விஞ்ஞானிகள் எதிர்கால தொழில்நுட்பங்களுக்கு தேவையான வினோதமான 2D உலோகங்களை உருவாக்குகின்றனர்

விஞ்ஞானிகள் எதிர்கால தொழில்நுட்பங்களுக்கு தேவையான வினோதமான 2D உலோகங்களை உருவாக்குகின்றனர்

– வாசுதேவன் முகுந்த்

 

குவாண்டம் ஒடுக்கம் (quantum confinement) வழங்கும் அசாதாரண பொருள் பண்புகள் நிஜ உலகில் மிகப்பெரிய மதிப்பைக் கொண்டவை. கிராபீன் (graphene) மற்றும் குவாண்டம் புள்ளிகள் (quantum dots) போன்ற பொருட்களைப் பின்பற்றி, 2D உலோகங்களை உருவாக்க விஞ்ஞானிகள் முயற்சி செய்து வருகின்றனர். ஆனால் அவர்கள் ஒரு சிக்கலான பிரச்சினையை எதிர்கொள்கின்றனர்: உலோக அணுக்களே தடையாக உள்ளன.

 குவாண்டம் புள்ளிகள் என்றால் என்ன?

குவாண்டம் புள்ளி என்பது சில நானோமீட்டர் அகலம் கொண்ட ஒரு வகை குறைக்கடத்தி (semiconductor). இது LED விளக்குகள், மருத்துவ நோயறிதல், அச்சிடுதல், குறைக்கடத்தி உற்பத்தி மற்றும் சூரிய பேனல்கள் உள்ளிட்ட பல துறைகளில் பயன்படுகிறது. இவை மிகச் சிறியவையாக இருந்தாலும், நமது உலகில் பெரிய தாக்கத்தை ஏற்படுத்தியுள்ளன. 2023 ஆம் ஆண்டில், குவாண்டம் புள்ளிகளை விரைவாகவும் நம்பகமாகவும் உருவாக்கும் முறையை கண்டுபிடித்தவர்களுக்கு வேதியியலுக்கான நோபல் பரிசு வழங்கப்பட்டது.

 குவாண்டம் ஒடுக்கத்தின் சக்தி

குவாண்டம் புள்ளிகளின் அற்புதமான திறன்கள் “குவாண்டம் ஒடுக்கம்” என்ற நிகழ்விலிருந்து உருவாகின்றன. ஒரு சுவிட்சை அழுத்தும் போது, பல்பு எரிகிறது. இது தாமிர கம்பிகள் வழியாக மின்னணுக்கள் மின்சார மூலத்திலிருந்து பல்புக்கு பாய்வதால் நடக்கிறது. கம்பிகள் (மின்னணுவின் பார்வையில்) தடித்தவை மற்றும் நீளமானவை என்பதால், மின்னணுக்கள் நெருக்கமாக இல்லாமல் சுதந்திரமாக நகரும். ஆனால் குவாண்டம் புள்ளியில் இடம் குறைவு, மின்னணுக்கள் ஒப்பீட்டளவில் அதிக அடர்த்தியில் உள்ளன. எனவே, அவை அணுக்களில் சிறைபடுத்தப்படாவிட்டாலும், முழு குவாண்டம் புள்ளியிலும் சுதந்திரமாக நகர முடியாது.

 ஆற்றல் மட்டங்களில் மாற்றம்

இந்த சூழ்நிலையில், ஒவ்வொரு மின்னணுவின் ஆற்றல் அளவு மாறுகிறது. உங்கள் வீட்டின் தாமிர கம்பியில், ஒரு மின்னணு கூடுதல் ஆற்றலைப் பெற்றால், அது வேகமாக நகரும். ஆனால் குவாண்டம் புள்ளியில் இடம் இல்லாததால், மின்னணுக்கள் மின்னழுத்தத்தை அதிகரித்தாலும் கூடுதல் ஆற்றலைப் பெற முடியாது. பதிலாக, அவை குறிப்பிட்ட ஆற்றல் அளவுகளை மட்டுமே கொண்டிருக்கும். இது அணுவில் உள்ள மின்னணுக்களின் நடத்தைக்கு ஒத்ததாகும். இதை ஒரு திரையரங்கத்துடன் ஒப்பிடலாம்:

• தாமிர கம்பி மின்னணுக்கள்: எந்த இருக்கைகளையும் நிரப்ப சுதந்திரம்.
• அணு/குவாண்டம் புள்ளி மின்னணுக்கள்: சில வரிசைகள் மூடப்பட்டிருக்கும்; மற்றவற்றில் குறிப்பிட்ட இருக்கைகள் மட்டுமே கிடைக்கும்.

