Read Time:19 Minute

ഡോ. സംഗീത ചേനംപുല്ലി

അസിസ്റ്റന്റ് പ്രൊഫസർ, കെമിസ്ട്രി വിഭാഗം, എസ്.എൻ.ജി.സി. പട്ടാമ്പി

ലൂക്ക എഡിറ്റോറിയൽ ബോർഡ് അംഗം

വീഡിയോകൾക്ക്

പദാർഥങ്ങളുടെ ലോകത്തെ മാറ്റിമറിച്ച വിപ്ലവമായിരുന്നു നാനോടെക്നോളജി എന്ന പുതിയ മേഖലയുടെ വികാസം. നാനോകണങ്ങളിലെത്തന്നെ ഇത്തിരിക്കുഞ്ഞൻമാരായ ക്വാണ്ടം ഡോട്ടുകൾ വികസിപ്പിച്ച ശാസ്ത്രജ്ഞരാണ് ഇത്തവണത്തെ രസതന്ത്ര നൊബേൽ പുരസ്കാരം പങ്കിട്ടത്.

മൌംഗി ജി ബാവെണ്ടി(പ്രൊഫസർ, എം ഐ ടി) , ലൂയിസ് ഇ. ബ്രൂസ് (പ്രൊഫസർ,കൊളംബിയ യൂണിവേഴ്സിറ്റി), അലക്സി ഐ. എക്കിമോവ് (മുൻ ചീഫ് സയന്റിസ്റ്റ്, നാനോടെക്നോളജി inc) എന്നിവരാണ് ഈ വർഷത്തെ രസതന്ത്ര നോബേലിന് അർഹരായത്. വലിയ കണങ്ങൾ അനുസരിക്കുന്ന നിയമങ്ങൾ ബാധകമവാത്ത, ക്വാണ്ടം ഭൌതിക നിയമങ്ങൾ ഭരിക്കുന്ന ഈ പുതിയ കണങ്ങളെ നമുക്ക് പരിചയമുള്ളത് ചില ഉത്പന്നങ്ങളുടെ രൂപത്തിലാണ്. നിങ്ങളുടെ വീട്ടിലെ QLED ടി വി മുതൽ, സൂക്ഷ്മശസ്ത്രക്രിയകൾ വരെ പലതും ഈ കണ്ടെത്തലിനെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു.

എന്താണ് ക്വാണ്ടം ഡോട്ടുകൾ?

അവ തീരെച്ചെറിയ നാനോകണങ്ങളാണ് എന്ന് ഒറ്റവാക്കിൽ പറയാം. ഒരു മില്ലീമീറ്ററിന്റെ പത്ത് ലക്ഷത്തിൽ ഒരംശം മാത്രം വലിപ്പം എങ്ങനെയാണ് സങ്കൽപ്പിക്കാനാവുക? ഒരു ഫുട്ബോളും ഭൂമിയും തമ്മിൽ താരതമ്യം ചെയ്യുന്നതിന് തുല്യമാണത്രേ ഒരു ക്വാണ്ടം ഡോട്ടും ഫുട്ബോളും തമ്മിലുള്ള താരതമ്യം. ഇവ അർദ്ധചാലകതയും പ്രകാശമേൽക്കുമ്പോൾ തിളങ്ങുന്ന സ്വഭാവവും കാണിക്കുന്നു. ഇവയുടെ സ്വഭാവത്തെ മുഴുവൻ നിയന്ത്രിക്കുന്നത് വലിപ്പം എന്ന ഒരേയൊരു ഘടകമാണ്. ക്വാണ്ടം ഡോട്ടുകൾക്ക് സാധാരണ വലിപ്പത്തിലുള്ള വസ്തുക്കളുടേയും, ആറ്റം, തന്മാത്ര പോലുള്ള സൂക്ഷ്മകണങ്ങളുടേയും ഇടയിലുള്ള സ്വഭാവമാണ് ഉള്ളത്. രണ്ടോ മൂന്നോ വിവിധതരം ക്വാണ്ടം ഡോട്ടുകളെ കൂട്ടിച്ചേർത്ത് പുതിയ വസ്തുക്കൾ നിർമ്മിക്കാം. ഇവ ചേർത്തുവെച്ച് സൂപ്പർലാറ്റിസുകൾ നിർമ്മിച്ച് പുതിയ തരം ഖരപദാർഥങ്ങൾ ഉണ്ടാക്കാം, അങ്ങനെ പല സാധ്യതകളുമുണ്ട്.

