আয়নগুলি ছিদ্রযুক্ত MOF-এর মধ্য দিয়ে ইলেকট্রনকে লাফাতে সাহায্য করে, মস্তিষ্ক-অনুপ্রাণিত কম্পিউটিংয়ের দিকে এক ধাপ

সিমুলেশন প্রকাশ করে ছিদ্রযুক্ত স্ফটিকের মধ্যে আয়ন ও ইলেকট্রন কীভাবে মিথস্ক্রিয়া করে

জৈবিক মস্তিষ্ক যেভাবে তথ্য প্রক্রিয়া করে তা অনুকরণ করে কম্পিউটার তৈরির প্রচেষ্টা নির্ভর করে এমন উপাদান খুঁজে বের করার উপর যাদের অভ্যন্তরীণ আচরণ ক্ষুদ্রতম স্কেলে নিয়ন্ত্রণ করা যায়। টেক্সাস A&M ইউনিভার্সিটির নতুন গবেষণা এমনই এক ধরনের উপাদান — মেটাল-অর্গানিক ফ্রেমওয়ার্ক, বা MOF — এবং তাদের ভিতরে চলমান আধানযুক্ত কণাগুলির সূক্ষ্ম নৃত্যের দিকে বিস্তারিতভাবে নজর দেয়।

জার্নাল অফ দ্য আমেরিকান কেমিক্যাল সোসাইটিতে প্রকাশিত এই কাজটি পরিচালনা করেন ড. পার্লা বালবুয়েনা, রাসায়নিক প্রকৌশলের অধ্যাপক, সঙ্গে ছিলেন পোস্টডক্টরাল গবেষক ড. আলেহান্দ্রো আভিলেস সানচেজ। একটি সম্পূর্ণ ডিভাইস পরীক্ষা করার বদলে, দলটি মৌলিক প্রশ্নগুলিতে মনোযোগ দেয়: ইলেকট্রনগুলি কীভাবে এই ছিদ্রযুক্ত কাঠামোর মধ্য দিয়ে যায়, এবং কাছাকাছি থাকা আয়নগুলি সেই যাত্রাকে কীভাবে বদলে দেয়?

মেটাল-অর্গানিক ফ্রেমওয়ার্ক কেন আগ্রহ আকর্ষণ করে

MOF হল ধাতব কেন্দ্র থেকে তৈরি ক্ষুদ্র ত্রিমাত্রিক নেটওয়ার্ক, যা লিংকার নামে পরিচিত জৈব অণু দ্বারা পরস্পর সংযুক্ত। যেহেতু ধাতব নোড এবং লিংকার উভয়ই পরিবর্তন করা যায়, তাই ফলস্বরূপ উপাদানগুলি রাসায়নিক ও ইলেকট্রনিক বৈশিষ্ট্যের এক অসাধারণ বিস্তৃত পরিসর জুড়ে থাকে।

এই বহুমুখীতাই MOF-কে উন্নত ইলেকট্রনিক্স অন্বেষণকারী গবেষকদের কাছে আকর্ষণীয় করে তোলে। এই পরিবারের কিছু সদস্য বিদ্যুৎ পরিবহনে সক্ষম, তবুও আধান বাহকগুলি তাদের অভ্যন্তরীণ স্থাপত্যের মধ্য দিয়ে কীভাবে চলে তা একটি অমীমাংসিত প্রশ্ন থেকে গেছে। বালবুয়েনার দল যে নির্দিষ্ট MOF পরীক্ষা করেছে, তাতে ইলেকট্রন যোগ করার সাথে সাথে পরিবাহিতা পরিবর্তিত হয় — এই আচরণটি দলটি সূক্ষ্ম স্তরে ব্যাখ্যা করতে চেয়েছিল।

