పగిలి, మళ్ళీ అతుక్కుని, తిరిగి కాంతిని బంధించే సూక్ష్మ స్ఫటికాలు

ఫోటోనిక్ పరికరాలు చిన్నవవుతున్నాయి: కాంతిని మోసుకెళ్ళే గైడ్‌లు, దాన్ని బంధించే రెసొనేటర్లు, లేజర్లు. ఆ స్థాయిలో, వాటిని పాడుచేయడానికి ఒక సూక్ష్మ పగులు చాలు. సేంద్రియ దృశా స్ఫటికాల్లో (organic optical crystals) పగుళ్ళు ఎలా ఏర్పడతాయో, ఎలా మానుతాయో అనేది “చాలావరకు అన్వేషించబడలేదు” అని రచయితలు రాస్తారు.

తమ పగుళ్ళను తామే బాగుచేసుకునే స్ఫటికాలు, వారి మాటల్లో, “అరుదైన, విశేషమైన దృగ్విషయం”. పత్రం ఉదహరించిన మునుపటి ఉదాహరణల్లో రాతి ఉప్పు, పొటాషియం క్లోరైడ్, అల్యూమినా, అనేక అణు స్ఫటికాలు (molecular crystals) ఉన్నాయి. కానీ వాటిలో చాలావరకు మిల్లీమీటర్ల నుంచి సెంటీమీటర్ల పొడవు ఉండేవి, వాటిని పట్టకార్లు, సూదులతో పట్టుకుని పనిచేశారు. కొన్ని నెమ్మదిగా మానాయి: సుమారు 3 మిల్లీమీటర్ల పొడవున్న స్ఫటికాలు 24 గంటలు నొక్కి ఉంచిన తర్వాత కేవలం 6.7% మాత్రమే కోలుకున్నాయి. సూది ఆకారంలో ఉన్న మరికొన్ని మిల్లీసెకన్లలోనే మళ్ళీ అతుక్కున్నాయి.

సుత్తిగా ఒక సూక్ష్మదర్శిని కొన

భారతదేశంలోని హైదరాబాద్ విశ్వవిద్యాలయం, కేంద్రీయ కర్ణాటక విశ్వవిద్యాలయాలకు చెందిన మెల్కి చోసెన్యా, రాజదురై చంద్రశేఖర్, వారి సహచరులు, స్ఫటికాలు దృశా భాగాలుగా (optical components) పనిచేసే స్థాయికి దిగారు. వారు HDMAC అనే ఒక సేంద్రియ సమ్మేళనాన్ని వాడారు; అది అతినీలలోహిత కాంతి కింద నారింజ-ఎరుపు రంగులో మెరుస్తుంది, దాని ఉద్గారం 660 నానోమీటర్ల వద్ద కేంద్రీకృతమై ఉంటుంది. ద్రావణంగా ఒక గాజు పలకపై వేసినప్పుడు, అది కొన్ని పదుల మైక్రోమీటర్ల వెడల్పున్న పలుచని చతురస్రాకార, దీర్ఘచతురస్రాకార స్ఫటికాలను ఏర్పరుస్తుంది.

వారి సాధనం ఒక అటామిక్ ఫోర్స్ మైక్రోస్కోప్ (atomic force microscope) కాంటిలీవర్ కొన; స్ఫటికాలను నియంత్రిత పద్ధతుల్లో పగలగొట్టడానికీ, ముక్కలను మళ్ళీ కలిపి నెట్టడానికీ దాన్నే వాడారు. రచయితలు తమ పదజాలాన్ని ఎముకల విరుగుళ్ళ నుంచి అరువు తెచ్చుకున్నారు: అడ్డ (transverse) పగుళ్ళు స్ఫటికానికి అడ్డంగా, నిలువు (longitudinal) పగుళ్ళు దాని పొడవునా, ఏటవాలు (oblique) పగుళ్ళు వికర్ణంగా సాగుతాయి; అవల్షన్ (avulsion) ఒక చిన్న ముక్కను చీల్చివేస్తుంది.

కలిసిపోయే ముక్కలు

• సుమారు 13.7 × 12.5 మైక్రోమీటర్ల ఒక స్ఫటికంలో, దాని పక్కభాగాన్ని లోపలికి నెట్టినప్పుడు ఒక వికర్ణ పగులు మాయమైంది. ఎలక్ట్రాన్ సూక్ష్మదర్శిని కింద, మరమ్మతు దాదాపు అతుకు తెలియకుండా ఉంది, అధిక వర్ధనంలో మాత్రమే ఒక మసక గీత కనిపించింది. ఒక ముక్క చీలిపోయిన చోటు మాత్రమే మానకుండా మిగిలింది.
• సుమారు 20 మైక్రోమీటర్ల పొడవున్న ఒక స్ఫటికాన్ని రెండు వేర్వేరు ముక్కలుగా విడగొట్టారు. మళ్ళీ సరిగ్గా అమర్చి, కలిపి నొక్కగానే, అవి వెంటనే అతుక్కున్నాయి. ఆ తర్వాత కొనతో నెట్టినప్పుడు, స్ఫటికం ఒకే వస్తువుగా కదిలింది.
• రెండు వేర్వేరు స్ఫటిక తలాల వెంబడి వచ్చిన పగుళ్ళు రెండూ మానాయి. విరిగిన ఉపరితలాలు శుభ్రంగా ఉన్నప్పుడు దాదాపు అన్ని సూక్ష్మ స్ఫటికాలూ మానాయి; విరిగిన చోట చెల్లాచెదురుగా పడిన సూక్ష్మ శకలాలు మానడాన్ని అడ్డుకున్నాయి.
• అదే అణు అమరిక (molecular packing) ఉన్న ఒక పెద్ద, పొరలాంటి స్ఫటికం శుభ్రంగా పగలడానికి బదులు ముక్కలు ముక్కలైంది, మానలేదు.

