From London to Morse via Binnig, Quate, and Gerber
यह परिप्रेक्ष्य लेख नॉटिंगहैम विश्वविद्यालय के दो दशकों के अनुसंधान की समीक्षा करता है जो परमाणु बल सूक्ष्मदर्शिकी (एटॉमिक फोर्स माइक्रोस्कोपी) में टिप-नमूना अंतःक्रियाओं के पूर्ण स्पेक्ट्रम का अन्वेषण करता है, जो वैन डेर वाल्स बलों से लेकर सहसंयोजक बंधन और परमाणु-दर-परमाणु संयोजन तक की घटनाओं में प्रोब की सक्रिय भूमिका पर जोर देता है, जबकि गैर-आक्रामक प्रसार मापन में चुनौतियों और परमाणु हेरफेर में मशीन लर्निंग के उभरते अनुप्रयोग को भी संबोधित करता है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ आप व्यक्तिगत परमाणुओं को देख और छू सकते हैं, वे नन्हे निर्माण खंड जो हमारे चारों ओर की हर चीज़ को बनाते हैं। दशकों से, वैज्ञानिकों ने एक विशेष प्रकार के सूक्ष्मदर्शी का उपयोग किया है जिसे 'एटमिक फोर्स माइक्रोस्कोप' कहा जाता है ताकि वे ऐसा कर सकें। प्रकाश का उपयोग करने के बजाय, जो परमाणुओं को देखने के लिए बहुत बड़ा है, यह उपकरण एक ऐसी सुई का उपयोग करता है जो इतनी नुकीली होती है कि उसका सिरा एक एकल परमाणु पर समाप्त होता है। जैसे ही यह सुई एक सतह के ऊपर मंडराती है, यह अपने और नीचे के परमाणुओं के बीच खींचने या धकेलने वाले अदृश्य बलों को महसूस करती है। ये बल बहुत कमजोर, कोमल खिंचाव से लेकर, जो धूल को एक साथ थामे रखते हैं, उन अविश्वसनीय रूप से मजबूत बंधों तक होते हैं जो अणुओं को एक साथ जोड़ते हैं। शोधकर्ताओं के लिए बड़ा सवाल हमेशा से यह रहा है: क्या यह सुई केवल एक निष्क्रिय पर्यवेक्षक है, जो चुपचाप वहां मौजूद चीज़ों को रिकॉर्ड कर रही है, या यह एक सक्रिय भागीदार है जो जो वह देख रही है उसे बदल देती है?
यूनिवर्सिटी ऑफ नॉटिंगम और अन्य संस्थानों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस प्रश्न का उत्तर देने में बीस साल बिताए हैं। उन्होंने विभिन्न प्रकार के बलों की एक यात्रा की है जो परमाणु स्तर पर मौजूद होते हैं, सबसे कमजोर से शुरू होकर सबसे मजबूत की ओर बढ़ते हुए। उनका कार्य दिखाता है कि सुई कभी भी केवल एक निष्क्रिय पर्यवेक्षक नहीं होती; वह हमेशा सतह के साथ परस्पर क्रिया करती है, कभी कोमलता से तो कभी इतनी मजबूती से कि वह परमाणुओं को इधर-उधर कर देती है। यह समझकर कि सुई वास्तव में कैसे व्यवहार करती है, उन्होंने परमाणु-दर-परमाणु सूक्ष्म संरचनाएं बनाना सीखा है, और अब वे कंप्यूटर को यह सिखा रहे हैं कि वे इसे और भी बेहतर तरीके से कैसे करें।
