நேனோ: ஓர் அறிமுகம் – கட்டுரை 3 – நேனோ-விளைவு: தங்கத்தின் நிறம் நீலம்

Standard

நேனோ நோநோ” பகுதியில் குறிப்பிட்டவகையில், பொருட்களில் நேனோ-மீட்டர் அளவுகளில் நிகழும் சில நேனோ அறிவியல் விளைவுகள் உள்ளன.

அணுக்கூட்டணி மோட்டார்கள், அணுக்கூட்டணி சுவிட்சுகள், ஒரே எலக்ட்ரானில் அதன் இருநிலைகளில் சுழற்சியின் மூலம் தகவல் சேமித்தல், மருந்துகளை நேனோ-அளவில் பொடிகளாக்கி நேரடியாக இழையங்களில் (tissue) உயிரணுக்களில் (cells) சேர்த்தல் போன்றவை நேனோ-அறிவியல் தளத்தில் இயங்குபவை.

மரபணு-சில்லுகள் (gene-chips) வாயு அறிவான்கள் (gas sensors), அதிக்குளிரூட்டம் (hyperthermia) போன்றவற்றில் நேனோ-தொழில்நுட்பத் தேர்ச்சி இன்று நமக்கு உள்ளது.

நேனோ வரலாறு பகுதியில் சுட்டப்பட்ட ஒரு நேனோ விளைவை விரிவாக இங்கு அறிமுகம் செய்துகொள்வோம். தங்கத்தின் நிறம் நீலம்.

*

Image Courtesy: http://www.mi2g.com/cgi/mi2g/frameset.php?pageid=http%3A//www.mi2g.com/cgi/mi2g/press/110210.php

பெரியாழ்வார் வையமளந்தானை வாமன உருவில் “ஆனிப்பொன்னால் செய்த வண்ணச் சிறுதொட்டில்” இட்டு திருத்தாலாட்டுப் பாடுகிறார். ஆனிப்பொன் மஞ்சள் நிறத்தது. சிலப்பதிகாரத்தில் “கடல் ஆடு காதையில்” மாதவி அணிந்திருந்த நகைகளில் இருந்து இன்றைய உஸ்மான் ரோட்டு நகைக்கடை தங்கம்வரை மஞ்சள் நிறத்தில்தான் நம் கண்களுக்குத் தெரியும். காரணம் சற்று தீவிரமானது. விவரிப்போம்.

ஐன்ஸ்டைனின் சிறப்புச் சார்பியல் கோட்பாட்டை (special relativity theory) நீங்கள் அறிந்திருக்கலாம். இதன் ஒரு கருத்தாக்கத்தின்படி பிரபஞ்சத்தில் எப்பருப்பொருளுக்கும் பயணம் செய்யமுடிந்த உச்சகட்ட வேகம் என்பது ஒளியின் வேகம்தான். ஒளி விநாடிக்கு கிட்டத்தட்ட ஒரு லட்சம் கிலோமீட்டர்கள் செல்லும். இவ்வாறு உச்சவரம்பை நோக்கி வேகத்தை அதிகரிக்கையில் ஒரு பருப்பொருளின் (matter) நிறையும் (mass) அபரிமிதமாய் அதிகரித்துக்கொண்டே சென்று முடிவிலியான (infinite) மதிப்பை எட்டிவிடும்.

அணுவின் உள்ளே எலக்ட்ரான்கள் மத்தியில் இருக்கும் நியூக்ளியஸ் எனப்படும் பகுதியைச் சுற்றிவருவதாய் நம் பள்ளி அறிவியலில் புரிந்துகொண்டுள்ளோம். பொதுவாக எளிமையான அணுக்களில் இவ்வாறு எலக்ட்ரான் சுற்றுவதின் வேகம் ஒளி வேகத்தைவிடப் பன்மடங்கு குறைவே. ஆனால், மூலக்கூறு நிறை அதிகரிக்கையில் (heavier elements), தங்கம், வெள்ளி, தாமிரம், டங்க்ஸ்டன் என்று பருமனான அணுக்களில் எலக்ட்ரான் வேகம் மாறுபடும்.

