Light Focusing by Side-Illumination of Diatom Valves
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि विभिन्न समरूपताओं और अल्ट्रास्ट्रक्चर वाली चार विशिष्ट डायटम प्रजातियां पार्श्व-प्रकाशन (side-illumination) के माध्यम से दृश्य प्रकाश को केंद्रित कर सकती हैं, जो कृत्रिम मेसोस्केल डाइइलेक्ट्रिक संरचनाओं में पाए जाने वाले विवर्तन-संचालित फोटोनिक जेट्स (diffraction-driven photonic jets) के समान उत्पन्न करती हैं।
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सूक्ष्म दुनिया में, प्रकाश हमारे रोजमर्रा के अनुभव की तुलना में अलग तरह से व्यवहार करता है। जब प्रकाश एक बड़े कांच के लेंस से गुजरता है, तो यह एक अनुमानित तरीके से मुड़ता है, जिसे अपवर्तन (refraction) कहा जाता है, जो हमें कैमरों या चश्मों में छवियों को केंद्रित करने में सक्षम बनाता है। हालांकि, जब प्रकाश उन वस्तुओं से टकराता है जो स्वयं प्रकाश तरंग से केवल कुछ ही गुना बड़ी होती हैं, तो नियमों का एक अलग सेट प्रभावी हो जाता है। इस नन्ही दुनिया में, जिसे मेसोस्केल (mesoscale) कहा जाता है, प्रकाश केवल मुड़ता ही नहीं है; बल्कि यह जटिल पैटर्न में बिखर जाता है और स्वयं के साथ हस्तक्षेप (interfere) करता है। सही परिस्थितियों में, ये पैटर्न प्रकाश को एक अविश्वसनीय रूप से सघन, तीव्र किरण में केंद्रित कर सकते हैं जो एक छोटी वस्तु के पीछे से बाहर निकलती है। वैज्ञानिक इस घटना को "फोटोनिक जेट" (photonic jet) कहते हैं। हालांकि यह प्रभाव पहली बार निर्मित कांच के मोतियों और सिलेंडरों में देखा गया था, शोधकर्ता लंबे समय से यह जानना चाहते थे कि क्या प्रकृति ने पहले ही इस समस्या का समाधान खोज लिया है। बैक्टीरिया से लेकर शैवाल तक, कई सूक्ष्म जीवित प्राणी ऐसे पदार्थों से बने होते हैं जो प्रकाश के साथ अंतःक्रिया करते हैं, और इनमें से कुछ जीव अपने वातावरण को समझने या जीवित रहने के लिए इन प्राकृतिक ऑप्टिकल ट्रिक्स का उपयोग कर रहे होंगे।
फ्री यूनिवर्सिटी ऑफ बर्लिन और हुम्बोल्ट यूनिवर्सिटी ऑफ बर्लिन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह जांचने के लिए हाथ डाला कि क्या डायटम्स (diatoms), जो जटिल कांच के खोल वाले एकल-कोशिकीय शैवाल का एक विविध समूह है, इस क्षमता को रखते हैं। डायटम पृथ्वी के सबसे सफल जीवों में से एक हैं, जो सिलिका से बने अद्वितीय खोल बनाते हैं, जो कांच के समान एक सामग्री है। ये खोल, जिन्हें फ्रुस्ट्यूल (frustules) कहा जाता है, विभिन्न आकारों और आकारों में आते हैं, जो छोटे बिंदुओं से लेकर बड़े प्लेटों तक होते हैं, और वे छिद्रों और उभारों के पैटर्न से ढके होते हैं जो अक्सर मानव बाल की चौड़ाई से भी छोटे होते हैं। वैज्ञानिकों ने डायटम्स की चार अलग-अलग प्रजातियों पर ध्यान केंद्रित किया: दो जो लंबे अंडाकार आकार के हैं और दो गोलाकार या बेलनाकार हैं। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या ये प्राकृतिक कांच की संरचनाएं प्रकाश को सामने से टकराने के बजाय बगल से टकराने पर केंद्रित कर सकती हैं, जैसा कि पिछले अध्ययनों में सामान्य था।