कहानी सबसे कमजोर बलों से शुरू होती है, उस तरह के बल जो नैनोकणों को सतह पर एक पतली परत के रूप में एक साथ थामे रखते हैं। शोधकर्ताओं ने सोने के छोटे कणों की एक फिल्म देखी, जिनमें से प्रत्येक लगभग दो नैनोमीटर चौड़ा था, जो एक सिलिकॉन सतह पर स्थित थे। जब उन्होंने इस सतह को अपने परमाणु सुई से स्कैन किया, तो कुछ आश्चर्यजनक हुआ। कण, जो शुरू में एक बिखरे हुए, भूलभुलैया जैसे पैटर्न में थे, खुद को बड़े, चिकने ढेलों में पुनर्गठित करने लगे। यह इसलिए नहीं हुआ क्योंकि गर्मी या प्राकृतिक उम्र बढ़ने का प्रभाव था; यह इसलिए हुआ क्योंकि सुई स्वयं स्कैन करते समय कणों को धक्का दे रही थी और खींच रही थी। सुई एक छोटे, स्थानीय ऊर्जा स्रोत की तरह काम कर रही थी, जो कणों को तब तक धकेल रही थी जब तक कि उन्हें एक अधिक स्थिर व्यवस्था नहीं मिल गई। 'कोर्सनिंग' (coarsening) नामक इस प्रक्रिया ने दिखाया कि सूक्ष्मदर्शी का सबसे कोमल स्पर्श भी सतह को नया आकार दे सकता है, जिससे यह सिद्ध हुआ कि उपकरण स्वयं परिवर्तन को संचालित कर रहा था।
बलों की शक्ति के पैमाने पर ऊपर बढ़ते हुए, टीम ने देखा कि कैसे दो व्यक्तिगत सॉकर-बॉल के आकार के अणु, जिन्हें फुलरीन कहा जाता है, एक-दूसरे के साथ परस्पर क्रिया करते हैं। वे इनमें से एक अणु को उठाकर अपनी सुई के बिल्कुल सिरे पर चिपकाने में सफल रहे। फिर, वे इस सिरे को सतह पर स्थित दूसरे फुलरीन के करीब लाए। उनके बीच के बल को मापकर, उन्होंने मानचित्रित किया कि वे दो अणु एक-दूसरे को कैसे आकर्षित और प्रतिकर्षित करते हैं। उन्होंने पाया कि उनके सापेक्ष अणुओं का ओरिएंटेशन (अभिविन्यास) बहुत मायने रखता है। भले ही समग्र बल आकर्षक था, लेकिन अणुओं के विशिष्ट आकार का अर्थ था कि उनके परमाणुओं के बीच के प्रतिकर्षण बल ही यह निर्धारित करते थे कि वे वास्तव में एक साथ कैसे ठहरते हैं। इस विस्तृत मानचित्रण ने दिखाया कि यह परस्पर क्रिया एक सरल आकर्षण से कहीं अधिक जटिल थी; यह बलों का एक नाजुक संतुलन था जो पूरी तरह से इस बात पर निर्भर था कि अणु कैसे मुड़े हुए थे।
इन भ्रमों से आगे जाने के लिए, टीम ने सबसे मजबूत बलों की ओर ध्यान केंद्रित किया: सहसंयोजक बंध (covalent bonds), जो कठोर लिंक हैं जो परमाणुओं को एक ठोस संरचना में बांधते हैं। उन्होंने एक सिलिकॉन सतह पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ परमाणुओं के जोड़े, जिन्हें डिमर (dimers) कहा जाता है, एक साथ जुड़े हुए थे लेकिन एक स्विच की तरह आगे-पीछे पलट सकते थे। सुई को बिल्कुल सही बल के साथ दबाकर, वे इन परमाणु स्विचों को पलटने में सक्षम रहे, जिससे परमाणुओं के ओरिएंटेशन को निर्देशानुसार बदला जा सका। हालाँकि, उन्होंने पाया कि वे केवल एक परमाणु को अलग से नहीं पलट सकते थे; इस क्रिया ने हमेशा उसके पड़ोसियों को प्रभावित किया। इसने उन्हें सिखाया कि स्थानीय वातावरण महत्वपूर्ण है; परमाणु इतने मजबूती से जुड़े हुए हैं कि एक को बदलना अनिवार्य रूप से दूसरों को बदल देता है। नियंत्रण का यह स्तर भविष्य के परमाणु-स्तर के उपकरणों के निर्माण के लिए आवश्यक है, लेकिन इसके लिए इस बात की गहरी समझ की आवश्यकता है कि परमाणुओं का पूरा समूह प्रोब (जांच उपकरण) के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करता है।
