சூப்பர் செம்புத் தகடு கண்டுபிடிப்பால் ‘சாத்தியமற்ற முக்கோணத்தை’ முறியடித்த சீன விஞ்ஞானிகள்

பொருள் அறிவியலின் “சாத்தியமற்ற முக்கோணத்தை” முறியடித்தல்

வழக்கமான இயற்பியல் வரம்புகளைத் தகர்க்கும் புரட்சிகரமான செம்புத் தகட்டை உருவாக்கி, பொருள் அறிவியலில் குறிப்பிடத்தக்க முன்னேற்றத்தை சீன விஞ்ஞானிகள் எட்டியுள்ளனர். சீன அறிவியல் அகாடமியின் உலோக ஆராய்ச்சி நிறுவனத்தில் (IMR), லு லெய் தலைமையிலான ஆராய்ச்சியாளர்கள், மிக உயர்ந்த வலிமை, சிறப்பான மின்கடத்துத்திறன், குறிப்பிடத்தக்க வெப்ப நிலைத்தன்மை ஆகிய மூன்றையும் ஒரே நேரத்தில் வழங்கும் உயர் செயல்திறன் கொண்ட செம்புத் தகட்டை வெற்றிகரமாக உருவாக்கியுள்ளனர். மதிப்புமிக்க Science இதழில் வெளியான இந்தச் சாதனை, இந்த மூன்று முக்கியப் பண்புகளுக்கு இடையிலான நீண்டகால சமரசத் தேவையைப் போக்குகிறது. உலோகப் பொருள் வடிவமைப்பில் பொருள் அறிவியலாளர்கள் நீண்டகாலமாக “சாத்தியமற்ற முக்கோணம்” என்று குறிப்பிட்டு வந்த சிக்கலுக்கும் இது தீர்வளிக்கிறது.

இந்தப் புதிய பொருள், மேம்பட்ட உற்பத்தித் திறன்களில் குறிப்பிடத்தக்க முன்னேற்றத்தைக் குறிக்கிறது. மின்னணுவியல் மற்றும் புதிய எரிசக்தித் துறைகளில் இது உடனடித் தாக்கத்தை ஏற்படுத்தும். பல தசாப்தங்களாகப் பொறியாளர்களுக்குச் சவாலாக இருந்த வலிமைக்கும் மின்கடத்துத்திறனுக்கும் இடையிலான இயல்பான முரண்பாட்டைத் தீர்ப்பதன் மூலம், இந்தச் சூப்பர் செம்புத் தகடு, அதிக செயல்திறன் கொண்ட ஸ்மார்ட்போன் சில்லுகள், மேம்பட்ட செயற்கை நுண்ணறிவுக் கணிப்புக் கருவிகள், மின்சார வாகனங்களுக்கான பாதுகாப்பான லித்தியம்-அயன் மின்கலங்கள் ஆகியவற்றை உருவாக்கப் புதிய வழிகளைத் திறக்கிறது.

சாய்வுநிலை நானோ-டொமைன் கட்டமைப்பைப் புரிந்துகொள்ளுதல்

“சாய்வுநிலை நானோ-டொமைன் கட்டமைப்பு” எனப்படும் புதுமையான நுண்கட்டமைப்பு வடிவமைப்பே இந்த முன்னேற்றத்தின் மையமாகும். வழக்கமான செம்புத் தகடு தயாரிப்பில் உற்பத்தியாளர்கள் நீண்டகாலமாகச் சமரசம் செய்ய வேண்டியிருந்தது: தூய செம்பு சிறந்த மின்கடத்துத்திறனை வழங்கினாலும், உயர் செயல்திறன் பயன்பாடுகளுக்குத் தேவையான இயந்திர வலிமை அதற்கு இல்லை. மறுபுறம், பிற தனிமங்களைச் சேர்ப்பதன் மூலம் செம்புக் கலவைகளை அதிக வலிமை கொண்டவையாக உருவாக்கலாம்; ஆனால் அதனால் மின்கடத்துத்திறனும் வெப்ப நிலைத்தன்மையும் வெகுவாகக் குறைகின்றன.

