டயமண்டைன்: வைரம் போன்ற கார்பன் கட்டமைப்பை உருவாக்கிய ஸ்வீடன் வேதியியலாளர்கள்

ஒரே தனிமம் மிகவும் மாறுபட்ட பொருட்களை உருவாக்க முடியும்

வைரமும் கிராஃபைட்டும் கார்பனின் வடிவங்களே ஆகும், இருப்பினும் அவற்றின் பண்புகள் குறிப்பிடத்தக்க அளவில் வேறுபடுகின்றன. வைரம் வலுவாக இணைக்கப்பட்ட கட்டமைப்பைக் கொண்டுள்ளது, அதே வேளையில் கிராஃபைட் தங்களுக்கு இடையே மிகவும் பலவீனமான இணைப்புகளைக் கொண்ட தாள்களால் ஆனது. இந்த அமைப்புகள் அப்பொருட்கள் விசைக்கு எவ்வாறு எதிர்வினையாற்றுகின்றன மற்றும் மின்சாரத்தை எவ்வாறு கடத்துகின்றன என்பதைப் பாதிக்கின்றன. அணுக்கள் வேறொரு வேதியியல் தனிமமாக மாறிவிடவில்லை. மாறாக, அவற்றின் பிணைப்பும் அமைப்பு முறையுமே மாறியுள்ளன. ஒரே தனிமத்தின் வெவ்வேறு கட்டமைப்பு வடிவங்கள் புறவேற்றுமை வடிவங்கள் (allotropes) என்று அழைக்கப்படுகின்றன. கார்பனின் ஏற்கனவே வேறுபட்ட குடும்பத்தில் பரிசோதனை ரீதியாக ஆராயப்பட்ட மற்றொரு அமைப்பை டயமண்டைன் சேர்க்கிறது.

“முப்பரிமாண” என்ற சொல்லை இங்கே கவனத்துடன் கையாள வேண்டும். ஒரு கிராஃபைட் துண்டுக்கு நீளம், அகலம் மற்றும் தடிமன் உள்ளது, மேலும் கிராஃபைட் ஒழுங்கமைக்கப்பட்ட படிக அடுக்குகளைக் கொண்டிருக்கலாம். அது வைரத்தைப் போன்ற அதே பிணைப்பு முறையை அதற்கு வழங்கிவிடாது. எலக்ட்ரான்களைப் பகிர்வதன் மூலம் உருவாகும் வலுவான சகப்பிணைப்புகள் (covalent bonds), கட்டமைப்பை மூன்று திசைகளிலும் இணைக்கின்றனவா என்பதே இங்குள்ள முக்கியக் கேள்வியாகும். எனவே, இரண்டு மாதிரிகளும் திடப் பொருட்களாக இருக்கும்போதும் கூட, தாள் அடிப்படையிலான கட்டமைப்பும் விரிவாக்கப்பட்ட கட்டமைப்பும் வேறுபடலாம். “முப்பரிமாண” என்பதை மாதிரியின் வெளிப்புற வடிவத்தின் விளக்கமாகக் கருதுவதை விட இந்த வேறுபாடு மிகவும் பயனுள்ளதாகும்.

