لیزر ٹیکنالوجی کی نئی ایپلی کیشن: میٹی میٹریلز پر تحقیق کو بڑھانا

میٹا میٹریلز، اگرچہ روزمرہ کے پولیمر، سیرامکس اور دھاتوں سے بنائے جاتے ہیں، ان کے پیچیدہ اور پیچیدہ صحت سے متعلق مائیکرو اسٹرکچر کی وجہ سے غیر معمولی خصوصیات ہیں۔
کمپیوٹر سمیلیشنز کی مدد سے، انجینئرز بہت سے مائیکرو اسٹرکچرز کو یکجا کر سکتے ہیں اور مشاہدہ کر سکتے ہیں کہ کچھ مواد کس طرح تبدیل ہوتے ہیں، مثال کے طور پر، یہ دیکھنے کے لیے کہ کس طرح کچھ مواد کو صوتی فوکس کرنے والے صوتی لینز یا ہلکے وزن کی بلٹ پروف جھلیوں میں تبدیل کیا جا سکتا ہے۔
لیکن نقلی ڈیزائن صرف اتنا آگے جا سکتا ہے۔ یہ تعین کرنے کے لیے کہ آیا وہ مطلوبہ نتائج حاصل کریں گے، میٹا میٹریلز کی جسمانی جانچ ضروری ہے۔ لیکن مائکروسکوپک پیمانے پر میٹا میٹریلز کو دھکیلنے اور کھینچنے کا کوئی قابل اعتماد طریقہ نہیں ہے اور یہ دیکھنے کے لئے کہ وہ عمل میں میٹا میٹریل ڈھانچے کو چھوئے اور جسمانی طور پر نقصان پہنچائے بغیر کس طرح کا رد عمل ظاہر کریں گے۔
اس مسئلے کو حل کرنے کے لیے، MIT کے محققین نے دو بیم لیزر سسٹم کا استعمال کرتے ہوئے میٹا میٹریلز کی جانچ کرنے کے لیے ایک تکنیک تیار کی ہے- ایک لیزر بیم ساخت کو تیزی سے روشن کرتی ہے، اور دوسری لیزر بیم ساخت کے کمپن کے جواب کے طریقے کو ماپتی ہے، بالکل اسی طرح جیسے گھنٹی مارنا۔ ایک مالٹ اور اس کی بازگشت ریکارڈ کر رہا ہے۔ ایک مالٹ کے برعکس، لیزر کوئی جسمانی رابطہ نہیں کرتے ہیں۔ اس کے باوجود وہ میٹمیٹریل کے چھوٹے شہتیروں اور اسٹرٹس میں کمپن پیدا کرتے ہیں، بالکل ایسے جیسے جیسے ڈھانچے کو جسمانی طور پر مارا گیا ہو، کھینچا گیا ہو یا کتر دیا گیا ہو۔
تصویر یہ نظری مائیکرو گراف ایک عکاس سبسٹریٹ پر خوردبینی میٹومیٹریل نمونوں کی ایک صف دکھاتا ہے۔
اس کے بعد انجینئرز نتیجے میں آنے والی کمپن کو مواد کی متعدد متحرک خصوصیات کا حساب لگانے کے لیے استعمال کر سکتے ہیں، جیسے کہ یہ اثرات کا کیسے جواب دیتا ہے اور یہ آواز کو کیسے جذب یا بکھرتا ہے۔ الٹرا فاسٹ لیزر دالوں کا استعمال کرتے ہوئے، وہ چند منٹوں میں سینکڑوں مائیکرو اسٹرکچرز کو جوش اور پیمائش کر سکتے ہیں۔ یہ تکنیک، پہلی بار، ایک محفوظ، قابل اعتماد اور ہائی تھرو پٹ طریقہ فراہم کرتی ہے تاکہ مائیکرو اسکیل میٹا میٹریلز کو متحرک طور پر نمایاں کیا جاسکے۔
"اس نقطہ نظر کے ساتھ، ہم مطلوبہ خصوصیات کی بنیاد پر بہترین مواد کی دریافت کو تیز کر سکتے ہیں۔" MIT کے سکول آف مکینیکل انجینئرنگ کے ایک محقق پروفیسر کارلوس پورٹیلا نے کہا۔ تحقیقی ٹیم اس طریقہ کار کو LIRAS (Laser Induced Resonance Acoustic Spectroscopy) کہتی ہے۔
