नैसर्गिकरीत्या उपलब्ध असलेल्या अब्जांश पदार्थामध्ये जे गुणधर्म मुळीच आढळत नाही असे ‘कल्पनाशक्तीच्या पलीकडचे’ गुणधर्म असलेल्या अब्जांश पदार्थांची निर्मिती करण्यात वैज्ञानिकांनी विसाव्या शतकाच्या सुरुवातीच्या काळात यश मिळवले. म्हणूनच त्यांनी या पदार्थांना ‘मेटामटेरिअल्स’ (Metamaterials) असे नाव दिले. ‘मेटा’ (Meta) हा मूळचा ग्रीक शब्द असून त्याचा अर्थ आहे ‘पलीकडचा’. ‘मेटामटेरिअल्स’ या संकल्पनेचा उदय व त्यानंतर आधुनिक तंत्रज्ञानाच्या साहाय्याने अशा पदार्थांची कृत्रीमरीत्या निर्मिती हे अब्जांश पदार्थांच्या आधुनिक इतिहासातील अत्यंत महत्त्वाचे टप्पे आहेत.
प्रकाश किरण जेव्हा एका माध्यमातून दुसऱ्या माध्यमात प्रवेश करतात तेव्हा त्यांची दिशा बदलते. यालाच प्रकाशाचे वक्रीभवन (Refraction of light) असे म्हणतात. विरळ माध्यमातून (उदा., हवा) काच किंवा पाणी यासारख्या तुलनेने घन माध्यमात प्रवेश करताना प्रकाशाचे ‘धन’ वक्रीभवन (Positive refraction) होते (आ. १ अ). मात्र सोने, चांदी अशा काही ‘अब्जांश’ आकारातील पदार्थांचे बाबतीत ते अगदी वेगळ्या पध्दतीचे म्हणजे ‘ऋण’ वक्रीभवन (Negative refraction) होते.
ध्वनी किंवा प्रकाश यांच्या किरणांचे ऋण वक्रीभवन होण्याची शक्यता होरेस लँब (Horace Lamb) आणि आर्थर शूस्टर (Arther Schuster) ह्यांनी १९०४ साली सैद्धांतिक पद्धतीने दाखवून दिली होती. पण त्याचा काही उपयोग होऊ शकेल असे त्यांना त्यावेळी वाटले नाही. त्यानंतर बराच कालावधी लोटल्यानंतर मंडेलस्टॅम (Mandelstam) आणि व्हेसेलेगो (Veselago) या दोन रशिअन शास्त्रज्ञांनी अनुक्रमे १९४४ आणि १९६७ मध्ये दृश्यमान पटलातील (Visible spectrum) प्रकाश किरणांचे ‘ऋण’ वक्रीभवन होण्याची शक्यता वर्तवली. परंतु, ह्या गोष्टीचे महत्त्व त्यावेळी कोणाच्याही लक्षात आले नाही. यानंतरही बराच काळ लोटल्यावर २००३-०४ च्या दरम्यान इंग्लंडमधील वैज्ञानिक सर जॉन पेंड्री (Sir John Pendry) यांनी काही महत्त्वपूर्ण संशोधन केले. त्यातूनच वैज्ञानिकांना प्रकाशाचे ऋण वक्रीभवन होण्याची शक्यता व त्याचे व्यावहारिक उपयोग स्पष्टपणे जाणवू लागले. परिणामत: सन २००४ पासून अब्जांश पदार्थांच्या विविध रचनांची निर्मिती करण्याच्या उपक्रमांना सुरुवात झाली.
प्रकाशाचे ‘ऋण’ वक्रीभवन : यापूर्वीच म्हटल्याप्रमाणे विरळ पदार्थातून घन पदार्थात जाताना प्रकाशाचे वक्रीभवन होऊन आ. १ (अ) मध्ये दाखविल्याप्रमाणे प्रकाश किरणाचा मार्ग बदलतो. त्याला ‘धन’ वक्रीभवन म्हणतात. अशा घन पदार्थाला ‘धन वक्रीभवन निर्देशांक (Index)’ असणारा पदार्थ म्हणतात. याउलट आ. १ (ब) मध्ये दाखविल्याप्रमाणे प्रकाश किरणाचे मार्गक्रमण झाल्यास त्याला प्रकाशाचे ‘ऋण वक्रीभवन’ म्हणतात व अशा पदार्थास ‘ऋण वक्रीभवन निर्देशांक’ असणारा पदार्थ असे म्हटले जाते (आ.२). नैसर्गिकरित्या आढळणारे सर्व पदार्थ ‘धन वक्रीभवन’ करणारे किंवा ‘धन वक्रीभवन निर्देशांक’ असणारे असतात. परंतु, ‘अब्जांश’ आकाराच्या काही पदार्थांत ऋण वक्रीभवन होण्याची शक्यता असते. अब्जांश आकाराच्या प्लाझमॉनिक पदार्थांच्या (उदा., सोने व चांदी) काही विशिष्ट रचना केल्या तर ती शक्यता निर्माण होते. पदार्थ ‘ऋण वक्रीभवन निर्देशांक’ असणारा होण्यासाठी त्याचा डायइलेक्ट्रिक स्थिरांक (Dielectric constant) ऋण असणे आवश्यक असते. त्याचप्रमाणे त्याची लोहचुंबकीय प्रवेश-क्षमता (Magnetic permeability) देखील ऋण असावी लागते.
