மீக்கடினப் பொருட்களில் புதிய சகாப்தம்
உலகெங்கும் உள்ள விஞ்ஞானிகள் ஆறு தசாப்தங்களுக்கும் மேலாக முயன்று வந்த சாதனையைச் சீன ஆய்வாளர்கள் நிகழ்த்தியுள்ளனர்: தூய அறுகோண வைரத்தைப் பேரளவில் உருவாக்கியுள்ளனர். நேச்சர் இதழில் வெளியான இந்தச் சாதனை, தலைமுறைகளாக மோஸ் கடினத்தன்மை அளவுகோலில் முதலிடத்தில் உள்ள வழக்கமான கனசதுர வைரங்களைவிடக் கடினமானதாக இருக்கலாம் என்று கருதப்பட்ட அரிய கார்பன் வடிவத்தின், மில்லிமீட்டர் அளவிலான மாதிரிகளை விஞ்ஞானிகள் முதன்முறையாகத் தொகுத்துள்ளதைக் குறிக்கிறது.
உள்ளடக்கம்
செங்சோ பல்கலைக்கழகம், ஜிலின் பல்கலைக்கழகம், உயர் அழுத்த அறிவியல் மற்றும் தொழில்நுட்ப மேம்பட்ட ஆராய்ச்சி மையம் ஆகியவற்றைச் சேர்ந்த இயற்பியலாளர்கள் அடங்கிய ஆய்வுக் குழு, அறுகோண வைரம் தனித்துவமான பொருளாக இருக்கிறதா என்பது குறித்த நீண்டகால அறிவியல் சர்ச்சைக்கு முடிவு கண்டுள்ளது. 1967இல் அரிசோனாவில் விழுந்த விண்கல்லில் முதன்முதலில் கண்டறியப்பட்ட லான்ஸ்டேலைட், குறைபாடுள்ள கனசதுர வைரம் மட்டுமல்ல; தனித்துவமான பண்புகளைக் கொண்ட கார்பனின் உண்மையான ஒரு நிலை என்பதை அவர்களின் ஆய்வு உறுதிப்படுத்துகிறது. இது தொழில்துறை உற்பத்தி, விண்வெளிப் பொறியியல், குவாண்டம் உணர்திறன் தொழில்நுட்பங்கள் ஆகியவற்றில் புரட்சியை ஏற்படுத்தக்கூடும்.
பூமியின் ஆழ்மண்டலத்தில் கனசதுர அணு அமைப்பில் உருவாகும் இயற்கை வைரங்களைப் போலல்லாமல், அறுகோண வைரத்தில் கார்பன் அணுக்கள் தேன்கூடு போன்ற படிக அமைப்பில் ஒழுங்குபடுத்தப்பட்டுள்ளன. இந்த அமைப்பில் அடுக்குகளுக்கு இடையிலான பிணைப்புகள் குறுகியதாகவும் வலுவானதாகவும் உள்ளன. இதனால் வெட்டுக் கருவிகள், துளையிடும் உபகரணங்கள், உயர் செயல்திறன் மின்னணுவியல் ஆகியவற்றில் பயன்படும் பாரம்பரிய வைரங்களைவிட அதிகக் கடினத்தன்மையும் வெப்ப நிலைத்தன்மையும் கிடைக்கக்கூடும்.
இந்தத் தொகுப்பு ஆய்வகத்தில் நிகழ்த்தப்பட்ட ஓர் ஆர்வமூட்டும் முயற்சி மட்டுமல்ல. பல தசாப்தங்களாக, சோதனைக்குப் போதுமான அளவில் தூய அறுகோண வைரத்தை உருவாக்க இயலாததால், அதன் கோட்பாட்டுப் பண்புகள் கோட்பாடாகவே இருந்தன. முந்தைய முயற்சிகளில் சில நானோமீட்டர் அளவிலான படிகங்கள் மட்டுமே உருவாகின; அவையும் சில நானோவினாடிகளில் மறைந்துவிட்டன. வேறு முயற்சிகளில் கிராஃபைட் மற்றும் கனசதுர வைரக் கலப்புகள் இருந்ததால், திட்டவட்டமான பண்பாய்வு சாத்தியமாகவில்லை. 100 மைக்ரோமீட்டர் முதல் 1.8 மில்லிமீட்டர் விட்டம் வரையிலான படிகங்களை உருவாக்கியதன் மூலம், இந்த அரிய பொருளின் முழுமையான இயந்திரச் சோதனைகளை முதன்முறையாக மேற்கொள்ளும் வாய்ப்பைச் சீனக் குழு ஏற்படுத்தியுள்ளது.