বাল্ক নমুনার বদলে পৃথক পরমাণু অধ্যয়ন

সেই প্রক্রিয়াগুলি অনুসন্ধান করতে গবেষকরা উন্নত কম্পিউটার সিমুলেশনের দিকে ঝুঁকেছেন। বালবুয়েনার মতে, এই গণনামূলক পদ্ধতিই বিশ্লেষণ সম্ভব করে তোলে: এটি দলটিকে উপাদানের পৃথক উপাদানগুলি কীভাবে মিথস্ক্রিয়া করে ও চলে তা পর্যবেক্ষণ করতে দেয়, এবং তারপর সেই ক্ষুদ্র-স্কেলের আচরণগুলিকে সামগ্রিকভাবে উপাদানের বৈশিষ্ট্যের সাথে সংযুক্ত করে। কার্যত, সিমুলেশনগুলি এমন একটি অণুবীক্ষণ যন্ত্রের মতো কাজ করে যা সরাসরি অনুসরণ করার জন্য অত্যন্ত ছোট ও দ্রুত প্রক্রিয়াগুলির দিকে লক্ষ্য রাখে।

মূল আবিষ্কার: আয়নগুলি ইলেকট্রনের চলাচল সহজ করে

আভিলেস দলটির উদ্দেশ্য স্পষ্টভাবে বর্ণনা করেন: ইলেকট্রনগুলি কীভাবে MOF-এর মধ্য দিয়ে চলে এবং এর কাঠামোর পরিবর্তনগুলি — সঙ্গে কাছাকাছি আয়নের উপস্থিতি — সেই গতিকে কীভাবে প্রভাবিত করে তা বোঝা। তিনি বলেন, সবচেয়ে তাৎপর্যপূর্ণ ফলাফল হল উপাদানের ভিতরে অবস্থিত আয়নগুলি ইলেকট্রনের চলাচল সহজ করতে পারে।

এই ফলাফল দুটি ধরনের আধান পরিবহনের মধ্যে ঘনিষ্ঠ সংযোগের দিকে ইঙ্গিত করে, যেগুলি প্রায়শই আলাদাভাবে বিবেচনা করা হয়। নিষ্ক্রিয় দর্শক হিসেবে কাজ করার বদলে, আয়নগুলি সহায়ক হিসেবে কাজ করে বলে মনে হয়, ফ্রেমওয়ার্কের মধ্য দিয়ে লাফানো ইলেকট্রনের পথ মসৃণ করে। গবেষকরা একটি জিঙ্ক-ভিত্তিক মেটাল-অর্গানিক ফ্রেমওয়ার্কের ভিজ্যুয়ালাইজেশনের মাধ্যমে ধারণাটি চিত্রিত করেন, দেখিয়ে দেন কীভাবে কাছাকাছি অবস্থিত একটি পটাশিয়াম আয়ন কাঠামোর মধ্য দিয়ে একটি ইলেকট্রনের চলাচলকে প্রভাবিত করতে পারে।

এমন একটি উপাদান যার প্রতিক্রিয়া আধানের সাথে পরিবর্তিত হয়

যেহেতু ইলেকট্রন প্রবেশ করানোর সাথে সাথে MOF-এর পরিবাহিতা পরিবর্তিত হয়, তাই আয়নগুলির ভূমিকা বোঝা উপাদানটি বিভিন্ন পরিস্থিতিতে কেন এমন আচরণ করে তা ব্যাখ্যা করতে সাহায্য করতে পারে। আয়নিক ও ইলেকট্রনিক গতির পারস্পরিক ক্রিয়া সেই প্রতিক্রিয়া ইচ্ছাকৃতভাবে নিয়ন্ত্রণ করার উপায়ও Suggest করতে পারে।

