પરમાણુની દુનિયાની બારી: સ્કેનિંગ ટનલિંગ માઈક્રોસ્કોપ કેવી રીતે અદ્રશ્યને દ્રશ્યમાન બનાવે છે?

વિજ્ઞાનના ઇતિહાસમાં કેટલીક એવી શોધો હોય છે જે માનવજાતની જોવાની ક્ષમતાને મૂળભૂત રીતે બદલી નાખે છે. સ્કેનિંગ ટનલિંગ માઈક્રોસ્કોપ (Scanning Tunneling Microscope - STM) એક એવી જ ક્રાંતિકારી શોધ છે. ૧૯૮૧માં આઈબીએમ (IBM) ઝુરિચ ખાતે ગર્ડ બિન્નિગ (Gerd Binnig) અને હેનરિક રોહરર (Heinrich Rohrer) દ્વારા વિકસાવવામાં આવેલા આ સાધને વૈજ્ઞાનિકોને પ્રથમ વખત પરમાણુના સ્તરે પદાર્થની સપાટીને જોવાની મંજૂરી આપી હતી. આ અભૂતપૂર્વ સિદ્ધિ માટે તેમને ૧૯૮૬માં ભૌતિકશાસ્ત્રમાં નોબેલ પુરસ્કારથી નવાજવામાં આવ્યા હતા. વિકિપીડિયાના અહેવાલ મુજબ, STM એ માત્ર એક શક્તિશાળી બિલોરી કાચ નથી, પરંતુ તે પદાર્થની સપાટી પરના વ્યક્તિગત પરમાણુઓને સ્પર્શ્યા વિના તેમની 'તસવીર' લેવાની અને તેમને સ્થાનાંતરિત કરવાની ક્ષમતા ધરાવે છે.

સામાન્ય માઈક્રોસ્કોપ પ્રકાશના કિરણો અને લેન્સનો ઉપયોગ કરે છે, પરંતુ STM સંપૂર્ણપણે અલગ સિદ્ધાંત પર કામ કરે છે. તે ક્વોન્ટમ ટનલિંગ (quantum tunneling) નામના ભૌતિકશાસ્ત્રના એક વિચિત્ર નિયમ પર આધારિત છે. ક્લાસિકલ ફિઝિક્સ મુજબ, જો કોઈ કણ પાસે પૂરતી ઉર્જા ન હોય, તો તે અવરોધને પાર કરી શકતો નથી. જોકે, ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સની દુનિયામાં, ઇલેક્ટ્રોન જેવા કણો અત્યંત પાતળા અવરોધમાંથી 'ટનલ' બનાવીને પસાર થઈ શકે છે, ભલે તેમની પાસે તેને ઓળંગવા માટે પૂરતી ઉર્જા ન હોય. STM માં, આ અવરોધ એટલે માઈક્રોસ્કોપની અણીદાર ટિપ (tip) અને પદાર્થની સપાટી વચ્ચેની ખાલી જગ્યા અથવા વેક્યુમ (vacuum). જ્યારે આ ટિપને સપાટીની અત્યંત નજીક લાવવામાં આવે છે અને તેમની વચ્ચે વોલ્ટેજ લાગુ કરવામાં આવે છે, ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન આ ખાલી જગ્યામાંથી પસાર થાય છે, જેને ટનલિંગ કરંટ કહેવામાં આવે છે.

આ માઈક્રોસ્કોપની રચનામાં સૌથી મહત્વનો ભાગ તેની ટિપ છે. આ ટિપ સામાન્ય રીતે ટંગસ્ટન (tungsten) અથવા પ્લેટિનમ-ઇરિડિયમ (platinum-iridium) ના તારમાંથી બનાવવામાં આવે છે. આદર્શ રીતે, આ ટિપની અણી એટલી બારીક હોવી જોઈએ કે તેના છેડે માત્ર એક જ પરમાણુ હોય. વિકિપીડિયાના સ્ત્રોત મુજબ, ટંગસ્ટન ટિપ બનાવવા માટે ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ એચિંગ (electrochemical etching) પદ્ધતિનો ઉપયોગ થાય છે, જ્યારે પ્લેટિનમ-ઇરિડિયમ ટિપ યાંત્રિક રીતે કાપીને બનાવવામાં આવે છે. આ ટિપની અણી જેટલી તીક્ષ્ણ હશે, માઈક્રોસ્કોપનું રિઝોલ્યુશન (resolution) એટલે કે સ્પષ્ટતા તેટલી જ વધારે હશે. STM ૦.૧ નેનોમીટર (nm) થી પણ નાની વિગતો જોઈ શકે છે અને તેની ઊંડાઈ માપવાની ક્ષમતા ૦.૦૧ નેનોમીટર જેટલી ચોક્કસ હોય છે.