இந்த நடத்தையின் காரணமாக, குவாண்டம் புள்ளி ஒரு பெரிய அணு போல் செயல்படுகிறது. இதே கோட்பாடுகள் 2D உலோகங்களுக்கும் பயன்படுத்தப்படுகின்றன, அவை எதிர்காலத் தொழில்நுட்பங்களில் புரட்சியை ஏற்படுத்தும் என்று எதிர்பார்க்கப்படுகிறது.

 3D அல்லாத பொருட்கள்

மின்னணுக்கள் இறுக்கமாக நிரம்பியிருப்பதால் ஏற்படும் கட்டுப்பாடுகளுக்கு குவாண்டம் ஒடுக்கம் (quantum confinement) காரணம் எனக் கூறப்படுகிறது. ஒரு பொருள் அதன் மின்னணுக்களை எத்தனை பரிமாணங்களில் கட்டுப்படுத்துகிறது என்பதை அடிப்படையாகக் கொண்டு 1D அல்லது 2D பொருள் என்று வகைப்படுத்தப்படுகிறது.

• குவாண்டம் புள்ளி ஒரு பூஜ்ஜிய–பரிமாண பொருள் எனக் கருதப்படுகிறது: மின்னணுக்கள் தொழில்நுட்ப ரீதியாக மூன்று பரிமாணங்களிலும் நகர முடிந்தாலும், அதன் அளவு மிகவும் சிறியதாக இருப்பதால் அது வெளியில் ஒரு புள்ளிபோல் செயல்படுகிறது.

 கிராபீன்: ஒரு பிரபலமான 2D பொருள்

கிராபீன் என்பது ஒரு ஒற்றை அடுக்கு கார்பன் அணுக்களால் ஆனது. இந்த அணுக்கள் அறுகோண வடிவத்தில் ஒன்றோடொன்று பிணைக்கப்பட்டுள்ளன. இந்த அடுக்கில் உள்ள மின்னணுக்கள் இரு பரிமாணங்களில் மட்டுமே நகரும் திறன் கொண்டவை (எனவே 2D). இதன் விளைவாக, இவை திணிவு இல்லாதது போன்ற அசாதாரண பண்புகளை வெளிப்படுத்துகின்றன. இது பிற பொருட்களில் காணப்படாத சிறப்பு இயல்புகளுக்கு வழிவகுக்கிறது.

 2D உலோகங்களை உருவாக்கும் சவால்

குவாண்டம் ஒடுக்கம் வழங்கும் இத்தகைய அசாதாரண பண்புகள் நடைமுறை உலகில் முக்கியமானவை. இதனால்தான் விஞ்ஞானிகள் 2D உலோகங்களை உருவாக்க முயற்சிக்கின்றனர். ஆனால் அவர்கள் முட்கள் நிறைந்த சிக்கலை (thorny problem) எதிர்கொள்கின்றனர்.

 கிராபீன் தாள்களின் இடைவினை

ஒரு கிராபீன் தாளை மற்றொன்றின் மேல் வைத்தால், அவற்றுக்கிடையே வான் டெர் வால்ஸ் தொடர்பு (van der Waals interaction) என்ற பலவீனமான பிணைப்புகள் உருவாகும். இவை மிகவும் எளிதில் முறிக்கக்கூடியவை:

• இத்தகைய பிணைப்புகள் தாள்களை விலகிச் செல்லாமல் தடுக்கும்.
• ஆனால் ஒரு தாளை சிறிது இழுத்தாலும், இந்த தொடர்பு உடைந்து தாள்கள் பிரிந்து விடும்.

 கிராபீனை பிரித்தெடுக்கும் எளிய முறை

கிராபீனைக் கண்டறிந்த விஞ்ஞானிகள், கிராபைட்ட் (graphite) எனப்படும் கார்பன் படிகத்தின் மேல் செலோபேன் டேப்பை (cellophane tape) ஒட்டி, அதை மெதுவாக இழுத்து எடுத்த போது, டேப்புடன் சில கிராபீன் அடுக்குகள் பிரிந்து வந்தன. இந்த எளிய செயல்முறை கிராபீனின் ஆராய்ச்சியில் புரட்சியை ஏற்படுத்தியது!

