पुंज कण

अब्जांश तंत्रज्ञान आणि पुंज कण (कृत्रिम अणू)

२०२३ चे रसायनशास्त्रातील नोबेल पारितोषिक प्रोफेसर मौंगी जी बावेंडी, प्रोफेसर लुई ई ब्रस आणि प्रोफेसर अलेक्सी आय एकिमोव्ह यांना पुंज कण अर्थात क्वांटम डॉट्सचा शोध तसेच विकास करण्याच्या संशोधनास जाहीर झाले आहे. या कणांचा वैद्यकीय क्षेत्रात आरोग्य चिकित्सा, निदान, उपचार इत्यादीसाठी उपयोग केला जातो. उदा., सजीवांच्या शरीरातील पेशींच्या प्रतिमा पाहणे, शरीराच्या विशिष्ट भागात औषध घालणे, कर्करोगावर उपचार करणे इ. अर्धसंवाहक पुंजकण वापरून बनवलेले एलिडी दिवे, तसेच अधिक चांगल्या प्रतीचे दूरचित्रवाणी संच आता बाजारात आलेले आहेत. ‘क्वांटम टनेलिंग’ या गुणधर्माचा उपयोग क्वांटम टनेलिंग सूक्ष्मदर्शकात तसेच काही विद्युत् यंत्रे बनाविण्यासाठी करतात. क्वांटम डॉट्सची मिती त्यांचे गुणधर्म ठरवते.  

रशियन शास्त्रज्ञ एकिमोव्ह ह्यांनी सन १९८० मध्ये पुंज कणांच्या अस्तित्वाचे पहिल्यांदाच निरीक्षण केले होते. याबाबतचा सैद्धांतिक अभ्यास सर्वप्रथम एफ्रोस आणि नंतर ब्रुस ह्या अमेरिकन शास्त्रज्ञाने केला. पुंज कण ह्या शब्दाच्या व्युत्पत्तीचे श्रेय अमेरिकन शास्त्रज्ञ मार्क रीड यांचेकडे जाते.

या ब्लॉगमध्ये अब्जांश कण, अब्जांश तंत्रज्ञान आणि पुंज कण याविषयी... 

नॅनोटेक्नॉलॉजी अर्थात सूक्ष्मातीत तंत्रविद्या अर्थात अब्जांश तंत्रज्ञान हे नॅनो या शब्दाशी निगडीत आहेत. नॅनो म्हणजे एक अब्जांश एवढा भाग आणि नॅनोमीटर म्हणजे मीटरच्या एक अब्जांश भागाएवढी लांबी होय.

विसाव्या शतकात उदयास आलेल्या अब्जांश तंत्रज्ञानामध्ये मानवी जीवनात आणि मानवी जीवनाशी संबंधित विविध क्षेत्रांत आमूलाग्र बदल घडवून आणण्याची क्षमता आहे. या तंत्रज्ञानाने आवर्त सारणीतील मूलद्रव्यांच्या रचना बदलून हवे ते गुणधर्म प्राप्त करणे शक्य झाले आहे. उपकरणांचे आकारमान कमी होईल; पण त्याचबरोबर त्यांची उपयुक्तता अनेक पटींनी वाढेल. पण हेच तंत्रज्ञान मानवी मूल्यांच्या विरोधात वापरले तर उद्भवणाऱ्या संभाव्य धोक्यांमुळे एक दुधारी शस्त्र बनेल.

