Ultra-broadband and time-resolved depolarized dynamic light scattering for probing molecular dynamics in supercooled liquids and glasses
यह ट्यूटोरियल पेपर एक एकीकृत प्रयोगात्मक ढांचे को प्रस्तुत करता है जो पारंपरिक फाइबर-ऑप्टिकल फोटॉन सहसंबंध स्पेक्ट्रोस्कोपी, मल्टीस्पेकल इमेजिंग और उच्च-आवृत्ति डिटेक्शन को संयोजित करता है ताकि अल्ट्रा-ब्रॉडबैंड, समय-समाधानित डिपोलराइज्ड डायनेमिक लाइट स्कैटरिंग को सक्षम किया जा सके, जो संतुलन सुपरकूल्ड तरल पदार्थों और गैर-संतुलन एजिंग ग्लास दोनों में 20 से अधिक ऑर्डर्स (orders) के पार आणविक घूर्णी गतिशीलता को लक्षणित करने में सक्षम है।
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कल्पना कीजिए कि आप एक भीड़भाड़ वाले कमरे में खड़े हैं जहाँ हर कोई फुसफुसा रहा है। यदि आप समय को रोक सकें और एक तस्वीर ले सकें, तो आपको लोगों का एक अराजक ढेर दिखाई देगा। लेकिन यदि आप उन्हें चलते हुए देख सकें, तो आपको पैटर्न दिखाई देंगे: कुछ लोग बस अपने पैर थिरका रहे हैं, कुछ धीमा नृत्य कर रहे हैं, और कुछ दौड़ रहे हैं। भौतिकी की दुनिया में, वैज्ञानिक तरल पदार्थों और कांच (ग्लास) के साथ कुछ ऐसा ही करते हैं। वे किसी पदार्थ में लेजर बीम डालते हैं और देखते हैं कि उसके अंदर के नन्हे अणु प्रकाश से कैसे टकराते हैं। इस तकनीक को डायनेमिक लाइट स्कैटरिंग (DLS) कहा जाता है। प्रकाश के अणुओं से टकराने को सूरज की किरण में उड़ते धूल के कणों पर टॉर्च मारने जैसा समझें; प्रकाश जिस तरह से टिमटिमाता और नाचता है, वह वैज्ञानिक को बताता है कि अणु कितनी तेजी से घूम रहे हैं, हिल रहे हैं या फंस रहे हैं।
आमतौर पर, यह पानी में तैरते पराग कणों जैसी बड़ी चीजों के लिए बहुत अच्छा काम करता है। लेकिन जब वैज्ञानिक 'सुपरकूल्ड' तरल पदार्थों को देखने की कोशिश करते हैं—वे तरल पदार्थ जिन्हें इतना ठंडा किया गया है कि वे कांच बनने ही वाले हैं लेकिन अभी तक पूरी तरह जमे नहीं हैं—तो अणु बहुत छोटे होते हैं और उनकी हलचल अविश्वसनीय रूप से धीमी और सूक्ष्म होती है। यह एक तूफान के बीच एक अकेली फुसफुसाहट को सुनने की कोशिश करने जैसा है। इन अणुओं से टकराने वाला प्रकाश इतना कमजोर होता है और बदलाव इतने धीमे होते हैं कि मानक उपकरण अक्सर पूरी कहानी को पकड़ ही नहीं पाते। यह एक बड़ी बात है क्योंकि यह समझना कि ये "सुपरकूल्ड" तरल पदार्थ कैसे व्यवहार करते हैं, हमें यह समझने में मदद करता है कि कांच कैसे बनता है, कुछ सामग्रियां भंगुर क्यों हो जाती हैं, और बेहतर दवाएं या इलेक्ट्रॉनिक्स कैसे डिजाइन किए जा सकते हैं। चुनौती एक ऐसा सूक्ष्मदर्शी बनाने की रही है जो उस फुसफुसाहट को सुनने के लिए पर्याप्त संवेदनशील हो, त्वरित घुमावों को पकड़ने के लिए पर्याप्त तेज हो, और धीमी गति को बिना थके देखने के लिए पर्याप्त धैर्यवान हो, और वह भी बिना मशीन के खुद हिले-डुले।
