(క్వాంటం డాట్స్పై పరిశోధనకు గానూ రసాయన శాస్త్రంలో
2023వ సంవత్సరానికి నోబెల్‍ బహుమతి వచ్చిన సందర్భంగా)
సాధారణంగా రసాయనశాస్త్రంలో ప్రతిమూలక•ం కూడా దాని అణువులలోని ఎలక్ట్రాన్లు, ఆ మూలకం కేంద్రకం చుట్టూ ఈ ఎలక్ట్రాన్ల పంపిణీ ఆధారంగా కొన్ని నిర్దిష్ట లక్షణాలను ప్రదర్శిస్తుంది. స్వచ్ఛమైన మూలకాన్ని కొన్ని భాగాలుగా విభజించినట్లయితే ప్రతిభాగం కూడా దాని పరిమాణంతో సంబంధం లేకుండా సరిగ్గా అదే లక్షణాలను ప్రదర్శిస్తుంది.
ఉదా।।కు ఒక స్వచ్ఛమైన బంగారం ముక్కను తీసుకొని దానిని వెండి ముక్కతో గానీ లేదా మరే ఇతర మూలకంతో నైనా పోల్చితే చాలా భిన్నమైన లక్షణాలను కలిగి ఉంటుంది. కానీ బంగారం ముక్క మాత్రం అది పరిమాణంలో 100 గ్రా।।లు ఉన్నా లేక 10 గ్రా।।లు ఉన్నా ఖచ్చితంగా ఒకే రకమైన లక్షణాలను ప్రదర్శిస్తుంది. రసాయనిక శాస్త్రం యొక్క ప్రాథమిక భావనలలో ఇదొక మూలభావనగా చెప్పవచ్చు.
కానీ 40 సం।।ల క్రితం శాస్త్రవేత్తలు కణాల మధ్య ఒక ముఖ్యమైన తేడాను గమనించారు. నానో స్కేల్‍ పరిధిలో చాలా చిన్న కణాలు, అదే మూలకం యొక్క పెద్ద కణాలతో పోలిస్తే కొద్దిగా భిన్నంగా ప్రవర్తిస్తున్నట్టు కనుగొన్నారు. నానో పార్టికల్‍ (సూక్ష్మ పరిమాణం), (నానో పార్టికల్‍ అనగా ఒక మీటరులో 1-100 బిలియన్ల వంతు) పరిమాణంలో ఉన్న బంగారం, బంగారం యొక్క పెద్దకణాల నుండి కొన్ని అంశాలలో భిన్నమైన లక్షణాలను ప్రదర్శించడం శాస్త్రవేత్తలు గుర్తించారు. సూక్ష్మస్థాయి కణాల యొక్క ఈ విపరీత ప్రవర్తనే, తదనంతర కాలంలో క్వాంటం డాట్స్ అన్న వినూత్న కణాల ఆవిష్కరణకు దారితీసింది.2023 సం।।రానికి గానూ రసాయన శాస్త్రవిభాగంలో క్వాంటం డాట్స్పై పరిశోధనకు గానూ, అలెక్సీ ఎకిమోవ్‍, లూయిస్‍ బ్రస్‍ మరియు మౌంగి బావెండి అను ముగ్గురు శాస్త్రవేత్తలు నోబెల్‍ బహుమతిని గెలుచున్న నేపథ్యంలో, మనం కూడా క్వాంటం డాట్స్ అంటే ఏమిటి, వాటి వల్ల మనకు లభించే ప్రయోజనాల గురించి తెలుసుకుందాం.
క్వాంటం డాట్స్ అంటే…!
మానవ నిర్మిత, కృత్రిమ, సెమీకండక్టర్‍ నానోస్కేల్‍ స్ఫటికాలను క్వాంటం డాట్స్ అంటారు. ఇవి ఎలక్ట్రాన్లను రవాణా చేయగల సామర్థ్యం మరియు UV (అల్ట్రా వయొలెట్‍) కాంతికి గురైనప్పుడు వివిధ రంగుల కాంతిని విడుదల చేసే సామర్థ్యంతో సహా ప్రత్యేకమైన ఆప్టికల్‍ మరియు ఎలక్ట్రానిక్‍ లక్షణాలను ప్రదర్శిస్తాయి. క్వాంటం డాట్‍లు వాటి లక్షణాల స్వభావం ఆధారంగా మార్పుని ప్రదర్శిస్తాయి.
