पदार्थांच्या विद्युत् वाहकतेनुसार त्यांचे विद्युत् वाहक, अर्धवाहक व विद्युत् रोधक असे तीन मुख्य प्रकार पडतात. यामधील अर्धसंवाहक आणि विद्युत् रोधक पदार्थांचे आकारमान जर विशिष्ट अब्जांश मीटरच्या आत असेल तर अशा पदार्थांना ‘पुंज कण’ (क्वांटम कण) म्हणतात. विशिष्ट अब्जांश मापाच्या आतील धातूंच्या पदार्थांना ‘प्लाझमॉनिक’ अब्जांश कण म्हणतात.

इतिहास : प्रसिद्ध वैज्ञानिक मायकेल फॅराडे यांनी प्रकाशाचे स्वरूप समजून घेण्यासाठी काही प्रयोग केले. ते करण्यासाठी त्यांना वेगवेगळ्या धातुंवरून परावर्तित होणाऱ्या प्रकाश किरणांचा अभ्यास करण्यासाठी सोन्याच्या अतिशय पातळ पापुद्र्याची (Thin foil) आवश्यकता होती. त्यासाठी त्यांनी सोन्याचे एक संयुग आणि फॉस्फरस यांची रासायनिक प्रक्रिया केली. त्यावेळी त्यांना तयार झालेले रसायन माणकासारखे लाल रंगाचे झाल्याचे आढळले. ह्या अनपेक्षित परिणामामुळे कुतूहल जागृत होऊन फॅराडे यांनी त्या रसायनाचा सखोल अभ्यास केला. त्यावरून रसायनात सोन्याचे ‘अतिसूक्ष्म’ कण असल्याचे त्यांनी अनुमान केले. त्यावेळी अब्जांश कणांचे निरीक्षण करण्यासाठी लागणारी आवश्यक त्या क्षमतेची सूक्ष्मदर्शक यंत्रणा विकसित झाली नव्हती. त्यामुळे ते काम होते तिथेच थांबले. फॅराडे यांच्या कालखंडात त्यांच्या थोडे मागे-पुढे सुद्धा काही शास्त्रज्ञांनी आम्लाबरोबर सोन्याची रासायनिक क्रिया होताना निळे, लालसर, हिरवट रंगाचे द्रव तयार झालेले पाहिले होते. मात्र फॅराडे यांनी प्रयोगातील निरीक्षणांचा शास्त्रीय अभ्यास करून १८५७ साली त्यासंबंधी एक शोधनिबंध प्रकाशित केला. त्यावेळी त्यांनी तयार केलेले ‘प्लाझमॉनिक’ अब्जांश कणांचे रसायन इंग्लंडमधील ‘फॅराडे संग्रहालय’ येथे अजूनही सुरक्षित अवस्थेत ठेवलेले आहे.

सन १९०९ मध्ये ‘गुस्ताव मी’ (Gustav Mie, १८६८–­­­­­१९५७ ) ह्या जर्मन शास्त्रज्ञाने अब्जांश कण असलेल्या द्रवातून प्रकाशाचे प्रसारण (Transmission) आणि परावर्तन (Reflection) कसे होते हे सैद्धांतिक पद्धतीने दाखवून दिले. त्यामुळेच फॅराडे आणि इतर शास्त्रज्ञांना द्रवामध्ये सोन्याचे अति सूक्ष्मकण असल्यामुळे दिसलेल्या द्रावणांच्या वेगवेगळ्या रंगांचा उलगडा झाला. येथूनच ‘प्लाझमॉनिक’ अब्जांश कणांच्या शास्त्रीय अभ्यासाला सुरूवात झाली.

आ. १. ‘लिक्युरगस कप’

