চীনা বিজ্ঞানীদের যুগান্তকারী সাফল্য: ভাঁজ করা গ্রাফিনে কোয়ান্টাম ঘর্ষণের প্রত্যক্ষ পর্যবেক্ষণ

কোয়ান্টাম ঘর্ষণ: পদার্থবিজ্ঞানে নতুন দিগন্ত

এক যুগান্তকারী পরীক্ষায় চীনা বিজ্ঞানীরা প্রথমবারের মতো দুটি কঠিন পৃষ্ঠের মধ্যে কোয়ান্টাম ঘর্ষণ সরাসরি পর্যবেক্ষণ করেছেন। এ পরীক্ষায় তাঁরা ভাঁজ করা গ্রাফিনকে পরীক্ষার উপাদান হিসেবে ব্যবহার করেন। লানঝৌ ইনস্টিটিউট অব কেমিক্যাল ফিজিক্সের গবেষকদের নেতৃত্বে এই সাফল্য পারমাণবিক স্তরে ঘর্ষণ কীভাবে কাজ করে, সে বিষয়ে দীর্ঘদিনের ধারণাকে শুধু চ্যালেঞ্জই করেনি; অতি-দক্ষ যন্ত্র ও পরবর্তী প্রজন্মের ন্যানোডিভাইস তৈরির নতুন পথও খুলে দিয়েছে।

দুটি পৃষ্ঠ পরস্পরের ওপর দিয়ে পিছলে চলার সময় যে বল গতিকে বাধা দেয়, সেটিই ঘর্ষণ। এটি এতই পরিচিত একটি ঘটনা যে গাড়ির টায়ারের রাস্তায় আঁকড়ে থাকা থেকে শুরু করে আমাদের হাঁটুতে কড়মড় শব্দ হওয়া পর্যন্ত নানা কিছুর পেছনে এর ভূমিকা রয়েছে। কয়েক শতাব্দী ধরে বিজ্ঞানীরা ঘর্ষণের কারণ হিসেবে পৃষ্ঠের অমসৃণতাকে দায়ী করেছেন—অণুবীক্ষণিক উঁচু-নিচু অংশ ও আটকে যাওয়া ক্ষুদ্র স্থান, যা গতিকে তাপে রূপান্তর করে। কিন্তু বিশেষ করে ন্যানোস্কেলে প্রযুক্তির অগ্রগতির সঙ্গে সঙ্গে এই ধ্রুপদি ব্যাখ্যা অসম্পূর্ণ বলে প্রমাণিত হয়েছে। ভাঁজ করা গ্রাফিনে কোয়ান্টাম ঘর্ষণের আবিষ্কার দৈনন্দিন এই বল সম্পর্কে আমাদের বোঝাপড়ায় এক গুরুত্বপূর্ণ মাইলফলক।

কোয়ান্টাম ঘর্ষণ কী?

কোয়ান্টাম ঘর্ষণ বলতে পরমাণু, ইলেকট্রন, এমনকি শূন্যস্থানের মধ্যকার কোয়ান্টাম বলবিদ্যাগত মিথস্ক্রিয়া থেকে সৃষ্ট সূক্ষ্ম, অ-ধ্রুপদি বলকে বোঝায়। পৃষ্ঠের অমসৃণতা ও সরাসরি সংস্পর্শের ওপর নির্ভরশীল ধ্রুপদি ঘর্ষণের বিপরীতে, কোয়ান্টাম ঘর্ষণ পুরোপুরি মসৃণ পৃষ্ঠের মধ্যেও বা অতি ক্ষুদ্র ফাঁক পেরিয়েও ঘটতে পারে। এর চালিকাশক্তি হলো তড়িৎচুম্বকীয় ক্ষেত্রের ওঠানামা বা ইলেকট্রনের কোয়ান্টাম অবস্থা।

সম্প্রতি পর্যন্ত কোয়ান্টাম ঘর্ষণ মূলত তাত্ত্বিক ধারণা ছিল। কঠিন পদার্থের ওপর দিয়ে প্রবাহিত তরলের আচরণে, যেমন কার্বন ন্যানোটিউবের ভেতর দিয়ে পানির চলাচলে, এর ভূমিকা থাকতে পারে বলে পূর্বাভাস দেওয়া হয়েছিল। তবে দুটি কঠিন পৃষ্ঠের মধ্যে এর প্রত্যক্ষ পরীক্ষামূলক প্রমাণ ছিল না। ভাঁজ করা গ্রাফিন নিয়ে চীনা দলের কাজ সেই পরিস্থিতি বদলে দিয়েছে।