அறுபது ஆண்டுகால அறிவியல் சர்ச்சை
அறுகோண வைரத்தின் கதை 1962இல் தொடங்கியது. அப்போது பிட்ஸ்பர்க் நிலக்கரி ஆராய்ச்சி மைய ஆய்வாளர்கள், கார்பன் அணுக்கள் வழக்கமான கனசதுர அமைப்புக்குப் பதிலாக அறுகோணப் படிக அமைப்பிலும் ஒழுங்குபடக்கூடும் என்று முதன்முதலில் முன்மொழிந்தனர். தனித்துவமான பிணைப்பு அமைப்பால் அதிகக் கடினத்தன்மை கிடைக்கும் என்ற எதிர்பார்ப்பை இந்தக் கோட்பாட்டு வடிவம் ஏற்படுத்தியது. ஆனால் அதன் இருப்பை நிரூபிக்க இன்னும் ஐந்து ஆண்டுகளும், விண்வெளியிலிருந்து வந்த ஒரு பொருளும் தேவைப்பட்டன.
1967இல், அரிசோனாவின் பேரிங்கர் பள்ளத்தில் கிடைத்த கேன்யன் டயாப்லோ விண்கல் துண்டுகளை ஆய்வு செய்த புவியியலாளர்கள், ஒரு புதிய கனிமத்தைக் கண்டறிந்ததாக அறிவித்தனர். பென்சீனின் கட்டமைப்பை நிறுவிய முன்னோடி படிகவியலாளரான டேம் கேத்லீன் லான்ஸ்டேலின் நினைவாக அதற்கு லான்ஸ்டேலைட் என்று பெயரிடப்பட்டது. சுமார் 50,000 ஆண்டுகளுக்கு முன்பு விண்கல் பூமியைத் தாக்கியபோது ஏற்பட்ட கடுமையான வெப்பம் மற்றும் அழுத்தத்தில் இந்த அறுகோண வைரங்கள் உருவாகியிருக்கலாம். இந்தியாவின் அசாமில் உள்ள கோல்பாரா விண்கல்லிலும் இதே போன்ற தடயங்கள் பின்னர் கண்டறியப்பட்டன.
ஆனால் கொண்டாட்டம் முன்கூட்டியே நடந்தது. அந்த மாதிரிகள் உண்மையான அறுகோண வைரங்கள் அல்ல; அறுகோணச் சமச்சீரைப் போலத் தோன்றும் அடுக்குப் பிழைகள் அல்லது குழப்பமான குறைபாடுகளைக் கொண்ட கனசதுர வைரங்கள் என்று விமர்சகர்கள் வாதிட்டனர். 2021இல் வெளியான ஆய்வுகள், இதற்கு முன் அடையாளம் காணப்பட்ட லான்ஸ்டேலைட் மாதிரிகள் அனைத்தும் உண்மையில் தவறாக அடையாளம் காணப்பட்ட கனசதுர வைர வகைகள் எனக் கூறின. சர்ச்சையைத் திட்டவட்டமாக முடிவுக்குக் கொண்டுவரும் அளவுக்குத் தூய அறுகோண வைரத்தை எந்த ஆய்வகமும் உருவாக்காததால் இந்தச் சந்தேகம் நீடித்தது.
சாதனையை உருவாக்கிய தொழில்நுட்பம்
அறுகோண வைரத்தின் வெப்பஇயக்கவியல் நிலையற்ற தன்மையைச் சமாளித்த புதிய உயர் அழுத்த, உயர் வெப்பநிலை நுட்பத்தை உருவாக்கியதே சீனக் குழுவின் வெற்றிக்கு முக்கியக் காரணம். 2 டெராபாஸ்கல் வரையிலான அழுத்தங்களில் sp3 பிணைப்புடைய கார்பனின் மிக நிலையான வடிவமாகக் கனசதுர வைரம் இருந்தாலும், முன்னோடிப் பொருளின் வடிவத்தையும் தொகுப்பு நிலைமைகளையும் கவனமாகக் கட்டுப்படுத்துவதன் மூலம் அறுகோண வைரம் உருவாவதை இயக்கவியல் அடிப்படையில் கட்டுப்படுத்த வேண்டும் என்பதை ஆய்வாளர்கள் உணர்ந்தனர்.
