जे न देखे रवी (विज्ञानजिज्ञासा) आनंद घैसास

आनंद घैसास
मंगळवार, 21 फेब्रुवारी 2017

रेणूंमधल्या अणूंच्या रचनेबाबत अनेक आडाखे असले, तरी प्रत्यक्षात या रचना दिसणं कठीणच. मात्र अमेरिकेतल्या एका संयुक्त संशोधनामध्ये एका संमिश्र धातूच्या रेणूचं नुकतंच दर्शन घडलं. या संशोधकांनी तो रेणू नुसता बघितला नाही, तर त्यातल्या अणूंची रचनाही सर्व बाजूंनी आणि सर्व दिशांनी त्यांना बघता आली. भौतिकशास्त्रातली ही अतिशय महत्त्वाची घडामोड मानली जाते. त्या निमित्तानं एकूणच सूक्ष्मदर्शींचा आतापर्यंतचा प्रवास आणि भविष्यात कशा प्रकारे त्यांचा उपयोग होऊ शकतो याचा घेतलेला वेध. 

रेणूंमधल्या अणूंच्या रचनेबाबत अनेक आडाखे असले, तरी प्रत्यक्षात या रचना दिसणं कठीणच. मात्र अमेरिकेतल्या एका संयुक्त संशोधनामध्ये एका संमिश्र धातूच्या रेणूचं नुकतंच दर्शन घडलं. या संशोधकांनी तो रेणू नुसता बघितला नाही, तर त्यातल्या अणूंची रचनाही सर्व बाजूंनी आणि सर्व दिशांनी त्यांना बघता आली. भौतिकशास्त्रातली ही अतिशय महत्त्वाची घडामोड मानली जाते. त्या निमित्तानं एकूणच सूक्ष्मदर्शींचा आतापर्यंतचा प्रवास आणि भविष्यात कशा प्रकारे त्यांचा उपयोग होऊ शकतो याचा घेतलेला वेध. 