பருமனான அணுக்களின் மத்தியிலுள்ள நியூக்ளியஸின் நிறை அதிகரிப்பதால், அவற்றை அருகில் சுற்றி வரும் எலக்ட்ரான்களும் அதிகமாக ஈர்க்கப்படும். இதனால் நியூக்ளியஸ்ஸிற்கு நெருக்கமான முதல் சுற்றுப்பாதையில் இருக்கும் எலக்ட்ரான்களின் வேகம், சார்பியல் கோட்பாட்டின்படி அதிகரிக்கும். ஒளியின் வேகத்திற்கு அருகில் செல்வதால், எலக்ட்ரான்களின் நிறையும் அதிகரிக்கும். இதனால் அவற்றின் ஆற்றல் குறையும்.

ஹைட்ரஜன் மூலக்கூறு (hydrogen element) மிக எளிமையானது, லேசானது. மூலக்கூறு அட்டவணையில் (periodic table) முதல் உருப்படி. இதன் ஒவ்வொரு அணுவினுள்ளும் ஒரு புரோட்டான் ஒரு நியூட்ரானால் ஆன மத்திய நியூக்ளியஸை ஒரு எலக்ட்ரான் சுற்றிக்கொண்டிருக்கும் என்பது புரிதல். ஹைட்ரஜனுக்கு மூலக்கூறு அணு எடை எண் ஒன்று (ஒரு எலக்ட்ரான் என்பதினால்).

இதைப்போலத் தங்கம் வெள்ளி போன்ற மூலக்கூறு நிறை அதிகமென்பதால், அவற்றின் எலக்ட்ரான்களின் எண்ணிக்கையும், சார்ந்த மூலக்கூறு எண் மதிப்பும் அதிகம். தங்கத்தின் பருமனான அணுவின் உள்ளே, நியூக்ளியஸ்ஸிலிருந்து படிப்படியாக அதிகரிக்கும் தூரங்களில் பல சுற்றுப்பாதைகளில், எலக்ட்ரான்கள் வலம் வந்துகொண்டிருக்கும்.

கோவில்களில் மூலவர் உறையும் கருப்பகிருஹத்திலிருந்து ஒன்றிற்கடுத்து ஒன்றாகப் பெரிதாகும் பிரஹாரங்களில் பக்தர்கள் சுற்றிவருவதை மனதில் கொள்ளுங்கள்.

பருமனான அணுவில், மத்தியிலுள்ள நியூக்ளியஸ் அருகில் முதல் சுற்றுப்பாதையில் உள்ள எலக்ட்ரான்களுக்கு நிகழும் சார்பியல் மாற்றங்களைக் குறிப்பிட்டோம். நியூக்ளியஸ்ஸில் இருந்து தள்ளி விளிம்புச் சுற்றுப்பாதையில் உள்ள எலக்ட்ரான்கள் சார்பியல் விளைவுகளினால் அதிகம் பாதிக்கப்படாது. இவற்றின் வேகம் ஒளியின் வேகத்தைவிட மிகக்குறைவாகவே இருக்கும். இதனால், சாதாரண எடையுடனேயே இவை உலவும். ஆற்றலும் அதிகமாய்த் தேங்கியிருக்கும்.

வெளிச்சுற்றுப்பாதையில் இருப்பதை வேலன்ஸ் எலக்ட்ரான்கள் (valence electrons) என்பார்கள். இவையே பொதுவில் வேதியியல் பிணைப்புகளில் (chemical bonds) முதலில் பங்கேற்கும். இவை அணுக்களுக்கு அளிப்பது வேலன்ஸ் அலைவரிசை (valence band). உள் சுற்றுப்பாதையில் இருக்கும் எலக்ட்ரான்கள் மின்கடத்தல், வெப்பக்கடத்தல் ஆகியவற்றில் பங்கேற்கும். இவை அணுக்களில் கடத்தி அலைவரிசையை (conduction band) அளிக்கும்.

