நேனோ: ஓர் அறிமுகம் – கட்டுரை 5 – நேனோ பொருள்கள்: கிரஃபீன் தகடு, கரி-குழாய், கரி-உருண்டை

கிரஃபீன் (Graphene) என்பது ஒரு அணு பருமனால் ஆகிய உயரத்துடன், கார்பன் அணுக்கள் பக்கவாட்டில் கைகோர்த்து அமைக்கும் நேனோ-அளவு அணிவரிசை. பரப்பு சில சென்டிமீட்டர்வரை கூடச் செல்லலாமாம்.

இப்பொருளை 2004இல் கண்டுபிடித்ததற்காக 2010 இயற்பியல் நோபல் இங்கிலாந்தின் மான்செஸ்டர் பல்கலைக்கழகத்தைச் சேர்ந்த ஆண்ட்ரீ கெய்ம் (Andre Geim) கொன்ஸ்டெண்ட்டின் நொவோஸெலெவ் (Konstantin Novoselov) இருவருக்கும் அளிக்கப்பட்டுள்ளது. இரு பரிமாண கிரஃபீன் பற்றிய “நிலமதிரும் பரிசோதனைகள்” நிகழ்த்தியதற்காக இப்பரிசு என்கிறது நோபல் பரிந்துரை.

இளசுகளுக்கு மார்ஃபீன் போல, இயற்பியலாளர்களுக்கு கிரஃபீன் தற்போதைய டார்லிங் மேட்டர். சுண்டிய பருப்பொருள் இயற்பியல் (condensed matter physics) துறையின் ஆராய்ச்சியை 2004இல் சூறாவளியாய்த் தாக்கியது கிரஃபீன் கண்டுபிடிப்பு. கடந்த சில வருடங்களாக உலகில் முக்கியமான ஆராய்ச்சி மையங்களில் கிரஃபீனின் தன்மைகள், உபயோகங்கள் தீவிர ஆராய்ச்சியில் இருக்கிறது.


கிரஃபீன் நேனோமீட்டர் சைஸ் மெல்லிய கார்பன் நூலிழைகளாலான தகடு. சிலிக்கன் அல்லது தாமிரக் கல்லில் தேய்த்து இடப்பட்ட உலகின் மெலிதான அப்பளம். கிரஃபீன் உலகின் தற்போதைய மெலிதான பொருள்.

இவ்வளவு மெலிதென்றால், தள்ளுபடியில் எடுக்கும் வாயில் புடவைபோல, ஓரிருமுறை அடித்துத் துவைத்தாலே கந்தலாகிவிடாதா? அதுதான் இல்லை. மெலிது மட்டுமல்ல கிரஃபீன் தகடு, மிகப்பலமானதும் கூட. லேசில் கிழியாது, உடையாது.

நான்கு முறை ‘தட்டாமாலை’ சுற்றினாலே, கவுந்துவிடுகிறோம். ஒரு மைக்ரோ வில்லை (முற்றுப்புள்ளி அளவு) கிரஃபீனை காந்தசக்தியினால் அப்படி அந்தரத்தில் தொங்கவிட்டு (magnetic levitation), மின்சக்திகொண்டு நொடிக்கு 60 மில்லியன் ‘தட்டாமாலைகள்’ சுற்ற முடியும். கிழியாது, உடையாது.
பொறியியலில் இதைச் சகிப்புச் சோதனை (endurance test) என்பார்கள். வேறு எந்தப் பொருளும் இவ்வாறு “சும்மா சுத்திச் சுத்தி அடிக்கும்” பரிசோதனையில் ஈடுகொடுத்து கிழியாமல் பிழைத்ததில்லையாம். கிராஃபீனின் பலம் அதிகம் என்பதால் கட்டுமானப்பணியில் காம்போஸிட்டுகளில் இதைக் கலக்கமுடியுமா என்று ஆராய்ந்து வருகின்றனர்.

*

கிரஃபீனை நேரடியாக சோதனைச்சாலையில் எப்படிச் செய்யலாம்? இரண்டு முறை உள்ளது. முப்பரிமாண கிராஃபைட் பருப்பொருளை, பஜ்ஜிக்கு போடும் உருளைகிழங்குபோல தோல் சீவி, செதில்களாய், ஒரு கார்பன் அணு தடிமனுள்ள தகடு தகடாய்ச் செதுக்கலாம். இல்லை கார்பன் கூழை குழாயிலிட்டு, நேனோ அளவு ஓட்டைவழியாக வீட்டில் துணியில் வடாம் பிழிவதைப்போல, சிலிக்கன் தட்டில் பிழியலாம். காக்காய் கொத்தாமால் காயவைத்து எடுத்தால் கிரஃபீன் தயார்.

அடுத்ததாய் நேனோ-அளவில் கரி-குழாய்கள். Carbon nano-tubes. நேனோ வரலாறு பகுதியில் ஏற்கெனவே குறிப்பிட்டோம்.

மேலே அறிமுகம்செய்த கிரஃபீனை வைத்தும் இப்பொருளைச் செய்யமுடியும்.
கிராஃபீனை குழக்கட்டை போலப் பிடித்துவைத்தால், பக்மினிஸ்டர் ஃபுலரீன் (Buckminster Fullerene) என்று நீட்டமாகவும், பக்கி-பால் (bucky-ball) என்று சுருக்கமாகவும் அழைக்கப்படும் “கார்பன்-60” உருளை கிடைக்கும். கிரஃபீனை காய்ந்த புகையிலை போலச் சுருட்டினால், ஆராய்ச்சி சாலைகளில் மட்டும் கிடைக்கும் கரி-குழாய் சுருட்டு தயார். பற்றவைத்தால் புகையுமா என்று தெரியவில்லை.