कोणत्याही वस्तूचा, पदार्थाचा सर्वांत छोटा कण, ज्याला फोडून, तोडून त्याचे आणखी दोन तुकडे करता येत नाहीत, त्याला (अविभाज्य भागाला) त्या पदार्थाचा ‘रेणू’ असं म्हणतात. अशा रेणूमध्ये त्या पदार्थाचे सर्व गुणधर्म कायम असतात. रेणूंमध्ये एकापेक्षा जास्त अणूंची एकमेकांशी बांधलेली रचना असते. पण या रचना आपल्याला प्रत्यक्ष दिसणं कठीणच. त्या त्या पदार्थाचे जे काही भौतिक आणि रासायनिक गुणधर्म माहीत झालेले असतात, त्यावरून अनुमानानं या रचना काय असव्यात याचा अंदाज, तर्क, अनुमान काढले जातात. त्याची मानचित्रं काढली जातात. परंतु प्रत्यक्षात या रेणूची रचना ‘याचि देही याचि डोळा’ पाहणं हे कोणत्याही प्रकाशीय सूक्ष्मदर्शीनंही शक्‍य झालेलं नाही. या पार्श्वभूमीवर नुकतीच हाती आलेली एका शोधाची बातमी भौतिकशास्त्राच्या दृष्टीनं फार महत्त्वाची मानली जाते. लॉरेन्स बर्कले नॅशनल लॅबोरेटरीच्या पीटर इर्शियसच्या नेतृत्वाखाली काम करणाऱ्या आणि युनिव्हर्सिटी ऑफ कॅलिफोर्नियामध्ये (लॉस एंजलिस) जिआनवई मियाओ यांच्या नेतृत्वाखाली संशोधन करणाऱ्या संशोधकांच्या संयुक्त संशोधनातून एका संमिश्र धातूच्या रेणूचं यथार्थ दर्शन घडलं आहे. ‘स्कॅनिंग इलेक्‍ट्रॉन मायक्रोस्कोप’च्या वापरातून या लोह आणि प्लॅटिनमच्या संमिश्र (अलॉय) धातूचा एक रेणू यात पाहिला गेल्याचं त्यांनी सादर केलेल्या शोधनिबंधात प्रसिद्ध केलं आहे. त्यांनी तो नुसता पाहिला असं नाही, तर त्या रेणूमधल्या दोनही मूलद्रव्याचे अणू, त्यांची रचना कशी आहे, ते कसे-कोणत्या ठिकाणी एकमेकांच्या बंधनात आहेत, त्याची त्रिमित रचना या सर्व गोष्टी या रेणूत सर्व बाजूंनी, दिशांनी पाहिल्याचं यात नमूद करण्यात आलं आहे. हा रेणू फक्त ८.४ नॅमोमीटर आकाराचा होता. (एक नॅनोमीटर म्हणजे एका मीटरचा एक अब्जावा भाग किंवा एका इंचाचा चारशे कोटीवा भाग) या छोट्याशा रेणूमध्ये असणारे ६५६९ लोहाचे अणू आणि १६६२७ प्लॅटिनमचे अणू आणि त्यांच्या या रेणूमधल्या एकमेकांच्या संदर्भात असलेल्या जागांचंही यथार्थ दर्शन घडलं आहे. हे भौतिकशास्त्रात प्रथमच घडलं आहे, असं काही मान्यवर शास्त्रज्ञांनी म्हटलं आहे. प्रत्येक अणूची या रचनेतली जागा कळणं एवढं काय महत्त्वाचं असा प्रश्न निघाला असता ‘या अणूंच्या जागांमुळंच या प्रत्येक नॅनोकणाचे चुंबकीय गुणधर्म ठरत असतात. या अणूंची ठराविक जागा त्यांना ठराविक चुंबकीय क्षमता देत असते. अणूंच्या जागांची रचना जराशी बदलली तरी चुंबकीय क्षेत्राची क्षमता बदलते,’ असं प्रतिपादन जर्मनीतल्या ड्युइसबर्ग-एसेन इथले संशोधक मायकेल फर्ले यांनी केलं आहे.
