3-dimensional plasmonic nanomotors enabled by independent integration of Optical Pulling and Lateral Forces
यह शोध पत्र सैद्धांतिक रूप से एक नवीन 3D प्लास्मोनिक नैनोमोटर डिजाइन प्रस्तावित करता है जो एज़िमुथल पोलराइज्ड बेसेल बीम (azimuthally polarized Bessel beam) से प्राप्त ऑप्टिकल पुलिंग बलों को एसिमेट्रिक प्लास्मोनिक डाइमर्स (asymmetric plasmonic dimers) से प्राप्त पार्श्व बलों के साथ जोड़कर अनुप्रस्थ (transverse) और अनुदैर्ध्य (longitudinal) गति पर स्वतंत्र नियंत्रण प्राप्त करता है, जिससे आपतित प्रकाश के विरुद्ध पुलिंग बलों को साकार करने की चुनौती को दूर किया जा सके।
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कल्पना कीजिए एक ऐसी दुनिया की जहाँ प्रकाश केवल चीजों को रोशन ही नहीं करता, बल्कि अदृश्य हाथों की तरह उन्हें धकेलता और खींचता भी है। यह ऑप्टिकल मैनिपुलेशन (प्रकाशिक हेरफेर) का क्षेत्र है, भौतिक विज्ञान की एक ऐसी शाखा जहाँ वैज्ञानिक सूक्ष्म वस्तुओं को हिलाने के लिए फोटॉन के नन्हे संवेग (मोमेंटम) का उपयोग करते हैं। आपने "ऑप्टिकल ट्वीज़र्स" के बारे में सुना होगा, जो प्रकाश की कसकर केंद्रित किरणों का उपयोग करके सूक्ष्म कणों को पकड़ने और थामने के लिए करते हैं, बिल्कुल प्रकाश से बनी चिमटी की तरह। हालाँकि, इन उपकरणों की पहुँच आमतौर पर कम होती है और इन्हें प्रकाश स्रोत की ओर खींचने में कठिनाई होती है; ये चीजों को प्रकाश से दूर धकेलने में बेहतर होते हैं। जबकि वैज्ञानिकों ने यह समझ लिया है कि कैसे प्रकाश का उपयोग करके सूक्ष्म मशीनों को अगल-बगल घुमाया जा सकता है, उन्हें प्रकाश की किरण के पथ के साथ आगे और पीछे ले जाना—विशेष रूप से प्रकाश के प्राकृतिक धक्के के विरुद्ध—एक कठिन पहेली बना हुआ था। इसे हल करना सूक्ष्म रोबोट बनाने के लिए गेम-चेंजर साबित हो सकता है जो बैटरी या तारों की आवश्यकता के बिना तरल पदार्थों में नेविगेट कर सकें, रसायनों को मिला सकें, या शरीर के भीतर कार्गो पहुँचा सकें।
इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं गुइलेर्मो सेरा, योशितो वाई. तनाका और पाब्लो अल्बेला ने एक सैद्धांतिक "नैनोमोटर" डिजाइन किया है जो अंततः असंभव को करने में सक्षम है: प्रकाश का उपयोग करके तीन आयामों (3D) में स्वतंत्र रूप से घूमना। उन्होंने एक छोटी, बेलनाकार कांच की नाव बनाई है जिसे एक विशेष प्रकार की लेजर बीम द्वारा आगे खींचा जा सकता है, जबकि साथ ही इसमें छोटे धातु के "पाल" (सेल्स) लगे हुए हैं जो एक अलग प्रकार के प्रकाश के साथ इसे बाएं या दाएं मोड़ सकते हैं। टीम ने कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके यह सिद्ध किया कि यह डिजाइन काम करता है, जिससे पता चलता है कि इस मोटर को केवल प्रकाश के रंग या ध्रुवीकरण (पोलराइजेशन) को बदलकर खींचा, धकेला या मोड़ा जा सकता है। सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि उन्होंने पाया कि यह छोटी नाव आश्चर्यजनक रूप से स्थिर है; भले ही यह पानी के अणुओं की यादृच्छिक हलचल के कारण डगमगाए या अपने रास्ते से भटक जाए, प्रकाश बल इसे धीरे से वापस इसके पथ पर ले आते हैं, जिससे यह लंबी दूरी तक सुचारू रूप से यात्रा कर पाती है।
अदृश्य खींचतान