ക്വാണ്ടം ഡോട്ടുകളെ ഖരത്തിലും, ലായനിയിലും കണ്ടെത്തിയ രണ്ട് ശാസ്ത്രജ്ഞർക്കും (ലൂയിസ് ഇ. ബ്രൂസ്, അലക്സി ഐ. എക്കിമോവ്), അവയെ നിർമ്മിക്കാൻ എളുപ്പവും കൃത്യതയുമുള്ള സങ്കേതം ആവിഷ്കരിച്ച ശാസ്ത്രജ്ഞനുമാണ് (മൌംഗി ജി ബാവെണ്ടി) ഇത്തവണത്തെ നോബൽ പുരസ്കാരത്തിന് അർഹരായത്.

ക്ലാസിക്കൽ ഭൌതികത്തെ അട്ടിമറിച്ച സൂക്ഷ്മകണങ്ങൾ

പദാർഥങ്ങളെ ഏത് വരെ ചെറുതാക്കാൻ കഴിയും എന്ന ചോദ്യം പണ്ട് മുതലേ മനുഷ്യനെ അലട്ടിയിരുന്നു. ഈ ചോദ്യത്തിന് ഉത്തരം തേടിയാണ് ആറ്റത്തിന്റെ ഘടനയിലേക്കും, അതിനുള്ളിലെ കണങ്ങളിലേക്കും ഒക്കെ നമ്മൾ എത്തിച്ചേർന്നത്. എന്നാൽ സൂക്ഷ്മകണങ്ങൾ പെരുമാറുക വലിയ കണങ്ങളിൽ നിന്നും തീർത്തും വ്യത്യസ്തമായാണ് എന്നും ക്ലാസിക്കൽ ഭൌതികശാസ്ത്രത്തിന്റെ നിയമങ്ങൾ അവിടെ തീർത്തും പരാജയപ്പെടും എന്നുമുള്ള കണ്ടെത്തൽ കഴിഞ്ഞ നൂറ്റാണ്ടിന്റെ തുടക്കത്തിൽ ശാസ്ത്രലോകത്തെ പിടിച്ചുകുലുക്കി. ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്സ് എന്ന പുതിയ ശാസ്ത്രശാഖയുടെ ഉദയമായിരുന്നു അത്. ചെറുകണികകളുടെ ലോകത്തെപ്പറ്റിയുള്ള പല സൈദ്ധാന്തിക ആലോചനകളും ഇതിന്റെ ഭാഗമായി നടന്നു. പദാർഥത്തിന്റെ കണികകൾ ഒരു പരിധിയിലേറെ ചെറുതാകുമ്പോൾ, അവ പതിവിൽ നിന്ന് വ്യത്യസ്തമായി പെരുമാറുമെന്ന് സൈദ്ധാന്തിക ഭൌതികശാസ്ത്രജ്ഞനായ ഹെർബർട്ട് ഫ്രോലിക് 1937 ൽ തന്നെ പ്രവചിച്ചിരുന്നു. ഒരേ സമയം കണങ്ങളുടേയും തരംഗത്തിന്റെയും സ്വഭാവം കാണിക്കുന്ന ഇലക്ട്രോണുകൾ വളരെ ചെറിയ ഇടത്തിലേക്ക് ചുരുക്കപ്പെടുന്നതാണ് ഇതിന് കാരണം. ഈ തലത്തിലെത്തുമ്പോഴേക്ക് വലിപ്പത്തിന് അനുസരിച്ച് പദാർഥത്തിന്റെ സ്വഭാവ സവിശേഷതകൾ മാറിമറിയും. എന്നാൽ ഒരു മുത്തശ്ശിക്കഥ പോലെ ഏറെക്കാലം ഇത് സങ്കൽപ്പത്തിൽ മാത്രം ഒതുങ്ങി നിന്നു. ഒരു മൊട്ടുസൂചിത്തലപ്പിന്റെ പത്ത് ലക്ഷത്തിൽ ഒരംശം മാത്രം വലിപ്പമുള്ള ഒരു വസ്തുവിനെ സങ്കൽപ്പിക്കാൻ പോലും പ്രയാസമാണെന്നത് തന്നെ കാരണം. 1970 കളിൽ ഉയർന്ന ഊർജ്ജമുള്ള തന്മാത്രാ ബീം ഉപയോഗിച്ച് ഏതാനും നാനോ മീറ്റർ കനം മാത്രമുള്ള ഒരു പാളി മറ്റൊരു വസ്തുവിന് മേൽ പൂശാൻ കഴിഞ്ഞു. ക്വാണ്ടം ഭൌതികം പ്രവചിച്ച സ്വഭാവങ്ങൾ ഈ വസ്തു കാണിച്ചു. പക്ഷേ -250 ഡിഗ്രിയോളം താഴ്ന്ന താപനിലയും, വായുരഹിത അവസ്ഥയും ആവശ്യമുള്ള ഇത് പ്രായോഗിക ഉപയോഗത്തിലേക്ക് വളരുമെന്ന് ആരും സ്വപ്നം കണ്ടത് പോലുമില്ല.