వివరంగా చెప్పాలంటే.. ఏదైనా పదార్థంలోని రేణువులను (కణాలను) నానోసైజు స్థాయికి కుదిస్తే అవి క్వాంటం ప్రభావాలను ప్రదర్శిస్తాయి. దీనికి ప్రధాన కారణం ఆ పదార్థం యొక్క సైజు తగ్గిపోవడం వల్ల ఆ పదార్థంలోని ఎలక్ట్రాన్లు కొద్ది ప్రాంతానికే పరిమితమౌతాయి. సాధారణంగా ఎలక్ట్రాన్లు అణుకేంద్రకం వెలుపల విశాలమైన ప్రాంతంలో కదులుతూ ఉంటాయి. కానీ రేణువుల సైజును గణనీయంగా తగ్గించినపుడు అణువుల్లోని ఎలక్ట్రాన్లు బాగా నొక్కుకు పోయి విచిత్రమైన క్వాంటం ప్రభావాలు మొదలౌతాయి. ఈ దృగ్విషం ఆధారంగానే భిన్నంగా ప్రవర్తించే నానో సైజు రేణువులను ప్రయోగశాలలో సృష్టించ గలిగారు, వీటినే క్వాంటం డాట్స్ అంటారు.
క్వాంటం థియరీ : మనకు ఏదైనా బాగా తెలిసిన వస్తువుతో, అత్యంత సూక్ష్మ కణాలను పోల్చినట్లయితే, సూక్ష్మకణాల కదలిక మరియు ప్రవర్తన పూర్తి భిన్నంగా మరియు వింతగా ఉంటుంది. ఉప-అణుస్థాయి (Sub-atomic level)లో సూక్ష్మకణాల యొక్క వింత ప్రవర్తనను గురించి వివరించే సిద్ధాంతాన్నే క్వాంటం థియరీ అంటారు.
నానో పార్టికల్స్ : పరమాణువులతో పోలిస్తే ఇది చాలా పెద్దగా ఉంటాయి. కణాల పరిమాణాన్ని నానో స్కేల్‍ స్థాయికి తగ్గించినప్పుడు, అది క్వాంటం ప్రభావాలకు దారి తీస్తుందని 1930వ సం।।లో సిద్ధాంతీకరించబడింది.
క్వాంటం డాట్‍ల ధర్మాలు :
- క్వాంటం డాట్‍లు పరమాణువులు (atomic) మరియు సమ్మేళనాలు (bulk) అనే రెండు రకాల పదార్థాలను కలిగి ఉంటాయి.
- క్వాంటం డాట్‍లలోని పరమాణువులు మరియు అణువుల యొక్క కలయికను సూచిస్తుంది.
- పరమాణువులు, సమ్మేళనాల ధర్మాలకు విరుద్ధమైన లక్షణాలను క్వాంటం డాట్స్ కలిగి ఉంటాయి.
- క్వాంటం డాట్స్ యొక్క పరిమాణం ఆధారంగా వాటి లక్షణాలు మారతాయి.
- క్వాంటం డాట్స్ యొక్క పరిమాణాన్ని సర్దుబాటు చేయడం ద్వారా శాస్త్రవేత్తలు వాటి ద్రవీభవన స్థానాన్ని మరియు రసాయనిక చర్యల్లో అవి పాల్గొనే వేగాన్ని మార్చుతారు.
- క్వాంటం డాట్‍లు వాటిపై పడిన కాంతిని శోషించుకొని, విభిన్న పౌనఃపుణ్యాల వద్ద ఆ కాంతిని తిరిగి ఉద్గారిస్తాయి.
క్వాంటం డాట్‍లపై కాంతి ప్రభావం :
చిన్న కణాలు (smaller dots) :
పరిమాణంలో చిన్నగా ఉన్న క్వాంటం డాట్స్ నీలిరంగు కాంతి (bluer light)ని ఉద్గారిస్తాయి.
పెద్ద కణాలు (larger dots): పరిమాణంలో పెద్దగా ఉన్న క్వాంటం డాట్స్ ఎరుపు రంగు కాంతి (redder light)ని ఉద్గారిస్తాయి.