உலோகமான தங்கம் பருப்பொருளாய் (நகைகளாய், கட்டிகளாய்) இருக்கையில், எலக்ட்ரான்களும் அவற்றின் அலைவரிசைகளுமே அணுக்கூட்டணியின் தொடர்ச்சியை கொடுக்கின்றது. ஒவ்வொரு அணுவிலும் வெளிச்சுற்றுப்பாதையிலிருக்கும் எலக்ட்ரான்களுக்கும் உள்சுற்றுப்பாதையிலிருக்கும் எலக்ட்ரான்களுக்குமான ஆற்றல் வித்தியாசப்படுகிறதல்லவா. இந்த ஆற்றல் மதிப்பின் வித்தியாசமே, வெளியிலிருந்து மின்காந்தக்கதிரியக்கம் (electromagnetic radiation) அல்லது ‘ஒளி’ அணுக்களின் மீது ஒளிருகையில், நீல நிற ஒளியாலான ஃபோட்டான்களாய் வெளிச்சுற்றிலிருந்து உள்சுற்றிலிருக்கும் எலக்ட்ரான்களுக்கு செலுத்தப்படுகிறது. இதனால், நாம் தங்க அணுக்களின் கூட்டணி (அதாவது, பருப்பொருள் தங்கத்தின்) மேல் பாயும் டார்ச்சு அல்லது சூரிய ஒளியிலிருந்து நீல நிறத்தை தங்கம் அணுக்குள் உறிஞ்சிக்கொண்டுவிடுகிறது. நீல நிறத்தின் எதிர் நிறமான மஞ்சள் நிறத்தை உமிழ்கிறது.

வெளிச்சத்தில் பார்க்கையில் நம் கண்களுக்கு தங்கம் மஞ்சள் நிறமாகத் தெரிகிறது.

இதுவரை சாதா தங்கம். இனி நேனோ-தங்கத்தை கொண்டுவருவோம்.

*

நேனோ-அளவு என்பது ஏற்கெனவே அறிமுகம் செய்துகொண்டதுபோல, ஒரு மில்லிமீட்டரில் பத்துலட்சம் பங்கு. சில நேனோ-மீட்டர்களில், பல்லாயிரம் அணுக்கள் இருக்கலாம்.

நேரடியாக இப்பொருளை அடைய, “கட்டி தங்கம் வெட்டி எடுத்து,” காதலெனும் சாற்றை பிழியாமல், மேலும் வெட்டி, சிறிதாக்கவேண்டும். எவ்வளவு சிறிதாக? வெட்டும் சாதா கத்தி உளி முனைகளே மில்லிமீட்டர் அளவில் இருக்கும். இதிலிருந்து பத்துலட்சம் பங்கு குறைவான அளவிற்கு தங்கத்தை சிறியதாக வெட்டியெடுக்க வேண்டும். இதற்கு பதில், தங்கப்பாளத்தை உராய்ந்து, வெளிப்படும் நேனோ-அளவிலான துகள்களை நீர்மத்தில் கூழ்மநிலையில் (colloidal) கரைத்து வைத்திருப்பார்கள்.

நேனோ-மீட்டர் அளவில் சில ஆயிரம் அணுக்களின் கூட்டணியில் ஒவ்வொரு தங்க அணுவைச்சுற்றியும், ஏற்கெனவே விளக்கியுள்ள வேலன்ஸ் மற்றும் கடத்தி வகை எலக்ட்ரான்கள் இருக்கும். சில ஆயிரம் அணுக்களின் சேர்ந்த நேனோ-அளவு திடல் ஆகையால் எலக்ட்ரான்கள் அதிர்ந்துகொண்டிருக்கும்.

சிறுவயதில் சோடாமூடியில் ஓட்டைபோட்டு நூலில் கட்டி கிறுகிறுவென சுற்றி பக்கவாட்டில் நூலை இழுத்தால் சுழன்றபடி சோடாமூடி மேலும் கீழுமாய் அதிருமே, கவனித்திருக்கிறீர்களா. தனித்தனியே இரண்டு நூல்களில் சுற்றும் (இரண்டு) சோடாமூடிகளை, அருகருகே மேலொன்றும் கீழொன்றுமாய் அமைத்துக்கொள்வோம். மேல்-கீழ் என அதிரும் இச்சோடாமூடிகள் சிலசமயங்களில் ஒன்றுடன் ஒன்று தொட்டுக்கொள்ளும். வேறுசமயங்களில் விலகியிருக்கும்.