ऊन, वारा, पाऊस तसेच धूळ यांचा प्रतिकार करत प्राचीन रंगीत चित्रं कित्येक वर्षे जशीच्या तशी आहेत. रंगावर वातावरणाचा परिणाम न होणं ही अब्जांश पदार्थांची मोठी खासियत आहे त्यामुळे हे रंग तयार करताना अब्जांश कण वापरले असण्याची शक्यता आहे. चीन आणि इजिप्त मधील लोक देखील प्राचीन काळापासून अतिसूक्ष्म कणांपासून पदार्थ बनविण्यात पारंगत होते. वर्षानुवर्षे चालत आलेली भारतीय आयुर्वेदिक उपचार पद्धती ही सर्वश्रुत आहे. भस्मामुळे बुद्धी तल्लख राहते आणि प्रकृती चांगली राहते असं सांगितलं जातं. सोने, हिरा तसेच पारा या पदार्थापासून तयार केलेली भस्मं आयुर्वेदिक उपचारात वापरली जातात. त्यांच्या अब्जांश आकारमानामुळेच त्यांस औषधी गुणधर्म लाभले आहेत असे मानले जाते.

पुंजकण हा रेणू आणि राशीमाल यांच्यातील पदार्थाचे एक नवीन रूप आहे.  त्यांची अणूरचना आणि घडण राशीमाल पदार्थांसारखीच असते, परंतु त्यांचे गुणधर्म, कणांचा आकार हा एकच प्राचल वापरून स्व्रमिलाफ केले जाऊ शकतात. उदाहरणार्थ, कॅडमियम सेलेनाईड पुंजकणांचे प्रकाशीय अवशोषण आणि उत्सर्जन प्रकाशीय वर्णपटाच्या जवळजवळ संपूर्ण दृश्य क्षेत्रामध्ये स्व्रमिलाफ केले जाऊ शकते. कॅडमियम पुंजकणांचा ऊर्जा बँडगॅप १.८ इलेक्ट्रॉन वोल्ट्स (त्याची राशीमाल किंमत) ते ३ इलेक्ट्रॉन वोल्ट्स (सर्वात लहान पुंजकणांमध्ये त्याची किंमत) दरम्यान बदलतो म्हणून हे शक्य आहे. पुंजकणांच्या मितीनुसार स्व्रमिलाफ येण्याजोग्या इतर भौतिक गुणधर्मांमध्ये रेडॉक्स विभव, वितळणांक आणि घन-घन प्रावस्था संक्रमणे यांचा समावेश होतो.

अब्जांश तंत्रज्ञान अर्थात नॅनो टेक्नॉलॉजी म्हणजे अतिसूक्ष्म म्हणजे किती सूक्ष्म? तर रक्तपेशीपेक्षाही लहान आकाराच्या पदार्थांशी खेळणे ! असे लहान पदार्थ कोणते नियम पाळतात हे शोधणं म्हणजे अब्जांश विज्ञान ! ‘नॅनो’ या ग्रीक शब्दाचा अर्थ "लहान" किंवा सूक्ष्म असा होतो. तर एक अब्जांश मीटर म्हणजे १ भागिले १ वर ९ शून्य (१/१०००००००००) इतके मीटर. विभक्त तुटक अणूंची त्रिज्या ३० ते ३०० पिकोमीटर (एक मीटरचा सहस्राब्जवांश) किंवा ०.३ आणि ३ अँगस्ट्रॉम दरम्यान असते. म्हणजे अणूची त्रिज्या त्याच्या केंद्रकाच्या त्रिज्या (१–१० फेमटोमीटर) च्या १०,००० पट जास्त असते आणि दृश्य प्रकाशाच्या तरंगलांबीच्या (४००-७०० नॅनोमीटर) १/१००० पेक्षा कमी असते. ढोबळमानाने बोलायचे झाल्यास, अब्जांश कणांमध्ये सुमारे तीन लाख अणू असतील.