 மிக, மிக தட்டையான உலோகங்கள்

கார்பன் ஒரு உலோகமாக இருந்தால் இது சாத்தியமாகாது. ஒரு உலோக அணுவின் பிரச்சினை என்னவென்றால், அது தன்னைச் சுற்றியுள்ள அனைத்து அணுக்களுடனும் பிணைப்புகளை ஏற்படுத்த விரும்புகிறது. வேறு வார்த்தைகளில் கூறினால், உலோக அணுக்கள் 3D பரிமாணத்தில் எளிதாக பிணைப்புகளை உருவாக்குகின்றன. அவற்றை 2D பரிமாணத்தில் மட்டும் பிணைக்க முயல்வது மிகவும் சவாலானது. இதனால்தான் பொருள் விஞ்ஞானிகள் ஒரு தசாப்தத்திற்கும் மேலாக பல்வேறு நுட்பங்களைப் பயன்படுத்தி 2D உலோகங்களை உருவாக்க முயன்று வருகின்றனர், ஆனால் இதுவரை வெற்றி பெறவில்லை.

 தோல்வியடைந்த முயற்சிகள்

அவர்கள் முயற்சித்த சில முறைகள்:

1. உலோக அணுக்களை ஒரு அடிமானம் (substrate) மீது மெதுவாக படிவிக்க முயலுதல்.
2. 2D பொருள் மற்றும் அடிமானத்திற்கு இடையில் உலோகத் துண்டுகளை இடையில் அடுக்குதல் (sandwiching).
3. உலோகத் துண்டுகளை சுத்தியலால் அடித்து மெல்லிய தகடுகளாக மாற்றுதல்.

இருப்பினும், அவர்களால் சில நானோமீட்டர் தடிமன் கொண்ட உலோகத் தாள்களை மட்டுமே உருவாக்க முடிந்தது. இது போதுமானதல்ல: அணு அளவிலான மெல்லிய தாள்கள் 10 மடங்கு மெல்லியவை (சிறந்த நிலையில் சில ஆங்ஸ்ட்ராம் [Å] மட்டுமே). மேலும், இந்த பொருட்களின் மேற்பரப்பு சமதளமற்றது என்றும், உலோக அணுக்கள் வளிமண்டலத்தின் ஆக்சிஜனுடன் வினைபுரிந்து ஆக்சைடு சேர்மங்களை உருவாக்குகின்றன என்றும் கண்டறிந்துள்ளனர்.

 ஏன் இந்த முயற்சி தொடர்கிறது?

2D உலோகங்கள் அடுத்த தலைமுறை தொழில்நுட்பங்களுக்கு தேவையான தனித்துவமான பண்புகளை கொண்டிருக்கும் என்று எதிர்பார்க்கப்படுவதால் விஞ்ஞானிகள் முயற்சி செய்கின்றனர். இவற்றில் குறிப்பிடத்தக்கவை:

• மருத்துவம் முதல் இராணுவம் வரை பயன்படுத்தக்கூடிய மீஉணர்திறன் சென்சார்கள்.
• இடவியல் காப்பிடிகள் (topological insulators) என்று அழைக்கப்படும் 2D பிஸ்மத் மற்றும் தகரம். இவை அவற்றின் விளிம்புகளில் மட்டுமே மின்சாரத்தைக் கடத்தும். இந்த நிலையில், பொருள்சிறிய தீவுகளாக (small islands) காந்தமாக்கப்படும். இந்த நிகழ்வு விரைவான கணினிகளை உருவாக்க பயன்படுத்தலாம் என்று இயற்பியலாளர்கள் கூறுகின்றனர்.

 உயர் அழுத்த சாண்ட்விச் முறை

நேச்சர் இதழில் சமீபத்தில் வெளியான ஒரு ஆய்வறிக்கையின்படி, 2D உலோகங்களை உருவாக்கும் பயணத்தில் இறுதியாக வெற்றிக்கான வாய்ப்பு உள்ளது. பீஜிங் தேசிய கண்டென்ஸ்டு மேட்டர் இயற்பியல் ஆய்வகம், சைனீஸ் அகாடமி ஆஃப் சயின்சஸ் பல்கலைக்கழகம் (பீஜிங்), மற்றும் சாங்ஷான் ஏரி பொருட்கள் ஆய்வகம் (டோங்குவான்) ஆகியவற்றைச் சேர்ந்த விஞ்ஞானிகள், பிஸ்மத், காலியம், இண்டியம், தகரம் மற்றும் ஈயம் போன்ற உலோகங்களின் 2D தாள்களை உற்பத்தி செய்ய ஒரு புதிய முறையை கண்டுபிடித்துள்ளனர். இந்த முறை சிக்கலானது அல்ல — ஆனால் இதற்குத் தேவையான தொழில்நுட்பங்கள் பல ஆண்டுகளாக முன்னேறியிருப்பதே காரணம்.