গ্রাফিন: বিস্ময়কর উপাদান

গ্রাফিন হলো ষড়ভুজাকার জালিকার বিন্যাসে সাজানো কার্বন পরমাণুর একক স্তর। ২০০৪ সালে এটি পৃথক করার পর থেকেই এর অসাধারণ বৈশিষ্ট্য বিজ্ঞানীদের মুগ্ধ করেছে: এটি অবিশ্বাস্য রকম শক্ত, নমনীয় এবং তামার চেয়ে ভালো বিদ্যুৎ পরিবাহী। এসব বৈশিষ্ট্যের কারণে কোয়ান্টাম ঘর্ষণসহ পদার্থবিজ্ঞানের নতুন দিগন্ত অনুসন্ধানে গ্রাফিন আদর্শ উপাদান।

সাম্প্রতিক পরীক্ষায় গবেষকেরা অতি-পাতলা গ্রাফিনের পাত ভাঁজ করে নিয়ন্ত্রিত বক্রতা এবং বিভিন্ন সংখ্যক স্তরবিশিষ্ট প্রান্ত তৈরি করেন। এতে পারমাণবিক স্তরে বিভিন্ন পরিস্থিতিতে ঘর্ষণ কীভাবে আচরণ করে, তা অনুসন্ধান করা সম্ভব হয়। এ কাজে তাঁরা পারমাণবিক বল অণুবীক্ষণযন্ত্র ও বর্ণালিবীক্ষণের মতো উন্নত সরঞ্জাম ব্যবহার করেন।

ভাঁজ করা গ্রাফিন কেন?

গ্রাফিন ভাঁজ করলে এতে বিকৃতি ও বক্রতা তৈরি হয়, যা উপাদানটির ভেতরে ইলেকট্রনের চলাচলের ধরন বদলে দেয়। কোয়ান্টাম ঘর্ষণ নিয়ে গবেষণায় এই পরিবর্তন গুরুত্বপূর্ণ, কারণ এর মাধ্যমে এমন স্বতন্ত্র ইলেকট্রনিক অবস্থা তৈরি করা যায়, যা সমতল গ্রাফিনের পাতায় থাকে না। বিশেষ করে, ভাঁজের ফলে তৈরি হতে পারে তথাকথিত ছদ্ম-ল্যান্ডাউ স্তর—বিকৃতির কারণে ইলেকট্রন যে বিচ্ছিন্ন শক্তিস্তরে বাধ্য হয়, যা চৌম্বকক্ষেত্রের প্রভাবের অনুকরণ করে।

পরীক্ষা: কোয়ান্টাম ঘর্ষণ পর্যবেক্ষণ

লানঝৌয়ের দল সতর্কতার সঙ্গে গ্রাফিনের পাত ভাঁজ করে এবং পারমাণবিক বল অণুবীক্ষণযন্ত্র ব্যবহার করে প্রান্তে ঘর্ষণ পরিমাপ করে। আশ্চর্যজনকভাবে, ধ্রুপদি পদার্থবিজ্ঞানের পূর্বাভাস অনুযায়ী স্তরের সংখ্যা বাড়ার সঙ্গে ঘর্ষণ সরলরৈখিকভাবে বাড়েনি। কিছু ক্ষেত্রে, পুরু ভাঁজ পাতলা ভাঁজের চেয়ে সহজে পিছলেছে। এই অরৈখিক আচরণ প্রচলিত ঘর্ষণ-সূত্র থেকে স্পষ্টতই ভিন্ন।