अब्जांश कण बहूदा पृथ्वीच्या वातावरणात सर्वत्र सापडतात. पृथ्वीचा पृष्ठभाग, पाणी, समुद्राचे पाणी, हिमखंड गाळ, खनिज विहिरी तसेच वातावरणातील कण इत्यादी मध्ये पाहावयास मिळतात. अब्जांश पदार्थ तयार करण्यासाठी सामान्यत: दोन पध्दती वापरतात; ‘टॉप डाऊन’ आणि ‘बॉटम अप’. टॉप डाऊन पद्धतीमध्ये मोठ्या आकाराचा पदार्थ बॉल मिलरमध्ये घर्षण किंवा लिथोग्राफी पद्धतीने अब्जांश आकारापर्यंत सूक्ष्म केला जातो. पिठाच्या चक्कीमध्ये जसे मागणीप्रमाणे धान्याचे वेगवेगळ्या आकारमानाचे कण उदा. पीठ, मैदा किंवा रवा मिळवले जातात, त्याच धर्तीवर ‘बॉल मिलर’ चा वापर करून अब्जांश कणांची निर्मिती केली जाते. लिथोग्राफीमध्ये पदार्थाला सातत्त्याने कोरून अब्जांश आकारात आणले जाते. लिथोग्राफीच्या दुसऱ्या पद्धतीमध्ये ‘स्क्रीनप्रिंटींग’ तंत्रज्ञानामधील स्टेन्सिल वापरून पाहिजे ते कण बनवता येतात. बॉटम अप पद्धतीमध्ये रासायनिक अभिक्रियांचा उपयोग करत अनेक प्रकारचे आणि विविध मितीचे अब्जांश पदार्थ बनवता येतात. पदार्थाच्या द्रावणापासून संप्लवन, तृप्तद्रावण तसेच अवक्षेपण अभिक्रियांद्वारे त्याची अब्जांश स्फटिके मिळविता येतात.

अब्जांश कण तयार करण्यासाठी अत्यंत सोप्या, किफायतशीर आणि कार्यक्षम अशा रासायनिक अभिक्रियांचा वापर करून आता अनेक पद्धती विकसित केल्या गेल्या आहेत. रासायनिक अभिक्रियेत वापरलेले द्रव पदार्थ काढून टाकल्यानंतर, त्यातील पूड विविध कारणांसाठी वापरली जाऊ शकते. यापासून थिन फिल्म म्हणजेच पातळ पापुद्रे देखील तयार होऊ शकतात. अब्जांश कण तयार करण्यात जीवशास्त्रज्ञदेखील मागे नाहीत. पाणी आणि तेल यांचे मिश्रण म्हणजेच मायक्रोइमल्शन, वापरून अब्जांश कण तयार करण्याचे तंत्रज्ञान, मोठ्या प्रमाणात विकसित केले गेले आहे. जीवाणू, वनस्पतींचे अर्क तसेच डीएनए किंवा प्रथिने वापरून देखील अब्जांश कण तयार केले जाऊ शकतात. अब्जांश पदार्थ निर्मितीच्या या हरित संश्लेषण पद्धती आहेत.  

पुंजकणांचा शोध आणि उच्च यथार्थतेने परंतु तुलनेने सोप्या रासायनिक पद्धतीं वापरून अशा पदार्थांचे संश्लेषण करण्याची क्षमता ही अब्जांश विज्ञान आणि अब्जांश तंत्रज्ञानाच्या विकासातील एक मैलाचा दगड होता.

अब्जांश पदार्थ तयार करताना मितींचाही विचार करावा लागतो. अब्जांश पदार्थात लांबी, रुंदी आणि उंची असल्यास अशा पदार्थाना 'त्रिमितीय' असे आपण म्हणतो. अब्जांश त्रिमितीय पदार्थामधून एक मिती कमी केली तर द्विमितीचा 'पापुद्रा' तयार होतो तर त्यातून आणखीन एक मिती कमी केली तर अब्जांश 'तार' तयार होईल. मात्र तारेचेही तुकडे केल्यास मितीहीन म्हणजेच शून्य मितीचा पुंज कण तयार होईल. अब्जांश कणांचे नळ्या (ट्यूब), तारा (वायर), पापुद्रे (शीट), थर (फिल्म), फूल (फ्लावर) असे वेगवेगळे आकार असू शकतात. त्यांचा अब्जांश तंत्रज्ञानात अनेक प्रकारे उपयोग होतो. 

