நானோ ப்லூயிட்ஸ்

வலையில் அறிவியல் பக்கங்களில் அவ்வப்போது அகழ்ந்து கொண்டிருந்தீர்களென்றால் நானோ திரவங்கள் அல்லது நானோ ஃப்லூயிட்ஸ் (nanofluids) என்று ஒரு விஷயம் கேள்விப்பட்டிருப்பீர்கள். என்ன என்று சற்று விரிவாக தமிழில் பார்ப்போம்.

நானோ மீட்டர் என்பது ஒரு மீட்டரில் ஒன்றின் கீழ் நூறு கோடி பாகம். ஒப்புமைக்காக பார்த்தால், ஒரு அணுவின் அளவு ஒரு மீட்டரில் ஒன்றின் கீழ் ஆயிரம் கோடி பாகம். ஆங்ஸ்ட்ராம் என்பார்கள். நானோ அளவு அணு அளவைவிட பத்து மடங்கு பெரிய, மிகச்சிறிய அளவு. அப்படியென்றால் நானோ திரவம் என்பது நிச்சயமாக இருக்கிறதா இல்லையா என்று கண்ணுக்கே தெரியாத நானோ ஸைசில் உள்ள திரவமா? நிச்சயம் இல்லை என்று நம் பொது நுட்பத்திலிருந்தே அனுமானிக்கலாம்.

சரி, அப்படியென்றால் நானோ திரவம் நானோ சைஸ் துகள்களால் ஆனது என்று கூறலாமா? அதுவும் முடியாது. ஏனெனில், நீர், காற்று, காப்பி, டீ என அனைத்து திரவங்களும் அவ்வகையில் ஆனதுதானே.

தண்ணீரை போன்ற ஒரு சாதாரண திரவத்தில் தாமிரம் (காப்பர்), அலுமினியம் போன்ற உலோகங்களின் நானோ சைஸ் துகள்களை தூவி ஒரு கலக்கு கலக்கி கூழ்மமாக, கொலாய்ட் (colloid) வடிவத்தை கொடுத்தோமானால் அது நானோ திரவம்.

கூழ்மம், கொலாய்ட், என்பது ஒரே ரசாயன பொருள் இல்லை. சங்க கால காதலர்கள் போல செம்புலப்பெயல்நீரென மொத்தமாக இரண்டரவெல்லாம் கலக்காமல் இரண்டு ரசாயன பொருள்கள் தங்கள் மாலிக்யூள்களின் வெளிப்புற ஈர்ப்புவிசையில் கட்டுண்டு ஒரு மாதிரி கலந்தும் கலவாத திரவ நிலையில் இருப்பது கொலாய்ட்.

உதாரணத்திற்கு, குளித்துவிட்டு சீப்பினால் படிய வாருவதற்கு முன் ப்ரைல்கிரீமை சேர்க்கையில் தலையில் கொலாய்டை தடவுகிறோம். இவ்வகை கிரீம்கள் எண்ணையை ஆதாரதிரவமாகக்கொண்ட கொலாய்டுகள். லோஷன்கள் நீரை ஆதாரதிரவமாகக்கொண்ட கொலாய்டுகள். வெண்ணை ஒரு நீராதாரதிரவ கொலாய்டு. சூடாக்குகையில் நீர் ஆவியாகி, கொழுப்பு மட்டும் முழங்கை வழிவார நெய்யாக நாம் உண்பதற்கு தங்குகிறது.