ఇలా సంభవించడానికి కారణం క్వాంటం డాట్‍లపై పడే కాంతి, వాటిలోని ఎలక్ట్రాన్లకు తక్కువ శక్తి స్థాయి నుండి, అధిక శక్తి స్థాయిలోకి దూకడానికి కావలసిన శక్తిని ఇస్తుంది. ఈ మార్పు ఎలక్ట్రాన్లు వెనక్కి దూకి, విభిన్న పౌనఃపున్యాల వద్ద శక్తిని విడుదల చేయడానికన్నా ముందే జరుగుతుంది.
క్వాంటం డాట్‍ల అనువర్తనాలు
1.అప్ట్రో ఎలక్ట్రానిక్స్ మరియు డిస్‍ప్లేలు :
కంప్యూటర్లు, ల్యాప్‍టాప్‍లు మరియు టెలివిజన్ల డిస్‍ప్లేలో క్వాంటం డాట్స్ను వాడతారు. డిస్‍ప్లేలో క్వాంటం డాట్స్ను వాడడం ద్వారా లైటింగ్‍ మరింత ప్రకాశవంతంగా వెలిగేటట్లు చేయవచ్చు. లైటింగ్‍తో విభిన్న రంగుల యొక్క ఖచ్చితత్వాన్ని మెరుగుపరచవచ్చు. శక్తి సామర్థ్యాన్ని (energy efficiency)ని పెంపొందించవచ్చు. ఉదా: క్యూఎల్‍ఈడీ (Q LED – Quantum dot light Emitting diode) సాంకేతిక పరిజ్ఞానం ద్వారా టెలివిజన్లు మరియు కంప్యూటర్‍ మానిటర్ల డిస్‍ప్లేలో అత్యున్నత నాణ్యతను, స్పష్టతను అందుబాటులోకి తీసుకు రావచ్చు.
2.బయోలాజికల్‍ ఇమేజింగ్‍ :
వైద్య మరియు జీవశాస్త్ర విభాగాలలో స్పష్టమైన చిత్రాలను తీయడంలో (imaging) క్వాంటం డాట్స్ కీలక పాత్ర పోషిస్తాయి.ఇవి స్థిరమైన కాంతిని ప్రకాశవంతంగా అందివ్వడం ద్వారా సజీవులలో కణాలను, జీవాణువులను (Bio molecules) ఖచ్చితత్వంతో గుర్తించడమే కాకుండా, వాటి గమనాన్ని నిరంతరం ట్రాక్‍ చేయవచ్చు.
3.సౌరఘటాలు (solar cells) :
సౌరఘటాల సామర్థ్యాన్ని పెంచడానికి మరియు విస్తృతస్థాయిలో కాంతి శోషణ వర్ణపటం (spectrum) ద్వారా కాంతిని శోషించుకునేలా క్వాంటం డాట్స్ను వినియోగించుకునేందుకు అధ్యయనాలు జరుగుతున్నాయి.
4.క్వాంటం డాట్‍ లేజర్లు :
సరిచేయదగిన ఉద్గారాలు (tunable emissions) మరియు తక్కువ పరిధి కరెంట్‍ (low threshold current) కలిగిన లేజర్లను అభివృద్ధి పరచడానికి క్వాంటం డాట్‍లను వినియోగిస్తున్నారు. తద్వారా ఇలాంటి లేజర్లను టెలీ కమ్యూనికేషన్స్ మరియు దృశ్య మాధ్యమ సూచికల (Optical signal processing ) పక్రియలో వినియోగిస్తారు.
5.క్వాంటం డాట్‍ కంప్యూటింగ్‍ :
క్వాంటం కంప్యూటింగ్‍లో క్వాంటం డాట్‍లను క్యూబిట్స్ (వీటినే క్వాంటం బిట్స్ అని కూడా అంటారు) గా వినియో గించడం ద్వారా మెరుగైన, బలమైన, సమర్థవంతమైన క్వాంటం కంప్యూటర్లను తయారు చేయవచ్చు.
6.సెన్సర్లు మరియు డిటెక్షన్‍ :
క్వాంటం డాట్‍ల యొక్క సున్నితత్వం మరియు మార్చు కోదగిన లక్షణాల కారణంగా వాటిని ఏవైనా పదార్థాలను గుర్తించడానికి సెన్సర్లలోను మరియు పర్యావరణ పర్యవేక్షణకు వాడతారు.