या प्रकल्पात स्कॅनिंग इलेक्‍ट्रॉन मायक्रोस्कोपचा वापर करण्यात आला होता. पण त्याच्या वापरण्याच्या पद्धतीत मात्र छोटासा बदल केला गेला होता. तो कसा ते जाणून घेण्याआधी एकूणच मायक्रोस्कोपबद्दलची थोडी माहिती असायला हवी. शाळेत आपण कधी तरी साधा किंवा द्विनेत्री मायक्रोस्कोप वापरलाही असेल. झाडाच्या पानांची श्वसनरंध्रे (स्टोमाटा) किंवा रक्तातल्या पेशी, केस, त्वचा अशा वस्तू त्यातून तुम्ही पाहिल्याही असतील. अशा मायक्रोस्कोपला, सूक्ष्मदर्शींना ‘प्रकाशीय सूक्ष्मदर्शी’ असं म्हणतात. 
सूक्ष्मदर्शीची पार्श्‍वभूमी
विश्वातले सारेच पदार्थ बारीक, सूक्ष्म कणांचे बनलेले असतात, असं तत्त्वज्ञान तर फार प्राचीन, कणाद ऋषींच्या तत्त्वज्ञानात आहे. त्यावरूनच खरं तर अणूची संकल्पना केली गेली. पण पदार्थांना थोडंसं मोठं करून पाहणं हे काचेच्या गोळ्यातून, भिंगातून शक्‍य होतं एवढंच ग्रीकांना साधारण दोन हजार वर्षांपूर्वी माहीत होतं, असं समजतं. पण प्रत्यक्षात सूक्ष्मदर्शी, ज्यात डोळ्यांनी दिसणाऱ्या वस्तू मोठ्या आकारात दिसायला लागल्या, ती कोणी तयार केली, किंवा तिचा शोध कोणी लावला याबद्दल अजूनही संभ्रम आहे. काही जणांच्या मते इटलीतील ‘तेरावा साल्दीनो डिअरमॅट’ या एका चष्मा बनविणाऱ्यानं एका डोळ्याला लावायचं जे भिंग तयार केलं तो सूक्ष्मदर्शीचा पहिला शोध म्हणायला हवा. या काळातल्या भिंगांची क्षमता साधारणत: सहा ते दहापट मोठी आभासी प्रतिमा मिळण्याची होती. घड्याळांची दुरुस्ती करणारे कारागीर आजही अशा प्रकारची एका डोळ्याच्या खोबणीत बसणारी भिंगं वापरताना दिसतात. ही साधी कमी केंद्रांतर असणारी बहिर्वक्र भिंगं असतात. अशाच दोन बहिर्वक्र भिंगांना एकासमोर दुसरं बसवून दूरदर्शी बनविण्याचा प्रयोग १५९०च्या दरम्यान झकेरिआस जान्सीन आणि त्याच्या वडिलांनी (हॅन्स) केला होता, असा काही जणांचा दावा आहे. कोरनेलिस ड्रेबलनं १६२०च्या दरम्यान नेदरलॅंडमध्ये दोन भिंगं नळीच्या दोन टोकांवर बसवून पहिली ‘संयुक्त भिंगांची सूक्ष्मदर्शी’ तयार केल्याचाही दावा केला जातो. टेलिस्कोप (दूरवेक्षी) किंवा दुर्बिण बनवण्याचं सर्वांत प्रथम पेटंट घेणाऱ्या हॅन्स लिप्परशिएनं सूक्ष्मदर्शीही बनवली होती, असंही म्हणतात. पण हे सारे प्रवाद असावेत. गंमत म्हणजे अशाच प्रकारे दोन भिंगांच्या छोट्या सूक्ष्मदर्शीचा वापर गॅलिलिओनं केला होता, त्याला तो ‘ऑक्किओलिनो’ म्हणजे ‘छोटा डोळा’ असं म्हणत असे. याच उपकरणाला त्याचा मित्र जिओव्हान्नी फॅबरनं सगळ्यांत आधी ग्रीक शब्दांवरून ‘मायक्रो’ म्हणजे सूक्ष्म आणि ‘स्कोप’ म्हणजे पाहणं यावरून ‘मायक्रोस्कोप’ असं नाव दिलं, असा उल्लेख सापडतो. पण त्यानंतर एकदम १६४४मध्ये ‘द फ्लाइज आय’ (माशीचा डोळा)  नावानं गियामबाटिस्ट ओडर्नाच्या सजीव उतींच्या रचनेसंबंधी केलेल्या सविस्तर आणि काटेकोर वर्णनातून सूक्ष्मदर्शीच्या