வைரம் போன்ற வலைப்பின்னலின் அதிக இடைவெளி கொண்ட வடிவம்

டயமண்டைன் கட்டமைப்பில், நான்கு-வழி கார்பன் சந்திப்புகள் வைரத்தில் இருப்பது போல் மிக நெருக்கமாக அமைந்திருப்பதற்குப் பதிலாக நீண்ட இணைப்புகள் மூலம் இணைக்கப்பட்டுள்ளன. ஒவ்வொரு இணைப்பிலும் நான்கு கூடுதல் கார்பன் அணுக்களும் இரண்டு கார்பன்–கார்பன் மும்மைப் பிணைப்புகளும் உள்ளன. வேதியியலாளர்கள் இதனை டையின் பிணைப்பு என்று அழைக்கின்றனர், இது இப்பொருளின் பெயரை விளக்க உதவுகிறது. நீண்ட இணைப்புகள் வைரம் போன்ற சந்திப்புகளின் வடிவத்தைப் பாதுகாக்கின்றன, ஆனால் கட்டமைப்பிற்குள் அதிக இடைவெளியை உருவாக்குகின்றன. எனவே “வைரம் போன்ற” என்பது வலைப்பின்னலின் அமைப்பை விவரிக்கிறதே தவிர, புதிய பொருள் வைரத்தின் கடினத்தன்மையையோ அல்லது தோற்றத்தையோ கொண்டுள்ளது என்ற கூற்று அல்ல.

இந்த ஆய்வு sp மற்றும் sp³ இனக்கலப்பு எனப் பெயரிடப்பட்ட இரண்டு வகையான கார்பன் பிணைப்பு வடிவியலை விவரிக்கிறது. பிணைப்புகள் உருவாகும்போது அணு ஆர்பிட்டால்கள் எவ்வாறு இணைகின்றன என்பதை இந்தச் சொற்கள் குறிக்கின்றன. sp³ சந்திப்புகள் ஒரு நான்முகியைச் சுற்றி அமைக்கப்பட்ட நான்கு திசைகளில் இணைகின்றன, அதே வேளையில் sp அணுக்கள் நேரான இணைப்புப் பகுதிகளை உருவாக்குகின்றன. கருத்தியல் கட்டமைப்பில், ஒவ்வொரு sp³ கார்பன் அணுவிற்கும் எட்டு sp கார்பன் அணுக்கள் உள்ளன. அது ஒரு கட்டமைப்பு விகிதமே தவிர, பரிசோதனைப் படலத்தின் ஒன்பதில் எட்டு பங்கு தூய டயமண்டைன் எனச் சரிபார்க்கப்பட்டுவிட்டது என்ற கூற்று அல்ல.

சரியான பிணைப்புகளை உருவாக்குவதற்கு ஏன் இவ்வளவு உழைப்பு தேவைப்பட்டது

ஒரு சாத்தியமான வலைப்பின்னலை வரைவது, அதன் அணுக்களை அந்த வரிசையில் இணையச் செய்வதை விட எளிதானது. இந்த ஆராய்ச்சி ஒன்றுக்கொன்று தொடர்புடைய இரண்டு சிக்கல்களை எதிர்கொண்டது. வெளிப்பட்ட மூலக்கூறு கட்டுமானத் தொகுதி நிலையற்றதாக இருந்தது, அதே வேளையில் வலுவான கார்பன்–கார்பன் பிணைப்புகள் தவறான இடங்களில் உருவான இணைப்புகளைப் பிரிப்பதைக் கடினமாக்கின. ஒரு தவறான இணைப்பு உருவாகிவிட்டால், வளர்ந்து வரும் வலைப்பின்னலால் தன்னைத்தானே விரும்பிய படிகமாக மாற்றி அமைத்துக்கொள்ள முடியாது. எனவே ஆராய்ச்சிக் குழு வேதிவினையின் வேகத்தையும் இடத்தையும் கட்டுப்படுத்துவதில் கவனம் செலுத்தியது. ஒழுங்கற்ற பொருள் கட்டுப்பாடற்ற முறையில் உருவாவதற்குப் பதிலாக, வளர்ந்து வரும் கட்டமைப்புகளில் ஒழுங்கான சேர்க்கைகளை ஊக்குவிப்பதே இதன் நோக்கமாக இருந்தது.

