ٹوٹی ہوئی خرد قلمیں جو خود جڑ کر دوبارہ روشنی قید کر لیتی ہیں

فوٹونی آلات (photonic devices) سکڑ رہے ہیں: روشنی لے جانے والے رہنما، اسے قید کرنے والے گمک کار (resonators)، لیزر۔ اس پیمانے پر ایک خوردبینی دراڑ انہیں خراب کرنے کے لیے کافی ہے۔ مصنفین لکھتے ہیں کہ نامیاتی بصری قلموں میں دراڑیں کیسے بنتی اور بھرتی ہیں، یہ “بڑی حد تک غیر دریافت شدہ” ہے۔

جو قلمیں اپنی دراڑیں خود مرمت کرتی ہیں وہ، ان کے الفاظ میں، “ایک نایاب اور قابلِ ذکر مظہر” ہیں۔ مقالے میں دی گئی پہلے کی مثالوں میں سنگی نمک (rock salt)، پوٹاشیم کلورائیڈ اور ایلومینا، اور کئی سالماتی قلمیں شامل ہیں۔ لیکن ان میں سے زیادہ تر ملی میٹروں سے سینٹی میٹروں تک لمبی تھیں، اور انہیں چمٹیوں اور سوئیوں سے سنبھالا جاتا تھا۔ کچھ آہستہ جڑیں: تقریباً 3 ملی میٹر لمبی قلموں نے 24 گھنٹے دبائے جانے کے بعد صرف 6.7% بحالی حاصل کی۔ دوسری، سوئی نما قلمیں، ملی سیکنڈوں میں دوبارہ جڑ گئیں۔

ہتھوڑے کے طور پر خوردبین کی نوک

بھارت میں حیدرآباد یونیورسٹی (University of Hyderabad) اور سینٹرل یونیورسٹی آف کرناٹک (Central University of Karnataka) کے میلکی چوزنیاہ (Melchi Chosenyah)، راجادورائی چندرشیکر (Rajadurai Chandrasekar) اور ان کے ساتھی اس پیمانے تک گئے جہاں قلمیں بصری اجزا کے طور پر کام کرتی ہیں۔ انہوں نے HDMAC نامی ایک نامیاتی مرکب استعمال کیا، جو بالائے بنفشی (ultraviolet) روشنی میں نارنجی سرخ چمکتا ہے، اور اس کا اخراج 660 نینومیٹر پر مرکوز ہے۔ محلول کی صورت میں شیشے کی سلائیڈ پر ٹپکانے سے یہ چند دسیوں مائیکرومیٹر چوڑی پتلی مربع اور مستطیل قلمیں بناتا ہے۔

ان کا اوزار ایک ایٹمی قوت خوردبین (atomic force microscope) کی کینٹی لیور (cantilever) نوک تھی، جسے قلموں کو قابو شدہ طریقوں سے توڑنے اور ٹکڑوں کو واپس ایک ساتھ دھکیلنے، دونوں کے لیے استعمال کیا گیا۔ مصنفین نے اپنی اصطلاحات ہڈیوں کے فریکچر سے مستعار لیں: عرضی (transverse) دراڑیں قلم کے آر پار چلتی ہیں، طولی (longitudinal) اس کی لمبائی کے ساتھ، ترچھی (oblique) دراڑیں وتری سمت میں؛ اور ایک اکھڑاؤ (avulsion) ایک چھوٹا ٹکڑا اکھاڑ دیتا ہے۔

ٹکڑے جو آپس میں جڑ جاتے ہیں

تقریباً 13.7 × 12.5 مائیکرومیٹر کی ایک قلم میں، ایک ترچھی دراڑ اس وقت غائب ہو گئی جب قلم کے پہلو کو اندر کی طرف دھکیلا گیا۔ الیکٹران خوردبین کے نیچے مرمت تقریباً بے جوڑ تھی، زیادہ بڑائی (magnification) پر ایک مدھم لکیر کے ساتھ۔ صرف وہ جگہ نہیں جڑی جہاں سے ایک ٹکڑا اکھاڑا گیا تھا۔
تقریباً 20 مائیکرومیٹر لمبی ایک قلم کو دو الگ ٹکڑوں میں توڑ دیا گیا۔ دوبارہ سیدھ میں لا کر ایک ساتھ دبانے پر وہ فوراً جڑ گئے۔ بعد میں نوک سے دھکیلنے پر قلم ایک ہی جسم کی طرح حرکت کرتی تھی۔
دو مختلف قلمی سطحوں (crystal planes) کے ساتھ ساتھ بننے والی دراڑیں، دونوں جڑ گئیں۔ جب ٹوٹی ہوئی سطحیں صاف رہیں تو تقریباً تمام خرد قلمیں جڑ گئیں؛ ٹوٹنے کی جگہ پر ننھے ملبے کے بکھراؤ نے جڑنے میں رکاوٹ ڈالی۔
ایک بڑی، پرت نما قلم، جس کی سالماتی ترتیب (molecular packing) وہی تھی، صاف طور پر چٹخنے کے بجائے ریزہ ریزہ ہو گئی، اور نہیں جڑی۔