மேம்பட்ட உற்பத்திச் செயல்முறையைப் பயன்படுத்தி, ஆராய்ச்சிக் குழு இந்த வரம்புகளைத் தாண்டியது. தொழில்துறை அளவில் விரிவுபடுத்தக்கூடிய மின்படிதல் முறையின் மூலம், வெறும் 10 மைக்ரோமீட்டர் தடிமன் கொண்ட (மனிதத் தலைமுடியின் தடிமனில் ஏறத்தாழ ஏழில் ஒரு பங்கு) செம்புத் தகட்டை அவர்கள் தயாரித்தனர். அதில் அதிக அடர்த்தியுள்ள சூப்பர்-நானோ டொமைன்கள் உள்ளன. ஏறத்தாழ 3 நானோமீட்டர் அளவுள்ள இந்த டொமைன்கள், சாய்வுநிலை வடிவில் பொருள் முழுவதும் சீரான இடைவெளியில் பரவியுள்ளன.

இந்த மிகச் சிறிய செம்பு டொமைன்கள், உலோகக் கட்டமைப்புக்குள் பதிக்கப்பட்ட ஆணிகளைப் போலச் செயல்படுகின்றன. இவை செம்புத் துகள்களின் நகர்வைத் திறம்படத் தடுத்து, மின்கடத்துத்திறனுக்குத் தேவையான உயர் தூய்மையைப் பேணியபடியே வலிமையையும் வெப்ப நிலைத்தன்மையையும் அதிகரிக்கின்றன. இந்த இரட்டை நிலைப்படுத்தல்-வலுப்படுத்தல் செயல்முறையால், வழக்கமான பொருட்களைவிட மிக அதிக இயந்திரப் பண்புகளைப் பெறுவதுடன், தூய செம்பின் மின்கடத்துத்திறனில் ஏறத்தாழ 90 சதவீதத்தையும் இந்தப் பொருள் தக்கவைத்துக்கொள்கிறது.

இந்த மிகச் சிறிய செம்பு டொமைன்கள், செம்புக்குள் பதிக்கப்பட்ட ஆணிகளைப் போலச் செயல்படுகின்றன. செம்புத் துகள்களின் நகர்வைத் தடுத்து, செம்பின் உயர் தூய்மையைப் பேணியபடியே வலிமையையும் வெப்ப நிலைத்தன்மையையும் அதிகரிக்கின்றன.

தொழில்துறை தரநிலைகளை மறுவரையறை செய்யும் செயல்திறன் அளவீடுகள்

தற்போதைய தொழில்துறைப் பொருட்களுடன் ஒப்பிடும்போது, இந்தப் புதிய செம்புத் தகடு வழங்கும் அளவிடத்தக்க மேம்பாடுகள் குறிப்பிடத்தக்கவை. வழக்கமான செம்புத் தகடுகளின் இழுவிசை வலிமை பொதுவாக 300 முதல் 600 மெகாபாஸ்கல் (MPa) வரை இருக்கும். புதிதாக உருவாக்கப்பட்ட சூப்பர் செம்புத் தகடு, 900 மெகாபாஸ்கல் வரையிலான இழுவிசை வலிமையை எட்டுகிறது. இது தரமான வணிகப் பொருட்களின் வலிமையை ஏறத்தாழ இரட்டிப்பாக்குவதுடன், வழக்கமான செம்புக் கலவைகளையும் கணிசமாக மிஞ்சுகிறது.