നിറമുള്ള ചില്ലിൽ നിന്ന് പുതിയ കണങ്ങളിലേക്ക്

അക്കാലത്താണ് ശാസ്ത്രജ്ഞരുടെ ശ്രദ്ധ നിറമുള്ള ഗ്ലാസുകളിലേക്ക് തിരിയുന്നത്. പഴയ പള്ളികളിലും, കെട്ടിടങ്ങളിലും മറ്റും നൂറ്റാണ്ടുകൾ കഴിഞ്ഞിട്ടും നിറം മങ്ങാതെ നിൽക്കുന്ന ചില്ല് ജാലകങ്ങൾ നിങ്ങളും കണ്ടിട്ടുണ്ടാവും. സ്വർണ്ണം, വെള്ളി, ചെമ്പ്, കാഡ്മിയം തുടങ്ങിയ ലോഹങ്ങൾ ഉരുക്കിച്ചേർത്ത് നിശ്ചിത താപനിലയിൽ ചൂടാക്കിയും തണുപ്പിച്ചും നിർമ്മിക്കുന്ന ഇവ കൌതുകകരമായ നിറങ്ങൾക്ക് പുറമേ അസാധാരണ സ്ഥിരതയും കാണിക്കുന്നു. ഇതിന് കാരണം അവയിലടങ്ങിയ തീരെച്ചെറിയ ലോഹകണങ്ങൾ ആണെന്ന് ശാസ്ത്രജ്ഞർ മനസ്സിലാക്കി. കണങ്ങളുടെ വലിപ്പം അനുസരിച്ച് നിറവും മാറും. ഉദാഹരണത്തിന് അതിന്റേതായ പ്രത്യേക മഞ്ഞ നിറത്തിൽ തിളങ്ങുന്ന സ്വർണ്ണത്തെ ചുവപ്പ് മുതൽ വയലറ്റ് വരെ പലനിറങ്ങളുള്ള കണികകളാക്കി മാറ്റാം. എന്താണ് ഈ പ്രതിഭാസത്തിന് കാരണം എന്നത് 1970 കളിൽ ശാസ്ത്രജ്ഞരെ കുഴക്കിയിരുന്നു. ഈ സമയത്താണ് അലക്സി എക്കിമോവിന്റെ ശ്രദ്ധ നിറമുള്ള ഗ്ലാസിലേക്ക് തിരിഞ്ഞത്. സോവിയറ്റ് യൂണിയനിൽ, എസ് ഐ വാവിലോവ് ഒപ്റ്റിക്കൽ ഇൻസ്റ്റിറ്റ്യൂട്ടിൽ ഗവേഷകനായിരുന്നു അദ്ദേഹം. പി എച്ച് ഡി സമയത്ത് സെമികണ്ടക്റ്ററുകളെപ്പറ്റി പഠിക്കാൻ ഉപയോഗിച്ച സങ്കേതങ്ങൾ തന്നെ ഉപയോഗിച്ചുകൊണ്ട് അദ്ദേഹം പലനിറച്ചില്ലുകളെപ്പറ്റി പഠിക്കാൻ തുടങ്ങി. എക്സ്റേ ഡിഫ്രാക്ഷൻ എന്ന സങ്കേതമായിരുന്നു പ്രധാനമായും ഉപയോഗിച്ചത്. വസ്തുക്കളുടെ പരലുകൾ അഥവാ ക്രിസ്റ്റലുകളുടെ വലിപ്പവും ഘടനയും പഠിക്കാനുള്ള ഏറ്റവും സാധാരണവും മികച്ചതുമായ മാർഗ്ഗമാണിത്. ഖരവസ്തുവിൽ എക്സ് കിരണങ്ങൾ തട്ടുമ്പോൾ അവയിൽ ഒരു ഭാഗം ആഗിരണത്തിനും ബാക്കി വിസരണത്തിനും വിധേയമാകുന്നു. കിട്ടുന്ന സ്പെക്ട്രത്തിലെ പീക്കുകളുടെ സ്ഥാനത്തിൽ നിന്നും വസ്തുവിന്റെ പരലിന്റെ വലിപ്പവും അവയിൽ ആറ്റങ്ങൾ വിന്യസിച്ച രീതിയും മനസ്സിലാക്കാം.