நானோ திரவம் ஒரு கொலாய்ட். இப்படி இல்லாவிடில் தூக்கலாக சர்க்கரை போட்ட காப்பியையும் நானோ திரவம் என்று விவரிக்கலாம். நானோ சக்கரைத்துகள்கள் காப்பியில் கரைந்திருப்பதால். [பத்ரியின் நீரில் கரைதல் பதிவுகளை ஒரு நோட்டம் விடுங்கள்: ஒன்று | இரண்டு | மூன்று]

சரி, இந்த நானோ திரவத்தை எப்படி தயாரிப்பது? மூன்று முறைகள் உள்ளன. தாமிரம், அலுமினியம் போன்ற உலோகங்களை நானோ சைஸ் பொடியாக்கி எதில் ஆல்கஹால் போன்ற திரவங்களுடன் கொலாய்டாக சேர்ப்பது ஒரு முறை. துணியில் கட்டி விளமுச்சு வேரை பானைத் தண்ணிரில் போட்டு தண்ணீரை வாசம்பெற வைப்போமே கிட்டத்தட்ட அதுபோல ஒரு ரசாயன வீழ் படிவு (chemical precipitation) முறையில் நானோ துகள்களை வடிகட்டுவது மற்றொன்று. கரிம வேதியல் முறையில் தயாரிப்பது மூன்றாவது முறை.

இதில் முதலில் சொன்ன கலவை முறை சற்று சுலபம். கடையில் நானோ துகளாமே அது கிலோ என்ன விலைப்பா என்று கேட்டு (பணம் கொடுத்து) வாங்கி வந்து எதில் ஆல்கஹாலில் (ethyl alcohol) கலந்து ஜேம்ஸ்பாண்ட் சாப்பிடும் மார்ட்டினி போல கலக்காமல் குலுக்கினால், நானோ திரவம் தயார். கிட்டதட்ட இப்படித்தான் தயாரிக்க வேண்டும். தயாரிப்பு விலை அதிகம். ஆனால் என்ன, இப்படி தயாரித்த நானோ திரவம் அதிக நேரம் தங்காது. நானோ துகள்கள் கொலாய்ட் தன்மையை இழந்து ஒன்றோடு ஒன்றாக சேர்ந்து சிறு சிறு கட்டியாகி ஆதார திரவத்தின் அடியில் தங்கிவிடும்.

இடைச்சொருகல் ஒன்று. நானோ ஃப்லூயிடிக்ஸ் (nanofluidics) என்று ஒரு மேட்டர் உள்ளது. அது நானோ திரவம் தயாரிக்கும் முறை பற்றி இல்லை. அதுதான் நிஜமாகவே சாதாரண திரவத்தை (உதாரணம் தண்ணீர்) நானோ அளவிற்கு தக்குணூன்டிற்கும் தக்குணூன்டாக மட்டும் எடுத்துக்கொண்டு அது ஓடுமா நடக்குமா என்றெல்லாம் சோதித்து பார்ப்பது. இவ்வகை சோதனைகள் வளர்ந்து வரும் நானோ டெக்னாலஜி துறையில் நானோ ஸ்விட்ச் போன்ற விஷயங்களுக்கு தேவை.

சரி நானோ திரவங்களை பற்றி ஏன் மண்டையை உடைத்துக்கொள்ள வேண்டும். இவைகளினால் என்ன பயன்?

ஆர்கான் நேஷனல் லாபின், ஸ்டீவ் சாய் (Steve Choi) மற்றும் ஜெஃப் ஈஸ்ட்மன் (Jeff Eastman) 2001இல் முதன்முறையாக நானோ திரவத்தை சோதனைமுறையில் செய்தனர். தாமிர துகள்களை எதில் ஆல்கஹாலில் கலந்து கொலாய்டாக்கி இவர்கள் செய்த நானோ திரவம், வெறும் எதில் ஆல்கஹாலை விட நாற்பது சதவிகிதம் வெப்ப பரிமாற்றத்தை அதிகரித்ததை கண்டுபிடித்தனர். சாதாரண திரவத்துடன் ஒப்பிடுகையில் உலோக நானோ துகள்களால் அலங்கரிக்கப்பட நானோ திரவத்தின் தெர்மல் கன்டக்டிவிட்டி எனப்படும் வெப்பம் கடத்தும் திறன் அதிகரிப்பதாக நம்பப்படுகிறது. இதன் காரணமாக வெப்ப பறிமாற்றமும் அதிகரிக்கிறது.