மின்சாரச் செயல்திறனைப் பொறுத்தவரை, உயர் தூய்மையுள்ள செம்பின் மின்கடத்துத்திறனில் 90 சதவீதத்துக்கு இணையான அளவை இந்தப் பொருள் தக்கவைத்துக்கொள்கிறது. இதே அளவிலான வலிமை கொண்ட பாரம்பரிய செம்புக் கலவைகளுடன் ஒப்பிடும்போது, புதிய தகடு ஏறத்தாழ இரண்டு முதல் மூன்று மடங்கு அதிக மின்கடத்துத்திறனைக் கொண்டுள்ளது. வலிமை மற்றும் மின்கடத்துத்திறனின் இந்தக் கலவை, இதற்கு முன்பு பொருள் பொறியியலில் சாத்தியமற்றதாகக் கருதப்பட்டது.

இந்தப் பொருளின் குறிப்பிடத்தக்க அம்சங்களில் ஒன்று அதன் மிகச் சிறந்த வெப்ப நிலைத்தன்மை. கட்டமைப்பு நிலைத்தன்மையின்மையால் பல உயர் வலிமை நானோக் கட்டமைப்புப் பொருட்களின் செயல்திறன் விரைவாகக் குறையும். ஆனால், வழக்கமான சூழ்நிலைகளில் ஆறு மாதங்கள் சேமித்த பிறகும் இந்தச் செம்புத் தகட்டின் செயல்திறனில் எந்தக் குறைவும் ஏற்படவில்லை. நீண்டகாலப் பயன்பாட்டிலும் நிலையான செயல்திறன் தேவைப்படும் மின்னணுச் சாதனங்கள் மற்றும் எரிசக்திச் சேமிப்பு அமைப்புகளுக்கு இந்த நீடித்த தன்மை மிகவும் முக்கியமானது.

மின்னணுவியல் மற்றும் எரிசக்திச் சேமிப்பில் மாற்றத்தை ஏற்படுத்தும் பயன்பாடுகள்

பொருள் அறிவியலின் இந்த முன்னேற்றம், அதிக மதிப்புள்ள பல தொழில்துறைகளில் நடைமுறை விளைவுகளை ஏற்படுத்தும். மேம்பட்ட மின்னணுவியல் துறையில், ஒருங்கிணைந்த மின்சுற்றுகள் மற்றும் சில்லுகளுக்கிடையிலான இணைப்புகளில் செம்புத் தகடு முக்கியப் பங்கு வகிக்கிறது. இந்தப் புதிய பொருளின் அதிகரித்த வலிமையும் வெப்ப நிலைத்தன்மையும், அதிக துல்லியமான ஸ்மார்ட்போன் சில்லுகளைத் தயாரிக்க உதவுவதுடன், நீண்ட நேரப் பயன்பாட்டின்போது அதிக வெப்பமடைவதையும் குறைக்கும். இதனால், கையடக்கச் சாதனங்கள் மற்றும் செயற்கை நுண்ணறிவுக் கணிப்புக் கருவிகளில் நீடித்துவரும் சவால்களுக்குத் தீர்வு கிடைக்கும்.

புதிய எரிசக்தித் துறையில், லித்தியம்-அயன் மின்கல உற்பத்திக்கு இந்தப் பொருள் சிறப்பான வாய்ப்புகளை வழங்குகிறது. இந்த மின்கலங்களில் மின்னோட்டச் சேகரிப்பானாகச் செம்புத் தகடு செயல்படுகிறது. புதிய பொருளின் பண்புகள், அதிக மின்னோட்டத்தில் மின்னூட்டும்போது ஏற்படும் ஆற்றல் இழப்பைக் குறைத்து, மெல்லியதும் பாதுகாப்பானதுமான மின்கல வடிவமைப்புகளைச் சாத்தியமாக்கும். செயல்திறனும் பாதுகாப்பும் முதன்மையான மின்சார வாகனங்கள் மற்றும் மின்வலையமைப்பு அளவிலான எரிசக்திச் சேமிப்பு அமைப்புகளின் தொடர்ச்சியான மேம்பாட்டுக்கு இந்தத் திறன் துணைபுரியும்.