इसका परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने डायटम के खोल तैयार किए, किसी भी जैविक पदार्थ को हटाने के लिए उन्हें पूरी तरह से साफ किया और केवल शुद्ध सिलिका संरचनाओं को छोड़ा। उन्होंने इन सूखे कवचों को एक कांच की स्लाइड पर रखा और उन पर बगल से लाल प्रकाश की एक किरण डाली, जो उनके देखने की दिशा के लंबवत थी। नमूने के माध्यम से देखने के बजाय, उन्होंने उस प्रकाश का अवलोकन किया जो कवचों के चारों ओर बिखरा और केंद्रित हुआ। उन्होंने पाया कि डायटम्स की सभी चार प्रजातियों ने प्रकाश को मजबूती से बिखेरा और उनके पिछले हिस्से पर केंद्रित बीम या चमकीले धब्बे उत्पन्न किए। यह व्यवहार खोल के विशिष्ट आकार और आकार के आधार पर भिन्न होता था। उदाहरण के लिए, बड़े, सपाट, गोलाकार कवचों ने एक चमकीला धब्बा उत्पन्न किया जो प्रकाश स्रोत को घुमाने पर हिलता था, जो एक लेंस की तरह व्यवहार करता है जो एक बीम को निर्देशित करता है। लंबे कवचों ने भी केंद्रित बीम बनाए, जो अक्सर खोल के विशिष्ट मोटे हिस्सों, जैसे कि केंद्रीय गांठ या घुमावदार किनारों से उत्पन्न होते थे।
शोधकर्ताओं ने विशेष रूप से एक प्रजाति, ऑलैकोसेरा (Aulacoseira) पर बारीकी से ध्यान दिया, जिसका आकार बेलनाकार है और जिसका आकार प्रयोग में उपयोग की गई प्रकाश की तरंग दैर्ध्य (wavelength) से मेल खाता है। उन्होंने पाया कि यह प्रजाति एक छिद्रित दीवार वाले खोखले सिलेंडर की तरह कार्य करती है। जब प्रकाश बेलनाकार वस्तु के किनारे से टकराया, तो वह केवल गुजर नहीं गया; इसके बजाय, प्रकाश ने केंद्रित बीम बनाने के लिए छोटे छिद्रों और खोखले केंद्र के साथ अंतःक्रिया की, जो थोड़ा ऊपर की ओर मुड़ा हुआ था। इस बीम की शक्ति और आकार प्रकाश के रंग और इस बात पर निर्भर करता था कि खोल किस कोण पर स्थित था। जब प्रकाश लाल था, तो बीम मजबूत और स्पष्ट था। जब प्रकाश नीला था, तो बीम बहुत कमजोर हो गया। खोल का ओरिएंटेशन (orientation) भी महत्वपूर्ण था; यदि खोल को घुमाया जाता, तो बीम झुक जाता या खिसक जाता, जिससे पता चलता है कि छिद्रों का आंतरिक पैटर्न एक परिष्कृत ऑप्टिकल घटक की तरह कार्य करता है जो प्रकाश का मार्गदर्शन करता है।
यह समझने के लिए कि यह वास्तव में कैसे हुआ, टीम ने ऑलैकोसेरा के खोल की विस्तृत संरचनाओं से गुजरने वाले प्रकाश को मॉडल करने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। इन डिजिटल मॉडलों ने पुष्टि की कि केंद्रित बीम, खोल की छिद्रित दीवारों और खोखले केंद्र से विवर्तित (diffract) होने वाली प्रकाश तरंगों के हस्तक्षेप द्वारा उत्पन्न किया गया था। सिमुलेशन ने दिखाया कि छिद्रों की विशिष्ट व्यवस्था, जो एक दोहराव वाला पैटर्न बनाती है, बीम बनाने के लिए महत्वपूर्ण थी। इस पैटर्न के बिना, प्रकाश केवल बिखर जाता। परिणामों