இதுபோல ஒவ்வொரு அணுவிலும் வேலன்ஸ் சுற்றுப்பாதையிலுள்ள எலக்ட்ரான்களும் கடத்தி அலைவரிசையில் உள்சுற்றுப்பாதையில் இருக்கும் எலக்ட்ரான்களும் அதிர்ந்துகொண்டிருக்கும். இவற்றைக் குறுக்குவெட்டில், மேலொன்று கீழொன்றாய் பாவித்தால், வேறு சுற்றுப்பாதைகளில் பயணித்துக்கொண்டிருக்கும் இரண்டு எலக்ட்ரான்கள் அதிர்வினால், குறுக்கே மிக அருகே வந்துபோகும் அல்லவா.

நேனோ-மீட்டர் அளவில் சில ஆயிரம் அணுக்களே இருக்கையில் இவ்வாறு அதிர்ந்து நெருங்குவது எலக்ட்ரான்களுக்கு சகஜம். வெளியிலிருந்து இத்திடலின் மேல் ஒளிர்ந்திடும் மின்காந்தகதிரியக்கம் அளிக்கும் ஆற்றலினால், இவ்வதிர்வு வெளிச்சுற்றில் இயங்கும் வேலன்ஸ் எலக்ட்ரான்களில் மிகச்சுலபமாக தூண்டிவிடப்படும். இத்தூண்டலுக்கு பிளாஸ்மான் ஒத்ததிர்வு (plasmon resonance) எனப் பெயர்.

ஒளிரும் ஒளிக்கதிரின் அலைநீளமும், எலக்ட்ரான்களின் அதிர்வு அலையின் நீளமும் ஒத்திருக்கையில், பிளாஸ்மான் ஒத்ததிர்வு நிகழ்கிறது.

இவ்வதிர்வினால், வெளிச்சுற்றில் இருக்கும் வேலன்ஸ் எலக்ட்ரான்கள், உள்சுற்றில் இருக்கும் கடத்தி எலக்ட்ரான்களுக்கு அருகே செல்லமுடிவதால், குறைந்த இடைவெளியில் ஆற்றலை பரிமாறிக்கொள்வதற்குக் குறைவான அலைநீளம் கொண்ட ஃபோட்டான்களே போதுமென்றாகிவிடும். முன்னர் பருப்பொருளாய் இருக்கையில் சுற்றுப்பாதைகளிடையே இடைவெளி அதிகமென்பதால், அதிக அலை நீளமுடைய நீல நிற ஃபோட்டான்களினால் (நீல ஒளி) ஆற்றலை பறிமாறிக்கொண்டன எனப் பார்த்தோம். இப்போதோ, சுற்றுப்பாதைகளுக்கிடையே தூரம் குறைந்துவிடுவதால், ஆற்றலை (மஞ்சள் போன்ற) குறைவான அலைநீளத்திலான ஃபோட்டான்களை வைத்து பரிமாறிக்கொள்கின்றன. இதனால், தன் மீது பாயும் ஒளியிலிருந்து நேனோ-தங்கத்தினால் மஞ்சள் நிறம் உறிஞ்சப்பட்டு, நீல நிற ஒளி உமிழப்படுகிறது.

நேனோ-தங்கத் துகள்கள் நீல நிறமாய் நம் கண்களுக்குத் தெரியும்.

நேனோ-தங்கத்துகள்களை எண்ணிக்கையில் மேலும் குறைத்து, 10-15 நேனோ-மீட்டர்களில் தங்க அணுக்கூட்டணித்திடலை (nano-gold field) அமைத்தால், ஒளியில், அத்தங்கம் மேலும் ஊதா நிறமாய் தெரியும். இப்படியே நேனோ-அளவைச் சுருக்கிக்கொண்டே போனால், கூழ்ம நிலையில், நேனோ-தங்கத் துகள்கள், மஞ்சளை விட்டு இளஞ்சிவப்பாய் தெரிவதையும் கண்டிருக்கிறார்கள்.

இது நேனோ-அளவில் நடக்கும் அறிவியல் விளைவு. மில்லிமீட்டர், மீட்டர் அளவுகளில் இந்த விளைவை எதிர்பார்க்கமுடியாது.

*

(தொடரும்… 23 மே, 2016 திங்கள் கிழமை அன்று…)