इस कार्य का अंतिम लक्ष्य 'बॉटम-अप' तरीके से संरचनाएं बनाना है, यानी एक-एक करके परमाणु रखकर नई सामग्रियां तैयार करना। टीम ने सतह से तांबे के व्यक्तिगत परमाणुओं को उठाकर उन्हें एक विशिष्ट पैटर्न में जमा करके इसका प्रदर्शन किया। उन्होंने सीखा कि वे केवल परमाणुओं को बगल में नहीं धकेल सकते; कभी-कभी उन्हें सतह से ऊपर उठाना पड़ता है और फिर एक नई जगह पर छोड़ना पड़ता है। इस ऊर्ध्वाधर हेरफेर (vertical manipulation) ने उन्हें परमाणुओं के क्लस्टर बनाने में सक्षम बनाया जिन्हें केवल उन्हें खिसकाकर नहीं बनाया जा सकता था। उदाहरण के लिए, वे तांबे के तीन परमाणुओं का एक सघन, त्रिकोणीय क्लस्टर बनाने में सफल रहे, जो केवल पार्श्व (साइडवेज) गतिविधियों का उपयोग करके बनाना असंभव था। परमाणुओं को ऊपर-नीचे और साथ ही अगल-बगल ले जाने की इस क्षमता ने जटिल, त्रि-आयामी आकृतियों का निर्माण करने के नए रास्ते खोल दिए।
इन सभी प्रयोगों के दौरान, शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि उनकी सुई का आकार सबसे महत्वपूर्ण चर (variable) था। एक आदर्श, एकल-परमाणु टिप एक ऐसा आदर्श है जो वास्तविकता में शायद ही कभी मौजूद होता है। उनकी सूक्ष्मदर्शी युक्तियाँ अक्सर अव्यवस्थित होती थीं, जिनमें कई परमाणु बाहर निकले हुए होते थे, जिससे उनके सतह के साथ होने वाली परस्पर क्रिया बदल जाती थी। कभी-कभी यह अव्यवस्था उन्हें वह देखने में मदद करती थी जो एक आदर्श टिप से नहीं दिख पाता, लेकिन अन्य बार इसने भ्रमित करने वाली छवियां भी बनाईं। इस समस्या को हल करने के लिए, उन्होंने कृत्रिम बुद्धिमत्ता (AI) का उपयोग करना शुरू किया। उन्होंने कंप्यूटर प्रोग्रामों को सुई के आकार को पहचानने और इसे चलाने के सर्वोत्तम तरीके को तय करने के लिए प्रशिक्षित किया। ये प्रोग्राम हजारों प्रयासों से सीख सकते थे कि परमाणुओं को उठाने और रखने के लिए आंदोलनों का सही क्रम क्या होगा, जिससे पदार्थ के निर्माण की प्रक्रिया को स्वचालित रूप से संचालित करना संभव हो गया।
इस टीम का कार्य परमाणु जगत को देखने के बारे में एक मौलिक सत्य को उजागर करता है: जिस उपकरण का आप उपयोग कर रहे हैं, वह प्रयोग का हिस्सा है। आप केवल परमाणुओं का अवलोकन नहीं कर सकते; आप हमेशा उनके साथ परस्पर क्रिया कर रहे होते हैं। चाहे वह किसी कण को धीरे से धकेलना हो, एक स्विच को पलटना हो, या एक नई संरचना बनाना हो, सूक्ष्मदर्शी एक सक्रिय भागीदार है। अपने उपकरणों की सीमाओं और क्षमताओं को समझकर, और उन्हें निर्देशित करने के लिए स्मार्ट कंप्यूटरों का उपयोग करके, ये वैज्ञानिक परमाणु-दर-परमाणु सामग्रियां बनाने के भविष्य के और करीब पहुँच रहे हैं, जिससे ऐसी चीजें बनाई जा सकेंगी जो पहले कभी अस्तित्व में नहीं थीं।
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