[चित्र सौजन्य पेक्सेल्स, पिक्साबे वरून साभार]
आपल्या आजूबाजूच्या सर्व वस्तू अणू व रेणूंच्या बनलेल्या असतात. मीठ आणि लोखंडासारख्या पदार्थांमध्ये अणू व रेणूंची विशिष्ट रचनांची पुनरावृत्ती असलेली पद्धतशीर बांधणी असते, ज्याला ‘स्फटिक जालक’ म्हणतात. एखाद्या बाहेरील उद्दीपनास, उदाहरणार्थ यांत्रिक बलास, प्रतिसाद म्हणून घन पदार्थाचे वर्तन, स्फटिक जालकाच्या एकत्रित वर्तनावर ठरते, प्रत्येक अणू किंवा रेणूच्या विभिन्न वर्तनावर नव्हे. स्फटिक जालकातील प्रत्येक घटकाच्या छोट्या स्पंदनांचा प्रभाव संपूर्ण स्फटिक जालकाच्या प्रतिसादावर असतो, व घन पदार्थ उष्णता कशा प्रकारे वाहून नेतात, किंवा पदार्थांच्या घन, द्रव व वायू या अवस्था कशा बदलतात इत्यादि अनेक नैसर्गिक घटना या एकत्रित प्रतिसादावरच अवलंबून असतात.
एका नवीन अभ्यासात, भारतीय तंत्रज्ञान संस्था, मुंबई येथील संशोधकांनी, बाह्य उद्दीपनांमुळे स्फटिक जालकाच्या रचनेत कसे बदल होतात याचे भाकीत करण्यासाठी एक सैद्धांतिक पद्धत विकसित केली आहे. याबद्दलचा लेख एनपीजे कम्प्यूटेशनल मटेरियल्स या कालिकात प्रकाशित झाला आहे. या संशोधनासाठी भारतीय तंत्रज्ञान संस्था, मुंबई येथील औद्योगिक संशोधन व सल्लागारी केंद्र, मानव संसाधन विकास मंत्रालय (आता शिक्षण मंत्रालय), भारत सरकारचे अणुशक्ती विभाग आणि विज्ञान व तंत्रज्ञान विभाग यांच्याकडून आंशिक अर्थ सहाय्य लाभले होते.
स्फटिकी जालकाच्या रचनेतील बदलांचा, किंवा त्याच्या गतिकीचा अभ्यास करण्यासाठी, शास्त्रज्ञ आधी स्फटिक रचना बाहेरून उद्दीपित करतात व त्यामुळे होणारे परिणाम काळानुसार कसे बदलतात याचे निरीक्षण करतात. उद्दीपन करायला साधारणपणे लेसर प्रकाशाच्या अल्पकालिक स्पंदांचा उपयोग करतात.
“घन पदार्थांना लेसर प्रकाशाच्या स्पंदांनी उद्दीपित केले असता त्याचे अणू स्पंदित होऊ लागतात,” असे या अभ्यासाचे एक लेखक प्राध्यापक गोपाल दीक्षित सांगतात.
स्फटिकी जालकातील अणू व रेणूंच्या स्थानाबद्दल माहिती क्ष-किरणांचा अथवा इलेक्ट्रॉनचा उपयोग करुन मिळवता येते. दोन स्पंदांमध्ये काही फेमटोसेकंद, म्हणजे सेकंदाचा दशकोट्यंश सेकंदाचा कोट्यंश भाग (१०-१५) इतके अंतर असलेल्या क्ष-किरण किंवा इलेक्ट्रॉन स्पंदांचा मारा घन पदार्थांवर केल्यास, स्पंद घन पदार्थावर प्रकाशित होतो त्या वेळेचे घन पदार्थाचे चित्र मिळू शकते. अशी पाठोपाठची चित्रे एकामागोमाग एक लावून शास्त्रज्ञ स्पंदित अणूंची चित्रफीत बनवतात. मात्र अशा प्रयोगांची रचना करणे आव्हानात्मक असते, त्यासाठी सामान्यपणे प्रयोगशाळेत वापरल्या जाणाऱ्या सूक्ष्मदर्शकांपेक्षा खूप जास्त खर्चिक आणि जटिल उपकारणांची गरज असते. अशा प्रकारची व्यवस्था जगातील मोजक्याच ठिकाणी उपलब्ध आहे. असे प्रगत प्रयोग करणे शास्त्रज्ञांना गेल्या दशकातच शक्य झाले आहे.
पदार्थाच्या नुमन्यावर क्ष-किरण किंवा एलेक्ट्रॉन प्रकाशित केला असता, पदार्थात रेण्वीय स्पंद निर्माण होतात. घन पदार्थाचा या प्रतिसादाचे निरीक्षण क्ष-किरण किंवा इलेक्ट्रॉन कॅमेऱ्याद्वारे करतात.
[चित्र सौजन्य : मूळ अभ्यासाचे एक संशोधक, आदित्य प्रसाद रॉय, यंत्र अभियांत्रिकी विभाग, भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई]
उद्दीपित नसलेल्या घन पदार्थांच्या रेण्वीय रचनेचा अभ्यास करणे मात्र त्या मानाने सोपे आहे. गेली किमान पन्नास वर्षे, शास्त्रज्ञ सिलिकॉन सारख्या घनपदार्थांवर क्ष-किरण किंवा इलेक्ट्रॉनचा मारा करून त्याच्या स्फटिक जालकावर काय परिणाम होतो त्याचा अभ्यास करत आहेत.
