दोन्ही सांधले. तुटलेले पृष्ठभाग स्वच्छ राहिले तेव्हा जवळजवळ सर्व सूक्ष्म स्फटिक सांधले; तुटलेल्या जागी पसरलेल्या बारीक कचऱ्याने सांधण्यात अडथळा आणला.
• त्याच आण्विक रचनेचा (molecular packing) एक मोठा, पापुद्र्यासारखा स्फटिक, स्वच्छ तडा जाण्याऐवजी चक्काचूर झाला, आणि सांधला नाही.

किती प्रकाश परत येतो

लांब स्फटिक तरंगमार्गदर्शक (waveguides) म्हणून काम करतात: एका टोकाला उत्सर्जित झालेला प्रकाश दुसऱ्या टोकापर्यंत जातो. 271 मायक्रोमीटर लांबीच्या एका स्फटिकात, चमूने एका टोकावर 405-नॅनोमीटर लेझर टाकला आणि दुसऱ्या टोकाला मार्गदर्शित प्रकाश गोळा केला, तडा देण्यापूर्वी आणि सांधल्यानंतर. दोन्हींची तुलना केल्यावर सुमारे 80% ची “सांधण कार्यक्षमता” (healing efficiency) मिळाली. अशा सहा स्फटिकांमध्ये ती 32% ते 99% दरम्यान होती. ही हानी दुरुस्त झालेल्या तड्यावर विखुरलेल्या प्रकाशामुळे झाली, विशेषतः जिथे तुकडे गहाळ होते तिथे.

पूर्ववत झालेला अनुनादक

पातळ स्फटिक अनुनादक (resonators) म्हणूनही काम करतात: त्यांचे वरचे आणि खालचे पृष्ठभाग आरशांसारखे काम करतात, त्यामुळे प्रकाशाचे केवळ ठरावीक रंगच त्यांच्यामध्ये साठत जातात. स्फटिक जितका पातळ, तितके या अनुनादांमधील अंतर अधिक. 31 बाय 28 मायक्रोमीटर आणि 1.8 मायक्रोमीटर जाडीच्या एका स्फटिकात एकमेकांपासून 17.8 नॅनोमीटर अंतरावर अनुनाद दिसले.

चमूने त्याला मधोमध लांबीच्या दिशेने तडा दिला, त्याचे दोन भाग न करता. तड्याच्या ठिकाणी अनुनाद मोठ्या प्रमाणात दडपले गेले. सांधल्यानंतर ते परत आले, आणि वर्णपट अखंड स्फटिकाच्या वर्णपटाशी जुळला. दर 257 नॅनोमीटरवर, थराथराने घेतलेल्या प्रतिदीप्ती (fluorescence) प्रतिमांमध्ये तड्याचा अस्पष्ट मागमूस केवळ वरच्या थरांत दिसला; सुमारे 770 नॅनोमीटरच्या खाली, आतील भाग सांधलेला दिसला.

शिवणीवर अधिक मऊ

समान बलाने स्फटिकात दाबलेले हिऱ्याचे टोक अखंड भागांत 95 नॅनोमीटर आणि सांधलेल्या भागात 115 नॅनोमीटर आत रुतले. सांधलेल्या भागाचा ताठरपणा, म्हणजे त्याचा यंगचा गुणांक (Young’s modulus), 2.15 वरून 1.49 गिगापास्कलपर्यंत घसरला — मूळच्या सुमारे दोन-तृतीयांश — आणि त्याची कठीणता साधारण निम्मी झाली. भार काढून घेतल्यावर तो तरीही अंशतः पूर्वस्थितीकडे परतला.

तुकड्यांना एकत्र काय धरून ठेवते? रेणूंमधील बलांच्या गणनांनुसार, सांधणाऱ्या दोन प्रतलांच्या बाजूने आकर्षणाच्या अखंड साखळ्या दिसतात: रेणूंमधील हायड्रोजन बंध आणि शेजारच्या थरांमधील द्विध्रुवी आकर्षण, ज्यांना लेखक प्रेरक शक्तींपैकी एक मानतात.

लेखक आग्रहाने सांगतात की कोणतीही एक संख्या सांधण कार्यक्षमता पूर्णपणे व्यक्त करत नाही: स्फटिकाचा आकार, तड्याचा प्रकार आणि तुकडे किती नीट पुन्हा रेषेत आणले आहेत, हे सगळे निकाल बदलतात. त्यांचे ध्येय आहे हानी सहन करू शकणारे प्रकाशीय घटक — असे चमकणारे स्फटिक, जे तुटल्यानंतरही पुन्हा कामाला लावता येतात.