இங்கு செயல்முறைகளின் பூரணத்திற்காகக் குறிப்பிடவேண்டுமெனில், கிரஃபீனை பேப்பர்கட்டு போல அடுக்கிக்கொண்டே போனால் முப்பரிமாண கிராஃபைட் (graphite) உருவாகும். இது நேனோ பொருள் இல்லை. ஏற்கெனவே பென்சில் முனைகளில் நாமறிந்த பருப்பொருள். படம் 3 இல் கவனித்துக்கொள்ளலாம்.

nano-book-fig-3

கரி-குழாய்களை அறிமுகம் செய்துகொண்டதால், இன்னொன்றையும் தெரிந்துகொள்வோம். இந்தியாவின் உயரிய விருதான பாரத் ரத்னா வழங்கப்பட்டு கவுரவிக்கப்பட்ட விஞ்ஞானி சி.என்.ஆர். ராவ்-வை, நேனோ-அறிவியலை இந்தியாவிற்கு கொண்டுவந்த முன்னோடி எனலாம். இந்த நூற்றாண்டில் அவரது ஆராய்ச்சியை கவனித்தால், பழகிய பாட்டையிலிருந்து விலகி, ‘பெட்டிக்கு-வெளியே’ ராவ் யோசித்த கருத்தாக்கம், நுண்ணோக்கியில் நேனோ-அளவு உறிஞ்சுகுழாய் ஸ்ட்ரா போலிருக்கும் ‘கார்பன் நேனோ குழாய்களை’ அதன் மாலிக்கியூல் பிணைப்புகள் உடையாமல், வலிக்காமல் உரித்து, கிரஃபீன் ரிப்பன்களாய் செய்யமுடியும் என்று ஒரு ஆய்வுக்கட்டுரையில் விளக்கியுள்ளார்.

*

கிரஃபீனுக்கு மூன்று முக்கிய குணங்கள். அருமையான மின் கடத்தி (தாமிரத்தைவிட மூன்று மடங்கு அதிகம்). மிகுந்த பலம் (ஏற்கெனவே பார்த்தோம்). ஒளி சுலபமாக ஊடுருவமுடியும். இவ்வகைக் குணங்களினால் கிரஃபீனுக்கு வர்த்தக உபயோக சாத்தியங்கள் அதிகம். உதாரணமாய் லித்தியம் அயான் பாட்டரிகளில் கிரஃபீனை அனோடுகளாய் பொருத்தலாம். கிரஃபீன் அருமையான மின்கடத்தியாகையால் தற்போது மணிக்கணக்கில் நடைபெறும் ரீசார்ஜ், பத்து நிமிடங்களில் முடிந்துவிடும்.

அடுத்து ஸோலார்-செல்கள். இவற்றில் ஒரு அரைகடத்தி இரு எலக்ட்ரோடுகளிடையே அமுக்கப்பட்டிருக்கும். சூரிய ஒளி பட்டதும் எலக்ட்ரான்களை வெளிப்படுத்தவல்ல ஒளிவோல்டா அரைகடத்தி (photovoltaic semiconductor) தன் வேலையைச் சரிவரச் செய்ய, ஒரு எலக்ட்ரோடாவது ஒளியை ஊடுருவிச் செல்ல அனுமதிக்கும் தன்மையுடன் இருக்கவேண்டும். தற்போது சூரியவொளி மின்கலன்களில் (solar cells) உபயோகிக்கும் இண்டியம்-டின்–ஆக்ஸைடு எலக்ட்ரோடு, ஒளி ஊடுருவத்தக்கதே. ஆனால் செராமிக். அதிவேக மின்கடத்தி இல்லை. இதற்கு மாற்றாக கிரஃபீனை உபயோகிக்கத் தொடங்கியிருக்கிறார்கள்.

அடுத்து தொடுதிரைகள். இதைத் தனிக்கட்டுரையில் விவரிப்போம்.
ஆனாலும் கிரஃபீனின் தற்போதைய உபயோக சாத்தியங்கள் ஓட்டையில் வெளித்தெரியும் மண்புழுவைப்போல. நோபல் வாங்கியவர்களே இதை வைத்து என்னவெல்லாம் செய்யமுடியும் என்று சரிவரப் புரியாமல் உள்ளனர். அறிவியலும் அதன் வர்த்தகமயமாக்கலும் என்பது ஒரு ஜனநாயகத்தின் மக்களும் அதன் அரசியல்வாதிகளையும் போல.

கணினி மைக்ரோபிராஸசர்களை தற்போது சிலிக்கனில் செய்கிறார்கள். 2007இல் வெளியான ஒரு கட்டுரையில் கிரஃபீன் மைக்ரோப்ராஸசர்கள் இன்னும் இருபது வருடங்களுக்கு சாத்தியமில்லை என்றனர். ஆனால், 2010இல் கிரஃபீனை வைத்து ஐ.பி.எம். கம்பெனி 100 கிகா-ஹெர்ட்ஸ் ப்ராஸஸர்களை செய்திருப்பதாய் செய்தி வெளியிட்டார்கள். 2013இல் கரி-குழாய் கணினியை வடிவமைத்துவிட்டதாய் வந்துள்ள செய்தியை “நேனோ வரலாறு” பகுதியில் குறிப்பிட்டுள்ளோம்.

அடுத்தமுறை வாயில் பென்சிலை கடித்தபடி யோசிக்கும் குழந்தையை கடிந்துகொள்ளும்முன் ஞாபகப்படுத்திக்கொள்ளுங்கள். பென்சில்-முக்காய் அவள் வாயில் ஜில்லென்று தித்திக்கும் முப்பரிமாண கிராஃபைட்டினுள் ஒளிந்திருப்பது, 2010 இயற்பியல் நோபல் வென்ற நேனோ பொருள், கிரஃபீன்.