کتنی روشنی واپس آتی ہے

لمبی قلمیں موج رہنما (waveguides) کا کام کرتی ہیں: ایک سرے پر خارج ہونے والی روشنی دوسرے سرے تک سفر کرتی ہے۔ 271 مائیکرومیٹر لمبی ایک قلم میں، ٹیم نے ایک سرے پر 405 نینومیٹر کا لیزر ڈالا اور دوسرے سرے پر رہنمائی شدہ چمک جمع کی، توڑنے سے پہلے اور جڑنے کے بعد۔ دونوں کے موازنے سے تقریباً 80% کی “جڑنے کی کارکردگی” (healing efficiency) حاصل ہوئی۔ ایسی چھ قلموں میں یہ 32% سے 99% تک رہی۔ نقصانات مرمت شدہ دراڑ پر بکھرنے والی روشنی سے ہوئے، خاص طور پر وہاں جہاں ٹکڑے غائب تھے۔

ایک بحال شدہ گمک کار

پتلی قلمیں گمک کار (resonators) کا کام بھی کرتی ہیں: ان کے اوپری اور نچلے رخ آئینوں کی طرح کام کرتے ہیں، اس لیے روشنی کے صرف کچھ مخصوص رنگ ان کے درمیان جمع ہو کر بڑھتے ہیں۔ قلم جتنی پتلی ہو، ان گمکوں کے درمیان فاصلہ اتنا ہی زیادہ ہوتا ہے۔ 31 × 28 مائیکرومیٹر اور 1.8 مائیکرومیٹر موٹی ایک قلم نے 17.8 نینومیٹر کے وقفے پر گمکیں دکھائیں۔

ٹیم نے اسے بیچ میں سے لمبائی کے رخ چٹخایا، دو حصوں میں الگ کیے بغیر۔ دراڑ کے مقام پر گمکیں بہت حد تک دب گئیں۔ جڑنے کے بعد وہ لوٹ آئیں، ایک ایسے طیف (spectrum) کے ساتھ جو صحیح سالم قلم کے طیف سے مطابقت رکھتا تھا۔ ہر 257 نینومیٹر پر تہہ بہ تہہ لی گئی فلوریسنس (fluorescence) تصاویر نے صرف اوپری تہوں میں دراڑ کا ایک مدھم نشان دکھایا؛ تقریباً 770 نینومیٹر سے نیچے اندرونی حصہ جڑا ہوا نظر آیا۔

جوڑ پر زیادہ نرم

ایک ہی قوت سے قلم میں دبائی گئی ہیرے کی نوک صحیح سالم حصوں میں 95 نینومیٹر اور جڑے ہوئے حصے میں 115 نینومیٹر دھنسی۔ جڑے ہوئے حصے کی سختی (stiffness)، یعنی اس کا ینگ کا معیارِ لچک (Young’s modulus)، 2.15 سے گر کر 1.49 گیگاپاسکل رہ گئی، جو اصل کا تقریباً دو تہائی ہے، اور اس کی سطحی سختی (hardness) تقریباً آدھی رہ گئی۔ پھر بھی، بوجھ ہٹانے پر یہ جزوی طور پر واپس ابھر آیا۔

ٹکڑوں کو آپس میں کیا جوڑے رکھتا ہے؟ سالموں کے درمیان قوتوں کے حسابات جڑنے کی دونوں سطحوں کے ساتھ ساتھ کشش کی مسلسل زنجیروں کی طرف اشارہ کرتے ہیں: سالموں کے درمیان ہائیڈروجن بانڈ اور پڑوسی تہوں کے درمیان دو قطبی (dipole) کشش، جنہیں مصنفین محرک قوتوں میں سے ایک سمجھتے ہیں۔

مصنفین زور دیتے ہیں کہ کوئی ایک عدد جڑنے کی کارکردگی کو پوری طرح بیان نہیں کرتا: قلم کی جسامت، دراڑ کی قسم اور ٹکڑوں کو کتنی اچھی طرح دوبارہ سیدھ میں لایا گیا، یہ سب نتیجہ بدل دیتے ہیں۔ ان کا مقصد ایسے بصری اجزا ہیں جو نقصان جھیل سکیں — چمکتی قلمیں جنہیں ٹوٹنے کے بعد دوبارہ کام پر لگایا جا سکے۔