அணு அடுக்குகள் நேர்த்தியாக ஒழுங்குபடுத்தப்பட்ட செயற்கைக் கார்பன் பொருளான, உயர் திசை ஒழுங்குடைய பைரோலிட்டிக் கிராஃபைட்டைப் பயன்படுத்தி ஆய்வாளர்கள் தனித்துவமான அமைப்பை உருவாக்கினர். இதில் உயர் வலிமை கொண்ட அடர்த்தியான அலுமினியம் ஆக்சைடைப் பயன்படுத்தும் பிஸ்டன்-உருளை அழுத்தி, பல-அச்சு அழுத்தியில் ஒருங்கிணைக்கப்பட்டது. இதன் மூலம் கிராஃபைட்டை பக்கங்களிலிருந்து அழுத்துவதற்குப் பதிலாக, கார்பன் தாள்களுக்கு செங்குத்தாக உள்ள z-அச்சுத் திசையில் முதன்மையாக அழுத்த முடிந்தது.
மாதிரிகள் 20 கிகாபாஸ்கல் அழுத்தத்தில், அதாவது கடல்மட்டத்தில் உள்ள பூமியின் வளிமண்டல அழுத்தத்தைவிட சுமார் 200,000 மடங்கு அதிக அழுத்தத்தில், பத்து மணி நேரம் வைக்கப்பட்டன. வெப்பநிலை 2,300 முதல் 3,450 டிகிரி ஃபாரன்ஹீட் (1,300 முதல் 1,900 டிகிரி செல்சியஸ்) வரை இருந்தது. மாதிரிக்குள் நிகழும் செயல்முறையை, இடத்திலேயே மேற்கொள்ளப்பட்ட எக்ஸ்-கதிர் விளிம்பு விளைவு மூலம் நிகழ்நேரத்தில் கண்காணித்த விஞ்ஞானிகள், மார்டென்சைட் மாற்றத்தை உறுதிப்படுத்தினர். இதில் அடுக்குகளுக்கு இடையிலான நகர்வும் கிராஃபைட் தாள்களுக்கு இடையிலான நேரடிப் பிணைப்பும், அறுகோண கிராஃபைட்டை அறுகோண வைரமாக மாற்றின.
மேம்பட்ட செயல்திறனை அளவிடுதல்
மில்லிமீட்டர் அளவிலான மாதிரிகள் கிடைத்ததால், ஆய்வுக் குழுவால் உறுதியான இயந்திரச் சோதனைகளை நடத்த முடிந்தது. விக்கர்ஸ் கடினத்தன்மைச் சோதனை உள்ளிட்ட முறைகள் மூலம், கீறல் மற்றும் உருக்குலைவுக்கு எதிரான பொருளின் தடுப்புத்திறனை அவர்கள் அளந்தனர். அறுகோண வைரத்தின் கடினத்தன்மை 114 முதல் 165 கிகாபாஸ்கல் வரை இருந்தது; இயற்கைக் கனசதுர வைரங்களில் இது சுமார் 110 கிகாபாஸ்கல். இது கடினத்தன்மையில் குறிப்பிடத்தக்க உயர்வைக் குறிக்கிறது. இருப்பினும், தொடக்ககாலக் கணிப்புகளில் கூறப்பட்ட 50 சதவீத உயர்வைவிட இது சற்றுக் குறைவு.
கடினத்தன்மைக்கு அப்பால், இந்தப் பொருள் 1,100 டிகிரி செல்சியஸ் வரையிலான வெப்பநிலையில் ஆக்சிஜனேற்றத்தை எதிர்த்து, குறிப்பிடத்தக்க வெப்ப நிலைத்தன்மையைக் காட்டியது. அதிக வெப்பநிலையில் தொழில்துறைத் துளையிடல் அல்லது வெட்டுதல் பணிகளின்போது ஆக்சிஜனுக்கு உட்பட்டால் கனசதுர வைரங்களில் மேற்பரப்புக் குறைபாடுகள் உருவாகலாம். இந்த முக்கிய வரம்பை அறுகோண வைரத்தின் பண்பு தீர்க்கிறது. அதன் விறைப்புத்தன்மையும் ஆக்சிஜனேற்ற எதிர்ப்பும், பாரம்பரிய வைரங்கள் செயலிழக்கும் கடுமையான சூழல்களில் பயன்படுவதற்கான வாய்ப்பைக் காட்டுகின்றன.
