Robust and Single-Mode Flexible Perovskite Lasers via 3D Printing

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ आपकी कलाई पर लगी स्क्रीन, आपकी त्वचा पर लगे सेंसर और आपके कपड़ों में लगी रोशनी बिना टूटे मुड़, घूम और खिंच सके। यह फ्लेक्सिबल इलेक्ट्रॉनिक्स (लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स) का वादा है, एक ऐसा क्षेत्र जो ऐसे उपकरण बनाने के लिए समर्पित है जो मानव शरीर का विरोध करने के बजाय उसके साथ तालमेल बिठा सकें। हालाँकि लचीले सौर पैनल और घुमावदार डिस्प्ले पहले से ही दिखाई देने लगे हैं, लेकिन इस पहेली का एक महत्वपूर्ण हिस्सा बनाने में अत्यधिक कठिन बना हुआ है: एक लचीला लेजर। लेजर आधुनिक तकनीक के कार्यवाहक हैं, जो हाई-स्पीड इंटरनेट से लेकर मेडिकल स्कैनर तक सब कुछ संचालित करते हैं, लेकिन वे पारंपरिक रूप से कांच या कठोर क्रिस्टल से बनी कठोर और भंगुर संरचनाएं होते हैं। एक ऐसा लेजर बनाना जो रबर बैंड की तरह मुड़ सके और फिर भी एक तीक्ष्ण, केंद्रित बीम उत्पन्न करने की अपनी क्षमता न खोए, एक बड़ी बाधा रही है। चुनौती एक ऐसे पदार्थ को खोजने में है जो न केवल प्रकाश उत्पन्न करने में कुशल हो, बल्कि मुड़ने के हजारों प्रयासों के शारीरिक तनाव को झेलने के लिए पर्याप्त मजबूत भी हो।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक विशेष प्रकार के प्रकाश-उत्सर्जक क्रिस्टल को एक नई 3D प्रिंटिंग विधि के साथ जोड़कर इस समस्या को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। उन्होंने एक ऐसा लचीला लेजर बनाया है जो न केवल मजबूत है, बल्कि एक ही शुद्ध रंग का प्रकाश उत्पन्न करने में भी सक्षम है, जो उच्च गुणवत्ता वाले संचार और सेंसिंग के लिए आवश्यक विशेषता है। यह सफलता दो मुख्य नवाचारों पर आधारित है। सबसे पहले, वैज्ञानिकों ने पेरोव्स्काइट (perovskite) नामक एक सामग्री की गुणवत्ता में सुधार किया, जो एक ऐसा क्रिस्टल ढांचा है जो प्रकाश को कुशलतापूर्वक प्रवर्धित करने की अपनी क्षमता के लिए प्रसिद्ध है। एक विशिष्ट रासायनिक घटक को जोड़कर, उन्होंने क्रिस्टल फिल्म की सूक्ष्म खुरदरापन को सुधारा और इसे कमजोर, अव्यवस्थित पैच बनाने से रोका जो आमतौर पर इसके प्रदर्शन को खराब कर देते हैं। दूसरा, उन्होंने एक उच्च-परिशुद्धता वाली 3D प्रिंटिंग तकनीक का उपयोग करके एक लचीली प्लास्टिक शीट पर सीधे छोटे, रिंग के आकार के दर्पण बनाए। जब बेहतर क्रिस्टल को इन रिंगों के ऊपर रखा जाता है, तो प्रकाश घेरे में घूमता है, जिससे एक शक्तिशाली, सिंगल-मोड लेजर बीम बनता है जो अत्यधिक झुकने का सामना कर सकता है।

यह यात्रा स्वयं सामग्री से शुरू हुई। शोधकर्ताओं ने एक 'क्वासी-टू-डायमेंशनल' पेरोव्स्काइट से शुरुआत की, जो क्रिस्टल का एक ऐसा संस्करण है जो अपने पारंपरिक समकक्षों की तुलना में नमी और हवा के प्रति स्वाभाविक रूप से अधिक स्थिर होता है। हालाँकि, केवल इन क्रिस्टलों को बनाना पर्याप्त नहीं था। अपने कच्चे रूप में, फिल्में खुरदरी और असमान थीं, जो सूक्ष्म दोषों से भरी थीं जो सड़क पर गड्ढों की तरह काम करते थे, जिससे प्रकाश बिखर जाता था और ऊर्जा बर्बाद होती थी। इसे ठीक करने के लिए, टीम ने मिश्रण में ट्राइब्यूटिलफॉस्फीन ऑक्साइड (tributylphosphine oxide) नामक एक अणु पेश किया। इस अणु को एक सूक्ष्म टाइलर (टाइल्स लगाने वाला) के रूप में समझें जो क्रिस्टल के दानों के बीच के अंतराल को भरता है, सतह को चिकना करता है और संरचना को आपस में बांध देता है। इस साधारण जुड़ाव ने सामग्री को बदल दिया। परिणामी फिल्म अविश्वसनीय रूप से चिकनी और एकसमान हो गई, जिसमें बहुत कम दोष थे। परीक्षण करने पर, इस बेहतर फिल्म ने प्रकाश को प्रवर्धित करने की अपनी क्षमता में नाटकीय वृद्धि दिखाई, जिसे चमकने के लिए बिना उपचारित संस्करण की तुलना में बहुत कम ऊर्जा की आवश्यकता थी।