ஆராய்ச்சியாளர்கள் குளோரோஃபார்மிற்கு மேலே நீர் இருக்குமாறு இரண்டு திரவ நிலைகளில் வெவ்வேறு ஆரம்பக் கூறுகளை வைத்தனர். அவற்றின் பகிர்ந்துகொள்ளப்பட்ட எல்லையில், தொடர்ச்சியான வேதிவினைகள் வினைபுரியும் தொகுதிகளைப் படிப்படியாக வெளிப்படுத்தி கார்பன் கட்டுமானத் தொகுதிகளை இணைத்தன. அவற்றின் செறிவைக் குறைவாக வைத்திருப்பது அந்தச் செயல்முறையைக் கட்டுப்படுத்த உதவியது. பின்னர் திரவங்கள் சந்திக்கும் மேற்பரப்பான இடைமுகத்தில் ஒரு மெல்லிய கார்பன் படலம் வளர்ந்தது. இது ஒரு ரத்தினக் கல்லை அழுத்திப் புதிய வடிவத்திற்கு மாற்றும் செயல்முறை அல்ல. முடிக்கப்பட்ட மாதிரியின் தோற்றத்தை விட, கவனமாகத் தேர்ந்தெடுக்கப்பட்ட சூழ்நிலைகளின் கீழ் நிகழும் வேதியியல் கட்டமைப்பே முக்கியமான கட்டுப்பாடாக இருந்தது.

உண்மையில் உருவாக்கப்பட்டது என்ன?

இந்த முறை ஐந்து சதுர சென்டிமீட்டர் வரையிலான பரப்பளவைக் கொண்ட படலங்களை உருவாக்கியது, மேலும் வினை நேரத்தின் மூலம் இதன் தடிமன் கட்டுப்படுத்தப்பட்டது. சில நானோமீட்டர்கள் முதல் பல பத்து நானோமீட்டர்கள் வரையிலான தடிமன்களை இந்த ஆய்வு விவரிக்கிறது, அத்துடன் இன்னும் தடிமனான படலங்களும் சாத்தியமாகும். ஒரு நானோமீட்டர் என்பது ஒரு மீட்டரில் பில்லியனில் ஒரு பங்கு ஆகும், எனவே இவை விதிவிலக்காக மெல்லிய அடுக்குகளாகும். இருப்பினும், படலத்தின் கண்ணுக்குத் தெரியும் பரப்பளவை ஒரு தனிப் படிகத்தின் அளவுடன் குழப்பிக்கொள்ளக் கூடாது. பெரும்பாலும் ஒழுங்கற்ற கார்பன் படலத்திற்குள் சிறிய ஒழுங்கமைக்கப்பட்ட பகுதிகள் காணப்படுகின்றன; இந்தச் சோதனை பெரிய, சீரான படிகத் தொகுதியை உருவாக்கவில்லை.

படலத்தின் பரப்பளவு மற்றும் தடிமனிலிருந்து சுமார் ஒரு சதவீதம் வரையிலான வினை விளைச்சலைக் கட்டுரை மதிப்பிடுகிறது. விளைச்சல் என்பது வேதியியல் உள்ளீடுகளுடன் ஒப்பிடும்போது பெறப்பட்ட விளைபொருளின் அளவைக் குறிக்கிறது. படலத்தின் சரியாக ஒரு சதவீதம் படிகத்தன்மை கொண்டது என்பதைக் காட்டும் அளவீடு இதுவல்ல. மேலும் சில சதுர சென்டிமீட்டர் பரப்பளவைக் கொண்ட ஒரு படலம் உற்பத்தித் தயார்நிலையை நிறுவிவிடாது. உற்பத்தி செய்யப்படும் அளவு, ஒழுங்கமைக்கப்பட்ட பகுதிகளின் விகிதம் மற்றும் அளவு, மற்றும் மீண்டும் மீண்டும் தொகுப்பதன் நம்பகத்தன்மை ஆகியவற்றை மேம்படுத்துவது தனித்தனி சவால்களாகவே உள்ளன. ஒரு ஆய்வக முறை நடைமுறை உற்பத்திக்கு ஆதரவளிக்கும் முன்பு இவை ஒவ்வொன்றும் முக்கியமானவையாகும்.