प्लाझमॉनिक अब्जांश कण : धातूंच्या विशिष्ट गुणधर्मांमध्ये प्लाझमॉनिक अब्जांश कणांचे शास्त्र दडलेले आहे. धातु गटामधील पदार्थांमध्ये अर्धसंवाहक आणि विद्युत् रोधक पदार्थांच्या तुलनेत खूपच जास्त इलेक्ट्रॉन्स असतात. अर्धसंवाहक आणि विद्युत् रोधक पदार्थांमध्ये एका घन सेंमी.मध्ये १०१४-१८ एवढे इलेक्ट्रॉन्स असतात. धातूंच्या बाबतीत मात्र एका घन सेंमी.मध्ये १०१८-२३ एवढे इलेक्ट्रॉन्स असतात. त्यामुळेच आकारमानाने विशिष्ट अब्जांश मीटर मापाच्या आतील धातू पदार्थांच्या गुणधर्मांवर वैशिष्ट्यपूर्ण असे वेगळे परिणाम दिसून येतात. अर्धसंवाहक आणि विद्युत् रोधक पदार्थ ‘क्वांटम कण’ असतात, तेव्हा त्यांची किमान एक तरी मिती १ ते २०-२२ अब्जांश मीटरच्या दरम्यान असते; तर धातूंचे विशिष्ट माप साधारणत: १०० अब्जांश मीटर एवढे जास्त असते. क्वांटम कणांमध्ये इलेक्ट्रॉन्सची ‘कैद’ (Confinement) होते, तर धातूंमध्ये ‘डायइलेक्ट्रिक कन्फाय्न्मेट’ होते. धातूंच्या इलेक्ट्रॉन्सच्या सामुहिक पुंजास ‘प्लाझमॉन’ म्हणतात. धातुकण आकारमानाने १०० अब्जांश मीटर किंवा त्याहून लहान असतात तेव्हा त्यांचे डायइलेक्ट्रिक गुण खूपच वेगळे असतात. अशा धातूंवर जेव्हा प्रकाशकिरण पडतात तेव्हा त्यामधील इलेक्ट्रॉन्स प्रकाशकिरणांना सामुहिकरीत्या प्रतिसाद देतात. अशावेळी प्लाझमॉन आणि प्रकाशकिरण यांचा अनुनाद (Resonance) होतो. त्यामुळे प्रकाशातील काही  तरंग लहरी पदार्थामध्ये शोषल्या जातात. त्यामुळे पदार्थाचा रंग बदलतो. त्यामुळेच सोन्या आणि चांदीचे अब्जांश कण लाल, गुलाबी, हिरवे, पिवळे, निळे, जांभळे असे विविध रंगाचे दिसू लागतात. प्राचीन काळी याबाबतचे वैज्ञानिक ज्ञान नसले तरी तत्कालीन कारागिरांनी त्यांनी प्राप्त केलेल्या उच्च प्रतीच्या कौशल्याचा उपयोग मंदिरे, चर्च, राजवाडे यांच्या उभारणीमध्ये शोभिवंत खिडक्या, छत, काचेची झुंबरे, भांडी अशा गोष्टींच्या निर्मितीमध्ये केलेला आढळतो. लंडन येथील ब्रिटीश संग्रहालयात ठेवलेल्या व इसवी सन चौथ्या शतकात बनवलेल्या रोमन ‘लिक्युरगस कपा’च्या (Lycurgus Cup) काचेमधून ज्या रंगछटा दिसतात ती काचेमधील सोने आणि चांदीच्या अब्जांश कणांचीच करामत आहे. जर ह्या काचेच्या भांड्यावर प्रकाशझोत बाहेरून टाकला तर ते हिरवे दिसते; आणि प्रकाशझोत भांड्याच्या आतून सोडला तर मात्र तेच भांडे लालसर दिसते (आकृती १). रंगांचे हे कोडे शेकडो वर्षे कोणाला समजले नव्हते. परंतु, आता संशोधनातून माहित झाले आहे की, त्यात असलेल्या सोन्याच्या आणि चांदीच्या सुमारे ७० अब्जांश मीटर आकारमानांच्या कणांची ही कमाल आहे.

आ. २. सोने आणि चांदीचे प्लाझमॉनिक धातुकण

प्लाझमॉनिक धातुकणांचे आणखी एक वैशिष्ट्य म्हणजे आकारमान व आकार बदलल्यावर त्यांचे गुणधर्म बदलतात. प्रयोगशाळेत रासायनिक पद्धतीने तयार केलेल्या सोने आणि चांदीच्या प्लाझमॉनिक धातुकणांचा नमुना आकृती २ मध्ये दाखविला आहे.

उपयोग : प्लाझमॉनिक धातुकणांचा वापर अब्जांश तंत्रज्ञानात कर्करोगांवरील उपचार, औषध निर्मिती, शरीरातील अवयवांचे निरीक्षण, विविध प्रकारची संवेदके, रासायनिक क्रिया-वृद्धी, माहिती संचयन (Data Storage), प्रकाशीय संप्रेषण (Photonic Transmission) इत्यादी गोष्टींसाठी  केला जातो. प्लाझमॉनिक पदार्थ वापरून त्यांच्या उपयोगासंबंधी नवेनवे प्रयोग सातत्त्याने चालू आहेत.

पहा : पुंज कण.

संदर्भ :

  • Martin T., Faraday’s Diary (18. 20-1862), Vol. 7, G. Bell, London, 1936.
  • Sulabha Kulkarni, Nanotechnology Principles and Practices, 3rd Edition, Springer, ISBN 978-3-319-091 Pages70-9, 2015.

समीक्षक : वसंत वाघ