நேனோ: ஓர் அறிமுகம் – கட்டுரை 4 – நேனோ பொருள்: நேனோ திரவம் தேடி

நேனோ திரவம் அல்லது நேனோ பாய்மம் (nanofluids) என்பது சமீப சில வருடங்களாய் ஆய்வுச்சாலைகளில் புழங்கும் பொருள்.

ஏற்கெனவே அறிமுகம் செய்துகொண்டபடி, நேனோ மீட்டர் என்பது ஒரு மீட்டரில் ஒன்றின் கீழ் நூறு கோடி பாகம். ஒரு அணுவின் அளவைவிட பத்துமடங்கே அதிகம். அப்படியென்றால் நேனோ-திரவம் என்பது நிச்சயமாக இருக்கிறதா இல்லையா என்று கண்ணுக்கே தெரியாத நேனோ-அளவில் உள்ள திரவமா?

இருக்காது என்று அனுமானிக்கலாம். அப்படியென்றால் நேனோ திரவம் நேனோ-அளவு துகள்களால் ஆனது என்று கூறலாமா? அதுவும் முடியாது. ஏனெனில், காற்று, காப்பி, டீ என அனைத்துத் திரவங்களும் நேனோ-அளவு அணுக்கூட்டணிகளினால் ஆனவைதானே.

தாமிரம், அலுமினியம் போன்ற உலோகங்களின் நேனோ-அளவிலான துகள்களை தண்ணீரைப் போன்ற ஒரு சாதாரண திரவத்தில் தூவி ஒரு கலக்கு கலக்கி கூழ்மமாக்கினால் (colloid) அது நேனோ திரவம் அல்லது பாய்மம்.


கூழ்மம் என்பது ஒரே ரசாயன பொருள் இல்லை. செம்புலப்பெயல்நீரென இரண்டறக் கலக்காமல், இரண்டு ரசாயனப் பொருள்கள் தங்கள் அணுக்கூட்டணிகளின் (molecules) வெளிப்புற ஈர்ப்புவிசையில் கட்டுண்டு, கலந்தும் கலவாத திரவ நிலையில் இருப்பது கொலாய்ட். உதாரணத்திற்கு, குளித்துவிட்டு சீப்பினால் கேசத்தைப் படிய வாருவதற்கு முன் ‘ப்ரைல்கிரீம்’ போன்ற களிம்புகளைச் சேர்க்கையில், தலையில் கூழ்மத்தை தடவுகிறோம். இவ்வகைக் களிம்புகள் (creams) எண்ணெய்யை ஆதாரத் திரவமாகக் கொண்ட கொலாய்டுகள். லோஷன்கள் (lotions) நீரை ஆதாரத் திரவமாகக் கொண்ட கொலாய்டுகள். வெண்ணை ஒரு நீராதாரத் திரவ கொலாய்டு. சூடாக்குகையில் நீர் ஆவியாகி, கொழுப்பு மட்டும் “மூட நெய் பெய்து முழங்கை வழி வார(க்) கூடி இருந்து குளிர்ந்தேலோரச்” செய்கிறது.

நேனோ திரவம் ஒரு கொலாய்ட். இப்படி இல்லாவிடில் தூக்கலாகச் சர்க்கரை போட்ட காப்பியையும் நேனோ திரவம் என்று விவரிக்கலாம். நேனோ-மீட்டர் அளவிலான சக்கரைத்துகள்கள் காப்பியில் கரைந்திருப்பதால்.

நேனோ திரவத்தை எப்படித் தயாரிப்பது? மூன்று முறைகள் உள்ளன. தாமிரம், அலுமினியம் போன்ற உலோகங்களை நேனோ அளவு துகள்களினாலான பொடியாக்கி எத்தில் ஆல்கஹால் (ethyl alcohol) போன்ற திரவங்களுடன் கொலாய்டாக சேர்ப்பது ஒரு முறை. துணியில் கட்டி விளமுச்சு வேரைப் பானையில் போட்டுத் தண்ணீரை வாசம்பெற வைப்போமே கிட்டத்தட்ட அதுபோல ஒரு ரசாயன வீழ் படிவு (chemical precipitation) முறையில் நேனோ துகள்களை வடிகட்டுவது மற்றொன்று. கரிம வேதியியல் முறையில் தயாரிப்பது மூன்றாவது முறை.