சற்று உன்னித்து நோக்குவோம். உருண்டையாக உள்ள துகளின் வெளிப்பரப்பளவையும் பருமனையும் ஒப்பிட்டு கிடைக்கும் தொகை ஒரு மைக்ரோ சைஸ் (மைக்ரோ மீட்டர் – ஒரு மீட்டரில் ஒன்றின் கீழ் பத்து லட்சம் பகுதி) துகளைவிட நானோ சைஸ் துகளுக்கு மிக அதிகம். இதனால் ஒரு நானோ சைஸ் தாமிர துகளின் வெளிப்பரப்பில் மைக்ரோ சைஸ் துகளிள் உள்ளதைவிட இருவது சதவிகிதம் அதிகமாக அணுக்கள் இருக்கும். இந்த தன்மையினால் நானோ சைஸ் தாமிர துகள்கள் ஆதார திரவத்தில் கொலாய்டாக தொங்குகையில் வெப்பத்தை தன் வெளிப்பரப்பில் அதிகமாக உள்வாங்கி தன் ஊடே விரைவாக கடத்தமுடிகிறது. கீழே உள்ள படத்தில் உள்ள விளக்கத்தை பாருங்கள். நானோ திரவங்கள் அதிக வெப்பக்கடத்தும் ஆற்றல் ஏன் என்று விளங்கும் என்று நினைக்கிறேன்.

[படம் உபயம்: Argonne National Labs Media Center Website]

சமீபத்தில் கல்பாக்கத்தில் ஐஜீகர்ரில் (IGCAR) மாக்னடிக் நானோ ஃப்லூயிட் (magnetic nanofluid) என்ற வஸ்துவை சோதனைக்கூடத்தில் செய்துள்ளனர். நானோ சைஸ் மாக்னடைட் துகள்களை சிறு சிறு காந்தங்களாக பாவித்துக்கொண்டு அவற்றை ஆதார திரவத்தை சுற்றி வைக்கப்பட்டுள்ள பெரிய காந்தத்தை கொண்டு ஒரு திசையில் இழுத்தால் அவை ஆதார திரவத்தில் ஒன்றோடு ஒன்று ஒட்டி ஒரு சிறு ஒயர் போல நட்டுக்கொண்டு நிற்குமாம்.

இதன் வெப்பம் கடத்தும் திறன் இதன் ஆதார திரவமான ஹெக்ஸாடெக்கேனை விட கிட்டத்தட்ட இருநூற்று ஐம்பது சதவிகிதம் அதிகமாக்கலாம் என்று பரிசோதித்துள்ளனர். கீழே படத்தில் இதை உறுதிபடுத்தும் சோதனை முடிவை காணலாம்.

mag_nanofl_2008_1

சரி இப்படி வெப்பம் கடத்தும் திறன் அதிகரிப்பதினால் என்ன பலன்? யோசித்துப் பாருங்கள், தற்சமயம் எங்கெல்லாம் திரவங்களை வைத்து வெப்பத்தை கடத்துகிறோமோ (பொறியியல் தொழிற்சாலைகளில் பல இடங்களில்) அங்கெல்லாம் நானோ திரவத்தை மாற்றாக உபயோகித்தால் அதிக வெப்பத்தை சுலபமாக கடத்தலாம். இவ்வகை அதிகரித்த வெப்பம் கடத்தும் முறையை கொண்டு நம் கணினியை கூட குளிர்படுத்தலாம்தான். ஏன் இவைகளை இன்னமும் வர்த்தகரீதியில் நடைமுறைப்படுத்தவில்லை? விஷயம் அவ்வளவு சுலபம் இல்லை.

