संशोधनक्षेत्रातील मायबोलीकर - भाग १ - प्रोब मायक्रोस्कोपी

आपल्या रोजच्या आयुष्यात डोळ्यांना फार महत्त्व आहे. जे आपण प्रत्यक्ष पाहिले ते खरे अशी आपली पक्की समजूत असते. अगदी कोर्टातही गुन्हा प्रत्यक्ष बघणार्‍याची साक्ष अधिक महत्त्वाची असते. खरी गोष्ट अशी आहे की आपल्या डोळ्यांना जे दिसते ते आपले जग हिमनगाचे एक छोटेसे टोक आहे. आपले डोळे प्रकाशाच्या विशिष्ट तरंगलांबींनाच प्रतिसाद देतात. असे का असावे? तर आपली ज्ञानेंद्रिये यांना प्रतिसाद देत नाहीत हे उत्क्रांतीमधून आपल्याला मिळालेले एक प्रकारचे संरक्षण आहे. कल्पना करा. या क्षणाला तुमच्या भोवती काय काय आहे? अतिनील, इन्फ्रारेड तरंगलांबींचे किरण, रेडिओ, टिव्हीच्या, मोबाईल, वायरलेस या प्रक्षेपणांच्या लहरी, भोवतालच्या हवेतील प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन, आणि नायट्रोजनपासून झेनॉनपर्यंतच्या वायूंचे रेणू. याखेरीज प्रत्येक सेकंदाला सूर्याकडून अब्जावधी न्युट्रिनो आपल्या शरीरातून जात असतात. (रात्र असली तरी, कारण न्युट्रिनो कुणालाच भीक घालत नाहीत. ते पृथ्वीमधूनही आरपार जातात.) आता आपली ज्ञानेंद्रिये या सर्वांची नोंद घेत बसली तर ठाणे किंवा येरवडा यांचा रस्ता पकडण्यावाचून गत्यंतर नाही [१].

तर मुद्दा हा की आपली ज्ञानेंद्रिये जगाच्या आकलनासाठी फारच तोकडी आहेत. डोळ्यांनाही जे दिसते त्यातले बरेचसे मेंदूने सिमुलेट केलेले असते. तुमचे दोन्ही हात समोर धरून ओंजळ करा. सर्व जगाच्या लोकसंख्येपेक्षा जास्त जंतू तुमच्या हातांवर आहेत. हात धुतले असले तरी फारसा फरक पडणार नाही. माणसाच्या तुलनेत इतर प्राणी जग बघण्यात अधिक कार्यक्षम आहेत. वटवाघूळ आवाजाच्या तरंगलांबीपेक्षा कमी लांबीचे तरंग वापरून अंधारात बघू शकते. पण सर्वात कडी म्हणजे स्टोमॅटोपॉड. यांना अतिनील, इन्फ्रारेड आणि पोलराअज्ड किरण दिसतातच, याशिवाय दोन्ही डोळ्यांनी स्वतंत्रपणे ३६० अंशात बघता येते. यांच्या डोळ्यांची प्रक्रिया सर्वात गुंतागुंतीची आहे.

हे सूक्ष्म जग आपल्याला बघायचे झाले तर? यासाठी एक पर्याय म्हणजे प्रकाशाच्या तरंगलांबीपेक्षा आणखी कमी लांबीचे किरण वापरायचे. इलेक्ट्रॉनची तरंगलांबी प्रकाशाच्या तरंगलांबीपेक्षा कमी असते त्यामुळे स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शक वापरल्यावर आपल्याला आणखी सूक्ष्म जग बघता येते. याचे वैशिष्ट्य म्हणजे प्रतिमा अत्यंत लक्षवेधी असतात. पण तरंगलांबी कमी म्हणजे इलेक्ट्रॉनची उर्जा जास्त. खूप वेळ फोटू काढत बसलात तर समोर जे काही असेल ते जळून जाण्याची शक्यता जास्त. इलेक्ट्रॉनाऐवजी आयनही वापरले जातात पण यांची उर्जा इलेक्ट्रॉनपेक्षाही जास्त, त्यामुळे फोटू काढण्याऐवजी यांचा वापर सूक्ष्म जगातील खोदकाम, सुतारकाम करण्यासाठी केला जातो.

स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपचा सर्वात मोठा तोटा म्हणजे फोटो कितीही लक्षवेधी असले तरी ते आपल्या नेहेमीच्या फोटोंसारखेच असतात. त्यातून लांबी रुंदी कळते पण खोली कळत नाही. वेगवेगळ्या धातू आणि इतर पृष्ठभागांचा अभ्यास करणार्‍यांसाठी खोली जाणून घेणे अत्यंत महत्त्वाचे असते. शास्त्रज्ञ बरीच वर्षे यावर उपाय शोधत होते.
याचे उत्तर मिळाले स्कॅनिंग टनेलिंग मायक्रोस्कोपच्या किंवा (STM) एसटीएमच्या रूपात. यासाठी याचे जनक बिनिग आणि रोहरर यांना १९८६ चा नोबेल पुरस्कार मिळाला. एसटीएमच्या शोधाने एक क्रांती झाली. यानंतर याच तत्त्वावर आधारित किमान २५ ते ३० वेगवेगळ्या प्रकारची मायक्रोस्कोपी तंत्रे शोधण्यात आली. या सर्वांना एकत्रितपणे स्कॅनिंग प्रोब मायक्रोस्कोपी किंवा एसपीएम (SPM) या नावाने संबोधण्यात येते.