ટિપને સપાટી પર અત્યંત ચોકસાઈથી ફેરવવા માટે પીઝોઈલેક્ટ્રિક સ્કેનર (piezoelectric scanner) નો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. પીઝોઈલેક્ટ્રિક પદાર્થો એવા હોય છે જેમના પર વિદ્યુત દબાણ એટલે કે વોલ્ટેજ આપતા તેઓ સંકોચાય છે અથવા વિસ્તરે છે. STM માં સામાન્ય રીતે લેડ ઝિર્કોનેટ ટાઇટેનેટ (lead zirconate titanate) સિરામિકની બનેલી ટ્યુબનો ઉપયોગ થાય છે. આ ટ્યુબ પર વોલ્ટેજ બદલીને ટિપને x, y અને z એમ ત્રણેય દિશામાં નેનોમીટરના સ્તરે ખસેડી શકાય છે. આ ટેકનોલોજી એટલી સંવેદનશીલ છે કે તે વોલ્ટેજ દીઠ આશરે ૫ નેનોમીટર જેટલું હલનચલન કરી શકે છે. આ ચોકસાઈને કારણે જ વૈજ્ઞાનિકો સપાટી પરના ખાડા-ટેકરા અથવા પરમાણુઓની ગોઠવણીને ચોક્કસ રીતે માપી શકે છે.

STM મુખ્યત્વે બે રીતે કાર્ય કરે છે: કોન્સ્ટન્ટ-કરંટ મોડ (constant-current mode) અને કોન્સ્ટન્ટ-હાઈટ મોડ (constant-height mode). કોન્સ્ટન્ટ-કરંટ મોડમાં, ટિપ અને સપાટી વચ્ચેનો વિદ્યુત પ્રવાહ એટલે કે કરંટ એક નિશ્ચિત સ્તરે જાળવી રાખવામાં આવે છે. જેમ જેમ ટિપ સપાટી પર ફરે છે, તેમ તેમ સપાટીના પરમાણુઓના કારણે ઊંચાઈમાં ફેરફાર થાય છે. આ ફેરફારને કારણે કરંટ બદલાય છે, જેને તરત જ ફીડબેક ઇલેક્ટ્રોનિક્સ દ્વારા સુધારવામાં આવે છે અને ટિપને ઉપર કે નીચે કરવામાં આવે છે. આ રીતે ટિપ જે રસ્તે ચાલે છે, તેનો નકશો બનાવીને સપાટીનું ચિત્ર તૈયાર કરવામાં આવે છે. બીજી તરફ, કોન્સ્ટન્ટ-હાઈટ મોડમાં ટિપની ઊંચાઈ સ્થિર રાખવામાં આવે છે અને કરંટમાં થતા ફેરફારને સીધો માપવામાં આવે છે. આ મોડ ઝડપી છે પરંતુ જો સપાટી ખરબચડી હોય તો ટિપ સપાટી સાથે અથડાઈ જવાનું જોખમ રહે છે.

આ માઈક્રોસ્કોપ માટે સૌથી મોટો પડકાર બાહ્ય ધ્રુજારી અથવા વાઈબ્રેશન (vibration) છે. પરમાણુના સ્તરે કામ કરતી વખતે, રૂમમાં ચાલતા પંખાની ધ્રુજારી કે દૂરથી પસાર થતી ટ્રકનો અવાજ પણ પ્રયોગમાં ખલેલ પહોંચાડી શકે છે. આથી, STM ને અત્યંત જટિલ વાઈબ્રેશન આઈસોલેશન સિસ્ટમ પર રાખવામાં આવે છે. શરૂઆતના મોડેલોમાં મેગ્નેટિક લેવિટેશન (magnetic levitation) એટલે કે ચુંબકીય તરતા પ્લેટફોર્મનો ઉપયોગ થતો હતો, જ્યારે આધુનિક સિસ્ટમોમાં મિકેનિકલ સ્પ્રિંગ અથવા ગેસ સ્પ્રિંગનો ઉપયોગ થાય છે. કેટલાક અત્યંત સંવેદનશીલ માઈક્રોસ્કોપ તો એનેકોઈક ચેમ્બર (anechoic chamber) માં રાખવામાં આવે છે, જે અવાજ અને ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગોથી સંપૂર્ણપણે મુક્ત હોય છે.