আয়নিক-ইলেকট্রনিক সংযোগ কেন গুরুত্বপূর্ণ

প্রচলিত অর্ধপরিবাহীতে, প্রবাহ ইলেকট্রন বা হোল দ্বারা বহন করা হয়, এবং উপাদানের কাঠামো বেশিরভাগই স্থির থাকে। আয়নিক ও ইলেকট্রনিক পরিবহন একত্রিত করে এমন সিস্টেমগুলি ভিন্নভাবে আচরণ করে: আয়নগুলির চলাচল স্থানীয় পরিবেশ পরিবর্তন করতে পারে এবং ফলস্বরূপ, ইলেকট্রনগুলি যে সহজে অতিক্রম করে তাও পরিবর্তন করতে পারে। টেক্সাস A&M-এর সিমুলেশনগুলি একটি MOF-এর ভিতরে সেই নীতিটি চিত্রিত করে, যেখানে একটি ইলেকট্রনের পথের কাছে একটি পটাশিয়াম আয়ন লাফানোর শর্তগুলি পরিবর্তন করে।

এই সংযোগ জৈবিক সিস্টেম থেকেও পরিচিত, যেখানে আয়ন গ্রেডিয়েন্ট ও প্রবাহ সংকেতের ভিত্তি। এই সাদৃশ্যই একটি কারণ যে MOF এবং সংশ্লিষ্ট ছিদ্রযুক্ত উপাদানগুলি মস্তিষ্ক-অনুপ্রাণিত ডিজাইন অনুসরণকারী গবেষকদের মনোযোগ আকর্ষণ করে: একই উপাদান একইসাথে আধান বাহক এবং তাদের মডুলেট করা আয়নিক গতি উভয়কেই ধারণ করতে পারে।

মৌলিক পদার্থবিজ্ঞানকে নিউরোমরফিক কম্পিউটিংয়ের সাথে সংযুক্ত করা

গবেষণাটি মৌলিকভাবে অনুপ্রাণিত — এটি একটি বাণিজ্যিক উপাদান সরবরাহ করার বদলে প্রক্রিয়াগুলি বর্ণনা করতে চায়। তবুও, ফলাফলগুলি এমন ইলেকট্রনিক্সের ডিজাইনে অবদান রাখতে পারে যা সময়ের সাথে তাদের আচরণ অভিযোজিত করতে সক্ষম। যে প্রযুক্তিগুলি উপকৃত হতে পারে তার মধ্যে রয়েছে নিউরোমরফিক ডিভাইস, নিউরনগুলি কীভাবে প্রতিক্রিয়া জানায় ও যোগাযোগ করে তার দিকগুলি অনুকরণ করার জন্য নির্মিত হার্ডওয়্যার, এবং যে অ্যানালগ কম্পিউটারগুলি অনুসরণ করতে পারে।

গবেষণার কয়েকটি বৈশিষ্ট্য বিশেষভাবে লক্ষণীয়:

• উপাদান শ্রেণি: মেটাল-অর্গানিক ফ্রেমওয়ার্ক, জৈব লিংকার দ্বারা সংযুক্ত ধাতব কেন্দ্রের ত্রিমাত্রিক নেটওয়ার্ক, রাসায়নিক ও ইলেকট্রনিক বৈশিষ্ট্যের বিস্তৃত পরিসর সরবরাহ করে।
• পদ্ধতি: উন্নত কম্পিউটার সিমুলেশন গবেষকদের পৃথক উপাদানগুলির মিথস্ক্রিয়া পর্যবেক্ষণ করতে এবং সেগুলিকে উপাদানের সামগ্রিক আচরণের সাথে সম্পর্কিত করতে দেয়।
• মূল ফলাফল: উপাদানের ভিতরের আয়নগুলি ইলেকট্রনের চলাচল সহজ করতে পারে, যা প্রদর্শন করে যে আয়নিক ও ইলেকট্রনিক পরিবহন ঘনিষ্ঠভাবে সংযুক্ত।
• সম্ভাব্য প্রয়োগ: এই অন্তর্দৃষ্টিগুলি ভবিষ্যতের ইলেকট্রনিক্সকে পথ দেখাতে পারে যা তাদের আচরণ অভিযোজিত করতে সক্ষম, যার মধ্যে পরবর্তী প্রজন্মের অ্যানালগ কম্পিউটিংয়ের জন্য নিউরোমরফিক ডিভাইসও রয়েছে।