இதில் முதலில் சொன்ன கலவை முறை சற்று எளியது. நேனோ துகளாமே அது கிலோ என்ன விலைப்பா என்று கடையில் கேட்டு (பணம் கொடுத்து) வாங்கி வந்து எத்தில் ஆல்கஹாலில் கலந்து ஜேம்ஸ்பாண்ட் அருந்தும் மார்ட்டினி போல கலக்காமல் குலுக்கினால், நேனோ திரவம் தயார். தயாரிப்பு விலை அதிகம்.

ஆனால் இவ்வாறு தயாரித்த நேனோ திரவம் அதிக நேரம் தங்காது. திரவத்தில் ‘தொங்கிக்கொண்டிருக்கும்’ நேனோ துகள்கள் கூழ்ம நிலையை விரைவில் இழந்து, ஒன்றோடு ஒன்றாக சேர்ந்து சிறு சிறு கட்டிகளாகி, ஆதார திரவத்தின் அடியில் தங்கிவிடும். நேனோ-திரவம் என்று சாதித்தது விரைவில் தெளிந்த திரவமும் அடியில் வண்டலுமாய்ப் பிரிந்துவிடும்.

இதனால்தான், கிரஃபீன், நேனோ கரி-குழாய்கள் போல நேனோ-திரவம் என்பது நிஜ நேனோ-பொருள் இல்லை என்னும் சர்ச்சை உருவாகிறது.

*

இந்த சர்ச்சைக்கு போவதற்கு முன்னால், நேனோ திரவங்களைப் பற்றி ஏன் மண்டையை உடைத்துக்கொள்ள வேண்டும் என்பதைப் புரிந்துகொள்வோம். அப்போதுதான் சர்ச்சையின் முக்கியத்துவம் விளங்கும்.

ஆர்கான் நேஷனல் லாபின், ஸ்டீவ் சாய் (Steve Choi) மற்றும் ஜெஃப் ஈஸ்ட்மன் (Jeff Eastman) 2001இல் முதன்முறையாக நேனோ திரவத்தை சோதனைமுறையில் செய்தனர். தாமிரத் துகள்களை எத்தில் ஆல்கஹாலில் கலந்து கூழ்மமாக்கி இவர்கள் செய்த ‘நேனோ திரவ’ எத்தில் ஆல்கஹால், நேனோ துகள் இல்லாத சாதா எத்தில் ஆல்கஹாலை விட நாற்பது சதவிகிதம் வெப்பப் பரிமாற்றத்தை (heat transfer) அதிகரித்ததைக் கண்டுபிடித்தனர். சாதாரண திரவத்துடன் ஒப்பிடுகையில் உலோக நேனோ துகள்களால் அலங்கரிக்கப்பட நேனோ திரவத்தின் வெப்பக்கடத்தி (thermal conductivity) பண்பின் மதிப்பு உயருகிறது. இதன் காரணமாக வெப்பப் பறிமாற்றமும் அதிகரிக்கிறது.