वापराची, उपयोगाची प्रथम नोंद दिसते. त्यानंतर सूक्ष्मदर्शीच्या वापराचा वैज्ञानिक साधन म्हणून क्रांतिकारक ठरलेल्या नोंदी ठरतात त्या रॉबर्ट हूकच्या ‘रोग्राफिया’ या सचित्र पुस्तकामुळं. त्याच्यानंतर तीनशेपट वर्धित प्रतिमा मिळवणाऱ्या ‘अँटनी लिवेनहॉक’नं सूक्ष्मदर्शीचा वैज्ञानिक तंत्र म्हणून वापर केल्यावर, आणि त्यानं या सूक्ष्मदर्शीतून पाहिलेल्या लाल रक्तपेशी आणि स्पर्मॅटोझोआची त्यानं रेखाटलेली रचनाचित्रं तर अशी क्रांतिकारक ठरली, की त्यातून १६७६मध्ये ‘सूक्ष्मजीव’ अस्तित्वात असल्याचा पुरावाच मिळाला. सर्वमान्य झाला. तिथून पुढं सूक्ष्मदर्शीचा एक वैज्ञानिक साधन म्हणून वापर सुरू झाला.
सूक्ष्मदर्शीचा विकास
अठराव्या शतकात अधिकाधिक चांगली भिंगं बनवण्याच्या पद्धती विकसित झाल्या. त्यामुळं सूक्ष्मदर्शींच्या विभेदन क्षमतेत आणि प्रतिमेच्या सुस्पष्टतेत खूपच विकास होत गेला. इथं तो सगळा इतिहास देत नाही. मात्र एक गोष्ट लक्षात घेतली पाहिजे, की सूक्ष्मदर्शीचा वापर जीवशास्त्रीय विज्ञानात सर्वांत जास्त होत गेला. मग तो पेशी, उतींच्या रचना, विविध सूक्ष्मजीवांचं अस्तित्व आणि वर्गीकरण यांच्यासाठी किंवा शरीर-आरोग्यविज्ञानातल्या विविध उपयोगांसाठी, रोगजंतू ओळखणं, त्यावर उपाय यांसाठी होत गेला. यात ज्या घटकाचं परीक्षण केलं जात असतं, त्या वस्तूला कसं आणि किती प्रमाणात प्रकाशित केलं जातं आणि कोणत्या प्रकारच्या भिंगांच्या जोड्या वापरून त्या घटकाची वर्धित प्रतिमा मिळवली जाते, यावर सूक्ष्मदर्शींची क्षमता अवलंबून असते. यातही वस्तू (नमुना) प्रकाशित करण्यासाठी विजेच्या दिव्यांचा वापर सुरू झाला तो एक मोठा टप्पा म्हणावा लागेल. कारण नैसर्गिक प्रकाशाच्या वापरातून वर्धित प्रतिमा मिळवण्यात एक मर्यादा होती. १८९३मध्ये ‘ऑगस्ट कोहलर’नं परीक्षण करण्यासाठीच्या घटकाला कसं प्रकाशित करायचं त्याचं तंत्र विकसित केल्यावर प्रकाशाच्या वर्धनक्षमतेवर प्रकाश पडला. यामुळं प्रामुख्यानं त्या घटकाला एकसमान, सर्व जागी सारखी प्रकाशमानता मिळण्याचं आणि कृष्णधवल विरोधाभास अधिक चांगला मिळण्याचं तंत्र उपलब्ध झालं. त्यानंतर फ्रिटझ झरनिकेच्या ‘फेज कॉन्ट्रास्ट’ (अवस्था वैधर्म्य) आणि जॉर्ज नोमार्स्कीच्या १९५५च्या ‘डिफरेन्शियल इंटरफिअरन्स काँट्रास्ट’ (विभेदक समाघात कृष्णधवल वैधर्म्य) तंत्रातून अधिक चांगल्या प्रतिमा मिळणं शक्‍य झालं. पण तरीही या प्रतिमा रंगहीन पारदर्शक वस्तूंच्या बाबतीतच मिळणं शक्‍य होतं. तसंच प्रकाशाच्या तरंगलांबीचीही मर्यादा या सूक्ष्मतेबाबतीत मर्यादा ठरू लागली. नुसत्या डोळ्यांना लहानात लहान शंभर मायक्रॉनच्या वस्तू ओळखण्याची (विभेदन करून पाहण्याची, या आकाराचे दोन ठिपके जवळ असले, तरी