মস্তিষ্ক-অনুপ্রাণিত কম্পিউটিং প্রচলিত ডিজিটাল স্থাপত্যকে সংজ্ঞায়িত করা স্মৃতি ও প্রক্রিয়াকরণের কঠোর বিচ্ছেদের বাইরে যেতে চায়। যদি একটি একক উপাদান আয়নিক ও ইলেকট্রনিক উভয় গতিকে সমর্থন করতে পারে — এবং যদি আয়নগুলি ইলেকট্রনগুলি কত সহজে চলাচল করে তা মডুলেট করতে পারে — তবে সেই সমন্বয় এমন সার্কিট তৈরির জন্য উপযোগী প্রমাণিত হতে পারে যাদের বৈদ্যুতিক বৈশিষ্ট্য তাদের ইতিহাসের প্রতিক্রিয়ায় পরিবর্তিত হয়, অনেকটা জৈবিক সিন্যাপ্স ব্যবহারের সাথে শক্তিশালী বা দুর্বল হওয়ার মতো।

এই কাজ কী সমাধান করে এবং কী করে না

গবেষণার পরিধি ইচ্ছাকৃতভাবে সংকীর্ণ। এটি একটি সম্পূর্ণ নিউরোমরফিক চিপ প্রদর্শনের বদলে এক শ্রেণির উপাদানে একটি প্রক্রিয়া ব্যাখ্যা করে, এবং MOF-এ আধান পরিবহন সম্পর্কে অনেক প্রশ্নের উত্তর দেয় না। বিজ্ঞানীদের এখনও এই ফ্রেমওয়ার্কগুলির মধ্য দিয়ে বিদ্যুৎ কীভাবে প্রবাহিত হয় তার একটি সম্পূর্ণ চিত্র নেই, এবং এখানে পর্যবেক্ষণ করা আচরণ সম্ভাব্য MOF গঠনের বিশাল বৈচিত্র্য জুড়ে ভিন্ন হতে পারে।

টেক্সাস A&M দল যা সরবরাহ করেছে তা হল ধাঁধার একটি টুকরোর আরও স্পষ্ট দৃশ্য: পারমাণবিক স্কেলে আয়ন ও ইলেকট্রনের মধ্যে সম্পর্ক। এই ধরনের প্রক্রিয়াগত বোঝাপড়া সাধারণত প্রকৌশলের আগে আসে। একটি নির্দিষ্ট কার্য সম্পাদনের জন্য উপাদান ডিজাইন করার আগে — এই ক্ষেত্রে, অভিযোজিত, মস্তিষ্ক-সদৃশ গণনা সমর্থন করা — গবেষকদের জানতে হয় কোন নবগুলি ঘোরাতে হবে এবং কেন সেগুলি গুরুত্বপূর্ণ।

নিবন্ধটি জার্নাল অফ দ্য আমেরিকান কেমিক্যাল সোসাইটিতে প্রকাশিত হয়েছে, এবং Science X-এর সম্পাদকীয় প্রক্রিয়া বিষয়বস্তুটিকে ফ্যাক্ট-চেকড, পিয়ার-রিভিউড এবং একটি বিশ্বস্ত সূত্র থেকে নেওয়া হিসেবে চিহ্নিত করেছে। এমন একটি ক্ষেত্রের জন্য যা এখনও এটিকে এগিয়ে নিয়ে যাওয়ার জন্য সঠিক হার্ডওয়্যার খুঁজছে, এই ধরনের গবেষণাগুলি সেই মৌলিক বিশদ সরবরাহ করে যার উপর পরবর্তী ডিভাইসগুলি নির্মিত হতে পারে।

এই নিবন্ধটি Phys.org-এর রিপোর্টিংয়ের উপর ভিত্তি করে। মূল নিবন্ধটি পড়ুন।