book-01-nano-fig-02-nano-fluids

உன்னித்து நோக்குவோம். படம் 2 இல் விளக்கமும் உள்ளது. உருண்டையாக உள்ள துகளின் வெளிப்பரப்பளவையும் பருமனையும் ஒப்பிட்டுக் கிடைக்கும் தொகை ஒரு மைக்ரோ அளவு துகளைவிட நேனோ அளவு துகளுக்கு மிக அதிகம் (நேனோ ஆயிரம் மடங்கு மைக்ரோவை விட சிறியது என்பதால்). இதனால் ஒரு நேனோ அளவு தாமிரத் துகளின் வெளிப்பரப்பில் மைக்ரோ அளவு துகளில் உள்ளதைவிட இருபது சதவிகிதம் அதிகமாக அணுக்கள் இருக்கும். இதனால் நேனோ அளவு தாமிரத் துகள்கள் ஆதாரத் திரவத்தில் கூழ்மமாக (colloid) தொங்குகையில் வெப்பத்தை தன் வெளிப்பரப்பில் அதிகமாக உள்வாங்கி தன் ஊடே விரைவாகக் கடத்தமுடிகிறது. இவ்வாறு ஒரு விளக்கம் உள்ளது.

கல்பாக்கத்தில் ஐஜீகர்ரில் (IGCAR) காந்த-நேனோ-திரவம் (magnetic nanofluid) ஒன்றைச் சோதனைக்கூடத்தில் செய்தனர். நேனோ அளவுகளில் மாக்னடைட் துகள்களை காந்தங்களாக பாவித்து அவற்றை ஆதார திரவத்தைச் சுற்றி வைக்கப்பட்டுள்ள பெரிய காந்தத்தை கொண்டு ஒரு திசையில் இழுத்தால் அவை ஆதார திரவத்தில் ஒன்றோடு ஒன்று ஒட்டி, சிறு கம்பிகள்போல குத்திட்டு நிற்குமாம். இதன் வெப்பம் கடத்தும் திறன் இதன் ஆதார திரவமான ஹெக்ஸாடெக்கேனை விடக் கிட்டத்தட்ட இருநூற்று ஐம்பது சதவிகிதம் அதிகமாக்கலாம் என்று அறிவித்தனர்.

*

இங்கு கேள்வி எழும். நேனோ-திரவங்களில் வெப்பம் கடத்தும் திறன் அதிகரிப்பதினால் என்ன பலன்? தற்சமயம் எங்கெல்லாம் திரவங்களை வைத்து வெப்பத்தைக் கடத்துகிறோமோ (பொறியியல் தொழிற்சாலைகளில் பல இடங்களில்) அங்கெல்லாம் நேனோ திரவத்தை மாற்றாக உபயோகித்தால் அதிக வெப்பத்தை எளிதாக விரைவாக கடத்தலாம். அதிவெப்பக்கடத்திகளினால் கணினியை குளிர்படுத்தலாம்தான். ஏன் இவற்றை இன்னமும் வர்த்தகரீதியில் நடைமுறைப்படுத்தவில்லை? விஷயம் அவ்வளவு சுலபம் இல்லை.

முன்னர் குறிப்பிட்டபடி கொலாய்ட் நிலை அவ்வளவு நிலையானது இல்லை. சீக்கிரமே உருமாறி ஆதார திரவமாகவும் உலோகத் துகள் வண்டலாகவும் பிரிந்துவிடும். உதாரணத்திற்கு எத்தில் ஆல்கஹாலில் தாமிர நேனோ துகள்களின் கொலாய்ட் கிட்டத்தட்ட அரைமணி நேரம் தாங்கும். அதற்குள் தாமிர துகள்களின் மேற்பரப்பில் இருந்த மின்சார சார்ஜ் சுற்றியுள்ள திரவத்தினால் உறிஞ்சப்பட்டு துகள்கள் ஒன்றோடு ஒன்று ஒட்டிக்கொள்ளாமல் எதிர்க்கும் மின்விசையை இழந்துவிடும். இதனால் கொலாய்ட் திரவத்தில் அருகருகே இருக்கும் பல துகள்கள் சேர்ந்து கட்டியாகி வண்டலாகத் திரவத்தின் அடியில் படிந்துவிடும். நேனோ நோநோவாகிவிடும். இதைச் சரிகட்ட எப்படியாவது நேனோ துகள்களுக்கு மின்சார பெயிண்ட் அடித்து அவற்றின் வெளிப்பரப்பை எப்போதும் தொட்டால் ஷாக் அடிக்கும் வகையில் மின் உயிரூட்டி வைத்திருந்தால் அவை ஒன்றோடு ஒன்று ஒட்டிக்கொண்டு உறவாடாமல் இருக்கச்செய்யலாம். ஆயுளை அதிகரிக்கலாம். இன்றளவில் ஓலிக் ஆசிட் (oelic acid), சிங்க் ஸ்டியரேட் (zinc stearate) போன்ற அமிலங்களைக் கொண்டு துகள்களுக்கு வெள்ளை அடிக்கிறார்கள்.