सामग्री को अनुकूलित करने के बाद, शोधकर्ताओं ने लेजर की वास्तुकला की ओर रुख किया। प्रकाश को एक कठोर बॉक्स में जबरदस्ती डालने के बजाय, उन्होंने एक लचीला रिंग डिजाइन किया। 'टू-फोटोन पॉलीमराइजेशन' (two-photon polymerization) नामक एक तकनीक का उपयोग करते हुए, जो अत्यधिक सटीकता के साथ 3D प्रिंटिंग की अनुमति देती है, उन्होंने एक लचीली प्लास्टिक शीट पर सीधे छोटे गोलाकार कैविटी (गुहाएं) बनाईं। ये रिंग प्रकाश के लिए जाल का काम करते हैं; जब प्रकाश प्रवेश करता है, तो वह रिंग के चारों ओर घूमता है, दीवारों से टकराता है और तीव्रता बढ़ाता है। इन रिंगों के आकार को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, टीम यह निर्धारित कर सकती थी कि प्रकाश वास्तव में कैसे व्यवहार करेगा। उन्होंने पाया कि रिंगों को पर्याप्त छोटा बनाकर, वे लेजर को केवल एक विशिष्ट रंग उत्सर्जित करने के लिए मजबूर कर सकते हैं, जिससे रंगों के उस बिखराव को समाप्त किया जा सका जो अक्सर लचीले प्रकाश स्रोतों में देखा जाता है। यह सटीक नियंत्रण अत्यंत महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह लेजर को डेटा भेजने या रसायनों का पता लगाने जैसे विशिष्ट कार्यों के लिए ट्यून करने की अनुमति देता है।

अंतिम उपकरण सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग दोनों की एक विजय थी। एक प्लास्टिक शीट पर बने 3D-प्रिंटेड रिंग और सुधारे गए क्रिस्टल के साथ निर्मित यह लचीला लेजर, बहुत कम ऊर्जा थ्रेशोल्ड पर लेज़िंग शुरू करने लगा, जिसका अर्थ है कि इसे आसानी से संचालित किया जा सकता था। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि यह अविश्वसनीय रूप से मजबूत साबित हुआ। जब शोधकर्ताओं ने डिवाइस को दो मिलीमीटर जितने छोटे रेडियस (त्रिज्या) के साथ एक तंग वक्र में मोड़ा, तो लेजर का रंग शायद ही बदला, और बीम तीक्ष्ण बनी रही। यहाँ तक कि केवल एक-दशावें मिलीमीटर के रेडियस तक मोड़ने पर भी, लेजर कार्य करना जारी रखता है, अपनी अधिकांश चमक बनाए रखता है। डिवाइस ने केवल एक बार मुड़ने का ही नहीं, बल्कि बार-बार होने वाले तनाव का भी सामना किया। पंद्रह हजार बार मुड़ने और छोड़ने के बाद भी, लेजर ने अपनी मूल चमक का इक्यासी प्रतिशत बनाए रखा। इसके अलावा, बारह घंटों से अधिक समय तक सामान्य हवा में चलने के बावजूद, यह स्थिर रहा, जिससे सिद्ध हुआ कि सुधारे गए क्रिस्टल और 3D-प्रिंटेड संरचना का संयोजन एक ऐसा उपकरण बनाता है जो उच्च-प्रदर्शन वाला और टिकाऊ भी है।

यह कार्य प्रदर्शित करता है कि लचीले, पहनने योग्य लेजर का सपना वास्तविकता बन रहा है। क्रिस्टल को अधिक चिकना और कुशल बनाकर, और 3D प्रिंटिंग का उपयोग करके कस्टम लाइट ट्रैप बनाने से, शोधकर्ताओं ने उस नाजुकता पर विजय पा ली है जिसने लचीले फोटोनिक्स को पीछे रोक रखा था। परिणाम एक ऐसा लेजर है जिसे कपड़ों, स्किन पैच या घुमावदार डिस्प्ले में एकीकृत किया जा सकता है, जो बिना टूटे मुड़ने वाला प्रकाश का एक विश्वसनीय स्रोत प्रदान करता है। हालांकि व्यावसायिक उत्पादों का रास्ता अभी लंबा है, यह अध्ययन एक स्पष्ट और मजबूत ब्लूप्रिंट प्रदान करता है कि अगली पीढ़ी के लचीले ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक सिस्टम कैसे बनाए जाएं, जिससे कभी असंभव लगने वाले मुड़ने योग्य लेजर के विचार को एक मूर्त, कार्यशील उपकरण में बदल दिया गया है।