এই অস্বাভাবিকতা বোঝার জন্য গবেষকেরা উন্নত বর্ণালিবীক্ষণ পদ্ধতির আশ্রয় নেন। তাঁরা আবিষ্কার করেন, ভাঁজের ফলে সৃষ্ট বিকৃতি গ্রাফিনের ভেতরে শক্তিশালী ছদ্ম-চৌম্বকক্ষেত্র তৈরি করে, যার ফলে ছদ্ম-ল্যান্ডাউ স্তর গঠিত হয়। এই কোয়ান্টাম অবস্থা শক্তি অপচয়ের স্বাভাবিক পথগুলোকে বাধাগ্রস্ত করে—বিশেষ করে উপাদানটির ইলেকট্রন ও কম্পনের (ফোনন) মধ্যকার সংযোগ কমিয়ে দেয়। ফলে কম শক্তি তাপে রূপান্তরিত হয় এবং ঘর্ষণ কমে যায়।

গবেষক দলটি সামাজিক যোগাযোগমাধ্যমে ব্যাখ্যা করে: "দুটি কঠিন পৃষ্ঠের মধ্যে কোয়ান্টাম ঘর্ষণের এটাই প্রথম পরীক্ষামূলক প্রমাণ।"

নেচার কমিউনিকেশন্স-এ প্রকাশিত এই ফলাফলকে মৌলিক পদার্থবিজ্ঞান ও উপাদানবিজ্ঞান—উভয় ক্ষেত্রেই বড় অগ্রগতি হিসেবে স্বাগত জানানো হয়েছে।

ভাঁজ করা গ্রাফিনে কোয়ান্টাম ঘর্ষণ কীভাবে কাজ করে?

এই আবিষ্কারের মূলে রয়েছে ইলেকট্রন ও গ্রাফিনের কাঠামোর পারস্পরিক ক্রিয়া। গ্রাফিন ভাঁজ করা হলে সৃষ্ট বক্রতা ও বিকৃতি ইলেকট্রনকে বিচ্ছিন্ন শক্তিস্তরে ঠেলে দেয়। এই ছদ্ম-ল্যান্ডাউ স্তরগুলো কোয়ান্টামগত গতিরোধকের মতো কাজ করে; ফলে উপাদানটি সরানোর সময় ইলেকট্রনের পক্ষে তাপ হিসেবে শক্তি অপচয় করা কঠিন হয়। এই প্রেক্ষাপটে শক্তিক্ষয় কমে যাওয়াই কোয়ান্টাম ঘর্ষণের মূল কথা।

ভাঁজ করা স্তরের সংখ্যা বাড়ার সঙ্গে ছদ্ম-চৌম্বকক্ষেত্রের তীব্রতা ও ছদ্ম-ল্যান্ডাউ স্তরের প্রভাব কমে যায়। একসময় ঘর্ষণ আবার তুলনামূলকভাবে ধ্রুপদি ও সরলরৈখিক আচরণে ফিরে আসে। এই পরিবর্তন বাস্তব উপাদানে কোয়ান্টাম প্রভাব কীভাবে তৈরি ও নিয়ন্ত্রণ করা যায়, সে বিষয়ে অনন্য ধারণা দেয়।

বৃহত্তর প্রেক্ষাপট: গ্রাফিনের বাইরেও কোয়ান্টাম ঘর্ষণ

ভাঁজ করা গ্রাফিনে কোয়ান্টাম ঘর্ষণ পর্যবেক্ষণ কঠিন ও তরলের সংযোগস্থলে কোয়ান্টাম প্রভাব নিয়ে ক্রমবর্ধমান গবেষণার ধারার ওপর ভিত্তি করে এগিয়েছে। উদাহরণস্বরূপ, আগের গবেষণায় দেখা গেছে, পানি গ্রাফিনের ইলেকট্রনের সঙ্গে সরাসরি মিথস্ক্রিয়া করতে পারে। এর ফলে সৃষ্ট কোয়ান্টাম ঘর্ষণ কার্বন ন্যানোটিউবের ভেতর দিয়ে বা গ্রাফিনের পৃষ্ঠের ওপর দিয়ে পানি কত দ্রুত প্রবাহিত হয়, তা প্রভাবিত করে।

এসব ব্যবস্থায় পানির অণুর কম্পন (হাইড্রন) গ্রাফিনের ইলেকট্রনের সম্মিলিত দোলনের (প্লাজমন) সঙ্গে অনুরণিত হতে পারে, ফলে শক্তি স্থানান্তর ও ঘর্ষণ বেড়ে যায়। এই অনুরণন কেবল কিছু নির্দিষ্ট উপাদানের সমন্বয়েই দেখা যায়; ইথানল বা মিথানলের মতো অন্য তরলে তা দেখা যায় না।

