Field-Programmable Topological Torons in Chiral Nematic Liquid Crystals
यह शोध पत्र विशेष रूप से तैयार किए गए प्रत्यावर्ती धारा (alternating-current) विद्युत क्षेत्रों का उपयोग करके काइरल नेमैटिक लिक्विड क्रिस्टल में व्यक्तिगत टोपोलॉजिकल टोरोन्स (topological torons) के प्रयोगात्मक निर्माण, स्टीयरिंग और पार्किंग को प्रदर्शित करता है, जो पुनर्गठनीय पैटर्न बनाने, सूक्ष्म हेरफेर (micromanipulation) और ऑप्टिकल मेमोरी के अनुप्रयोगों के लिए उनके प्रक्षेप पथों पर नियतात्मक उप-माइक्रोमीटर नियंत्रण को सक्षम बनाता है।
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कल्पना कीजिए कि लिक्विड क्रिस्टल की एक बूंद केवल एक तरल पदार्थ नहीं है, बल्कि एक डांस फ्लोर है जहाँ अणु (molecules) नर्तक हैं। आमतौर पर, ये नर्तक सीधी, समानांतर पंक्तियों में लाइन बनाकर खड़े होते हैं। लेकिन यदि आप इसमें एक विशेष "कायरल" (chiral) सामग्री (जैसे कि एक घुमावदार मसाला) मिला देते हैं, तो नर्तक एक-दूसरे के चारों ओर सर्पिल (spiral) आकार में घूमने लगते हैं, जिससे एक कॉर्कस्क्रू जैसा पैटर्न बन जाता है।
इस शोध पत्र में, वैज्ञानिकों ने इस सर्पिल डांस फ्लोर में छोटे, 3D "गांठों" (knots) को बनाने, पकड़ने और चलाने का तरीका खोजा है। वे इन गांठों को टोरोन (Torons) कहते हैं।
यहाँ उन्होंने जो किया है उसका सरल विवरण दिया गया है, जिसमें रोजमर्रा के उदाहरणों का उपयोग किया गया है:
1. टोरोन क्या है? (द "सर्पिल गांठ")
टोरोन को एक छोटे, आत्मनिर्भर बवंडर या तरल के भीतर मौजूद रस्सी की गांठ के रूप में सोचें।
- आकार: यह एक 3D गोला है जहाँ अणु एक केंद्र बिंदु के चारों ओर घूमते हैं, जिसके सिरे "दोषों" (defects) के एक बंद लूप (जैसे गांठ के कसकर बंधे हुए सिरे) द्वारा बंद होते हैं।
- जादू: भले ही यह तरल से बना हो, लेकिन यह एक ठोस कण की तरह व्यवहार करता है। यह अपना आकार बनाए रखता है, आसानी से टूटता नहीं है, और इसे एक छोटे मोती की तरह माना जा सकता है।
- समस्या: आमतौर पर, इन गांठों को बनाने के लिए एक उच्च-शक्ति वाले लेजर (जैसे कि एक छोटा वेल्डिंग टॉर्च) की आवश्यकता होती है ताकि उन्हें अस्तित्व में लाया जा सके। एक बार बनने के बाद, वे बस वहीं पड़े रहते हैं। आप उन्हें आसानी से हिला नहीं सकते।
2. बड़ी सफलता: "इलेक्ट्रिक रिमोट कंट्रोल"
शोधकर्ताओं ने इन गांठों को बिना लेजर के बनाने और, सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि उन्हें रिमोट-कंट्रोल कारों की तरह चलाने का तरीका खोज निकाला है।
- सेटअप: उन्होंने लिक्विड क्रिस्टल को दो कांच की प्लेटों के बीच रखा है जिन्हें एक विशिष्ट दिशा में "रब" (rubbed) किया गया है (जैसे बालों को एक तरफ ब्रश करना)। यह तरल को बहने के लिए एक पसंदीदा दिशा देता है।
- इंजन: लेजर के बजाय, उन्होंने बिजली (electricity) का उपयोग किया। एक विशिष्ट, लहराते हुए इलेक्ट्रिक करंट (AC और DC वोल्टेज का मिश्रण) को लागू करके, वे निम्नलिखित कार्य कर सके:
- एक गांठ को शून्य से पैदा करना (Spawn)।
- उसे किसी भी दिशा में मोड़ना (Steer) (उत्तर, दक्षिण, पूर्व, पश्चिम, या तिरछा)।
- उसे किसी भी जगह पार्क (Park) करना।