 2D உலோகத் தாள்களை உருவாக்கும் படிநிலைகள்

1. உலோகத் தூள் தயாரித்தல்: எ.கா., தூய பிஸ்மத் தூள்.
2. அடிமான அமைப்பு: சபையர் (sapphire) தட்டின் மீது ஒரு அடுக்கு மாலிப்டினம் டைசல்பைடு (MoS₂) படிவிக்கப்படுகிறது. இது கீழ் அடிக்கல் (bottom anvil).
3. உலோகத்தை உருகுதல்: கீழ் அடிக்கல் சூடாக்கப்படும் போது, பிஸ்மத் தூள் உருகி பரவுகிறது.
4. மேல் அடிக்கல் இடுதல்: மேலும் ஒரு MoS₂ அடுக்கு (சபையர் தட்டுடன்) உருகிய உலோகத்தின் மேல் வைக்கப்படுகிறது. இப்போது, உலோகத் துளி இரு MoS₂ அடுக்குகளுக்கு இடையே “சாண்ட்விச்” செய்யப்படுகிறது.
5. அழுத்தம் மற்றும் திருகுதல்: மேல் அடிக்கல் சிறிது சுழற்றப்பட்டு, 200 மில்லியன் பாஸ்கல் (Pa) அழுத்தத்தில் இறுக்கம் செய்யப்படுகிறது. இந்த அழுத்தம் அடிக்கல்கள் அறை வெப்பநிலைக்கு குளிர்ச்சியடையும் வரை நீடிக்கப்படுகிறது.
6. 2D தாளை பிரித்தெடுத்தல்: கடைசியாக, 6.3 ஆங்ஸ்ட்ராம் (≈2 அணுக்கள்) தடிமன் கொண்ட பிஸ்மத் தாள் பிரிக்கப்படுகிறது.

 MoS₂ மற்றும் சபையரின் முக்கியத்துவம்

• MoS₂ மற்றும் சபையர் ஆகியவை முறையே 430 பில்லியன் Pa மற்றும் 300 பில்லியன் Pa யங்கின் மாடுலஸ் (Young’s modulus) கொண்டவை. இது கடல் மட்டத்தில் உள்ள வளிமண்டல அழுத்தத்தை விட 10 லட்சம் மடங்கு அதிகம்!
• இவற்றின் மென்மையான மேற்பரப்புகள், பிஸ்மத் அணுக்களுடன் பிணைப்புகளை ஏற்படுத்தாமல் 2D கட்டுப்பாட்டை உறுதி செய்கின்றன.

 கண்டுபிடிப்புகளின் சிறப்பம்சங்கள்

1. வலுவான மின்புல விளைவு (Field Effect): வெளிப்புற மின்புலத்தைப் பயன்படுத்தி, தாளின் மின் கடத்துதிறனை கட்டுப்படுத்தலாம்.
2. நேரியல் அல்லாத ஹால் விளைவு (Nonlinear Hall Effect): மின்புலம் கொடுக்கப்படும் போது, தாள் லம்ப செங்குத்து திசையில் மின்னழுத்தத்தை உருவாக்குகிறது. இது 3D உலோகங்களில் காணப்படாத ஒரு புதுமை.

 உலகத்தை மாற்றும் புதிய முயற்சி

“வான் டெர் வால்ஸ் பொருட்களுக்கு இடையே மெல்லிய படிகங்களை வளர்க்கும் முதல் முயற்சி இது அல்ல. கடந்த ஆண்டு, ஹெக்ஸாகனல் போரான் நைட்ரைட் அடுக்குகளுக்கு இடையே ஒற்றை அணு தடிமனான கிராபீன் நானோ-நாடாக்கள் மற்றும் MoS₂ துகள்களுக்கு இடையே சில நானோமீட்டர் தடிமனான தங்க நானோபடிகங்கள் உருவாக்கப்பட்டதாக அறிக்கைகள் வெளியாகின,” என்று கலிபோர்னியா பல்கலைக்கழகத்தின் (ஐர்வின்) இயற்பியலாளர் ஜாவியர் சான்செஸ்-யமகாஷி, இந்த ஆய்வுக்கான கருத்துரையில் எழுதினார். “எனது ஆராய்ச்சிக் குழுவும் பிஸ்மத்தின் அதி மெல்லிய படிகங்களை ஹெக்ஸாகனல் போரான் நைட்ரைட் அடுக்குகளுக்கு இடையே உலோகத்தை அழுத்தி உருவாக்கியது. ஆனால் எங்கள் படிகங்களின் குறைந்தபட்ச தடிமன் 5 நானோமீட்டர் ஆகும்.”