“घन पदार्थांवर पडणाऱ्या किरणांना प्रतिसाद म्हणून जे किरण घन पदार्थातून बाहेर पडतात, त्यावर विशिष्ट छाप असते, त्यातून जालकाच्या अण्वीय स्पंदनांची माहिती मिळते,” असे या अभ्यासाचे आणखी एक लेखक, प्राध्यापक दीपांशु बन्सल सांगतात. जोसेफ फुरियरने सर्वप्रथम निर्माण केलेल्या एका गणिती तंत्राचा उपयोग करून, शास्त्रज्ञ जालकाच्या रचनेचा अवकाशीय व कालिक अभ्यास करू शकतात.
येथे उल्लेख केलेल्या अभ्यासात, गणिताच्या आधारे शास्त्रज्ञांनी दाखवले की हीच पद्धत वापरून, बाहेरून उद्दीपित घन पदार्थांचाही अभ्यास केला जाऊ शकतो. फुरियर पद्धतीचे विस्तारित स्वरूप आणि पुंजभौतिकीतील (क्वांटम भौतिक शास्त्र) तत्त्वांचा उपयोग त्यांनी केला, व काळ एकाच दिशेने प्रवाही आहे ही संकल्पनाही वापरली. याच्या आधारे त्यांनी जालकाच्या रचनेत बाहेरील उद्दीपनामुळे झालेल्या बदलांचे स्वरूप स्पष्ट करणारी एक गणितीय राशी परिगणित केली.
‘रिस्पॉन्स फन्क्शन’ किंवा प्रतिसाद फल म्हटल्या जाणाऱ्या सदर गणितीय राशीचा उपयोग करून संशोधकांनी घन पदार्थांचे वर्तन अगदी दर काही फेमटोसेकंदाला व प्रत्येक नॅनोमीटर अंतराला कसे असेल याचे भाकित केले. मग मागील दशकातील प्रयोगांमधून लेझरच्या आधारे प्राप्त चित्रांद्वारे पण त्यांनी प्रतिसाद फल काढले. त्यांनी हे दाखवले की हे प्रतिसाद फल सैद्धांतिक माहिती वापरून काढलेल्या प्रतिसाद फलाशी तंतोतंत जुळणारे आहे. त्यांच्या गणनेमुळे पहिल्यांदा असे सिद्ध झाले आहे की घनपदार्थांमधील गतिकीचा अभ्यास करण्यासाठी जटिल उपकरणांची गरज भासणार नाही.
याचे आणखीही फायदे आहेत. “अत्यंत सूक्ष्म अवधीच्या (पिकोसेकंद) फरकाने पाठवायला लागणऱ्या स्पंदांची गरज आमच्या पद्धतीसाठी लागत नाही. एकच स्पंद पुरतो,” असे प्रा. दीक्षित सांगतात. अशा प्रयोगांचे परिणाम मिळायला अनेक दिवस किंवा महिने लागतात. मात्र सैद्धांतिक पद्धतीला अगदी वैयक्तिक संगणक देखील वापरला, तरी काही दिवसातच गणना करून होते व लवकर परिणाम मिळतात.
या अभ्यासाने प्रायोगिक व सैद्धांतिक शास्त्रज्ञांना एकत्र आणले आहे. “आमचे काम हे एकत्रित केलेल्या कष्टांचे यश आहे,” असे प्रायोगिक शास्त्रज्ञ प्रा. बन्सल म्हणतात. “सैद्धांतिक भौतिकशास्त्रज्ञांना हे आव्हान पेलण्यासाठी, प्रयोगातील नेमक्या स्थितींबाबतच्या मर्मदृष्टीची गरज होती, जी सैद्धांतिक अभ्यासातून प्राप्त होत नाही,” असे सैद्धांतिक भौतिकशास्त्रज्ञ प्रा. दीक्षित सांगतात. प्रा. बन्सल मान्य करतात की, “प्रयोग करणे आव्हानात्मक आहे, पण सैद्धांतिक गणना करण्यासाठी काही मर्यादा नाहीत.”
संशोधक हे आवर्जून नमूद करतात की त्यांची पद्धत वेगवेगळ्या परिस्थितींमधील, जसे चुंबकीय क्षेत्र असताना, किंवा बाह्य दाब असताना किंवा उच्च तापमानातही घन पदार्थांच्या आतील स्पंदनांची माहिती मिळवण्यासाठी उपयुक्त आहे. प्रा. बन्सल सांगतात, “हे तर सर्वात जास्त जटील व सूक्ष्म प्रयोगांद्वारेही करणे शक्य नाही.” प्रयोगांतून मिळणाऱ्या मर्यादित माहितीच्या आधारे प्रतिसाद फल काढणे सोपे नसले तरीही प्रगत तंत्रज्ञानामुळे आता अन्वेषण करणे सोपे होते आहे. संशोधक अशा प्रकारच्या प्रयोगांद्वारे त्यांचा सिद्धांत तपासण्याची योजना करत आहेत.