கட்டமைப்பு எவ்வாறு சோதிக்கப்பட்டது

சான்றுகள் ஒரு மாதிரியின் தோற்றத்தை மட்டுமே நம்பியிருக்காமல் பல முறைகளை ஒன்றிணைத்தன. நிறமாலைமானி ஆய்வு டையின் இணைப்புகள் உள்ளிட்ட வேதியியல் பிணைப்புகளுடன் தொடர்புடைய சமிக்ஞைகளை ஆராய்ந்தது. எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கி சிறிய படிகப் பகுதிகளுக்குள் மீண்டும் மீண்டும் வரும் வடிவங்களை வெளிப்படுத்தியது, அதே வேளையில் எலக்ட்ரான் விளிம்பு விளைவு அவற்றின் உள் ஒழுங்கு குறித்த தகவல்களை வழங்கியது. ஆராய்ச்சியாளர்கள் அந்த உற்றுநோக்கல்களை உத்தேசக் கட்டமைப்புகளுடன் ஒப்பிட்டனர். இந்தத் தொழில்நுட்பங்கள் பிணைப்புகளை அடையாளம் கண்டு உள்ளூர் ஒழுங்கு உள்ளதா என்பதைச் சோதிக்கின்றன. அளவீடுகளுக்கு எந்தக் கட்டமைப்பு மாதிரி சிறப்பாகப் பொருந்துகிறது என்பதைத் தீர்மானிக்கவும் அவை உதவுகின்றன. இவை அனைத்தும் இணைந்து வெறும் கருத்தியல் வரைபடத்தை விட வலுவான வாதத்தை வழங்குகின்றன.

ஒரு முக்கியமான வேறுபாடு கருத்தியல் வலைப்பின்னலை விரிவான பகுப்பாய்வால் ஆதரிக்கப்படும் கட்டமைப்பிலிருந்து பிரிக்கிறது. மாதிரியில் ஒரு தனி டயமண்டைன் கட்டமைப்பு முகப்பு-மைய கனசதுர அமைப்பைக் கொண்டுள்ளது. அதிலுள்ள திறந்த இடைவெளிகள் அதே சந்திப்புகளைப் பகிர்ந்து கொள்ளாமல் மற்றொரு கட்டமைப்பு அதன் வழியே ஊடுருவிச் செல்லவும் அனுமதிக்கின்றன. ஒன்றுக்கொன்று சீரற்ற முறையில் இடம்பெயர்ந்த இத்தகைய இரண்டு பின்னிப் பிணைந்த வலைப்பின்னல்களை ஆதரிக்கும் சான்றுகளை ஆராய்ச்சியாளர்கள் கண்டறிந்தனர். அந்தக் கூட்டு அமைப்பு மாறுபட்ட படிகச் சமச்சீர்மையைக் கொண்ட நான்முகப் பட்டக அமைப்பு என விவரிக்கப்படுகிறது. ஒட்டுமொத்த முடிவையும் வெறுமனே “கனசதுரம்” என்று அழைப்பது, அடிப்படை வலைப்பின்னலுக்கும் அதன் ஊடுருவிய கட்டமைப்பிற்கும் இடையிலான இந்த வேறுபாட்டைத் தவறவிட்டுவிடும்.