अब्जांश पदार्थांच्या गुणधर्मांपैकी त्यांचा आकार आणि मिती हे महत्त्वाचे अभ्यास घटक आहेत. हे माहित करुन घेताना एक गोष्ट लक्षात घेणे अवश्य आहे, ती म्हणजे, डोळ्यांनी एखादी वस्तू किंवा पदार्थ पाहयचा असेल तर त्याचा आकार निदान १०० मायक्रॉन असावा लागतो. त्यापेक्षा लहान पदार्थ उदाहरणार्थ पेशी, जीवाणू, विषाणू, रेणू, अणु पाहण्यासाठी वेगवेगळे सूक्ष्मदर्शक वापरावे लागतात. अब्जांशकणांचा आकार सर्वसाधारणपणे १ ते १०० नॅनोमीटर दरम्यान असतो. म्हणून या मितीच्या पदार्थांना पाहण्यासाठी परावर्तित किंवा पारदर्शक इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शकाची किंवा अणुबल सूक्ष्मदर्शकाची आवश्यकता असते. अब्जांश स्फटिकांचे परिमाण अप्रत्यक्षपणे एक्स-रे डिफ्रॅक्शन पॅटर्नवरून आणि शेरर समीकरण वापरूनही मोजले जाते. जर आपण बहुस्पटिकी आणि अब्जांश पदार्थांच्या क्ष-किरण विवर्तन आलेखांची तुलना केली, तर अब्जांश पदार्थांच्या आलेखांत शिखर विस्तारण अधिक दिसते. यावरूनही आपण अब्जांश पदार्थ तयार झाल्याचा तर्क बांधू शकतो.   

अब्जांश कणांचा पुंज प्रभाव समजून घेणे महत्वाचे आहे. जेव्हा कणांचा आकार एका विशिष्ट मूल्यापर्यंत कमी होतो, तेव्हा फर्मी पातळीजवळील इलेक्ट्रॉन ऊर्जा पातळी अखंड ऊर्जा पातळीपासून विविक्त ऊर्जा पातळीमध्ये बदलते, म्हणजेच ऊर्जा पातळीचे विभाजन होऊन ऊर्जा बँड गॅपचे रुंदीकरण होते यास पुंज आकार प्रभाव असे म्हणतात. याचा परिणाम पदार्थाच्या गुणधर्मांवर होतो. पदार्थांचा रंग, विद्युत वाहनशक्ती, उष्णता वाहनशक्ती, चुंबकीयशक्ती, प्रकाश परावर्तनशक्ती, प्रकाश शोषून घेण्याची शक्ती व त्यातून आवाज वाहू देण्याची शक्ती हे सर्व गुणधर्म त्याच्यात असलेल्या कणांच्या मितीवर अवलंबून असतात. हेच अब्जांश पदार्थांच्या नवलाईच्या उपयोगांचे रहस्य आहे. 

अब्जांश कण जर अर्धसंवाहक पदार्थाचे बनले असतील तर त्यांना सेमीकंडक्टर अब्जांशस्पटिक म्हणतात. प्रत्येक घनपदार्थातील इलेक्ट्रॉन संयुजा आणि वहन पट्ट अशा दोन ऊर्जा पातळ्यांमध्ये असतात. या दोन पातळ्यातील अंतरास बँड गॅप अर्थात ऊर्जा अंतर म्हणतात. ते इलेक्ट्रॉन व्होल्ट्स या एककात मोजतात. यादरम्यान ऊर्जापातळ्या अस्तित्वात नसतात. विद्युत सुवाहक पदार्थात हे अंतर शून्य तर दुर्वाहकात हे खूप जास्त असते, तर अर्धसंवाहकात हे अगदी थोडे म्हणजे अंदाजे चार इलेक्ट्रॉन व्होल्ट्सपेक्षा कमी असते. त्यामुळे अर्धसंवाहकास थोडीशी उष्णता अथवा प्रकाश ऊर्जा देऊन त्यातून सुवाहकाप्रमाणे इलेक्ट्रॉनचे वहन करता येते.  