এ ধরনের আবিষ্কারের ন্যানোফ্লুইডিক্স (ন্যানোস্কেলে তরল প্রবাহের অধ্যয়ন) থেকে শুরু করে শক্তি-সাশ্রয়ী পরিস্রাবণ ও লবণমুক্তকরণ প্রযুক্তি পর্যন্ত বিভিন্ন ক্ষেত্রে সুদূরপ্রসারী প্রভাব রয়েছে। কোয়ান্টাম ঘর্ষণ বুঝে তা কাজে লাগানোর মাধ্যমে বিজ্ঞানীরা এমন উপাদান ও যন্ত্র তৈরির আশা করছেন, যেগুলো অভূতপূর্ব নির্ভুলতায় শক্তি অপচয় নিয়ন্ত্রণ করতে পারবে।

কার্বন ন্যানোটিউবে কোয়ান্টাম ঘর্ষণ ও পানির প্রবাহ

ন্যানোবিজ্ঞানের সবচেয়ে কৌতূহলোদ্দীপক ধাঁধাগুলোর একটি হলো কার্বন ন্যানোটিউবে পানির আচরণ—গ্রাফিনের পাত গুটিয়ে তৈরি অতি ক্ষুদ্র নল। পরীক্ষায় দেখা গেছে, সরু ন্যানোটিউবের মধ্য দিয়ে পানি অনেক দ্রুত প্রবাহিত হয়, যা ধ্রুপদি প্রত্যাশার সঙ্গে মেলে না। কোয়ান্টাম ঘর্ষণ তত্ত্বের সমর্থন পাওয়া ব্যাখ্যাটি হলো, সরু নলে পানির সঙ্গে মিথস্ক্রিয়া করার মতো ইলেকট্রনের সংখ্যা কম থাকে; ফলে বাধা কমে এবং পানি দ্রুত প্রবাহিত হতে পারে।

ম্যাক্স প্ল্যাঙ্ক ইনস্টিটিউট ফর পলিমার রিসার্চের গবেষকেরা ব্যাখ্যা করেছেন: "পানি ও কার্বন একটি কোয়ান্টাম যুগল তৈরি করে, যেখানে কার্বন পৃষ্ঠের ওপর দিয়ে পানির প্রবাহ কোয়ান্টাম ঘর্ষণ নামের এক অস্বাভাবিক ঘটনা দ্বারা প্রভাবিত হয়।"

এই উপলব্ধি তরল গতিবিদ্যার দীর্ঘদিনের একটি রহস্যের সমাধানই শুধু করে না; পানি পরিশোধন ও শক্তি উৎপাদনের জন্য নতুন ধরনের ঝিল্লি তৈরির পথও দেখায়।

প্রযুক্তিগত তাৎপর্য: শক্তি অপচয়হীন যন্ত্রের পথে

কোয়ান্টাম স্তরে ঘর্ষণ নিয়ন্ত্রণের সক্ষমতার সুদূরপ্রসারী প্রযুক্তিগত গুরুত্ব রয়েছে। ন্যানোপ্রযুক্তির ক্ষেত্রে ঘর্ষণ কমানোর অর্থ হলো ক্ষুদ্র যন্ত্রের ক্ষয় কম, চলমান অংশের আয়ু বেশি এবং শক্তি খরচ কম। ন্যানোস্কেলে কাজ করা যন্ত্রের জন্য এটি বিশেষভাবে গুরুত্বপূর্ণ, কারণ সেখানে প্রচলিত পিচ্ছিলকারক কার্যকর নয় এবং সামান্য শক্তিক্ষয়ও উল্লেখযোগ্য হয়ে উঠতে পারে।

উদাহরণ হিসেবে, সাম্প্রতিক গবেষণায় দেখা গেছে, কার্বক্সিলেটযুক্ত গ্রাফিন কোয়ান্টাম ডট ইস্পাতের সংযোগস্থলে সুপারলুব্রিসিটি—অতি-নিম্ন ঘর্ষণের অবস্থা—তৈরি করতে পারে, যা ক্ষয় ৬৯ শতাংশ পর্যন্ত কমায়। এ ধরনের অগ্রগতি শিল্পে শক্তি-সাশ্রয়ী ও পরিবেশবান্ধব পিচ্ছিলকরণ প্রযুক্তির পথ তৈরি করছে।