முக்கிய வேறுபாடு

“ஜாவோ மற்றும் அவரது சகாக்களின் முறையுக்கும் எங்கள் முறைக்கும் உள்ள முக்கிய வேறுபாடு என்னவென்றால், அவர்கள் MoS₂ பூசப்பட்ட பெரிய (சென்டிமீட்டர் அளவு) சபையர் தட்டுகளை பயன்படுத்தினர். இது அணு அளவிலான மெல்லிய உலோகங்களை உருவாக்க முக்கியமான காரணியாக இருக்கலாம்,” என்று அவர் கூறினார்.

 முன்னேற்றம் மற்றும் சவால்கள்

சான்செஸ்-யமகாஷியின் கூற்றுப்படி, இந்த புதிய முறை “விலை உயர்ந்த மற்றும் சிக்கலான நுட்பங்களுடன் ஒப்பிடும்போது குறிப்பிடத்தக்க முன்னேற்றம்“. இது முதல் முயற்சியாக இருப்பதால், புதிய வாய்ப்புகள் மற்றும் சவால்கள் காத்திருக்கின்றன:

1. பல உலோகங்களைக் கொண்ட 2D தாள்கள்: தற்போதைய முறை ஒரு உலோகத்தை மட்டுமே பயன்படுத்துகிறது. பல உலோகங்களின் கலவையைக் கொண்ட 2D தாள்களை உருவாக்கும் வழிகளை ஆராயலாம்.
2. அறை வெப்பநிலை இடவியல் காப்பிடிகள் (Topological Insulators): இப்போது உருவாக்கப்பட்ட பிஸ்மத் தாள், குறிப்பிட்ட நிபந்தனைகளில் மட்டுமே இடவியல் காப்பிடியாக செயல்படுகிறது. இதை எளிதாகவும் நம்பகமாகவும் உருவாக்கும் தொழில்நுட்பம் தேவை. 2023 வேதியியல் நோபல் பரிசு வென்றவர்கள் குவாண்டம் புள்ளிகளை உருவாக்கியது போல், இதுவும் ஒரு புரட்சியை ஏற்படுத்தலாம்.
3. பெரிய பரப்பளவு கொண்ட 2D உலோகங்கள்: தற்போதைய முறை சிறிய தாள்களை மட்டுமே தருகிறது. இதை மேம்படுத்தி பெரிய அளவிலான உற்பத்தி செய்யலாம்.

 ஆராய்ச்சியின் எதிர்காலம்

இந்த ஆய்வு 2D உலோகங்களின் மின்னணு பண்புகள் பற்றிய புதிய அறிவை வழங்கும். சான்செஸ்-யமகாஷி குறிப்பிடுகையில், “இந்த ஆய்வில் தயாரிக்கப்பட்ட பிற 2D உலோகங்களின் மின்னணு பண்புகள் பற்றி இன்னும் குறைவாகவே தெரியும். இவற்றின் ஸ்திரத்தன்மை மற்றும் பெரிய அளவு ஆகியவை பிற பொருட்களுடன் இணைக்கவும், புதிய மின்னணு அல்லது ஒளியியல் சாதனங்களை உருவாக்கவும் பல வாய்ப்புகளை திறக்கிறது.”

 முடிவுரை: இந்த கண்டுபிடிப்புகள், பொருள் அறிவியலில் ஒரு புதிய அத்தியாயத்தை தொடங்கியுள்ளன. 2D உலோகங்களின் இரகசியங்களை வெளிக்கொண்டுவரும் ஆராய்ச்சிகள், தொழில்நுட்ப உலகை மீண்டும் வடிவமைக்கும்!

கட்டுரையாளர் :

வாசுதேவன் முகுந்த்
தமிழில்: டீப்சீக்

நன்றி:

இந்து நாளிதழ்

விஜயன் 

Click to Join Telegram Group Link : https://t.me/+lyAFK8ZE0iczZjE1

Click to Join WhatsApp Channel Link : https://whatsapp.com/channel/0029VanQNeO4NVioUBbXer3q

இப்பதிவு குறித்த தங்கள் கருத்துக்களை அவசியம் கீழே உள்ள Comment Boxல் பதிவிட வேண்டுகிறோம்.

புக் டே இணையதளத்திற்கு தங்களது நூல் அறிமுகம், கட்டுரைகள் (அறிவியல், பொருளாதாரம், இலக்கியம்), கவிதைகள், சிறுகதை என அனைத்து  படைப்புகளையும், எங்களது bookday24@gmail.com மெயில் அனுப்பிட வேண்டுகிறோம்.