7.టెలీ కమ్యూనికేషన్స్ :
టెలీ కమ్యూనికేషన్స్ రంగంలో దృశ్య సంకేతాలను (Optical signals) సమర్థవంతంగా విస్తరించడానికి, ప్రసారం చేయడానికి క్వాంటం డాట్‍లను వినియోగిస్తారు.
8.మెటీరియల్‍ సైన్స్ :
అత్యంత సూక్ష్మ స్థాయిలో క్వాంటం ప్రభావాలు మరియు పదార్థాల ప్రవర్తన (Material Behaviour), సరికొత్తగా ఆవిష్కరించబడిన పదార్థాలు మరియు సాంకేతిక పరిజ్ఞానాల్లో సంభవించే వినూత్న కదలికలపై క్వాంటం డాట్స్ మనకు లోతైన అవగాహనను కలిగిస్తాయి.
9.శక్తి నిల్వ (energy storage) :
క్వాంటం డాట్‍ల యొక్క ప్రత్యేక లక్షణాల కారణంగా అవి శక్తి నిల్వ సామర్థ్యాన్ని గణనీయంగా పెంచుతాయి. అందుకే వీటిని బ్యాటరీలు మరియు సూపర్‍ కెపాసిటర్ల వంటి శక్తి నిల్వ పరికరాలలో విరివిగా వినియోగించేందుకు అధ్యయనాలు కొనసాగుతున్నాయి.
10.ఔషధ సరఫరా (drug delivery) :
క్వాంటం డాట్స్ వైద్య రంగంలో ఔషధ సరఫరా వాహకాలుగా సమర్థవంతంగా పనిచేస్తాయి. అంతేకాకుండా ఔషధాన్ని అవసరమైనంత మేరకు నియంత్రిత విధానంలో, ఖచ్చితమైన పరిమాణంలో విడుదల చేసేందుకు తోడ్పడతాయి. ఉదా।। క్యాన్సర్‍ చికిత్సలు.
11.పర్యావరణ సమస్యల పరిష్కారం :
క్వాంటం డాట్స్ కాంతి ఉత్ప్రేరక పక్రియ (photo catalysis) ద్వారా నేల మరియు నీటిలోని కాలుష్య కారకారలను తొలగించి సుస్థిర పర్యావరణ మనుగడకు తోడ్పడుతాయి.
12.భద్రత మరియు ప్రామాణీకరణ (Security and Authentication) :
క్వాంటం డాట్స్ యొక్క మార్చుకో దగిన దృశాధర్మాల కారణంగా పత్రాలు (documents) మరియు ఏవైనా ఉత్పత్తులలో నకిలీ మరియు కల్తీ విధానాలను నియంత్రించవచ్చు.
క్వాంటం డాట్స్ – పరిమితులు :
1.ఖర్చు (cost) :
క్వాంటం డాట్‍ టెక్నాలజీ అమలు పరచడం అధిక ఖర్చుతో కూడు కొన్నదిగా చెప్పవచ్చు. ప్రారంభంలో ఈ సాంకేతిక పరిజ్ఞానానికి సంబంధించిన
ఉత్పత్తులు అధిక ధరలను కలిగి
ఉంటాయి.
2.సంక్లిష్టమైన తయారీ విధానం (Complex Manufacturing):
క్వాంటం డాట్స్ ఉత్పత్తి పక్రియలో ఒక నిర్దిష్టమైన, ఖచ్చితమైన తయారీ విధానాన్ని అనుసరించాల్సి ఉంటుంది. లేనట్లయితే మనం అనుకున్న విధంగా ఉత్పత్తులు రావు.
3.విషపూరిత పదార్థాలు (Toxic Materials) :
కొన్ని క్వాంటం డాట్స్లలో కాడ్మియం అనే అత్యంత విష పూరిత పదార్థం ఉంటుంది. దీనిని సరిగా నిర్వహించక పోయినా, వాటి వ్యర్థాలను పారవేయడంలో తగిన జాగ్రత్తలు తీసుకోక పోయినా పర్యావరణ కాలుష్యం పెరిగే ప్రమాదం ఉంది.