இன்னொரு முறை இருக்கிறது. இதில் துகளுக்கு மின்சார சாயம் பூசாமல் அவை சேர்ந்து கட்டியாகுகையில் அல்ட்ராசோனிக் அலைகளைப் பாய்ச்சி அவற்றை அடித்து உடைப்பது. துகள்களைச் சேரவிடாமல் தனித்தனியே இருத்தி திரவத்தை கொலாய்டாகவே வைத்திருப்பதற்கும் தாவு தீர்ந்துவிடும். சற்று அசந்தாலும் துகள்கள் ஒன்று சேர்ந்து நேனோ திரவம் இறந்துவிடும்.

துரதிருஷ்டவசமாக இவ்வழிமுறைகளைப் பயன்படுத்துவதன் மூலம் நேனோ திரவங்களுக்கு ‘ஆயுசு நூறு’ என்று சொல்லமுடியாது. அரைமணியிலிருந்து சற்று நீட்டிக்கலாம், அவ்வளவுதான். இக்குறைபாட்டைத் தவிர்க்கவோ கடக்கவோ முடியவில்லை.

*

இவற்றையெல்லாம் விட முக்கியமான பங்கம் நேனோ-திரவத்தின் செயல்திறனிலேயே உள்ளது. சற்று விளக்குவோம்.

இரண்டு பொருள்களைச் சேர்ப்பதால் கிடைக்கும் புதிய பொருளின் பண்புகள் அந்த இரண்டு பொருள்களின் பண்புகளின் மதிப்புகளை சார்ந்தே இருக்கும் என்று எதிர்பார்க்கலாம். உதாரணமாக, ஒரு திரவத்தில் நேனோ-துகள்களாய் மற்றொரு பொருளைச் சேர்த்தால், புதிய நேனோ-திரவத்தின் பண்புகளை மேற்கூறியவாறு எதிர்பார்க்கலாம். புதிய பொருளின் பண்பின் மதிப்பு, சேரும் இரண்டு பொருள்களின் அப்பண்பின் மதிப்பிற்கு இடையில் ஏதோ ஒரு மதிப்புடன் இருக்கும்.

வெப்பக்கடத்திப் பண்பைப் பொறுத்தவரையில் நீரில் நேனோ-தாமிரத்தைக் கலந்தால், புதிய நேனோ-தாமிர திரவத்தின் வெப்பக்கடத்தி மதிப்பு, நீரின் வெப்பக்கடத்தி மதிப்பை விட அதிகம் இருக்கலாம். ஆனால் தாமிரத்தின் வெப்பக்கடத்தி மதிப்பைவிட அதிகம் இருந்தால் ஏதோ அடிப்படையாகவே கோளாறு எனலாம். ஆனால், இவ்வாறுதான் முதன்முதலில் நேனோ-திரவத்தை சோதித்தவர்கள் ஆய்வறிக்கையில் தெரிவித்தார்கள். அதாவது, புதிய நேனோ-திரவத்தின் வெப்பக் கடத்தி மதிப்பு, தாய் திரவத்தின் வெப்பக்கடத்தி மதிப்பைவிட 300 மடங்கு அதிகமாய் உள்ளதாய். இது அசாத்தியமான நிகழ்வு. உடனே ஏற்கத்தக்கதல்ல என்பதால், மேலும் பல பரிசோதனைகள் நிகழ்த்தப்பட்டன. இதற்குள், நேனோ-திரவம் எதிர்பார்த்த சலசலப்பை பொறியியல் துறைகளில் ஏற்படுத்திவிட்டது.