पदार्थाची विशिष्ट रचना करून लोहचुंबकीय प्रवेश-क्षमता ऋण करता येते. सोने या धातूच्या अब्जांश आकाराच्या अशा रचना लिथोग्राफी (Llithography) तंत्रज्ञानाच्या साहायाने करण्यात शास्त्रज्ञांना यश मिळाले आहे (आ. ३). अशा रचना जरी अब्जांश आकाराच्या असल्या तरी त्यांची मोठ्या प्रमाणावर काही मायक्रोमीटर क्षेत्रफळावर पुनरावृत्ती (Repetition) करावी लागते. त्यामुळे पुरेसा प्रकाश वक्र झालेला स्पष्टपणे दिसू शकतो. एकविसाव्या शतकातील अब्जांश तंत्रज्ञानाच्या प्रगतीने हे साध्य झाले आहे आणि त्यामुळेच शास्त्रज्ञांना आता प्रकाशाचे ऋण वक्रीभवन प्रत्यक्षात उतरवता येणे शक्य झाले आहे.
मेटामटेरिअल्सचे उपयोग : किरणांच्या ऋण वक्रीभवनाचे अनेक उपयोग आहेत. जेव्हा बहिर्वक्र भिंग (Convex lens) वापरतात त्यावेळी भिंगाच्या दोन्ही टोकांपासून जाणाऱ्या आणि भिंगाच्या मध्य भागातून जाणाऱ्या किरणांच्या भिन्न वक्रीभवनामुळे प्रकाश किरण एका ठिकाणी केंद्रित होऊ शकत नाहीत (आ. ४ अ). परंतु, अब्जांश रचनांच्या ऋण वक्रीभवनामुळे पूर्णपणे निर्दोष आणि उत्कृष्ट असे उच्च प्रतीची भिंगे (Super lens) बनवणे आता शक्य झाले आहे (आ. ४ ब). त्यामुळे भिंगाच्या अगदी टोकापासून देखील किरण गेले तरी तेथूनही चांगली प्रतिमा मिळवणे शक्य आहे.
ऋण वक्रीभवनाचे गुण असणाऱ्या रचनांचा उपयोग करुन काही ठराविक विद्युत चुंबकीय वारंवारिता (Electromagnetic frequency) असलेले शोषक (Absorber) तयार करता येतात. अशा काही रचनांचा उपयोग आकाशक (Antenna) तयार करण्यासाठी करता येतो. अशा आकाशकांमध्ये दिशात्मकता (Directionality) असते. एवढेच नव्हे तर एखादा पदार्थ किंवा वस्तू दिसेनाशी (Cloaking) करायची असेल तर त्यासाठी ऋण वक्रीभवनाचे गुण असणाऱ्या अब्जांश पदार्थांच्या रचनांचा उपयोग होतो (आ. ५). त्यासाठी त्यांचा थर आवश्यक त्या पदार्थावर द्यावा लागेल. ऋण वक्रीभवनाचे गुण असणाऱ्या मेटामटेरिअल्सपासून रासायनिक पदार्थ किंवा वायू यांसाठी उत्तम संवेदके बनविता येतात.
एक लक्षात घ्यायला हवे की ऋण वक्रीभवन हे फक्त प्रकाश किरणांपुरते मर्यादित नसून ध्वनी-लहरी सुद्धा अशाच वेगळ्या पद्धतीने वक्र होऊ शकतात. त्यामुळे हे तत्त्व वापरून मोठमोठ्या इमारतींचे भूकंपापासून संरक्षण कसे करता येईल याचा अभ्यास सुरू आहे.
संदर्भ :
- David Smith and John B. Pendry, Reversing Light With Negative Refraction, Physics Today, 2004.
- Douglas H. Werner (Editor); Do-Hoon Kwon (Editor), Transformation Electromagnetics and Metamaterials : Fundamental Principles and Applications, Springer 2014.
- Sulabha Kulkarni, Nanotechnology Principles and Practices, 3rd Edition, Springer, 2015. समीक्षक : वसंत वाघ