4.ఆరోగ్య విపత్తులు తలెత్తే ప్రమాదం (Risk of Health Hazards) :
కాడ్మియం వంటి విషపూరిత పదార్థాలు కలిగిన క్వాంటం డాట్స్ ఉత్పత్తి చేసేటప్పుడు, వాటిని పారవేసే సందర్భాలలో కార్మికులు నేరుగా వాటి ప్రభావానికి గురైతే వారికి ఆరోగ్య సమస్యలు తలెత్తవచ్చు.
5.పరిమిత పరిశోధన (limited reserach) :
క్వాంటం డాట్‍ టెక్నాలజీ సాపేక్షంగా కొత్తది, ప్రస్తుతం ఇంకా అభివృద్ధి దశలో ఉంది. ఈ టెక్నాలజీలో తలెత్తే సమస్యలను పరిష్కరించడానికి మరియు దాని అనువర్తనాల విస్తరించడానికి మరిన్ని పరిశోధనలు అవసరం.
6.పోటీ సాంకేతికతలు (completing technologies) :
క్వాంటండాట్‍ టెక్నాలజీ ఓఎల్‍ఈడీ (OLED)ని మరియు మైక్రో ఎల్‍ఈడీ (micro LED) వంటి ఇతర డిస్‍ప్లేటెక్నాలజీల నుండి గట్టిపోటీని ఎదుర్కొంటోంది. క్వాంటం డాట్‍ టెక్నాలజీకి ఈ టెక్నాలజీలు ప్రత్యామ్నాయంగా నిలిచే అవకాశం ఉంది.
క్వాంటం డాట్స్ను మెరుగు పరచడంలో ముగ్గురు శాస్త్రవేత్తల కృషి ఏమిటి…!!
క్వాంటం డాట్స్పై పరిశోధనలకు గానూ 2023వ సం।।రానికి గానూ, రసాయన శాస్త్ర విభాగంలో అలెక్సీ ఎకిమోవ్‍, లూయిస్‍ బ్రస్‍, మౌంగి బవెండిలకు సంయుక్తంగా నోబెల్‍ బహుమతి లభించింది. అలెక్సీ ఎకిమోవ్‍ (78) ఒకప్పటి సోవియట్‍ యూనియన్‍లో జన్మించి, 1999 నుండి అమెరికాకు మకాం మార్చారు. అమెరికాలో నానో క్రిస్టల్స్ టెక్నాలజీ కంపెనీతో ప్రధాన శాస్త్రవేత్తగా పనిచేశారు. లూయిస్‍ బ్రస్‍ (80) అమెరికాకు చెందినవారే. న్యూయార్క్లోని కొలంబియా విశ్వవిద్యాలయంలో విధులు నిర్వర్తిస్తున్నారు. మౌంగి బవెండి (62) ఫ్రాన్స్లో జన్మించారు. ప్రస్తుతం అమెరికాలోని మసాచూసెట్స్ ఇన్సిస్టిట్యూట్‍ ఆఫ్‍ టెక్నాలజీలో విధులు నిర్వర్తిస్తున్నారు. నానో టెక్నాలజీకి సంబంధించిన క్వాంటం డాట్స్పై తొలితరం పరిశోధకులుగా ఎకిమోవ్‍, బ్రస్‍లను చెప్పవచ్చు. బవెండి పరిశోధనలతో క్వాంటం డాట్స్ ఉత్పత్తిలో విప్లవాత్మక మార్పులు చోటు చేసుకున్నాయి. క్వాంటం డాట్స్పై ముగ్గురు శాస్త్రవేత్తల కృషి క్రింది విధంగా ఉంది.