ইলেকট্রনিকসে কম শক্তির যন্ত্র ও কোয়ান্টাম কম্পিউটার তৈরির জন্য ঘর্ষণ ও শক্তি অপচয় নিয়ন্ত্রণ করা জরুরি। কোয়ান্টাম ঘর্ষণকে কাজে লাগিয়ে এমন সুইচ, ভালভ বা পাম্প তৈরি করা যেতে পারে, যেগুলোতে শক্তিক্ষয় হবে খুব কম। এতে ন্যানোস্কেলের যন্ত্র ও সেন্সরের নকশায় বৈপ্লবিক পরিবর্তন আসতে পারে।

সম্ভাব্য প্রয়োগ ও ভবিষ্যৎ দিকনির্দেশনা

• ন্যানোডিভাইস: কোয়ান্টাম ঘর্ষণের সাহায্যে এমন চলমান অংশ তৈরি করা যেতে পারে, যেগুলোর ক্ষয় প্রায় হবে না; ফলে ন্যানোস্কেলের যন্ত্রের আয়ু বাড়বে।
• পরিস্রাবণ ও লবণমুক্তকরণ: কঠিন-তরল সংযোগস্থলে কোয়ান্টাম ঘর্ষণ বোঝার মাধ্যমে পানি পরিশোধনের আরও কার্যকর ঝিল্লি তৈরি করা যেতে পারে।
• শক্তি আহরণ: যান্ত্রিক গতিকে সরাসরি বিদ্যুৎশক্তিতে রূপান্তরকারী যন্ত্র নিয়ন্ত্রিত কোয়ান্টাম ঘর্ষণ থেকে উপকৃত হতে পারে।
• কোয়ান্টাম কম্পিউটিং: কোয়ান্টাম বিট (কিউবিট) ও সংশ্লিষ্ট প্রযুক্তির স্থিতিশীলতা ও দক্ষতার জন্য শক্তিক্ষয় কমানো অপরিহার্য।

চ্যালেঞ্জ ও অমীমাংসিত প্রশ্ন

উৎসাহের পাশাপাশি অনেক চ্যালেঞ্জ এখনো রয়ে গেছে। কোয়ান্টাম ঘর্ষণ একটি সূক্ষ্ম প্রভাব; এটি পর্যবেক্ষণের জন্য প্রায়ই অতি নিম্ন তাপমাত্রা ও নিখুঁত পরীক্ষামূলক ব্যবস্থা প্রয়োজন হয়। কক্ষ তাপমাত্রা বা জটিল পরিবেশের মতো বাস্তব পরিস্থিতিতে এই প্রভাব কাজে লাগানোর উপযোগী পর্যায়ে নিয়ে যাওয়া ভবিষ্যৎ গবেষণার একটি বড় লক্ষ্য হবে।

এ ছাড়া কোয়ান্টাম ঘর্ষণ সম্পর্কে তাত্ত্বিক বোঝাপড়াও এখনো বিকশিত হচ্ছে। ভাঁজ করা গ্রাফিন নিয়ে পরীক্ষাগুলো জোরালো প্রমাণ দিলেও, একই ধরনের প্রভাব অন্য উপাদানে বা ভিন্ন পরিস্থিতিতে দেখা যায় কি না, তা অনুসন্ধানে বিজ্ঞানীরা আগ্রহী। বিস্তৃত পরিসরের ব্যবস্থায় কোয়ান্টাম ঘর্ষণের পূর্বাভাস ও নিয়ন্ত্রণ করতে পারে—এমন একটি পূর্ণাঙ্গ কাঠামো তৈরি করাই চূড়ান্ত লক্ষ্য।