ते वेगळे ओळखण्याची) क्षमता असते. दृश्‍य प्रकाशाची तरंगलांबी सुमारे चारशे ते साडेसातशे नॅनोमीटर असते, त्यामुळंच प्रकाशीय सूक्ष्मदर्शीची ही विभेदन क्षमता शंभर नॅनोमीटरपर्यंतच्या वस्तू पाहण्याची असते. पण त्याहून लहान म्हणजे विषाणू किंवा पदार्थाचे रेणू मात्र प्रकाशीय सूक्ष्मदर्शीतून दिसू शकत नाहीत. त्यामुळं इलेक्‍ट्रॉनच्या शलाकेचा वापर प्रकाशाऐवजी करून अधिक सूक्ष्मवस्तूंकडे पाहण्याचे प्रयत्न त्यातून सुरू झाले.
इलेक्‍ट्रॉनच्या शलाकेचा वापर
परीक्षण होत असलेल्या घटकाला दृश्‍य प्रकाशानं प्रकाशित करण्याऐवजी यात इलेक्‍ट्रॉनची शलाका त्याच्यावर पाडण्यात येते. यात भिंगांऐवजी प्रचंड क्षमतेच्या चुंबकीय कड्यांचा वापर करून वर्धित प्रतिमा मिळविण्यात येते. १९३१मध्ये अर्न्स्ट रुस्कानं सगळ्यांत पहिला इलेक्‍ट्रॉन मायक्रोस्कोप बनवला. त्यानंतर लगेचच १९३५मध्ये मॅक्‍स नॉलनं स्कॅनिंग इलेक्‍ट्रॉन मायक्रोस्कोप बनवला. या प्रकारच्या सध्याच्या इलेक्‍ट्रॉन सूक्ष्मदर्शीची विभेदन क्षमता एक दशांश नॅनोमीटर एवढी सूक्ष्मतर आहे! असो.
नुकताच जो रेणू पाहण्यात आला, त्यातल्या सूक्ष्मदर्शीच्या रचनेत महत्त्वाचा बदल करण्यात आला होता- तो म्हणजे त्यातली परीक्षणासाठीचा घटक ठेवण्याची बैठक आणि तिथं ठेवलेला प्रत्यक्ष घटक. एरवी अशा इलेक्‍ट्रॉन सूक्ष्मदर्शीत ज्या घटकावरून इलेक्‍ट्रॉनचा झोत फिरवला जातो, त्याला खास मुलामा देऊन, तेही सोन्या-चांदीसारख्या (अतिशय परावर्तनशील आणि अतीव तलम पापुद्रा बनायची क्षमता असणाऱ्या धातूचा वापर अशासाठी करावा लागतो) धातूचा मुलामा देऊन तयार करावा लागतो. कारण पृष्ठभागावरच्या रचनेतले जे सूक्ष्म बदल असतात, त्यावरून जेव्हा इलेक्‍ट्रॉनचा झोत परावर्तित होतो, तो सभोवताली बसवलेल्या संग्राहकांकडं जातो. तो ज्या उंच-सखल आणि तिरप्या पृष्ठभागावरून वेगवेगळ्या दिशांनी फेकला जातो, त्यामुळं संग्राहकात तो वेगवेगळ्या ठिकाणी आणि वेगवेगळ्या प्रमाणात गोळा होतो. त्यावरून मूळ परावर्तन करणाऱ्या पृष्ठभागाची रचना कशी आहे, याचं संगणकीय चित्र आपल्याला मिळत असतं. या प्रकारानं प्रतिमा मिळवायची असल्यानं बहुतेकदा परीक्षणासाठीचा घटक पूर्ण स्फटिक असावा लागतो. पण हा रेणू काही असा सुसम स्फटिक नव्हता, तर तो एका संमिश्र धातूचा रेणू होता. त्याचा पृष्ठभागही सुसम आकाराचा, सगळीकडून सारखा नव्हता. हा काही कोणत्या तरी सजीव घटकाचा अनेक रेणूंनी बनलेला पृष्ठभाग नव्हता, तर हा एकाच संमिश्र धातूचा रेणवीय स्फटिक होता. यासाठी प्रत्येक छायाचित्रणानंतर नमुन्याला कोणताही धक्का न पोचता, तो कोणत्याही दिशेनं फिरवण्याची, आपल्याला हवा त्या दिशेचा त्याचा पृष्ठभाग इलेक्‍ट्रॉन शलाकेसमोर आणण्याची याच्या बैठकीत