एसपीएमची संकल्पना अफलातून आहे. तुम्ही तुमचे बोट टेबलावरुन फिरवले तर तुमच्या बोटाच्या आकाराचे खड्डे तुम्हाला जाणवतील पण बोटापेक्षा खूप लहान खळगे किंवा उंचवटे जाणवणे शक्य नाही. आता बोटाऐवजी सुई घेतली तर अजून बारीक खळगे जाणवू शकतील. थोडक्यात जितके तुमच्या सुईचे टोक लहान, तितकी पृष्ठभाग जाणून घेण्याची क्षमता अधिक. आता सुईचे टोक एक अणू मावेल इतके लहान असेल तर तुम्हाला पृष्ठभागावरील प्रत्येक अणूचे अस्तित्व जाणवू शकेल. एसपीएममधील सुई किंवा प्रोब इतका लहान असतो की त्याच्या टोकाला एक किंवा काही अणू बसू शकतात. असा प्रोब कसा तयार करायचा तो वेगळा प्रश्न आहे पण ते तितके अवघड नाही.

एसटीएमच्या सहाय्याने घेतलेले सोन्याच्या पृष्ठभागाचे चित्र. यातील अणूंच्या रांगा आणि त्यांची रचना दिसते आहे.

एसपीएमच्या सहाय्याने शास्त्रज्ञांना पृष्ठभागावरील अणू, त्यांची रचना, त्यांचा आकार सगळे जाणून घेणे सोपे झाले आहे. शिवाय प्रोब पृष्ठभागावरून फिरत असल्याने खोलीची माहीतीही मिळू शकते. दुसरा मोठा फायदा म्हणजे प्रोबची रचना. समजा तुमचा प्रोब चुंबकीय क्षेत्राला प्रतिसाद देत असेल तर हा प्रोब फिरवल्यावर तुम्हाला पृष्ठभागाच्या चुंबकीय क्षेत्रांची माहिती मिळेल. याचप्रमाणे तपमान, रासायनिक प्रक्रिया अशा अनेक गुणधर्मांचा अभ्यास करणेही सोपे झाले आहे. रासायनिक प्रक्रिया होत असताना पृष्ठभागावर अणूंची हालचाल कशी होते याच्या चित्रफिती घेता येतात. प्रोबच्या सहाय्याने एक अणू उचलून दुसरीकडे ठेवता येतो. अणूंच्या सहाय्याने लिहीताही येते. नासाने मंगळावर पाठवलेल्या मार्स लँडरमध्ये मंगळावर सापडलेल्या दगडांचा अभ्यास करण्यासाठी याचा उपयोग केला होता. या तंत्रज्ञानामुळे जीवशास्त्रामध्येही अफलातून प्रगती होत आहे. डीएनएच्या रचनेचा अभ्यास तर आहेच शिवाय जीवशास्त्रीय प्रक्रिया होत असताना अणूंच्या पातळीवर काय बदल होतात हे बघणे शक्य झाले आहे.

एसटीएमची संकल्पना इतकी क्रांतीकारी होती की याचा पहिला निबंध प्रकाशित करायला बिनिग आणि रोहरर यांना बर्‍याच अडचणी आल्या. असे होऊ शकते यावर कुणाचाही विश्वास बसत नव्हता. 'ह्या संकल्पनेत वैज्ञानिक दृष्टिचा अभाव आहे' यासारखे ताशेरेही ऐकावे लागले. मान्यवर मासिकांनी निबंध नाकारल्यावर त्यांना एका छोट्याश्या मासिकात तो प्रसिद्ध करावा लागला. नंतर नोबेल पुरस्काराच्या भाषणात बिनिंगने ही सगळी कहाणी जगापुढे आणली. विविध क्षेत्रात सध्या चालणार्‍या संशोधनामध्ये एसपीएम अत्यावश्यक झाला आहे. आपल्या पुणे विद्यापीठातील पदार्थविज्ञान विभागामध्येही याचा मोठ्या प्रमाणावर वापर केला आहे.

पुणे विद्यापीठामध्ये प्रा. धर्माधिकारी यांच्या मागदर्शनाखाली पूर्णपणे भारतीय बनावटीचा एसटीएम बनवण्यात आला. माझ्या पीएचडीच्या काळात या यंत्रावर मला काम करायला मिळाले हे सुदैव. पीएचडी संपल्यानंतर जपान, इटली, फ्रान्स या देशांमध्ये संशोधन करण्याची संधी मिळाली. बरेच शिकायला मिळाले, वेगळे विषय, वेगळे विचार, वेगळ्या संस्कृती. तिथून परत आल्यावर मात्र मी नेहेमीच्या वाटेने न जाता वेगळी वाट धरली. ती का ते पुढच्या भागात.

१. कर्ट व्हॉनेगटच्या हॅरिसन बर्जेरॉन या सुप्रसिद्ध कथेमध्ये बिग ब्रदरसारख्या सरकारने
सगळ्या माणसांच्या डोक्यात हेडफोन बसवलेले असतात. एखादा विचार आला की त्यापाठोपाठ लगेच विचलीत करणारे कर्कश्य आवाज ऐकू येतात. परिणामतः माणसांची दीर्घकालीन स्मृती नष्ट होते.

--
चित्र विकीवरून साभार.
--
भाग २
भाग ३