நம்பிக்கையளிக்கும் சாத்தியக்கூறுகள் நிரூபிக்கப்பட்ட பயன்பாடுகள் அல்ல

ஒரு திறந்த கட்டமைப்பு அதன் இடைவெளிகள் வழியாக மூலக்கூறுகள் அல்லது மின்னூட்டம் பெற்ற துகள்கள் எவ்வாறு நகரக்கூடும் என்பது பற்றிய கேள்விகளை எழுப்புகிறது. ஆராய்ச்சியாளர்கள் அதன் பண்புகளையும் மின்னணுச் சாதனங்களில் அதன் சாத்தியமான பங்களிப்புகளையும் ஆராயத் திட்டமிட்டுள்ளனர். அவை ஆராய்ச்சித் திசைகளே தவிர, செயல்படும் மின்கலம், சுத்திகரிப்பு அமைப்பு அல்லது வணிக ரீதியான உதிரிபாகத்திற்கான சான்றுகள் அல்ல. நுண்துளைத்தன்மையை அளவிடப் பயன்படும் நிலையான வாயு-உறிஞ்சுதல் அளவீட்டிற்குக் கிடைத்த படலத்தின் நிறை மிகவும் சிறியதாக இருந்தது என்று இந்த ஆய்வு தெரிவிக்கிறது. பிற உற்றுநோக்கல்கள் நுண்துளைத்தன்மையைத் தர ரீதியாகச் சுட்டிக்காட்டின, ஆனால் நடைமுறைப் பயன்பாட்டிற்குத் தேவையான ஒவ்வொரு செயல்திறன் அளவீட்டையும் அவை வழங்கவில்லை.

இயந்திரவியல் பண்புகளுக்கும் இதே எச்சரிக்கை பொருந்தும். ஒழுங்கமைக்கப்பட்ட மற்றும் ஒழுங்கற்ற பகுதிகள் இரண்டையும் கொண்ட ஒரு படலத்தில் செய்யப்படும் அளவீடுகள், தூய டயமண்டைன் படிகத்தைத் தானாகவே விவரித்துவிடாது. ஒரு கருத்தியல் கட்டமைப்பிற்கான கோட்பாட்டு ரீதியான கணிப்பும், உண்மையான கலப்புப் பொருளின் மீதான அளவீட்டிலிருந்து வேறுபடுகிறது. மேற்கொண்டு செய்யப்படும் பணிகள் மீண்டும் உருவாக்கக்கூடிய சூழ்நிலைகளின் கீழ் இயைபு, படிகக் கட்டமைப்பு மற்றும் அளவிடப்பட்ட செயல்திறன் ஆகியவற்றை இணைக்க வேண்டும். அதனால்தான் வெற்றிகரமான தொகுப்பு என்பது பொருள் அறிவியல் ஆராய்ச்சியின் முடிவாக இல்லாமல் ஒரு தொடக்கப் புள்ளியாக இருக்கிறது. இது சோதிக்கக்கூடிய ஒன்றை உருவாக்குகிறது, மேலும் உண்மையான பொருளுடனான தொடர்பில் எந்த எதிர்பார்ப்புகள் நிலைத்து நிற்கின்றன என்பதை நிறுவ பிந்தைய சோதனைகளை அனுமதிக்கிறது.

முடிவுரை

புதிய தனிமம் ஒன்றை உருவாக்காமலேயே, கார்பனின் இணைப்புகளைக் கட்டுப்படுத்துவது பொருள் அறிவியல் ஆராய்ச்சியில் எவ்வாறு ஒரு புதிய பாதையைத் திறக்க முடியும் என்பதை டயமண்டைன் காட்டுகிறது. மெல்லிய கார்பன் படலங்களுக்குள் சிறிய படிகக் கட்டமைப்புகளுக்கான தொகுப்பு முறையும் சான்றுகளுமே உடனடிச் சாதனையாகும். இதன் முக்கியத்துவம் அந்தப் படலங்களைத் தூய பருமனான படிகங்களாகச் சித்தரிப்பதையோ அல்லது உடனடித் தொழில்நுட்பத்தை உறுதியளிப்பதையோ சார்ந்திருக்கவில்லை. சிறப்பாகக் கட்டுப்படுத்தப்பட்ட மாதிரிகளை உருவாக்குவதிலிருந்தும், அவற்றின் வழக்கத்திற்கு மாறான கட்டமைப்பு உண்மையில் எதைச் சாத்தியமாக்குகிறது என்பதை அளவிடுவதிலிருந்துமே அடுத்த முன்னேற்றம் வரும்.