માત્ર સપાટીના ચિત્રો લેવા ઉપરાંત, STM નો ઉપયોગ સ્કેનિંગ ટનલિંગ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (Scanning Tunneling Spectroscopy - STS) માટે પણ થાય છે. આ પદ્ધતિમાં ટિપને એક જગ્યાએ સ્થિર રાખીને વોલ્ટેજ બદલવામાં આવે છે અને કરંટમાં થતા ફેરફારને નોંધવામાં આવે છે. આનાથી પદાર્થની અંદર ઇલેક્ટ્રોનની ઉર્જા અને તેમની ઘનતા (density of states) વિશે માહિતી મળે છે. આ માહિતી નેનો-ટેકનોલોજી અને સેમિકન્ડક્ટર સંશોધનમાં અત્યંત મહત્વની છે. વધુમાં, STM ની ટિપનો ઉપયોગ કરીને સપાટી પરના વ્યક્તિગત પરમાણુઓને એક જગ્યાએથી બીજી જગ્યાએ ખસેડી શકાય છે. આ પ્રક્રિયાને પરમાણુ મેનીપ્યુલેશન (atomic manipulation) કહેવામાં આવે છે, જે ભવિષ્યમાં અણુ-સ્તરના મશીનો બનાવવાનો માર્ગ મોકળો કરે છે.

STM ના સંચાલન માટે વેક્યુમ એટલે કે શૂન્યાવકાશ અને તાપમાનનું નિયંત્રણ પણ અનિવાર્ય છે. મોટાભાગના STM અલ્ટ્રા-હાઈ વેક્યુમમાં કામ કરે છે જેથી સપાટી પર હવાના પરમાણુઓ જમા ન થાય અને સપાટી એકદમ શુદ્ધ રહે. ઘણા પ્રયોગો એબ્સોલ્યુટ ઝીરો (absolute zero) એટલે કે શૂન્ય ડિગ્રી કેલ્વિનની નજીકના તાપમાને કરવામાં આવે છે જેથી પરમાણુઓની ગતિ ઓછી થાય અને સ્થિર ચિત્રો મળી શકે. જોકે, જરૂરિયાત મુજબ હવા, પાણી કે ૧૦૦૦ ડિગ્રી સેલ્સિયસથી વધુ તાપમાને કામ કરી શકે તેવા વિશિષ્ટ STM પણ બનાવવામાં આવ્યા છે. આ સાધન દ્વારા લેવામાં આવતી તસવીરો મૂળભૂત રીતે ગ્રેસ્કેલ (grayscale) હોય છે, પરંતુ તેને સમજવા માટે પાછળથી કમ્પ્યુટર દ્વારા રંગો ઉમેરવામાં આવે છે.

ભારત જેવા દેશોમાં જ્યાં નેનો-ટેકનોલોજી અને મટીરિયલ સાયન્સમાં સંશોધન વધી રહ્યું છે, ત્યાં STM જેવા સાધનો અનિવાર્ય છે. જોકે આ સાધનો અત્યંત મોંઘા અને જાળવણીમાં અઘરા હોય છે, તેમ છતાં વિકિપીડિયા નોંધે છે કે ઘણા ઉત્સાહીઓ (hobbyists) હવે ઘરે પણ પોતાના સાદા STM બનાવી રહ્યા છે. આ સાધને આપણને એ સમજવાની શક્તિ આપી છે કે કુદરત પરમાણુના સ્તરે કેવી રીતે ગોઠવાયેલી છે. ભવિષ્યમાં જ્યારે આપણે વધુ ઝડપી કોમ્પ્યુટર ચિપ્સ કે નવી દવાઓ બનાવીશું, ત્યારે તેની પાછળ STM દ્વારા મેળવેલું જ્ઞાન જ પાયામાં હશે. આ માત્ર એક માઈક્રોસ્કોપ નથી, પરંતુ નેનો-વિશ્વમાં પ્રવેશવા માટેનો આપણો પાસપોર્ટ છે.