உயர்தரச் செம்புத் தகடு உற்பத்திக்கான புதிய தொழில்நுட்ப வழியை இந்த ஆராய்ச்சி வழங்குகிறது. இதன் மூலம் சீனாவின் மின்னணுத் தகவல் மற்றும் புதிய எரிசக்தித் துறைகளில் தற்சார்பும் கட்டுப்பாடும் அதிகரிக்கும். இந்தத் துறைகள் மேம்பட்ட தொழில்துறை உற்பத்தியில் மூலோபாய முன்னுரிமைகளாக இருப்பதால், உலகத் தரப் பொருட்களை உள்நாட்டிலேயே தயாரிக்கும் திறன், பொருளாதார ரீதியாகவும் விநியோகச் சங்கிலிப் பாதுகாப்பு ரீதியாகவும் முக்கியத்துவம் வாய்ந்தது.

தொழில்துறை அளவிலான உற்பத்தி மற்றும் சாத்தியக்கூறு

ஆராய்ச்சி ஆய்வகங்களிலேயே முடங்கிவிடும் பல கண்டுபிடிப்புகளைப் போலல்லாமல், இந்தச் செம்புத் தகட்டுத் தொழில்நுட்பம் உடனடியாகத் தொழில்துறையில் பயன்படுத்தக்கூடியதாக உள்ளது. இதன் உற்பத்திச் செயல்முறையில் மின்படிதல் முறை பயன்படுத்தப்படுகிறது. வணிக ரீதியான செம்புத் தகடு உற்பத்தியில் இந்தத் தொழில்நுட்பம் ஏற்கெனவே பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படுவதால், முற்றிலும் புதிய உற்பத்தி நிலையங்களை அமைக்காமல், தற்போதுள்ள உற்பத்திக் கட்டமைப்புகளில் இந்தப் புதுமையை ஒருங்கிணைக்கலாம்.

மின்படிதல் செயல்முறையின்போது மிகக் குறைந்த அளவு கரிமச் சேர்மங்களைச் சேர்த்து, சாய்வுநிலை சூப்பர்-நானோ டொமைன்களை உருவாக்குவது இந்த முறையின் ஒரு பகுதியாகும். வழக்கமான தொழில்துறைச் சூழல்களில் தொடர்ச்சியான உற்பத்தியை இந்த அணுகுமுறை சாத்தியமாக்குகிறது. இதனால், ஆய்வகச் சோதனையிலிருந்து பெருமளவு உற்பத்திக்கு விரைவாக முன்னேற முடியும் எனத் தெரிகிறது. இந்தத் தகட்டின் 10 மைக்ரோமீட்டர் தடிமன், மின்னணுவியல் மற்றும் மின்கலப் பயன்பாடுகளுக்கான தற்போதைய தொழில்துறை விவரக்குறிப்புகளுடன் பொருந்துகிறது. எனவே, கூடுதல் செயலாக்கம் அல்லது மாற்றம் தேவையில்லை.

லித்தியம்-அயன் மின்கலங்கள் மற்றும் ஒருங்கிணைந்த மின்சுற்றுகளுக்கான தகடுகளைத் தயாரிப்பதில் இந்தக் கண்டுபிடிப்பு பெரும் வாய்ப்பைக் கொண்டுள்ளதாக ஆய்வுக் கட்டுரையின் ஆசிரியர் மார்க் எஸ். லாவின் குறிப்பிட்டார். தொழில்துறைச் சூழல்களில் இந்தப் பொருளைத் தொடர்ச்சியாக உற்பத்தி செய்ய முடிவது, வணிக ரீதியான பயன்பாட்டுக்கு முக்கிய முன்னிலை அளிக்கிறது. ஆராய்ச்சிக் கண்டுபிடிப்பைச் சந்தைக்குத் தயாரான பொருளாக மாற்றுவதற்குத் தேவைப்படும் காலத்தையும் முதலீட்டையும் இது குறைக்கிறது.