உயர் தெளிவுத்திறன் கொண்ட ஊடுருவு மின்னணு நுண்ணோக்கி மூலம் மேற்கொண்ட கட்டமைப்பு ஆய்வு, அறுகோண வைரத்தைக் குறிக்கும் வளைந்த தேன்கூடு அடுக்குகளின் AB அடுக்கு அமைப்பை உறுதிப்படுத்தியது. எஞ்சிய கிராஃபைட் கலப்பு இருப்பதைக் காட்டக்கூடிய sp2 பிணைப்புகள் எதுவும் இல்லாமல், பிணைப்புகள் அனைத்தும் sp3 சிக்மா பிணைப்புகளாக இருந்ததை நிறமாலைப் பகுப்பாய்வு வெளிப்படுத்தியது. குறிப்பிடத்தக்க வகையில், அடுக்குகளுக்கு இடையிலான ஒரு பிணைப்பு மற்ற மூன்று பிணைப்புகளைவிடக் குறுகியதாக இருந்தது. கனசதுர வைரத்துடன் ஒப்பிடுகையில் கட்டமைப்பு வலிமை அதிகரித்திருப்பதற்கான காரணத்தை இது விளக்குகிறது.
தொழில்துறை மற்றும் அறிவியல் பயன்பாடுகள்
பேரளவில் அறுகோண வைரத்தை உருவாக்கியிருப்பது, கனசதுர வைரத்தின் செயல்திறன் வரம்பால் இதுவரை சாத்தியமில்லாத பயன்பாடுகளுக்கு வழி திறக்கிறது. ஆய்வின் இணை முதன்மை ஆசிரியரும் செங்சோ பல்கலைக்கழக இயற்பியலாளருமான சோங்-சின் ஷான், நம்பிக்கையளிக்கும் பல துறைகளைச் சுட்டிக்காட்டினார்.
வெட்டுக் கருவிகள், வெப்ப மேலாண்மைப் பொருட்கள், குவாண்டம் உணர்திறன் உள்ளிட்ட பல துறைகளில் இதற்குப் பயன்பாட்டு வாய்ப்புள்ளது,
என்று ஷான் நேச்சர் இதழிடம் தெரிவித்தார்.
விண்வெளி மற்றும் பாதுகாப்புத் துறைகள் இதனால் குறிப்பாகப் பலனடையக்கூடும். அதிகக் கடினத்தன்மையும் வெப்ப நிலைத்தன்மையும் கொண்ட அறுகோண வைரம், மிகத் துல்லியமும் நீடித்த பயன்பாடும் தேவைப்படும் இயந்திர வேலைப்பாடு மற்றும் துளையிடும் பணிகளுக்கு ஏற்றது. சுரங்கத் தோண்டுதலின் வரம்புகள் மற்றும் நெறிமுறை சார்ந்த கவலைகளால் இயற்கை வைரங்கள் கட்டுப்படுத்தப்படுகின்றன. மேம்பட்ட செயல்திறன் பண்புகளுடன் ஆய்வகத்தில் வளர்க்கப்படும் அறுகோண வைரங்கள் நீடித்த மாற்றுத் தீர்வாக அமையக்கூடும்.
புவியியல் நோக்கில், இந்தத் தொகுப்பு விண்கல் மோதல் செயல்முறைகள் குறித்த முக்கியமான புரிதலை வழங்குகிறது. மிக அதிக அழுத்தம் மற்றும் வெப்பநிலையில் அறுகோண வைரங்கள் எவ்வாறு உருவாகின்றன என்பதைப் புரிந்துகொள்வது, மோதல் நிகழ்வுகளை அடையாளம் காணவும் நமது சூரியக் குடும்பத்தில் கோள்கள் உருவான வரலாற்றை மீட்டமைக்கவும் விஞ்ஞானிகளுக்கு உதவுகிறது. கேன்யன் டயாப்லோ போன்ற விண்கற்களில் லான்ஸ்டேலைட் இருப்பதற்கான காரணம் இப்போது தெளிவாகிறது: சீனக் குழு வெற்றிகரமாக மீண்டும் உருவாக்கிய குறிப்பிட்ட அதிர்ச்சி உருமாற்ற நிலைமைகளின் விளைவாக அது உருவாகிறது.
உலகளாவிய அறிவியல் உறுதிப்பாடு
இந்த ஆய்வு சர்வதேச அறிவியல் சமூகத்தின் கவனத்தைப் பெரிதும் ஈர்த்துள்ளது. நேச்சர் இதழுக்காக ஆய்வை மதிப்பாய்வு செய்த லாஸ் வேகாஸில் உள்ள நெவாடா பல்கலைக்கழகப் படிகவியலாளர் ஆலிவர் ஷானர், இந்தக் கண்டுபிடிப்புகளுக்கு வலுவான உறுதிப்பாட்டை அளித்தார்.
தாங்கள் இதைக் கண்டதாக நம்புவோரின் கூற்றுகள் நூற்றுக்கணக்கில் உள்ளன. ஆனால் இந்த அரிய பொருளைப் பற்றிய மிகத் துல்லியமான பண்பாய்வு இதுவே முதல்முறை,
என்று ஷானர் தெரிவித்தார்.