தொடர்ந்து நிகழ்ந்த ஆய்வுகள் ஏறுமாறான முடிவுகளை வெளியிட்டன. இறுதியாக 2011இல் மற்றொரு தொகுப்பாய்வுக் கட்டுரை வெளியானது. முப்பதிற்கும் மேற்பட்ட ஆய்வாளர்கள் உலகெங்கிலும் ஒன்றுகூடி, தத்தம் ஆய்வுச்சாலைகளில் நேனோ-திரவங்களை ஆராய்ந்து, சோதனை முடிவுகளைப் பகிர்ந்துகொண்டனர். இதுவரை நேனோ-திரவங்களைப் பரிசோதித்த தரவுகள், தகவல்கள் அனைத்தையும் கருத்தில் கொண்டு ஆராய்ந்தார்கள். இவற்றைப் பரிசீலித்து முடிவுகளை வெளியிட்டனர்.

இவ்வாறு கண்டறியப்பட்டது: நேனோ-திரவம் என்பதை (மேற்கூறிய செயல்முறை வகைகளில்) உருவாக்க முடியும்தான். ஆனால் அல்ப ஆயுசில் போய்விடும். அவற்றின் அதிவெப்பக்கடத்தித் திறன் கேள்விக்குரியது. நிரூபிக்கப்படவில்லை. அவற்றின் வெப்பக்கடத்தி மதிப்பு தாய் திரவத்தைக் காட்டிலும் 30 சதவிகிதம்போல் கூடுதலாய் இருக்கலாம் என்பதாகவெ சோதனைமுடிவுகள் நிரூபிக்கப்பட்டுள்ளன. மேலும், நேனோ-திரவத்தின் வெப்பக்கடத்தியின் மதிப்பு தாய் திரவம், நேனோ-அளவில் எடுத்துக்கொள்ளப்படும் பொருள், இவற்றின் வெப்பக்கடத்தியின் மதிப்பிற்கு இடையில்தான் உள்ளது. இதை விளக்குவதற்குப் புதிய கோட்பாடுகளோ, கருத்தாக்கங்களோ தேவையில்லை. ஏற்கெனவே வெப்பக்கடத்தியின் மதிப்பு எவ்வாறு அமையும் என்பதற்காக 1880 வாக்கில் மேக்ஸ்வெல் கூறியதே போதுமானது.

இவ்வாறு தெளிவாக ஆய்ந்தறிந்து நேனோ-திரவ சர்சைகளுக்கு முற்றுப்புள்ளி வைத்துவிட்டது. செயல்திறன் பெரிதாக இல்லை என்றதும், வர்த்தக அனுகூலங்கள் மறைந்ததில், இன்று நேனோ-திரவம் ஒரு நேனோ-ஒப்புக்குச் சப்பாணியாகி விட்டது.

*

நேனோ ஃப்லூயிடிக்ஸ் (nanofluidics) என்று ஒரு விஷயம் உள்ளது. நேனோ திரவம் தயாரிக்கும் முறை பற்றியது இல்லை. அதுதான் நிஜ நேனோ. சாதாரண திரவத்தை (தண்ணீர்) நேனோ அளவுகளில் எடுத்துக்கொண்டு, அது ஓடுமா நடக்குமா என்றெல்லாம் சோதித்துப் பார்ப்பது. இச்சோதனைகளின் முடிவுகள் அறிதல்கள், நேனோ-தொழில்நுட்பத் துறையில், நேனோ ஸ்விட்ச் போன்றவற்றை செய்வதற்கு அவசியம்.