Near infrared salinity sensing with an asymmetric silicon nanodisk dimer metasurface

पानी शायद ही कभी सिर्फ पानी होता है। उन विशाल डेल्टाओं में जहाँ नदियाँ समुद्र से मिलती हैं, ताजे और खारे पानी का मिश्रण यह निर्धारित करता है कि फसलें लहलहाएंगी या मुरझा जाएंगी, या एक कुआँ सुरक्षित पीने योग्य पानी प्रदान करेगा या एक जहरीला ब्राइन (खारा घोल)। बांग्लादेश जैसे तटीगत क्षेत्रों के किसानों और वैज्ञानिकों के लिए, पानी की सटीक लवणता (सैलिनिटी) जानना जीवन और मृत्यु का प्रश्न है। पारंपरिक रूप से, इस लवणता को मापने के लिए पानी में एक प्रोब (probe) डालकर उसकी विद्युत चालकता (इलेक्ट्रिकल कंडक्टिविटी) की जांच की जाती है। हालांकि यह विश्वसनीय है, लेकिन ये धातु के प्रोब संक्षारित (corrode) हो सकते हैं, इन्हें बार-बार अंशांकन (कैलिब्रेशन) की आवश्यकता होती है, और बिना सीधे संपर्क के खिड़की या फाइबर ऑप्टिक केबल के माध्यम से पानी को आसानी से नहीं माप सकते। वैज्ञानिक लंबे समय से एक ऐसा तरीका खोजने की कोशिश कर रहे हैं जिससे केवल पानी द्वारा प्रकाश के मुड़ने के तरीके, जिसे अपवर्तनांक (रिफ्रैक्टिव इंडेक्स) कहा जाता है, को देखकर लवणता को मापा जा सके, लेकिन एक छोटे, सपाट उपकरण में उच्च सटीकता के साथ ऐसा करना एक चुनौती बना हुआ है।

यह चुनौती द्रव गतिकी (फ्लुइड डायनेमिक्स) और प्रकाश के भौतिकी के संगम पर स्थित है। जब प्रकाश हवा से पानी में प्रवेश करता है, तो यह धीमा हो जाता है और अपनी दिशा बदल लेता है। मुड़ने की यह मात्रा इस बात पर निर्भर करती है कि पानी में क्या घुला हुआ है; अधिक नमक का अर्थ है अधिक मुड़ाव। इस सूक्ष्म परिवर्तन का पता लगाने के लिए, शोधकर्ता मेटासरफेस (metasurfaces) नामक संरचनाओं का उपयोग करते हैं। ये सूक्ष्म आकृतियों वाले सपाट सतह होते हैं जो विशिष्ट तरीकों से प्रकाश के साथ अंतःक्रिया करते हैं। जब प्रकाश इन आकृतियों से टकराता है, तो यह एक अस्थायी लूप में फंस सकता है, जिससे गुजरने वाले प्रकाश की मात्रा में एक तीव्र गिरावट (dip) आती है। यदि संरचना के आसपास के पानी की नमक की मात्रा बदलती है, तो प्रकाश थोड़ा अलग तरह से मुड़ता है, जिससे उस गिरावट की स्थिति खिसक जाती है। लक्ष्य एक ऐसा सेंसर बनाना है जो इतना संवेदनशील हो कि नमक में मामूली बदलाव भी उस गिरावट को मापने योग्य सीमा तक खिसका दे।

एक हालिया अध्ययन में, गाजी यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने एक निकट-अवरक्त (नियर-इंफ्रारेड) प्रकाश स्रोत का उपयोग करके ऐसे सेंसर के लिए एक नए डिजाइन का अनुकरण (सिमुलेशन) किया, जो अक्सर दूरसंचार में उपयोग किया जाता है। उन्होंने कोई भौतिक उपकरण नहीं बनाया बल्कि यह परीक्षण करने के लिए एक विस्तृत कंप्यूटर मॉडल बनाया कि यह कैसे व्यवहार करेगा। उन्होंने जो डिजाइन चुना वह दिखने में बहुत सरल था: कांच के आधार पर अगल-बगल रखे गए सिलिकॉन के दो छोटे, सपाट सिलेंडर। सेंसर को काम करने के लिए, दोनों सिलेंडर एक जैसे नहीं थे। एक दूसरे से थोड़ा बड़ा था, जिसमें त्रिज्या (रेडियस) का अंतर केवल दस नैनोमीटर था। यह सूक्ष्म खामी जानबूझकर रखी गई थी। प्रकाश की दुनिया में, पूर्ण समरूपता (सिमेट्री) अक्सर उन्हीं संकेतों को छिपा देती है जिन्हें शोधकर्ता देखना चाहते हैं। इन असमान डिस्क के साथ समरूपता को तोड़कर, शोधकर्ताओं ने प्रकाश के लिए पानी के साथ अंतःक्रिया करने का एक मार्ग खोल दिया, जिससे प्रकाश स्पेक्ट्रम में एक तीव्र, स्पष्ट गिरावट पैदा हुई जिसे ट्रैक किया जा सके।