खास व्यवस्था करण्यात आली होती. त्याचा एक फायदा झाला, की सर्व दिशांनी या नमुन्याच्या प्रतिमा घेता आल्या. जणू काही साध्या; पण चांगल्या विभेदनक्षमतेच्या डिजिटल कॅमेऱ्यानं घेतलेल्या असंख्य छायाचित्रांचा हा साठाच त्यातून तयार झाला होता. या सगळ्या दिशांनी घेतलेल्या चित्रांमधून संगणकीय प्रणालींचा वापर करून त्याचं एक त्रिमित रूप मिळवणं मग काही कठीण पडलं नाही. 
विज्ञानातला शोध हा काही अचानक अपघातानं, कोणाच्या तरी स्वप्नात काही तरी आलं आणि नंतर ते खरंच निघालं, असा लागत नाही. हे केवळ एका माणसानं नव्हे, तर अनेकांच्या साह्यानं, एकत्रितपणे काम करून, आजमितीस माहीत असणाऱ्या साऱ्या तंत्रज्ञानाचा, विज्ञानाचा पुरेपूर वापर करून, कष्टानं मिळविलेलं ते एक ध्येय असते. कोणी म्हणेल, ‘असं एका रेणूचं-अगदी एकाएका अणूच्या जागेचं यथार्थ चित्र मिळवून काय मिळालं?’ पण पाहा हं, ही तर नुसती टाळ्या वाजवून शाबासकी देण्याची-घेण्याची गोष्ट नाही, तर भविष्यातल्या तंत्रज्ञानाच्या महामार्गावरचं हे पहिलं पाऊल ठरावं. अणूंची कशी रचना केली, की कोणत्या गुणधर्माचे पदार्थ तेही नॅनो पातळीवर मिळू शकतात हे समजून आलं, की असे पदार्थ तयार करण्याचं काम किती सुलभ होईल? विचार करा, जेमतेम पन्नास वर्षांपूर्वी अवाढव्य खोलीच्या आकाराचा संगणक आता छोट्या खांद्यावरच्या पिशवीत राहण्याच्या आकारात आला आहेच; पण नव्या नॅनो पदार्थांच्या पुढच्या पिढीत, हाच संगणक हातातल्या बांगडीत बसेल एवढा होण्यास काहीच हरकत नाही. नुकतंच आपण अवकाशात अनेक उपग्रह पाठवण्याचं कार्य साध्य केलं आहे; पण त्याच प्रत्येक उपग्रहाचा आकार जर अशा नॅनो पदार्थांमुळं खिशात मावेल असा करता आला तर? 
‘जे न देखे रवी’ म्हणजे नेहमीच्या सूर्यप्रकाशानं जे दिसत नाही, ते तर आपण आता इलेक्‍ट्रॉनच्या प्रारणांच्या साह्यानं पाहिलं आहेच. त्यामुळं आता ‘ते देखे संशोधक कवी’ असं म्हणून अशी भविष्यातली; पण विज्ञानाधिष्ठित स्वप्नं पाहायला नक्कीच हरकत नाही...

अधिक माहितीसाठी पुढील संदर्भ पाहावेत : 
१) http://newscenter.lbl.gov/2017/02/01/nanoparticle
२) https://youtu.be/in_R2Jidqm8  
(रेणूच्या रचनेचा व्हिडिओ)

सप्तरंग

एखाद्या दिवशी सकाळी जाग येताच, एखाद्या गाण्याची धून किंवा ओळ मनात रुणझुणते... किंवा सकाळी कानावर पडलेलं एखादं गाणं दिवसभर मनात...

शुक्रवार, 18 ऑगस्ट 2017

गर्भरेशमी श्रावणधारा,  पहापहाता येती जाती,  मांडूनी गोंडस  काचतळ्यांचा लख्ख पसारा,  आणि ढगांच्या...

गुरुवार, 17 ऑगस्ट 2017

शास्त्रीय संशोधनावरील खर्चाच्या अपुऱ्या तरतुदी, अशास्त्रीय गोष्टींचा प्रचार अशा विषयांकडे सरकार आणि समाजाचे लक्ष वेधण्यासाठी परवा...

बुधवार, 16 ऑगस्ट 2017