अर्धसंवाहक पदार्थाचे अब्जांश कण अतिनील प्रकाशाने प्रकाशित केल्यास इलेक्ट्रॉन उत्तेजित होऊन वहन पट्टात जातात आणि व्युत्तेजनाने परत संयुजा पट्टात येतात. पण या संक्रमणा दरम्यान ते पदार्थाच्या बँड गॅप उर्जेएव्हढा प्रकाश उत्सर्जित करतात. जर त्या पदार्थाचा बँड गॅप कमी असेल तर अब्जांश कण कमी ऊर्जेचे प्रकाश किरण उत्सर्जित करतील आणि जर बॅण्ड गॅप ज्यादा असेल तर हे कण ज्यादा ऊर्जेचे प्रकाश किरण उत्सर्जित करतील. त्यामुळे अब्जांश कणाने उत्सर्जित केलेली ऊर्जा ही कणांच्या बँड गॅप ऊर्जेच्या समप्रमाणात तर कणांच्या आकाराच्या व्यस्त प्रमाणात (पुंज प्रभाव) बदलते. सेमीकंडक्टरची बँड गॅप ऊर्जा जुळवून आपण पुंज कणांद्वारे उत्सर्जित होणाऱ्या प्रकाशाचा हवा तो रंग मिळवू शकतो.

पुंज कण त्यांच्या अद्वितीय प्रकाशकीय गुणधर्मांमुळे मोठ्या प्रमाणावर वापरले जातात, कारण त्यांना प्रकाशित केल्यास ते विशिष्ट तरंगलांबीचा प्रकाश उत्सर्जित करतात. पुंज कणांच्या मितीजुळवून उत्सर्जित प्रकाशाची इच्छित तरंगलांबी मिळवता येते.  सर्वात लांब तरंगलांबीचा प्रकाश (लाल रंग) मोठ्या आकाराच्या पुंजकणांद्वारे उत्सर्जित केला जातो तर सर्वात लहान तरंगलांबीचा प्रकाश (निळा रंग) सर्वात लहान पुंजकणांद्वारे उत्सर्जित केला जातो. 

पुंजकणांच्या मुळाशी असलेली मूलभूत सैद्धांतिक संकल्पना 'पेटीमधील मूलकण' समस्या म्हणून ओळखली जाते. जेव्हा इलेक्ट्रॉन सारखा पुंजकण, कणाच्या डी ब्रॉग्ली वस्तू तरंगलांबीशी तुलनीय 'एल' आकार असलेल्या 'पेटी' मध्ये बंदिस्त असतो, तेव्हा तरंगफलाच्या अनुमत आयगेनअवस्था ऊर्जा एल वर आणि ऊर्जा अंतर ∆इ, 1/एल^2 वर क्रांतिकत अवलंबून असते. पुंजयामिकीच्या अगदी सुरुवातीच्या काळापासून ही संकल्पना अस्तित्वात आहे.

पुंज कणांचे गुणधर्म अर्धसंवाहक आणि विविक्त अणू किंवा रेणू यांच्या दरम्यानचे असतात. अर्धसंवाहक पदार्थांचे पुंज कण एकतर इलेक्ट्रॉन किंवा होलला घट्ट बंदीवान बनवतात. अगदी पुंजयामिकीमधील त्रिमितीय बंदिस्त बॉक्स प्रतिकृतीमधील इलेक्ट्रॉन कणांप्रमाणे ! पुंज कणांचे ऊर्जा शोषण आणि उत्सर्जन वैशिष्ट्ये परमाणू वर्णपटाची आठवण करून देणाऱ्या बॉक्स प्रतिकृतीमधील विविक्त ऊर्जा पातळीमधील ऊर्जा संक्रमणांसारखेच असतात. या कारणांमुळे, पुंज कणांना काहीवेळा कृत्रिम अणू म्हणून संबोधले जाते. पुंज कणांमधील इलेक्ट्रॉनचे तरंगफल खऱ्या अणूंप्रमाणेच असतात. असे दोन किंवा अधिक 'अब्जांश कण' एकत्र करून कृत्रिम रेणू तयार केला जाऊ शकतो. कृत्रिम घन-पदार्थ म्हणून संबोधल्या जाणाऱ्या अशा कणांच्या संचाचे अधिजालक अद्वितीय प्रकाशीय आणि इलेक्ट्रॉनिक गुणधर्म दाखवतात.