- काम खत्म होने पर उसे मिटा (Erase) देना।
3. स्टीयरिंग कैसे काम करती है (द "सर्फिंग" एनालॉजी)
कल्पना कीजिए कि टोरोन एक लहर पर सवार सर्फर है।
- लहर: इलेक्ट्रिक फील्ड तरल के अणुओं में एक "लहर" पैदा करती है।
- तरीका: वैज्ञानिकों ने केवल सर्फर को धक्का नहीं दिया; उन्होंने लहर का आकार बदल दिया।
- यदि उन्होंने लहर को धीरे-धीरे ऊपर उठाया और तेजी से नीचे गिराया, तो सर्फर एक दिशा में चला गया।
- यदि उन्होंने लहर को तेजी से ऊपर उठाया और धीरे-धीरे नीचे गिराया, तो सर्फर दूसरी दिशा में चला गया।
- "उतार-चढ़ाव" के समय (ड्यूटी साइकिल) को बदलकर और थोड़ा सा अतिरिक्त धक्का (DC ऑफसेट) जोड़कर, वे टोरोन को 8 दिशाओं में से किसी भी दिशा में चला सकते थे।
- तापमान नियंत्रण: उन्होंने यह भी पाया कि यदि वे कमरे को गर्म करते हैं, तो सर्फर अपनी दिशा बदल लेगा। यह ऐसा है जैसे एक निश्चित तापमान पर तरल अधिक "फिसलन भरा" हो जाता है, जिससे प्रवाह की दिशा उलट जाती है।
4. हम इससे क्या कर सकते हैं? (द "टॉय बॉक्स" अनुप्रयोग)
चूंकि वे सॉफ्टवेयर के माध्यम से इन गांठों को चला सकते हैं, इसलिए उन्होंने तीन शानदार प्रोटोटाइप बनाए:
- "रेसट्रैक" मेमोरी: एक कंप्यूटर मेमोरी स्टिक की कल्पना करें जहाँ डेटा चिप पर 0s और 1s के रूप में नहीं, बल्कि चलती हुई गांठों के रूप में संग्रहीत होता है। आप एक गांठ पैदा करके "1" लिख सकते हैं, उसे ट्रैक पर चला सकते हैं, और कैमरे से देखकर उसे पढ़ सकते हैं। यदि आप इसे मिटाना चाहते हैं, तो आप बस इसे ज़ैप (zap) कर सकते हैं। सबसे अच्छी बात यह है कि ट्रैक भौतिक नहीं है; आप स्क्रीन पर तुरंत एक नया ट्रैक बना सकते हैं।
- "डिजिटल पेन": उन्होंने एक एकल गांठ को स्क्रीन पर "SMP" अक्षर बनाने के लिए प्रोग्राम किया। यह स्क्रीन पर लिखने वाले एक छोटे, अदृश्य पेन की तरह है, जिसका उपयोग डायनेमिक डिस्प्ले या सुरक्षा सुविधाओं के लिए किया जा सकता है।
- "मैग्नेटिक क्रेन": उन्होंने एक सूक्ष्म कण (microparticle) को उठाने के लिए टोरोन का उपयोग किया और उसे स्क्रीन पर एक नई जगह तक ले जाने के लिए इस्तेमाल किया। यह एक सूक्ष्म फोर्कलिफ्ट की तरह है जो बिना भौतिक रूप से छुए वस्तुओं को पकड़ सकता है, ले जा सकता है और छोड़ सकता है।
यह क्यों महत्वपूर्ण है?
यह एक बड़ी बात है क्योंकि यह एक जटिल भौतिक घटना को एक प्रोग्राम करने योग्य उपकरण में बदल देता है।
- लेजर की आवश्यकता नहीं: यह उच्च-शक्ति वाले लेजर की तुलना में सस्ता और सुरक्षित है।
- प्रतिवर्ती (Reversible): आप अपनी गलतियों को तुरंत सुधार सकते हैं।
- सॉफ्ट रोबोटिक्स: यह तरल के भीतर सूक्ष्म वस्तुओं (जैसे कोशिकाओं या दवाओं) को नुकसान पहुँचाए बिना उन्हें नियंत्रित करने वाले "सॉफ्ट" रोबोटों के द्वार खोलता है।
संक्षेप में: वैज्ञानिकों ने लिक्विड क्रिस्टल को एक प्रोग्राम करने योग्य खेल के मैदान में बदल दिया है जहाँ वे केवल बिजली और कंप्यूटर माउस का उपयोग करके छोटे 3D गांठों को पैदा कर सकते हैं, चला सकते हैं और पार्क कर सकते हैं। यह पदार्थ के ताने-बाने के लिए एक रिमोट कंट्रोल रखने जैसा है।
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