ఎంత కాంతి తిరిగి వస్తుంది

పొడవైన స్ఫటికాలు తరంగ మార్గదర్శులుగా (waveguides) పనిచేస్తాయి: ఒక చివర వెలువడిన కాంతి మరో చివరకు ప్రయాణిస్తుంది. 271 మైక్రోమీటర్ల పొడవున్న ఒక స్ఫటికంలో, బృందం ఒక చివర 405 నానోమీటర్ల లేజర్‌ను ప్రసరింపజేసి, మరో చివర మార్గదర్శితమైన కాంతిని సేకరించింది — పగలగొట్టడానికి ముందు, మానిన తర్వాత. రెండింటినీ పోల్చగా సుమారు 80% “మానే సామర్థ్యం” (healing efficiency) వచ్చింది. అలాంటి ఆరు స్ఫటికాల్లో, అది 32% నుంచి 99% వరకు ఉంది. నష్టాలు బాగుచేసిన పగులు వద్ద చెదిరిన కాంతి వల్ల వచ్చాయి, ముఖ్యంగా ముక్కలు లేని చోట్ల.

పునరుద్ధరించిన రెసొనేటర్

పలుచని స్ఫటికాలు రెసొనేటర్లుగా (resonators) కూడా పనిచేస్తాయి: వాటి పై, కింది ముఖాలు అద్దాలుగా పనిచేస్తాయి, కాబట్టి కాంతిలోని కొన్ని రంగులు మాత్రమే వాటి మధ్య పేరుకుంటాయి. స్ఫటికం ఎంత పలుచనైతే, ఈ అనునాదాల మధ్య ఎడం అంత ఎక్కువ. 31 × 28 మైక్రోమీటర్ల పరిమాణం, 1.8 మైక్రోమీటర్ల మందం ఉన్న ఒక స్ఫటికం 17.8 నానోమీటర్ల ఎడంతో అనునాదాలను చూపింది.

బృందం దాన్ని రెండుగా విడదీయకుండా, మధ్యలో పొడవునా పగలగొట్టింది. పగులు వద్ద, అనునాదాలు బలంగా అణచివేయబడ్డాయి. మానిన తర్వాత, అవి తిరిగి వచ్చాయి, చెక్కుచెదరని స్ఫటికపు వర్ణపటంతో సరిపోలే వర్ణపటంతో. ప్రతి 257 నానోమీటర్లకు ఒకటి చొప్పున, పొర పొరగా తీసిన ప్రతిదీప్తి (fluorescence) చిత్రాలు పగులు యొక్క మసక ఆనవాలును పై పొరల్లో మాత్రమే చూపించాయి; సుమారు 770 నానోమీటర్ల కింద, లోపలి భాగం మానినట్లు కనిపించింది.

అతుకు వద్ద మెత్తగా

ఒకే బలంతో స్ఫటికంలోకి నొక్కిన ఒక వజ్రపు కొన చెక్కుచెదరని ప్రాంతాల్లో 95 నానోమీటర్లు, మానిన ప్రాంతంలో 115 నానోమీటర్లు లోపలికి దిగింది. మానిన ప్రాంతపు దృఢత్వం, అంటే దాని యంగ్ గుణకం (Young’s modulus), 2.15 నుంచి 1.49 గిగాపాస్కల్‌లకు పడిపోయింది — అసలు విలువలో సుమారు మూడింట రెండు వంతులు — దాని కాఠిన్యం దాదాపు సగానికి తగ్గింది. భారాన్ని తొలగించినప్పుడు అది ఇప్పటికీ పాక్షికంగా వెనక్కి పుంజుకుంది.

ముక్కలను కలిపి ఉంచేది ఏమిటి? అణువుల మధ్య బలాల లెక్కలు, మానే రెండు తలాల వెంబడి నిరంతరంగా సాగే ఆకర్షణ గొలుసులను సూచిస్తాయి: అణువుల మధ్య హైడ్రోజన్ బంధాలు, పక్కపక్కనున్న పొరల మధ్య ద్విధ్రువ (dipole) ఆకర్షణలు; రచయితలు వీటిని చోదక శక్తుల్లో ఒకటిగా చూస్తున్నారు.

ఏ ఒక్క సంఖ్యా మానే సామర్థ్యాన్ని పూర్తిగా సూచించలేదని రచయితలు నొక్కిచెబుతారు: స్ఫటిక పరిమాణం, పగులు రకం, ముక్కలను ఎంత బాగా మళ్ళీ అమర్చారు — ఇవన్నీ ఫలితాన్ని మారుస్తాయి. వారి లక్ష్యం నష్టాన్ని తట్టుకుని నిలిచే దృశా భాగాలు — విరిగిన తర్వాత మళ్ళీ పనిలో పెట్టగల మెరిసే స్ఫటికాలు.