अर्धसंवाहकाच्या कणाचा आकार कमी केल्याने इलेक्ट्रॉन, होल किंवा एक्सिटॉन तरंगफलाचे त्रिमितीय वितरण मर्यादित करून पदार्थाची इलेक्ट्रॉनिक सौरचना बदलते. इलेक्ट्रॉन होल (धनभारित बिंदु) हे अर्धकण भौतिक कण नसून त्यावरील विद्युत भार इलेक्ट्रॉनच्या विरुद्ध म्हणजे धन असतो. एक्सिटॉन ही चार्जरहित अर्धकण अवस्था ही इलेक्ट्रॉन आणि होलची बांधलेली अवस्था असते जी अण्विक बलाद्वारे एकमेकांकडे आकर्षिले असतात. एक्सिटॉन बोर त्रिज्या म्हणजे अर्धकणाच्या इलेक्ट्रॉन आणि होल जोडीतील अंतर. अर्धसंवाहकाच्या पुंज कणांची मिती एक्सिटॉन बोर त्रिजेएव्हढी (नॅनोमीटर) असते ज्यात इलेक्ट्रॉनला पुंजबंदिस्त करता येते. अर्धसंवाहकामध्ये ऊर्जापातळीची घनता पदार्थाच्या मितीवर अवलंबून असते. अब्जांश मितीतील विविक्त ऊर्जापातळीमुळे इलेक्ट्रॉनला पुंजबंदिस्त रहावे लागते. आयतन पदार्थांसाठी 'ऊर्जा अवस्थांची घनता' हे एक सातत्यपूर्ण फलन आहे जे दिलेल्या आकारमानासाठी ऊर्जा आणि तरंग सदिशच्या दिलेल्या टप्प्यामध्ये उपलब्ध पुंज अवस्थांचे वर्णन करते. क्वांटित इलेक्ट्रॉनसाठी ऊर्जा अवस्थांची घनता एकलमूल्य येतात.

बंदिस्ततेची व्याप्ती इलेक्ट्रॉन आणि होल वेव्हफंक्शन्सच्या त्रिमितीय परस्परव्याप्ती आणि त्यांच्यामधील कौलोम्बिक परस्परसंवादांवर देखील परिणाम करते. त्यांच्या लहान आकारामुळे पृष्ठभाग-ते-घनफळ गुणोत्तर वाढते. परिणामी, त्रिमितीय परस्परसंवादांस खूप जादा जागा उपलब्ध होऊन गुणधर्म सुधारण्यास मदत होते.

आज 'पुंज कण' पुंजयामिकी परिणाम इलेक्ट्रॉनिक संरचनेमध्ये प्रकट होणाऱ्या अब्जांश संरचनेचा संदर्भ देते. ज्यामध्ये पुंज आकार प्रभाव, एकाधिक-पदार्थ परस्परसंवाद (एक्सिटॉनिक प्रावस्था) किंवा उच्च पृष्ठभाग-ते-आकारमान गुणोत्तर जसे की पृष्ठभागावरील अवस्था इलेक्ट्रॉनिक संरचनेवर वर्चस्व करतात. आता हे लक्षात आले आहे कि, विद्युत भार वाहकांच्या डी ब्रॉग्ली तरंगलांबीच्या तुलनेत लहान आकाराव्यतिरिक्त, पुंज प्रावस्था संसंजकता लांबी (सामान्यत: अप्रत्यास्थ विकिरणाद्वारे मर्यादित) प्रणालीच्या आकारापेक्षा जास्त असणे आवश्यक असते.

- केशव राजपुरे
http://www.rajpure.com/