यह समझने के लिए कि यह नैनोमोटर कैसे काम करता है, आइए एक छोटे कांच के सिलेंडर की कल्पना करें जो पानी में तैर रहा है, जो आकार में एक बैक्टीरिया के बराबर है। सामान्य रूप से, यदि आप किसी नाव पर टॉर्च जलाते हैं, तो प्रकाश उससे टकराकर वापस आता है और नाव को दूर धकेलता है। यह प्रकाश का "धकेलने वाला" बल है, जिसे समझना आसान है। लेकिन वैज्ञानिक एक "खींचने वाला" बल बनाना चाहते थे, जहाँ प्रकाश नाव को पकड़ ले और उसे स्रोत की ओर खींचे। यह विरोधाभासी है, जैसे कि किसी टॉर्च को किसी स्लेज (बर्फ पर फिसलने वाली गाड़ी) पर चमकाकर उसे अपनी ओर खींचने की कोशिश करना।
इसे प्राप्त करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक विशेष लेजर बीम का उपयोग किया जिसे अजीमुथली पोलराइज्ड बेसेल बीम (azimuthally polarized Bessel beam) कहा जाता है। एक नियमित टॉर्च की बीम को प्रकाश के ठोस शंकु के रूप में कल्पना करें। एक बेसेल बीम अलग है; यह प्रकाश के एक छल्ले की तरह दिखता है जिसका केंद्र काला होता है, और यह बिना फैले लंबी दूरी तक यात्रा कर सकता है। जब यह विशिष्ट छल्ले के आकार की बीम कांच के सिलेंडर से टकराती है, तो कुछ जादुई होता है। प्रकाश कांच के अंदर प्रवेश करता है, एक पाइप में लहर की तरह अंदर ही अंदर उछलता है, और इस तरह बाहर निकलता है कि प्रकाश "कोलिमेट" या सीधा हो जाता है। प्रकाश की दिशा में यह परिवर्तन एक 'रिकोइल' (प्रतिक्रिया) प्रभाव पैदा करता है जो सिलेंडर को पीछे की ओर, यानी लेजर की ओर खींचता है। टीम ने पाया कि इसके सर्वोत्तम कार्य करने के लिए, सिलेंडर की लंबाई और चौड़ाई विशिष्ट होनी चाहिए, और लेजर को एक विशिष्ट कोण पर टकराना चाहिए। उनके सिमुलेशन में, 3 माइक्रोमीटर लंबे और 1.77 माइक्रोमीटर व्यास वाले सिलेंडर को -1.2 पिको न्यूटन के बल से खींचा जा सकता था (एक पिको न्यूटन एक न्यूटन का एक ट्रिलियनवां हिस्सा होता है, एक ऐसा बल जिसे कल्पना करना कठिन है, लेकिन इस सूक्ष्म वस्तु के लिए बहुत बड़ा है)।
स्टीयरिंग सेल्स (पतवार के पाल)
अब, कल्पना कीजिए कि यह कांच का सिलेंडर एक नाव है, लेकिन यह केवल आगे या पीछे चल सकती है। हम इसे बाएं या दाएं कैसे मोड़ सकते हैं? शोधकर्ताओं ने तकनीक की एक दूसरी परत जोड़ी: प्लास्मोनिक डायमर्स (plasonic dimers)। ये सोने की छड़ों के जोड़े हैं, जो लघु पतवारों (ओर्स) के आकार के हैं, जो कांच के सिलेंडर के अंदर जड़े हुए हैं।
इन सोने की छड़ों को उन पालों (सेल्स) के रूप में सोचें जो केवल तभी हवा पकड़ते हैं जब हवा एक विशिष्ट दिशा से चलती है। जब शोधकर्ता इस नैनोमोटर पर एक मानक, सपाट प्रकाश तरंग (प्लेन वेव) डालते हैं, तो सोने की छड़ें प्रकाश को असमान रूप से बिखेर देती हैं। यदि प्रकाश एक दिशा में ध्रुवीकृत (पॉलेराइज्ड) है, तो छड़ें नाव को बगल में धकेलती हैं। यदि आप प्रकाश के ध्रुवीकरण को घुमाते हैं, तो नाव विपरीत दिशा में मुड़ जाती है। टीम ने सिमुलेशन किया कि ये छड़ें लगभग 0.1 पिको न्यूटन का पार्श्व बल (लेटरल फोर्स) उत्पन्न कर सकती हैं, जो पानी के अणुओं की यादृच्छिक हलचल (ब्राउनियन मोशन) को पार करने और नाव को लगातार चलाने के लिए पर्याप्त है।
डिजाइन का चतुर हिस्सा यह है कि ये दोनों प्रणालियाँ आपस में लड़ती नहीं हैं। सोने की छड़ें खींचने के लिए उपयोग की जाने वाली विशेष बेसेल बीम के लंबवत (परपेंडिकुलर) व्यवस्थित हैं। इसका मतलब है कि खींचने वाली बीम छड़ों को सक्रिय किए बिना सीधे उनके माध्यम से गुजर जाती है, जिससे नाव बिना किसी बाधा के आगे बढ़ सकती है। इसके विपरीत, जब स्टीयरिंग के लिए सपाट प्रकाश तरंग का उपयोग किया जाता है, तो वह खींचने वाली प्रक्रिया में हस्तक्षेप नहीं करती है। यह एक कार के इंजन और स्टीयरिंग व्हील के अलग होने जैसा है, जहाँ दोनों को अलग-अलग चाबियों से नियंत्रित किया जाता है।