टीम ने शुद्ध ताजे पानी से लेकर समुद्र के पानी जितनी खारी सांद्रता तक, शून्य से पचास पार्ट्स पर थाउजेंड (ppt) के बीच के रेंज में अपने सिमुलेशन को चलाया। जैसे-जैसे उन्होंने अपने आभासी पानी में नमक बढ़ाया, गिरावट की स्थिति लंबे तरंग दैर्ध्य (वेवलेंथ) की ओर लगातार बढ़ती गई। यह बदलाव सुसंगत और अनुमानित था। लवणता में प्रति इकाई वृद्धि के लिए, गिरावट का स्थान सत्तर-से-बहत्तर पिकोमीटर की ओर बढ़ा, जो एक ऐसी दूरी है जिसे ट्रिलियनवें हिस्से में मापा जाता है। यह रैखिक संबंध (लीनियर रिलेशनशिप) का अर्थ है कि केवल गिरावट के स्थान को देखकर, अत्यधिक सटीकता के साथ नमक की मात्रा की गणना की जा सकती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह संबंध इस बात पर निर्भर नहीं था कि गिरावट के सटीक केंद्र को गणितीय रूप से कैसे परिभाषित किया गया है, जो यह दर्शाता है कि यह माप डेटा को पढ़ने के तरीके में होने वाली छोटी त्रुटियों के प्रति भी मजबूत है।

गिरावट की स्थिति के अलावा, शोधकर्ताओं ने इसकी तीक्ष्णता (शार्पनेस) की भी जांच की। एक तीक्ष्ती गिरावट को अधिक सटीक रूप से मापा जा सकता है। उनके मॉडल ने छह सौ से छह सौ बासठ के बीच का 'क्वालिटी फैक्टर' दिखाया, जो यह मापता है कि संरचना प्रकाश को कितनी अच्छी तरह फंसाती है। यह इंगित करता है कि प्रकाश बाहर निकलने से पहले छोटे सिलिकॉन डिस्क के भीतर कई बार घूमता है, जिससे पानी की नमक की मात्रा का प्रभाव बढ़ जाता है। अध्ययन ने यह भी देखा कि यदि कोई उपयोगकर्ता केवल एक निश्चित रंग का एकल लेजर चमकाकर और बाहर आने वाले प्रकाश की चमक को मापकर डिवाइस का प्रदर्शन कैसे करेगा। उन्होंने पाया कि गिरावट के सबसे तीव्र भाग पर, लवणता में एक छोटा सा परिवर्तन चमक में उल्लेखनीय बदलाव लाएगा, जिससे संभावित रूप से एक सरल, सस्ता सेंसर मिल सकता है जिसे जटिल स्पेक्ट्रोमीटर की आवश्यकता नहीं होगी।

हालांकि, शोधकर्ताओं ने अपने कार्य की सीमाओं को नोट करने में सावधानी बरती। चूंकि यह एक कंप्यूटर सिमुलेशन था, इसलिए इसने वास्तविक दुनिया के हर चर (वेरिएबल) को ध्यान में नहीं रखा। उन्होंने तापमान को सबसे महत्वपूर्ण त्रुटि स्रोत के रूप में पहचाना। जिस तरह नमक की मात्रा में परिवर्तन प्रकाश की गिरावट को स्थानांतरित करता है, उसी तरह पानी के तापमान में परिवर्तन भी ऐसा ही करता है। उनके गणनाओं से पता चलता है कि एक डिग्री सेल्सियस का तापमान परिवर्तन लगभग आधे से सात-दशमश पार्ट्स पर थाउजेंड की लवणता के बराबर होता है। इसका मतलब है कि एक व्यावहारिक उपकरण को रीडिंग को ठीक करने के लिए तापमान को मापने के एक अलग तरीके की आवश्यकता होगी, अन्यथा उतार-चढ़ाव वाली स्थितियों में सेंसर गलत परिणाम दे सकता है। उन्होंने यह भी उल्लेख किया कि उपयोग किए गए तरंग दैर्ध्य पर वास्तविक समुद्री जल के विशिष्ट ऑप्टिकल गुण मानक मानों से थोड़े भिन्न हो सकते हैं, जो पूरे माप रेंज को स्थानांतरित कर सकते हैं लेकिन सेंसर की परिवर्तन का पता लगाने की क्षमता को नष्ट नहीं करेंगे।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि यह असममित सिलिकॉन डिजाइन नए प्रकार के लवणता सेंसर के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार है। यह एक प्लेनर, कॉम्पैक्ट फुटप्रिंट प्रदान करता जिसे फाइबर ऑप्टिक्स में एकीकृत किया जा सकता है या दूरस्थ निगरानी के लिए एक खिड़की के पीछे रखा जा सकता है। जबकि सिमुलेशन सिद्ध करता है कि सिद्धांत में यह काम करता है, एक वास्तविक दुनिया के उपकरण की राह में आगे के कदम आवश्यक हैं। शोधकर्ताओं का सुझाव है कि भविष्य के कार्य में वास्तविक सामग्रियों के साथ परीक्षण, तापमान संवेदनशीलता को ध्यान में रखना और भौतिक प्रयोगों के साथ डिजाइन को सत्यापित करना शामिल होना चाहिए। तब तक, यह सिमुलेशन एक स्पष्ट ब्लूप्रिंट प्रदान करता है कि कैसे दो थोड़े बेमेल सिलिकॉन डिस्क मिलकर एक दिन हमारे तटीय जल के स्वास्थ्य की निगरानी करने में मदद कर सकते हैं, और प्रकाश के सूक्ष्म मुड़ाव को कृषि और पर्यावरणीय सुरक्षा के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण में बदल सकते हैं।