കോപ്പർ ക്ലോറൈഡ് ചേർത്ത് പല താപനിലയിൽ (500- 700 ഡിഗ്രി സെൽഷ്യസ് ) പല സമയങ്ങളിൽ (1-96 മണിക്കൂർ) ചൂടാക്കി നിറമുള്ള ഗ്ലാസുകൾ എക്കിമോവ് തന്നെ നിർമ്മിച്ചു. അവയെ എക്സ്റേ ഉപയോഗിച്ച് പഠിച്ചപ്പോൾ 1 മുതൽ 30 വരെ നാനോമീറ്റർ വലിപ്പമുള്ള കണികകൾ ഉള്ളതായും ഇവയുടെ വലിപ്പത്തിന് അനുസരിച്ച് ആഗിരണത്തിന്റെ അളവും തരംഗദൈർഘ്യവും (വലിപ്പം കുറയുമ്പോൾ നീല പ്രകാശം കൂടുതൽ ആഗിരണം ചെയ്തു) മാറുന്നതായും കണ്ടെത്തി. താൻ കണ്ടെത്തിയത് ഒരു ക്വാണ്ടം പ്രതിഭാസമാണ് എന്ന് മനസ്സിലാക്കിയ അദ്ദേഹം 1981 ൽ തന്റെ ഗവേഷണ ഫലങ്ങൾ ഒരു സോവിയറ്റ് ജേണലിൽ പ്രസിദ്ധീകരിച്ചു.