پورٹیلا نے عام پولیمر سے بنائے گئے میٹا میٹریلز کا استعمال کیا، جسے اس نے 3D پرنٹ کرکے چھوٹے چھوٹے اسکافولڈ جیسے ٹاورز میں مائکروسکوپک اسٹرٹس اور چھوٹے شہتیر سے بنا دیا۔ ہر ٹاور کا نمونہ انفرادی ہندسی اکائیوں کو دہرانے اور تہہ کرنے کے ذریعے بنایا گیا ہے، جیسے کہ مربوط بیم کی ایک آکٹونل ترتیب۔ جب سرے سے آخر تک اسٹیک کیا جاتا ہے، تو ٹاور کا انتظام پورے پولیمر کو ایسی خصوصیات فراہم کر سکتا ہے جو اس کے پاس نہیں ہوتا۔
لیکن انجینئرز جسمانی طور پر ان میٹومیٹریل خصوصیات کی جانچ اور تصدیق کرنے کے اپنے اختیارات میں سختی سے محدود ہیں۔ نینو انڈینٹیشن ایسے مائیکرو اسٹرکچر کی چھان بین کا ایک بہترین طریقہ ہے، اگرچہ انتہائی محتاط اور کنٹرول شدہ طریقے سے۔ یہ طریقہ ڈھانچے کو آہستہ آہستہ نیچے دھکیلنے کے لیے مائکرون کے سائز کے ٹپ کا استعمال کرتا ہے جبکہ ڈھانچے کے کمپریس ہونے کے ساتھ ہی چھوٹے نقل مکانی اور قوتوں کی پیمائش کرتا ہے۔
لیکن یہ تکنیک صرف بہت تیزی سے چلائی جا سکتی ہے اور ڈھانچے کو نقصان پہنچا سکتی ہے،" پورٹیلا کہتی ہیں۔ ہم ان ڈھانچے کو تباہ کیے بغیر مضبوط اثر کے ابتدائی ردعمل میں ان کے متحرک رویے کی پیمائش کرنے کا طریقہ تلاش کرنا چاہتے تھے۔"
ٹیم لیزر الٹراساؤنڈ کے ساتھ آئی - ایک غیر تباہ کن طریقہ جس میں الٹراسونک فریکوئنسی کے مطابق مختصر لیزر دالیں استعمال کی جاتی ہیں تاکہ انتہائی پتلے مواد (جیسے سونے کی فلمیں) کو بغیر کسی رابطے کے اکسایا جا سکے۔ لیزر اتیجیت تعدد کی ایک رینج پر الٹراساؤنڈ لہریں پیدا کرتی ہے جو فلم کو ایک خاص فریکوئنسی پر کمپن کرنے کا سبب بن سکتی ہے، جسے سائنسدان نینو میٹر کی درستگی کے ساتھ فلم کی درست موٹائی کا تعین کرنے کے لیے استعمال کر سکتے ہیں۔ تکنیک کا استعمال اس بات کا تعین کرنے کے لیے بھی کیا جا سکتا ہے کہ آیا کسی فلم میں نقائص ہیں یا نہیں۔
ٹیم نے محسوس کیا کہ الٹراسونک لیزرز بھی محفوظ طریقے سے اپنے 3D میٹا میٹریل ٹاورز کو کمپن کرنے کے لیے آمادہ کر سکتے ہیں۔ یہ ٹاورز، جن کی اونچائی 50 مائیکرو میٹر سے لے کر 200 مائیکرو میٹر تک ہے، ایک خوردبین پیمانے پر پتلی فلموں کی طرح ہیں۔
اس خیال کو جانچنے کے لیے، محققین نے ایک ٹیبل ٹاپ ڈیوائس بنایا جس میں دو الٹراسونک لیزرز شامل تھے- ایک "پلس" لیزر میٹ میٹیریل نمونے کو اکسانے کے لیے اور ایک "تحقیقات" لیزر جس کے نتیجے میں پیدا ہونے والی کمپن کی پیمائش کی گئی۔ نتیجے میں آنے والی کمپن کی پیمائش کرنے کے لیے ایک "تحقیقات" لیزر۔
