Tomographic Phase Imaging with Randomized Probe Imaging
यह शोध पत्र टोमोग्राफी में रैंडमाइज्ड प्रोब इमेजिंग (RPI) के पहले अनुप्रयोग को प्रदर्शित करता है, जो प्रति प्रोजेक्शन एकल फार-फील्ड विवर्तन पैटर्न से क्यूबिक गोल्ड नैनोकणों की सब-100 एनएम रिज़ॉल्यूशन के साथ तीव्र 3D फेज़ इमेजिंग को सक्षम बनाता है, जिससे पुनर्गठित वॉल्यूम में उच्च निरंतरता बनाए रखते हुए पारंपरिक टेकोग्राफी-आधारित विधियों की तुलना में डेटा संग्रह को महत्वपूर्ण रूप से त्वरित किया जाता है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
एक नन्ही, अदृश्य दुनिया के अंदर देखने की कल्पना करें, जैसे कि एक घड़ी के अंदर के गियर जो रेत के एक कण से भी छोटे हों। वैज्ञानिकों के पास इसके लिए एक विशेष उपकरण है जिसे एक्स-रे (X-rays) कहा जाता है, जो उन चीजों के आर-पार जा सकते हैं जिन्हें हमारी आँखें नहीं देख सकतीं। लेकिन एक्स-रे चतुर होते हैं; वे अक्सर बिना कोई स्पष्ट तस्वीर छोड़े सीधे निकल जाते हैं, खासकर यदि वस्तु बहुत कम प्रकाश सोखती हो। इस समस्या को हल करने के लिए, वैज्ञानिक "फेज इमेजिंग" (phase imaging) नामक एक चतुर तरकीब का उपयोग करते हैं। इसे ऐसे समझें: यदि आप एक साफ कांच की खिड़की के माध्यम से टॉर्च की रोशनी डालते हैं, तो आप स्वयं कांच को नहीं देख पाएंगे, लेकिन यदि आप देखते हैं कि प्रकाश खिड़की से गुजरते समय कैसे मुड़ता और बदलता है, तो आप खिड़की के आकार का पता लगा सकते हैं। फेज इमेजिंग यही करती है—यह मानचित्र बनाती है कि प्रकाश तरंगें (light waves) कैसे हिलती और बदलती हैं ताकि नन्ही वस्तुओं की छिपी हुई 3D संरचना को प्रकट किया जा सके।
आमतौर पर, किसी चीज़ की इतनी छोटी 3D तस्वीर पाने के लिए, वैज्ञानिकों को अलग-अलग कोणों से सैकड़ों तस्वीरें लेनी पड़ती हैं, जैसे कि डॉक्टर के क्लिनिक में सीटी स्कैन (CT scan) होता है। समस्या यह है कि उच्च-गुणवत्ता वाली तस्वीरें प्राप्त करने का सबसे अच्छा तरीका अविश्वसनीय रूप से धीमा है। यह एक ही समय में ब्रश के एक एकल स्ट्रोक को हिलाकर एक उत्कृष्ट कृति बनाने की कोशिश करने जैसा है, जो घंटों तक एक ही स्थान पर आगे-पीछे स्कैन करता रहता है। यह सुस्ती तेजी से होने वाली घटनाओं, जैसे कि क्रिस्टल का बनना या फ्यूल सेल का काम करना, को वास्तविक समय (real-time) में पकड़ना असंभव बना देती है। इस क्षेत्र में बड़ा सवाल यह रहा है: "क्या हम पूरे दिन कैमरा स्कैन पूरा होने का इंतजार किए बिना, नैनोस्केल की दुनिया की एक तेज़, 3D तस्वीर प्राप्त कर सकते हैं?"