ക്വാണ്ടം പ്രതിഭാസങ്ങൾ ലായനിയിലും

ഇതൊന്നും അറിയാതെ അമേരിക്കയിലെ ബെൽ ലബോറട്ടറിയിൽ സൌരോർജ്ജമുപയോഗിച്ച് രാസപ്രവർത്തനങ്ങൾ സാധ്യമാക്കാനുള്ള ഗവേഷണത്തിലായിരുന്നു ലൂയിസ് ബ്രൂസ്. കാഡ്മിയം സൾഫൈഡ് ആണ് ഇതിനായി അദ്ദേഹം ഉപയോഗിച്ച വസ്തു. പ്രതല വിസ്തീർണ്ണം കൂടുമ്പോൾ രാസപ്രവർത്തനശേഷിയും, വേഗതയും കൂടുമെന്നാണ് രസതന്ത്രത്തിന്റെ പൊതുനിയമം. അതുകൊണ്ട് തന്നെ കാഡ്മിയം സൾഫൈഡിനെ അദ്ദേഹം ചെറുതാക്കിക്കൊണ്ടേ ഇരുന്നു. വലിപ്പം കുറയുമ്പോൾ ഉപരിതല വിസ്തീർണ്ണം പല മടങ്ങ് കൂടും. ലായനി രൂപത്തിലായിരുന്നു അദ്ദേഹത്തിന്റെ പരീക്ഷണം. ഈ രാസമിശ്രിതത്തെ അൽപ്പനേരം വെച്ചുകൊണ്ടിരുന്നാൽ ഇതിന്റെ പ്രകാശത്തോടുള്ള പെരുമാറ്റത്തിൽ വ്യത്യാസം വരുന്നതായി ബ്രൂസ് മനസ്സിലാക്കി. ലായനിയിൽ വെച്ച് കണങ്ങൾ കൂടിച്ചേർന്ന് വലുതായതാകാം കാരണം എന്ന് മനസ്സിലാക്കിയ അദ്ദേഹം പുതിയ ലായനി ഉണ്ടാക്കിയ പാടേ അതിന്റെ ആഗിരണ ശേഷി അളക്കുകയും കുറച്ച് നേരം വെച്ച ശേഷമുള്ള ലായനിയുടെ ആഗിരണ ശേഷിയുമായി താരതമ്യം ചെയ്യുകയും ചെയ്തു. പ്രകാശത്തോടുള്ള കണങ്ങളുടെ പ്രതികരണത്തിൽ വലിപ്പമനുസരിച്ച് വ്യത്യാസം വരുന്നതായി ഐക്കിമോവിനെപ്പോലെ ബ്രൂസും കണ്ടെത്തി. ഇത് ഒരു ക്വാണ്ടം പ്രതിഭാസമാണെന്ന് തിരിച്ചറിയുകയും ചെയ്തു. പല വസ്തുക്കൾ ഉപയോഗിച്ച് പരീക്ഷണം ആവർത്തിച്ചു. ഇവിടെയും കണങ്ങളുടെ വലിപ്പം കുറഞ്ഞപ്പോൾ ആഗിരണം നീല നിറത്തിന്റെ തരംഗദൈർഘ്യത്തിലേക്ക് മാറുകയായിരുന്നു. 1983 ൽ അദ്ദേഹം സ്വന്തം കണ്ടെത്തലുകൾ പ്രസിദ്ധീകരിച്ചു.

കൃത്യതയാർന്ന നാനോകണങ്ങൾ എങ്ങനെ കിട്ടും?

എന്താണ് ഈ കണ്ടെത്തലിന് ഇത്ര പ്രാധാന്യം എന്നല്ലേ? പ്രകാശത്തോടുള്ള പ്രതികരണം മാറുന്നത് അവയുടെ ഇലക്ട്രോണിക ഘടന മാറിയതിന്റെ സൂചനയാണ്. ഇലക്ട്രോണുകളെ വിന്യസിച്ചിരിക്കുന്ന രീതി ഓരോ മൂലകത്തിനും വ്യത്യസ്തമായിരിക്കും. ഇലക്ട്രോൺ വിന്യാസത്തിൽ മാറ്റം വരുമ്പോൾ ചാലകത മുതൽ രാസപ്രവർത്തന ശേഷി വരെ എല്ലാ സ്വഭാവസവിശേഷതകൾക്കും മാറ്റമുണ്ടാകും. അതായത് ആ മൂലകം അഥവാ സംയുക്തം മറ്റൊരു വസ്തുവായി മാറുന്നത് പോലെ. എന്നാൽ കൃത്യമായും ഒരേ വലിപ്പത്തിലുള്ള, ഘടനാപരമായ പിഴവുകളില്ലാത്ത ക്വാണ്ടം ഡോട്ടുകൾ നിർമ്മിക്കുക അന്നത്തെ അവസ്ഥയിൽ പ്രയാസമായിരുന്നു. ശരാശരി വലിപ്പം നിയന്ത്രിക്കാം എന്നല്ലാതെ ഓരോ കണത്തെയും തുല്യവലിപ്പമുള്ളതാക്കാൻ അന്ന് സാധ്യമായിരുന്നില്ല. 1988 ലാണ് മൌംഗി ബാവെണ്ടി ലൂയിസ് ബ്രൂസിന്റെ സംഘത്തിൽ ചേരുന്നത്. നാനോകണികകളെ ഒരേവലിപ്പമാക്കാനും കൂടുതൽ കൃത്യതയുള്ള ഘടനയുള്ളതാക്കാനും അദ്ദേഹം നിരന്തര ശ്രമം നടത്തി.