अस्थिर दुनिया में स्थिरता
सूक्ष्म मशीनों के लिए सबसे बड़ी चुनौतियों में से एक स्थिरता है। पानी में, चीजें लगातार एक-दूसरे से टकराती हैं और इधर-उधर हिलती रहती हैं। यदि प्रकाश बीम केंद्र से थोड़ी सी भी हट जाए, या यदि नाव झुक जाए, तो क्या वह रास्ता भटक जाएगी? शोधकर्ताओं ने हजारों कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए यह देखने के लिए कि उनका नैनोमोटर समय के साथ कैसा व्यवहार करेगा।
उन्होंने पाया कि यह प्रणाली अविश्वसनीय रूप से मजबूत है। भले ही नाव बीम के केंद्र से 150 से 200 नैनोमीटर दूर चली जाए या 20 डिग्री तक झुक जाए, प्रकाश बल एक कोमल स्प्रिंग की तरह कार्य करते हैं, जो नाव को केंद्र की ओर वापस धकेलते और घुमाते हैं। सिमुलेशन ने दिखाया कि नाव बीम के केंद्र के चारों ओर आगे-पीछे डगमगाएगी, लेकिन वह "पुलिंग ज़ोन" (खींचने वाले क्षेत्र) के भीतर ही रहेगी। 1 सेकंड के सिम्युलेटेड समय में, नैनोमोटरों ने लगभग 11 से 18 माइक्रोमीटर की दूरी तय की। हालांकि यह छोटा लगता है, लेकिन यह नाव की लंबाई से कई गुना अधिक है, जिसका अर्थ है कि यह अपने आकार के हिसाब से अच्छी गति से चल रही है।
टीम ने यह भी नोट किया कि नाव की गति इतनी स्थिर है कि वह पानी की यादृच्छिक अराजकता के बीच भी पटरी से नहीं उतरती। प्रकाश बलों द्वारा बनाए गए "पोटेंशियल वेल्स" (संभावित कुएं) इतने गहरे (तापीय हलचल की ऊर्जा से 10 गुना अधिक) हैं कि वे नाव को ट्रैक पर रख सकें। यह सुझाव देता है कि वास्तविक दुनिया के परिदृश्य में, ये नैनोमोटर लैब-ऑन-ए-चिप डिवाइस में तरल पदार्थों को मिलाने या कार्गो ले जाने जैसे कार्य करने के लिए विश्वसनीय हो सकते हैं।
इसका क्या अर्थ है
यह शोध पत्र केवल एक विचार का सुझाव नहीं देता है; यह एक 3D नैनोमोटर का विस्तृत सैद्धांतिक ब्लूप्रिंट प्रदान करता है जिसे सभी दिशाओं में स्वतंत्र रूप से नियंत्रित किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज कर दिया है कि खींचने वाले बल प्राप्त करने के लिए जटिल, कम दूरी वाली बीम या आंतरिक बुलबुलों की आवश्यकता है; इसके बजाय, उन्होंने दिखाया कि एक साधारण कांच का सिलेंडर और एक विशिष्ट लेजर बीम यह काम कर सकती है। उन्होंने यह भी प्रदर्शित किया कि स्टीयरिंग क्षमता प्राप्त करने के लिए आपको खींचने की शक्ति से समझौता करने की आवश्यकता नहीं है; ये दोनों एक ही सूक्ष्म वस्तु में सह-अस्तित्व में रह सकते हैं।
हालांकि यह कार्य वर्तमान में एक सिमुलेशन है और अभी तक प्रयोगशाला में बनाया नहीं गया है, लेकिन सुझाए गए सामग्रियां (जैसे कांच, SU-8, या एल्युमीनियम ऑक्साइड) और निर्माण तकनीकें (जैसे इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी) ऐसी चीजें हैं जिन्हें वैज्ञानिक आज कर सकते हैं। लेखक आश्वस्त हैं कि सही सेटअप के साथ, यह डिजाइन सूक्ष्म रोबोटिक्स के एक नए युग को खोल सकता है, जहाँ प्रकाश इंजन और स्टीयरिंग व्हील दोनों के रूप में कार्य करता है, जो हमारी दुनिया के जटिल तरल पदार्थों के माध्यम से सूक्ष्म मशीनों का मार्गदर्शन करता है।
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