यह शोध पत्र एक नए, तेज़ शॉर्टकट की कहानी बताता है जिसे अर्गोने नेशनल लेबोरेटरी (Argonne National Laboratory) के शोधकर्ताओं ने इस सवाल का जवाब देने के लिए खोजा है। उन्होंने सोने के नैनोकणों (gold nanoparticles) के एक समूह पर "रैंडमाइज्ड प्रोब इमेजिंग" (Randomized Probe Imaging - RPI) नामक एक विधि का परीक्षण किया। उनकी तरकीब को समझने के लिए, कल्पना करें कि आप एक टॉर्च की रोशनी किसी रहस्यमय वस्तु पर डालकर उसका रूप समझने की कोशिश कर रहे हैं। पुराना, धीमा तरीका (जिसे प्टाइकोग्राफी/ptychography कहा जाता है) उस टॉर्च को एक बहुत ही सूक्ष्म, सटीक ग्रिड पैटर्न में चलाने जैसा है, जो एक पूर्ण मानचित्र बनाने के लिए हर एक कदम पर एक फोटो लेता है। यह सटीक है लेकिन इसमें बहुत समय लगता है।
नई विधि, RPI, एक वस्तु पर मुट्ठी भर ग्लिटर (चमकीले कण) को एक अराजक, यादृच्छिक (random) पैटर्न में फेंकने और केवल एक अव्यवस्थपूर्ण प्रतिबिंब की एक तस्वीर लेने के समान है। शोधकर्ताओं ने एक अराजक, ग्लिटर जैसी प्रकाश व्यवस्था बनाने के लिए एक विशेष लेंस का उपयोग किया जिसे "रैंडमाइज्ड ज़ोन प्लेट" (randomized zone plate) कहा जाता है। भले ही वस्तु पर पड़ने वाला प्रकाश यादृच्छिक और अव्यवस्थित था, फिर भी उन्होंने उस अव्यवस्था को सुलझाने और उस एक ही स्नैपशॉट से एक स्पष्ट 2D तस्वीर बनाने के लिए एक स्मार्ट कंप्यूटर एल्गोरिदम का उपयोग किया। उन्होंने यह कई अलग-अलग कोणों के लिए किया, ठीक वैसे ही जैसे एक मानक सीटी स्कैन में किया जाता है, लेकिन प्रत्येक कोण के लिए घंटों तक स्कैन करने के बजाय, उन्होंने एक त्वरित स्नैपशॉट लिया।
परिणाम प्रभावशाली थे। जब उन्होंने अपने तेज़, "वन-शॉट" (one-shot) तरीके से बनी 3D वॉल्यूम की तुलना धीमे, "परफेक्ट" तरीके से की, तो दोनों बहुत समान दिखे। तेज़ तरीका सूक्ष्म विवरणों (जैसे सोने के क्यूब्स के बीच के छोटे अंतराल) को पूरी तरह से नहीं देख सका, जो लगभग 62 नैनोमीटर तक के विवरणों को स्पष्ट कर सका, लेकिन इसने सभी बड़ी आकृतियों को पूरी तरह से कैप्चर किया। सबसे अच्छी बात? गति। जबकि पारंपरिक तरीके को नमूने को स्कैन करने में लगभग चार घंटे लगे, उनके नए तरीके ने यह काम केवल 73 सेकंड में कर दिया होता यदि वे एक मानक चरण-दर-चरण स्कैन का उपयोग करते, या एक सुपर-फास्ट "फ्लाई स्कैन" (fly scan) के साथ केवल 7.3 सेकंड में।
लेखक सुझाव देते हैं कि यह तकनीक वास्तविक समय में तेज़ प्रक्रियाओं को देखने के लिए एक गेम-चेंजर है। क्योंकि अब वे घंटों के बजाय सेकंडों में नैनोस्केल की वस्तुओं की 3D तस्वीर प्राप्त कर सकते हैं, वे अंततः क्रिस्टल के बढ़ने या फ्यूल सेल के काम करने जैसी चीजों को होते हुए फिल्माने में सक्षम हो सकते हैं। हालांकि इसका रेजोल्यूशन (resolution) धीमे तरीके जितना तीक्ष्ण नहीं है, लेकिन गति के लिए यह समझौता सार्थक है। यह शोध पत्र पुष्टि करता है कि यह "वन-शॉट" दृष्टिकोण विश्वसनीय रूप से काम करता है, जो यह साबित करता है कि हमें हमेशा एक अच्छी 3D तस्वीर पाने के लिए कैमरे को धीरे और सावधानी से हिलाने की आवश्यकता नहीं होती है; कभी-कभी, थोड़ा सा बिखराव और एक तेज़ शटर स्पीड भी उतना ही अच्छा काम कर सकती है।
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