கார்பனின் பிற வடிவங்கள் குறித்து முன்பு ஆய்வு செய்துள்ள டோக்கியோ பல்கலைக்கழகத்தின் கனிம வேதியியலாளர் எய்ச்சி நகமுரா, இந்த முறையின் முக்கியத்துவத்தை வலியுறுத்தினார்.
இந்தப் புதிய இரு-படிநிலை முறை, அறுகோண வைரம் தனித்துவமான, மீட்டெடுக்கக்கூடிய பேரளவுப் பொருள் என்பதற்கான முதல் திட்டவட்டமான சான்றை வழங்குகிறது,
என்று நகமுரா கூறினார்.
உயர் அழுத்த அறிவியல் நிபுணரும் சீன அறிவியல் அகாடமியின் வெளிநாட்டு உறுப்பினருமான ஹோ-குவாங் மாவ், பொருள் அறிவியலுக்கான பரந்த தாக்கங்களைக் குறிப்பிட்டார்.
இந்தத் தொகுக்கப்பட்ட அறுகோண வைரம், மீக்கடினப் பொருட்கள் மற்றும் உயர்நிலை மின்னணுக் கருவிகளை உருவாக்குவதற்கான புதிய பாதைகளைத் திறக்கும் என எதிர்பார்க்கப்படுகிறது,
என்று மாவ் சவுத் சைனா மார்னிங் போஸ்டிடம் தெரிவித்தார்.
இந்த உற்சாகத்துக்கு மத்தியிலும், வணிக உற்பத்திக்குச் செல்வதற்கு முன் சவால்கள் உள்ளன என்பதை ஆய்வாளர்கள் ஒப்புக்கொள்கின்றனர். தொகுப்புக்குத் தேவைப்படும் சிறப்பு உயர் அழுத்த உபகரணங்கள் தற்போதைய உற்பத்தித் திறனைக் கட்டுப்படுத்துகின்றன. எனவே, தொடக்ககாலப் பயன்பாடுகள் பெருமளவு சந்தைக்கான நகைகளைவிட, துல்லியமான அறிவியல் கருவிகள் மற்றும் சிறப்புத் தொழில்துறை வெட்டுக் கருவிகள் போன்ற அதிக மதிப்புள்ள குறிப்பிட்ட சந்தைகளில் கவனம் செலுத்தக்கூடும்.
முக்கிய அம்சங்கள்
- தனித்துவமான பொருளாக அறுகோண வைரத்தின் இருப்பு குறித்த 60 ஆண்டுகால அறிவியல் சர்ச்சையை முடிவுக்குக் கொண்டுவந்து, சீன விஞ்ஞானிகள் முதன்முறையாக மில்லிமீட்டர் அளவிலான தூய அறுகோண வைரத்தை (லான்ஸ்டேலைட்) உருவாக்கியுள்ளனர்.
- இந்தப் பொருளின் கடினத்தன்மை 114 முதல் 165 கிகாபாஸ்கல் வரை உள்ளது. இது இயற்கைக் கனசதுர வைரங்களின் சுமார் 110 கிகாபாஸ்கலைவிட அதிகம். மேலும், 1,100 டிகிரி செல்சியஸ் வரையிலான வெப்பநிலையில் மேம்பட்ட நிலைத்தன்மையையும் கொண்டுள்ளது.
- உயர் திசை ஒழுங்குடைய பைரோலிட்டிக் கிராஃபைட்டை 20 கிகாபாஸ்கல் அழுத்தத்தில் (வளிமண்டல அழுத்தத்தைவிட 200,000 மடங்கு) 1,300 முதல் 1,900 டிகிரி செல்சியஸ் வெப்பநிலையில் 10 மணி நேரம் அழுத்தி, இந்த மாற்றத்தை ஆய்வாளர்கள் நிகழ்த்தினர்.
- மேம்பட்ட வெட்டுக் கருவிகள், மின்னணுவியலுக்கான வெப்ப மேலாண்மை அமைப்புகள், குவாண்டம் உணர்திறன் கருவிகள், மிகுந்த நீடித்துழைப்பு தேவைப்படும் விண்வெளிக் கூறுகள் ஆகியவை இதன் சாத்தியமான பயன்பாடுகள்.
- அறுகோண வைரம் தனித்த கார்பன் நிலையாக உள்ளதா அல்லது குறைபாடுள்ள கனசதுர வைரக் கட்டமைப்புகளைக் குறிப்பதா என்ற நீண்டகாலச் சந்தேகத்துக்கு இந்தச் சாதனை தீர்வு காண்கிறது.