यह शोध पत्र अनिवार्य रूप से उस समस्या को हल करने के लिए एक उत्तम प्रकाश-बिखराव (लाइट-स्कैटरिंग) मशीन बनाने के लिए एक "हाउ-टू" गाइड है। लेखकों ने, जो भौतिकविदों की एक टीम है, वर्णन किया है कि कैसे उन्होंने प्रकाश को देखने के तीन अलग-अलग तरीकों को एक सुपर-पावर्ड सेटअप में संयोजित किया। कल्पना कीजिए कि आप एक गाना सुनने की कोशिश कर रहे हैं: एक उपकरण हाई-स्पीड कैमरे की तरह है जो तेज ड्रम की थाप (उच्च-आवृत्ति कंपन) को पकड़ता है, दूसरा एक मानक स्टॉपवॉच की तरह है जो धीमी धुन (मानक प्रकाश प्रकीर्णन) को समय देता है, और तीसरा एक अत्यंत संवेदनशील माइक्रोफोन की तरह है जो घंटों तक बिना थके सुन सकता है (एक नया कैमरा-आधारित तरीका)। इन तीन उपकरणों को एक साथ जोड़कर, वे सबसे तेज़ कंपनों से लेकर सबसे धीमी गतिविधियों तक, आणविक नृत्य को पकड़ने में सफल रहे, जो 20 से अधिक 'ऑर्डर ऑफ मैग्नीट्यूड' के समय अंतराल को कवर करता है। यह एक ही बार में एक घोंघे द्वारा कमरे को पार करने में लगने वाले समय और ब्रह्मांड के विस्तार में लगने वाले समय को मापने जैसा है।
शोध पत्र में उन विशिष्ट युक्तियों का विवरण दिया गया है जिनका उपयोग उन्होंने इसे सफल बनाने के लिए किया, जैसे कि लेजर को पूरी तरह से स्थिर रखना, नमूनों को जमने वाले तापमान पर रखने के लिए एक विशेष क्रायोस्टेट (एक अति-शीतलक) का उपयोग करना ताकि वे हिलें नहीं, और केवल एक सिंगल फाइबर ऑप्टिक केबल के बजाय प्रकाश के पैटर्न की तस्वीरें लेने के लिए कैमरे का उपयोग करना। उन्होंने पाया कि एक साथ कई "स्पेकल्स" (प्रकाश के छोटे धब्बे) को देखने के लिए कैमरे का उपयोग करके, वे वास्तविक समय में अणुओं की गति को माप सकते हैं, भले ही सामग्री बदल रही हो या "एजिंग" (वृद्धावस्था/परिवर्तन) की प्रक्रिया से गुजर रही हो। इसने उन्हें इन जटिल तरल पदार्थों में अणुओं की गति की एक निरंतर, अटूट कहानी बनाने की अनुमति दी, जो गर्म और तरल अवस्था से लेकर कांच में जमने तक की यात्रा को दर्शाती है।
शोधकर्ताओं ने इसका परीक्षण डाइथाइल थैलेट (diethyl phthalate) नामक एक तरल और 1-फेनिल-1-प्रोपेनॉल (1-phenyl-1-propanol) नामक दूसरे तरल पर करके इसका प्रदर्शन किया। उन्होंने दिखाया कि उनकी नई विधि सभी विभिन्न समय पैमानों पर पूरी तरह से मेल खाने वाला डेटा उत्पन्न कर सकती है, जो यह सिद्ध करता है कि अलग-अलग उपकरण एक ही कहानी बता रहे हैं। उन्होंने इस सेटअप का उपयोग अचानक तापमान गिरने के बाद कांच के "एजिंग" को देखने के लिए भी किया, यह देखते हुए कि अणु वास्तविक समय में कैसे धीमे होते हैं और फंस जाते हैं, जो पुराने तरीकों से लगभग असंभव था। यह शोध पत्र इस रहस्य को हमेशा के लिए सुलझाने का दावा नहीं करता है, लेकिन यह एक शक्तिशाली, एकीकृत टूलकिट प्रदान करता है जो वैज्ञानिकों को इन सामग्रियों में आणविक गति की पूरी तस्वीर देखने की अनुमति देता है, पलक झपकने से लेकर एक भूवैज्ञानिक युग के धैर्य तक।
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