പിന്നീട് എം ഐ ടിയിലേക്ക് മാറിയപ്പോഴും അദ്ദേഹം ഈ മേഖലയെ കൈവിട്ടില്ല. ഒടുവിൽ 1993 ൽ അദ്ദേഹവും സഹഗവേഷകരും പുതിയൊരു രീതി വികസിപ്പിച്ചു. ശ്രദ്ധാപൂർവ്വം ഒരു ലായകം തെരഞ്ഞെടുത്ത് നിശ്ചിത താപനിലയിൽ ചൂടാക്കി, കൃത്യമായും പൂരിതമാകാൻ ആവശ്യമുള്ളത്ര മാത്രം നാനോകണങ്ങൾ അതിലേക്ക് ഇഞ്ചക്റ്റ് ചെയ്യുന്നതാണ് ഈ രീതി. ഒരേ വലിപ്പമുള്ള നാനോക്രിസ്റ്റലുകൾ ഇങ്ങനെ രൂപപ്പെടുത്താം. മാത്രമല്ല ലായനിയിൽ വെച്ച് രൂപപ്പെടുന്നതിനാൽ ഇവയ്ക്ക് പിഴവില്ലാത്ത കൃത്യതയും, മിനുത്ത പ്രതലവും ഉണ്ടായിരിക്കുകയും ചെയ്യും. ഏറെ എളുപ്പമുള്ള ഈ മാർഗ്ഗം ,മറ്റനേകം ശാസ്ത്രജ്ഞരേയും ക്വാണ്ടം ഡോട്ടുകളുടെ ലോകത്തേക്ക് ആകർഷിച്ചു. അങ്ങനെ ഒരു പുതുയുഗത്തിന് തുടക്കമായി!

ക്വാണ്ടം ഡോട്ടുകൾ കൊണ്ടെന്താണ് പ്രയോജനം ?

വലിപ്പം ക്രമീകരിക്കുക വഴി ഇവയുടെ പ്രകാശത്തോടുള്ള പ്രതികരണത്തിൽ മാറ്റം വരുത്താനാകും എന്ന് നേരത്തേ സൂചിപ്പിച്ചല്ലോ. വലിപ്പത്തിനനുസരിച്ച് അവ പല നിറത്തിൽ തിളങ്ങും. നീല നിറം വലിച്ചെടുത്ത് മറ്റ് നിറങ്ങൾ പുറത്തുവിടുകയാണ് ചെയ്യുക. നമ്മുടെ ടി വി, കമ്പ്യൂട്ടർ തുടങ്ങിയവയിൽ ഉപയോഗിക്കുന്ന QLED ഡിസ്പ്ലേ ക്വാണ്ടം ഡോട്ടുകൾ ഉപയോഗിച്ചുള്ളതാണ്. നീല ഡയോഡിൽ നിന്നുള്ള നിറം മാത്രം ഉപയോഗിച്ച് മൂന്ന് പ്രാഥമിക വർണ്ണങ്ങളും ഉത്പാദിപ്പിക്കാം. വലിപ്പം മാറുന്നതിനനുസരിച്ച് പച്ചയോ ചുവപ്പോ പ്രകാശം ലഭിക്കും. പല വെളിച്ചത്തിൽ ക്രമീകരിക്കാവുന്ന എൽ ഇ ഡി വിളക്കുകളിലും ക്വാണ്ടം ഡോട്ടുകൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു. പ്രകാശം പുറപ്പെടുവിക്കുന്നതിനാൽ ശരീരത്തിലെ ട്യൂമറുകൾ കണ്ടെത്താനും ഒരുപക്ഷേ ഭാവിയിൽ, നശിപ്പിക്കാനും ഇവ ഉപയോഗിക്കാം. ആന്തരാവയവങ്ങളുടെ പഠനത്തിനും സാധ്യതയുണ്ട്. വഴക്കമുള്ള ഡിസ്പലേകൾ, ഇത്തിരിക്കുഞ്ഞൻ സെൻസറുകൾ, ഉയർന്ന ശേഷിയുള്ള രാസത്വരകങ്ങൾ, ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടിംഗ് തുടങ്ങി പല സാധ്യതകൾ ഇവ മുന്നോട്ട് വെക്കുന്നു. ക്വാണ്ടം ഡോട്ടുകൾക്ക് ഇപ്പോൾ പ്രായം മുപ്പത്, മുതിരുമ്പോൾ അവയുടെ മിടുക്ക് ആരു കണ്ടു?