అలెక్సీ ఎకిమోవ్‍ :
నానో పార్టికల్స్ (అత్యంత సూక్ష్మకణాలు) కాంతితో సంకర్షణ చెందినప్పుడు కొన్ని ప్రత్యేకమైన ధర్మాలను ప్రదర్శిస్తాయి. ఏదైనా పదార్థం యొక్క రంగు ఆ పదార్థం గ్రహించిన లేదా పరావర్తనం చెందించే కాంతి యొక్క శోషణ వర్ణ పటం (spectrum) తరంగ దైర్ఘాలపై ఆధారపడి ఉంటుంది. ఎకిమోవ్‍ కాపర్‍ క్లోరైడ్‍ పూసిన కలర్‍ గ్లాస్‍పై పరిశోధన చేస్తూ ఒక ప్రత్యేక లక్షణాన్ని గమనించాడు. అతను కాపర్‍ క్లోరైడ్‍ గ్లాస్‍ను అత్యధిక ఉష్ణోగ్రతల వరకు వేడిచేసి, అది కరిగే విధంగా చేశాడు. తరువాత దానిని చల్లబరిచి గట్టిపడే విధంగా చేశాడు. కలర్‍ గ్లాస్‍లో పెద్ద పరిమాణంలో కాపర్‍ క్లోరైడ్‍ స్పటికాలు ఉన్న ప్రాంతంతో పోలిస్తే తక్కువ పరిమాణంలో కాపర్‍ క్లోరైడ్‍ స్ఫటికాలు ఉన్న ప్రాంతం భిన్నమైన రంగులను ప్రదర్శించడాన్ని ఎకిమోవ్‍ గుర్తించాడు. దీనిని బట్టి ఒకే పదార్థమైన కాపర్‍ క్లోరైడ్‍తో నిర్మితమైన స్ఫటికాలు, వాటి పరిమాణాన్ని బట్టి కాంతి యొక్క విభిన్న తరంగ దైర్ఘ్యాలను గ్రహిస్తాయని ఎకిమోవ్‍ ఋజువు చేశాడు.
లూయిస్‍ బ్రస్‍ :
బ్రస్‍ కూడా ఎకిమోవ్‍ గ్రహించిన దృగ్విషయాన్నే గమనించాడు. అయితే ఎకిమోవ్‍ క్లాపర్‍ క్లోరైడ్‍ స్ఫటికాలను ఏ పరిమాణంలో ఉపయోగించాడో, అదే పరిమాణంలో కాడ్మియం సల్ఫైడ్‍ స్ఫటికాలను గాజులో కాకుండా, ద్రవ ద్రావణంలో వినియోగించాడు. ఇది పరిశోధకులకు మరింత మెరుగైన రీతిలో స్ఫటికాలను అధ్యయనం చేయడానికి తోడ్పడింది.
మౌంగి బవెండి :
ఎకిమోవ్‍, బ్రస్‍లు అత్యంత సూక్ష్మ కణాలైన క్వాంటం డాట్స్ను తయారు చేశారు. అయితే వీరు అనుసరించిన విధానంలో వీటి తయారీకి, సాధారణ పరిస్థితులు కాకుండా కొన్ని ప్రత్యేక నియంత్రిత పరిస్థితులు కావలసి వచ్చింది. అయినా వారు ఉత్పత్తి చేసిన క్వాంటం డాట్స్ నాణ్యత తక్కువగా ఉంది. ఇలాంటి పరిస్థితుల్లో బవెండి తన పరిశోధనల ద్వారా అత్యంత ఖచ్చితత్వం, కావలసిన లక్షణాలు గల క్వాంటం డాట్స్ను ఉత్పత్తి చేసే మెరుగైన పద్ధతులను రూపొందించారు.
చివరిగా :
కొత్తగా ఏదైనా సాంకేతిక పరిజ్ఞానం అందుబాటులోకి వచ్చినప్పుడు దానిని అనుసరించి అనుకూలతలు, ప్రతికూలతలు రెండూ ఉంటాయి. ప్రతికూలతలను తగ్గిస్తూ… అనుకూలతలను పెంచే ప్రయత్నం చేయాలి. క్వాంటం డాట్‍ టెక్నాలజీ పరంగా కూడా ఖర్చు, పర్యావరణంపై చూపే ప్రతికూల ప్రభావాలను గణనీయంగా తగ్గించినట్లయితే ఈ సాంకేతిక పరిజ్ఞానం మానవాళికి ఇతోధికంగా మేలుచేయగలదనడంలో ఎలాంటి సందేహం లేదు.
-పుట్టా పెద్ద ఓబులేసు,
స్కూల్‍ అసిస్టెంట్‍, జిల్లా పరిషత్‍ ఉన్నత పాఠశాల
రావులకొలను, సింహాద్రిపురం, కడప
ఎ : 9550290047