اس کے بعد محققین نے سینکڑوں خوردبین ٹاورز کو پرنٹ کیا، جن میں سے ہر ایک کی مخصوص اونچائی اور ڈھانچہ، ایک ناخن سے چھوٹی چپ پر تھا۔ انہوں نے میٹا میٹریلز کے اس خوردبین ڈھانچے کو دو لیزر یونٹوں میں رکھا اور پھر بار بار الٹرا شارٹ دالوں کے ساتھ ٹاورز کو پرجوش کیا۔ دوسرے لیزر نے پھر ہر ٹاور کی کمپن کی پیمائش کی۔ وہاں سے، ٹیم نے ڈیٹا اکٹھا کیا اور کمپن میں پیٹرن تلاش کیا۔
تصویری 3D پرنٹ شدہ ٹاور۔ ایم آئی ٹی کے محققین نے میٹیمیٹریل مائیکرو ٹاورز کو محفوظ طریقے سے اسکین کرنے کے لیے ایک لیزر کا استعمال کیا، جس نے کمپن کو متحرک کیا، جسے پھر دوسرے لیزر سے پکڑا گیا اور ساخت کی متحرک خصوصیات کا اندازہ لگانے کے لیے تجزیہ کیا گیا، جیسے جھٹکوں کے جواب میں سختی۔
ہم نے ان تمام ڈھانچوں کو لیزر سے اس طرح پرجوش کیا جیسے ہم انہیں ہتھوڑے سے مار رہے ہوں۔" پورٹیلا نے کہا۔ ہم نے سینکڑوں ٹاورز کے دوغلوں کو پکڑا، جو قدرے مختلف طریقوں سے گھومتے تھے۔ ہر ایک ڈھانچے کی، جیسے کہ اثر کرنے کے لیے ان کی سختی اور الٹراساؤنڈ لہریں ان کے ذریعے پھیلنے کی رفتار۔"
محققین نے نقائص کے لیے پائلن کو اسکین کرنے کے لیے اسی تکنیک کا استعمال کیا۔ انہوں نے 3D نے کئی نقائص سے پاک ٹاورز پرنٹ کیے اور پھر انہی ڈھانچے کو مختلف درجات کے نقائص کے ساتھ پرنٹ کیا، جیسے گمشدہ سٹرٹس اور بیم (جو خون کے سرخ خلیات سے بھی چھوٹے ہیں)۔
پورٹیلا کہتی ہیں، "چونکہ ہر ٹاور میں ایک وائبریشنل دستخط ہوتے ہیں، اس لیے ہم نے پایا کہ ہم ایک ہی ڈھانچے میں جتنے زیادہ نقائص ڈالتے ہیں، یہ دستخط اتنے ہی زیادہ بدلتے ہیں۔ اگر آپ کو ذرا مختلف دستخط والے ڈھانچے کا پتہ چلتا ہے، تو آپ کو معلوم ہوگا کہ یہ کامل نہیں ہے۔"
انہوں نے کہا کہ سائنسدان آسانی سے لیزر ڈیوائس کو اپنی لیبز میں دوبارہ بنا سکتے ہیں۔ اس کے بعد عملی، حقیقی دنیا کے میٹا میٹریلز کی دریافت کو تیز کیا جائے گا۔ پورٹیلا کے معاملے میں، وہ الٹراساؤنڈ لہروں کو فوکس کرنے کے لیے میٹا میٹریلز بنانے اور جانچنے کا شوق رکھتا ہے، مثال کے طور پر الٹراساؤنڈ پروبس کی حساسیت کو بڑھانا۔ وہ اثر مزاحم میٹا میٹریلز کی بھی تلاش کر رہا ہے، مثال کے طور پر سائیکل ہیلمٹ کے اندر لائنر کے انتظامات کے ڈیزائن کے لیے۔
محققین نے کہا کہ اس تحقیق کے ذریعے میٹا میٹریلز کے متحرک رویے کو نمایاں کرنے سے میٹا میٹریلز کی انتہا کو تلاش کرنے میں مدد ملے گی۔ یہ تحقیق جریدے نیچر میں شائع ہوئی۔