முன்னர் குறிப்பிட்டபடி கொலாய்ட் நிலை அவ்வளவு நிலையானது இல்லை. சீக்கிரமே உருமாறி ஆதார திரவமாகவும் உலோக துகள் வண்டலாகவும் பிரிந்துவிடும். உதாரணத்திற்கு எதில் ஆல்கஹாலில் தாமிர நானோ துகள்களின் கொலாய்ட் கிட்டத்தட்ட அரைமணி நேரம் தாங்கும். அதற்குள் தாமிர துகள்களின் மேற்பரப்பில் இருந்த மின்சார சார்ஜ் சுற்றியுள்ள திரவத்தினால் உறிஞ்சப்பட்டு துகள்கள் ஒன்றோடு ஒன்று ஒட்டிக்கொள்ளாமல் எதிர்கும் மின்விசையை இழந்து விடும். இதனால் கொலாய்ட் திரவத்தில் அருகருகே இருக்கும் பல துகள்கள் சேர்ந்து கட்டியாகி வண்டலாக திரவத்தின் அடியில் படிந்துவிடும். நானோ நோநோவாகிவிடும். இதை சரிகட்ட எப்படியாவது நானோ துகள்களுக்கு மின்சார பெயிண்ட் அடித்து அவற்றின் வெளிப்பரப்பை எப்போதும் தொட்டால் ஷாக் அடிக்கும் வகையில் சார்ஜ்டாக வைத்திருந்தால் அவை ஒன்றோடு ஒன்று ஒட்டிக்கொண்டு உறவாடாமல் இருக்கச்செய்யலாம். ஆயுசை நீட்டலாம். இதற்கு இப்போது ஓலிக் ஆசிட் (oelic acid), சிங்க் ஸ்டியரேட் (zinc stearate) போன்ற அமிலங்களை கொண்டு துகள்களுக்கு வெள்ளை அடிக்கிறார்கள்.

இன்னொரு முறை இருக்கிறது. இதில் துகளுக்கு மின்சார சாயம் பூசாமல் அவை சேர்ந்து கட்டியாகுகையில் அல்ட்ராசோனிக் அலைகளை கொண்டு அவற்றை அடித்து உடைப்பது. இப்படி செய்து தமிழ் சினிமா காதலர்கள் போல அவற்றை சேரவிடாமல் தனித்தனியே இருத்தி திரவத்தை கொலாய்டாகவே வைத்திருப்பது. தாவு தீர்ந்துவிடும். சற்று அசந்தால், க்ளைமாக்சில் (உச்சக்கட்டத்தில்) துகள்கள் ஒன்று சேர்ந்து பார்க்கும் அனைவரும் கைதட்டி ஆர்பரிக்க, நானோ திரவம் செத்துவிடும் (தன்மையை இழந்துவிடும்).

இப்படி வழிமுறைகளை பயன்படுத்துவதன் மூலம் நானோ திரவங்களுக்கு இன்று ஆயுசு நூறு என்றேல்லாம் சொல்லமுடியாது. அரைமணியிலிருந்து சற்று நீட்டிக்கலாம், அவ்வளவுதான். இந்த குறைபாட்டை இன்னமும் மொத்தமாக சரிசெய்யமுடியவில்லை. விஷயம் உலகெங்கிலும் பரிசோதனைகூடங்களில் தீவிரஆராய்ச்சியில் செப்பனிடப்பட்டுக் கொண்டிருக்கிறது. ஒரு தருணத்தில் வர்த்தகானுகூலம் பெறலாம்.

இதேபோல நானோ திரவங்கள் ஏன் இவ்வாறு அதிக வெப்பம் கடத்தும் திறன் பெற்றுள்ளது என்பது பற்றி ஒரு மொத்தமான விஞ்ஞானிகளை திருப்திப்படுத்தும் சித்தாந்தம் இன்னமும் உருவாக்கப்படவில்லை (கட்டுரையில் முன்னர் கூறிய விளக்கம் குத்துமதிப்பானது). பிரௌனியன் மோஷன், மைக்ரோ கன்வெக்ஷன் (இவை என்ன என்று பிரிதோர் சமயம் பார்ப்போம்) போன்ற சித்தாந்தங்களை உபயோகப்படுத்தி நானோ திரவத்தின் தன்மைகளை விஞ்ஞானிகள் விளக்க முற்படுகிறார்கள். ஒரு துல்லியமான சித்தாந்தம் இன்னமும் வகுக்கப்படவில்லை. சீக்கிரம் ஒரு நானோ வழியாவது பிறக்கும்.