কোয়ান্টাম ঘর্ষণ নিয়ে অন্যান্য গবেষণার সঙ্গে তুলনা

সাম্প্রতিক অন্য গবেষণায় কোয়ান্টাম শূন্যস্থানে নিরপেক্ষ কণা ও পৃষ্ঠের মিথস্ক্রিয়ার মতো ভিন্ন প্রেক্ষাপটে কোয়ান্টাম ঘর্ষণ অনুসন্ধান করা হয়েছে। এসব পরীক্ষায় প্রায়ই জ্যামিতিক দশার সূক্ষ্ম পরিবর্তন পরিমাপ করা হয়—এটি কোয়ান্টাম ব্যবস্থার এমন একটি বৈশিষ্ট্য, যা সময়ের সঙ্গে সঞ্চিত হয়। এসব পদ্ধতির সম্ভাবনা থাকলেও, ভাঁজ করা গ্রাফিনে কোয়ান্টাম ঘর্ষণের প্রত্যক্ষ পর্যবেক্ষণ ভবিষ্যৎ গবেষণার জন্য আরও বাস্তব ও নিয়ন্ত্রণযোগ্য ব্যবস্থা তুলে ধরেছে।

বিশেষজ্ঞদের দৃষ্টিভঙ্গি ও বৈজ্ঞানিক প্রভাব

বৈজ্ঞানিক মহল আবিষ্কারটিকে উৎসাহের সঙ্গে স্বাগত জানিয়েছে। কঠিন-কঠিন সংযোগস্থলে কোয়ান্টাম ঘর্ষণ তৈরি ও পর্যবেক্ষণ করার সক্ষমতাকে বড় অগ্রগতি হিসেবে দেখা হচ্ছে, যার প্রভাব মৌলিক পদার্থবিজ্ঞান ও ব্যবহারিক প্রযুক্তি—দুই ক্ষেত্রেই পড়বে।

ম্যানচেস্টার বিশ্ববিদ্যালয়ের এক বিশেষজ্ঞ মন্তব্য করেন: "কঠিন পদার্থে সাধারণত দেখা যায় এমন কোয়ান্টাম ঘটনা পানির মতো ধ্রুপদি তরলে দেখা যাচ্ছে—এটি চিত্তাকর্ষক। তাই এই পরীক্ষাগুলো কঠিন-তরল কোয়ান্টাম ঘর্ষণের মৌলিক প্রক্রিয়াটি নিশ্চিত করে।"

এই উপলব্ধিকে কঠিন-কঠিন সংযোগস্থলে সম্প্রসারিত করে চীনা দল দেখিয়েছে, কোয়ান্টাম ঘর্ষণ নিছক কৌতূহলোদ্দীপক বিষয় নয়; এটি বাস্তব একটি বল, যা পরিমাপ ও নিয়ন্ত্রণ করা যায় এবং প্রযুক্তিগত উদ্ভাবনে কাজে লাগানো সম্ভব।

সারসংক্ষেপ

• চীনা বিজ্ঞানীরা ভাঁজ করা গ্রাফিন ব্যবহার করে দুটি কঠিন পৃষ্ঠের মধ্যে কোয়ান্টাম ঘর্ষণ সরাসরি পর্যবেক্ষণ করেছেন, যা পরীক্ষামূলক পদার্থবিজ্ঞানে বিশ্বে প্রথম।
• এই আবিষ্কার ধ্রুপদি ঘর্ষণ মডেলকে চ্যালেঞ্জ করে এবং পারমাণবিক স্তরে কোয়ান্টাম প্রভাব কীভাবে শক্তি অপচয় কমাতে পারে, তা দেখায়।
• গ্রাফিন ভাঁজ করলে বিকৃতিজনিত ছদ্ম-ল্যান্ডাউ স্তর তৈরি হয়, যা ইলেকট্রনকে বিচ্ছিন্ন শক্তি অবস্থায় আবদ্ধ করে এবং ঘর্ষণ কমায়।
• এই ফলাফলের ন্যানোপ্রযুক্তি, শক্তি-সাশ্রয়ী যন্ত্র, পানি পরিশোধন ও কোয়ান্টাম কম্পিউটিংয়ে ব্যাপক তাৎপর্য রয়েছে।
• ভবিষ্যৎ গবেষণায় এ প্রভাব অন্য উপাদান ও বাস্তব পরিস্থিতিতে প্রয়োগের ওপর জোর দেওয়া হবে, যাতে শক্তি অপচয়হীন কোয়ান্টাম যন্ত্র তৈরি করা যায়।