The Knowledge Frontier

KemiaChapisho la awaliJaribioDakika 3 za kusoma

FUWELE NDOGO ZILIZOPASUKA AMBAZO HUJIPONYA NA KUNASA MWANGA TENA

Vifaa vya fotoniki vinazidi kuwa vidogo: miongozo inayobeba mwanga, resoneta (resonators) zinazounasa, leza. Katika kiwango hicho, ufa wa hadubini unatosha kuviharibu. Jinsi nyufa zinavyotokea na kupona katika fuwele za kioptiki za kikaboni, waandishi wanaandika, bado ni jambo “ambalo kwa kiasi kikubwa halijachunguzwa”.

Fuwele zinazorekebisha nyufa zao wenyewe ni, kwa maneno yao, “jambo adimu na la kustaajabisha”. Mifano ya awali iliyotajwa katika makala ni pamoja na chumvi ya mwamba, kloridi ya potasiamu na alumina, pamoja na fuwele kadhaa za molekuli. Lakini nyingi zilikuwa na urefu wa milimita hadi sentimita, zikishughulikiwa kwa koleo na sindano. Baadhi zilipona polepole: fuwele zenye urefu wa takriban milimita 3 zilirejesha 6.7% tu baada ya kubanwa kwa saa 24. Nyingine, zenye umbo la sindano, ziliungana tena ndani ya milisekunde.

Ncha ya hadubini kama nyundo

Melchi Chosenyah, Rajadurai Chandrasekar na wenzao wa Chuo Kikuu cha Hyderabad na Central University of Karnataka, nchini India, walishuka hadi kiwango ambapo fuwele hufanya kazi kama vipengele vya kioptiki. Walitumia kampaundi ya kikaboni iitwayo HDMAC, inayong’aa rangi ya chungwa-nyekundu chini ya mwanga wa urujuanimno, ikitoa mwanga uliojikita kwenye nanomita 660. Ikidondoshwa kama myeyusho juu ya slaidi ya kioo, hufanyiza fuwele nyembamba za mraba na mstatili zenye upana wa makumi machache ya mikromita.

Kifaa chao kilikuwa ncha ya kitanzi-egemeo (cantilever) cha hadubini ya nguvu za atomiki (atomic force microscope), iliyotumika kupasua fuwele kwa njia zilizodhibitiwa na pia kusukuma vipande virudi pamoja. Waandishi waliazima msamiati wao kutoka kwa mivunjiko ya mifupa: nyufa za kukatiza (transverse) hupita upana wa fuwele, za urefu (longitudinal) hufuata urefu wake, za mshazari (oblique) huenda kwa mshazari; mng’oko (avulsion) hung’oa kipande kidogo.

Vipande vinavyoungana

  • Katika fuwele ya takriban mikromita 13.7 kwa 12.5, ufa wa mshazari ulitoweka ubavu wa fuwele uliposukumwa kuelekea ndani. Chini ya hadubini ya elektroni, marekebisho yalikuwa karibu bila mshono, yakiwa na mstari hafifu kwenye ukuzaji mkubwa. Ni sehemu tu ambapo kipande kilikuwa kimeng’olewa ndiyo iliyobaki bila kupona.
  • Fuwele yenye urefu wa takriban mikromita 20 ilipasuliwa kuwa vipande viwili vilivyotengana. Vilipopangwa upya na kubanwa pamoja, vilipona mara moja. Iliposukumwa baadaye kwa ncha, fuwele ilisogea kama mwili mmoja.
  • Nyufa kando ya ndege mbili tofauti za fuwele zote zilipona. Karibu fuwele ndogo zote zilipona pale nyuso zilizovunjika zilipobaki safi; takataka ndogo ndogo zilizotapakaa kwenye mvunjiko zilizuia kupona.
  • Fuwele kubwa, bapa kama gamba, yenye mpangilio uleule wa molekuli, ilivunjika vipande vipande badala ya kupasuka kwa usafi, na haikupona.

Mwanga kiasi gani hurudi

Fuwele ndefu hufanya kazi kama miongozo ya mawimbi (waveguides): mwanga unaotolewa upande mmoja husafiri hadi upande mwingine. Katika fuwele yenye urefu wa mikromita 271, timu ilimulika leza ya nanomita 405 upande mmoja na kukusanya mng’ao ulioongozwa upande mwingine, kabla ya kuipasua na baada ya kupona. Kulinganisha vipimo hivyo viwili kulitoa “ufanisi wa kupona” wa takriban 80%. Katika fuwele sita kama hizo, ulitofautiana kutoka 32% hadi 99%. Upotevu ulitokana na mwanga uliotawanyika kwenye ufa uliorekebishwa, hasa pale vipande vilipokosekana.

Resoneta iliyorejeshwa

Fuwele nyembamba pia hufanya kazi kama resoneta: nyuso zao za juu na za chini hufanya kazi kama vioo, hivyo ni rangi fulani tu za mwanga zinazojijenga kati yake. Kadiri fuwele inavyokuwa nyembamba zaidi, ndivyo nafasi kati ya resonansi (resonances) hizi inavyokuwa pana zaidi. Fuwele ya mikromita 31 kwa 28 na unene wa mikromita 1.8 ilionyesha resonansi zilizoachana kwa nanomita 17.8.

Timu iliipasua kwa urefu katikati, bila kuitenganisha. Kwenye ufa, resonansi zilizimwa kwa kiasi kikubwa. Baada ya kupona, zilirudi, zikiwa na spektra inayolingana na ile ya fuwele isiyoharibika. Picha za fluoresensi zilizopigwa tabaka kwa tabaka, kila nanomita 257, zilionyesha alama hafifu ya ufa kwenye tabaka za juu tu; chini ya takriban nanomita 770, ndani palionekana pamepona.

Laini zaidi kwenye mshono

Ncha ya almasi iliyobonyezwa ndani ya fuwele kwa nguvu ileile ilizama nanomita 95 katika maeneo yasiyoharibika na nanomita 115 katika eneo lililopona. Ukakamavu wa eneo lililopona, yaani moduli yake ya Young, ulishuka kutoka gigapaskali 2.15 hadi 1.49, takriban theluthi mbili ya ule wa awali, na ugumu wake ulipungua takriban nusu. Bado lilirudi nyuma kwa kiasi mzigo ulipoondolewa.

Ni nini kinachoshikilia vipande pamoja? Hesabu za nguvu kati ya molekuli zinaonyesha minyororo ya mvuto isiyokatika kando ya ndege mbili za kupona: vifungo vya hidrojeni kati ya molekuli na mivuto ya dipoli kati ya tabaka jirani, ambavyo waandishi wanaviona kama mojawapo ya nguvu zinazoendesha mchakato huo.

Waandishi wanasisitiza kwamba hakuna namba moja inayoweza kuelezea ufanisi wa kupona: ukubwa wa fuwele, aina ya ufa na jinsi vipande vinavyopangwa upya vizuri vyote hubadilisha matokeo. Lengo lao ni vipengele vya kioptiki vinavyostahimili uharibifu — fuwele zinazong’aa ambazo, zikishavunjika, zinaweza kurudishwa kazini.