ने सुझाव दिया कि प्रकाश को केंद्रित करने की खोल की क्षमता एक यादृच्छिक दुर्घटना नहीं है, बल्कि इसकी सटीक, मेसोस्केल वास्तुकला का परिणाम है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि जबकि सिमुलेशन ने तंत्र की एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान की, वास्तविक कवचों पर किए गए प्रयोगों ने भी दिखाया कि कांच की स्लाइड की उपस्थिति और कवचों की प्राकृतिक खामियां भी बीम के अंतिम आकार को प्रभावित करती हैं।
निष्कर्ष बताते हैं कि प्रकाश को केंद्रित करने की क्षमता संभवतः डायटम्स के बीच व्यापक है, न कि केवल अध्ययन की गई कुछ प्रजातियों तक सीमित है। चूंकि डायटम्स कई अलग-अलग आकारों और आकारों में आते हैं, और चूंकि उनके खोल सिलिका से बने होते हैं, जो एक स्थिर सामग्री है और बड़ी मात्रा में उगाना आसान है, वे आज की तकनीक में उपयोग किए जाने वाले मानव निर्मित लेंसों और ऑप्टिकल घटकों के लिए एक प्राकृतिक विकल्प प्रदान कर सकते हैं। कृत्रिम लेंसों के विपरीत, जिन्हें महंगे विनिर्माण प्रक्रियाओं और रासायनिक उपचारों की आवश्यकता होती है, डायटम के कवचों को न्यूनतम ऊर्जा और संसाधनों के साथ बड़ी संख्या में विकसित किया जा सकता है। शोधकर्ता प्रस्ताव देते हैं कि इन प्राकृतिक संरचनाओं को एकत्र किया जा सकता है और सूक्ष्म-ऑप्टिकल उपकरणों, जैसे कि छोटे सेंसर या उन्नत इमेजिंग सिस्टम के घटकों को बनाने के लिए उपयोग किया जा सकता है।
तकनीक में इसके उपयोग की संभावना के अलावा, यह अध्ययन इस बात पर सवाल उठाता है कि डायटम्स ने इन ऑप्टिकल विशेषताओं को विकसित करने के लिए सबसे पहले क्यों चुना होगा। चूंकि कई डायटम्स प्रकाश संश्लेषी (photosynthetic) होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे ऊर्जा बनाने के लिए प्रकाश का उपयोग करते हैं, इसलिए प्रकाश को केंद्रित करने की क्षमता कम रोशनी वाले वातावरण में उन्हें जीवित रहने में मदद कर सकती है। वैकल्पिक रूप से, केंद्रित बीम कोशिकाओं को प्रकाश की दिशा को महसूस करने में मदद कर सकते हैं, जिससे उन्हें सूर्य की ओर जाने या हानिकारक विकिरण से दूर जाने में मदद मिलती है। शोधकर्ता बताते हैं कि हालांकि उन्होंने मृत, सूखे कवचों में इस प्रकाश-केंद्रित व्यवहार को देखा है, लेकिन यह देखना बाकी है कि क्या जीवित डायटम्स पानी के नीचे भी उसी तंत्र का उपयोग करते हैं। भविष्य के अध्ययनों को जीवित कोशिकाओं पर ध्यान केंद्रित करना होगा ताकि यह निर्धारित किया जा सके कि क्या प्रकाश-केंद्रित प्रभाव उनकी जीव विज्ञान में भूमिका निभाता है। फिलहाल के लिए, यह अध्ययन पुष्टि करता है कि ये नन्हे, प्राचीन जीव केवल समुद्र के निष्क्रिय निवासी नहीं हैं, बल्कि वे परिष्कृत, प्राकृतिक ऑप्टिकल प्रणालियों से लैस हैं जो प्रकाश को उन तरीकों से नियंत्रित करती हैं जिन्हें समझने की कोशिश मानव इंजीनियर अभी शुरू ही कर रहे हैं।
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