உலகளாவிய விநியோகச் சங்கிலிகளுக்கான மூலோபாய முக்கியத்துவம்

குறிப்பாகக் குறைக்கடத்தி மற்றும் தூய்மையான எரிசக்தி உற்பத்தியில் உள்நாட்டுத் திறன்களுக்கு நாடுகள் முன்னுரிமை அளித்து வரும் நிலையில், உலகளாவிய தொழில்நுட்ப விநியோகச் சங்கிலிகளுக்கு இன்றியமையாத தருணத்தில் இந்த முன்னேற்றம் நிகழ்ந்துள்ளது. மேம்பட்ட நுண் மின்னணுவியல் மற்றும் மின்சார வாகன மின்கலங்கள் ஆகிய இரண்டு மூலோபாய முக்கியத்துவம் வாய்ந்த தொழில்துறைகளுக்கும் செம்புத் தகடு அடிப்படை மூலப்பொருளாகும். சர்வதேச அளவில் முன்னணியில் உள்ள செம்புத் தகட்டுத் தொழில்நுட்பத்தை சீனா உருவாக்கியிருப்பது, இந்த விநியோகச் சங்கிலிகளில் அதன் நிலையை வலுப்படுத்துவதுடன், உயர் செயல்திறன் கொண்ட இறக்குமதிப் பொருட்களைச் சார்ந்திருப்பதையும் குறைக்கிறது.

இந்தத் தொழில்நுட்பம் உயர் செயல்திறன் கொண்ட செம்புத் தகடுகளுக்கான புதிய வடிவமைப்பு அணுகுமுறையை வழங்குவதோடு, அடுத்த தலைமுறைப் பொருட்களை உருவாக்குவதில் நானோ அளவிலான நுண்கட்டமைப்புப் பொறியியலின் பரந்த சாத்தியத்தையும் எடுத்துக்காட்டுவதாக ஆராய்ச்சிக் குழு வலியுறுத்தியது. வலிமைக்கும் செயல்பாட்டுப் பண்புகளுக்கும் இடையே இதேபோன்ற சமரசச் சிக்கல்களை எதிர்கொள்ளும் பிற உலோக அமைப்புகளுக்கும் இந்த வழிமுறையைப் பயன்படுத்த முடியும்.

தொழில்நுட்பத் தற்சார்பு மற்றும் உயர்தர உற்பத்தித் திறன்களை மேம்படுத்துவது தொடர்பான பரந்த தேசிய இலக்குகளுடன் இந்த முன்னேற்றம் ஒத்துப்போகிறது. செயற்கை நுண்ணறிவுக் கருவிகள் மற்றும் புதிய எரிசக்தி அமைப்புகளில் தயாரிப்பு மேம்பாட்டைக் கட்டுப்படுத்திவந்த அடிப்படைப் பொருள் அறிவியல் சவாலைத் தீர்ப்பதன் மூலம், வேகமாக வளர்ந்து வரும் துறைகளில் சீனத் தொழில்துறை போட்டி முன்னிலை பெறுகிறது.

தெரிந்துகொள்ள வேண்டியவை

• லு லெய் தலைமையிலான உலோக ஆராய்ச்சி நிறுவனத்தின் சீன ஆராய்ச்சியாளர்கள், வலிமை, மின்கடத்துத்திறன், வெப்ப நிலைத்தன்மை ஆகியவற்றின் “சாத்தியமற்ற முக்கோணச்” சிக்கலைத் தீர்க்கும் செம்புத் தகட்டை உருவாக்கியுள்ளனர்.
• 10 மைக்ரோமீட்டர் தடிமன் கொண்ட இந்தப் பொருளில், உள் ஆணிகளைப் போலச் செயல்படும் 3 நானோமீட்டர் சூப்பர்-நானோ டொமைன்களைக் கொண்ட சாய்வுநிலை நானோ-டொமைன் கட்டமைப்பு இடம்பெற்றுள்ளது. இது மின்சாரச் செயல்திறனைப் பாதிக்காமல் இயந்திரப் பண்புகளை மேம்படுத்துகிறது.
• இதன் செயல்திறன் அளவீடுகளில் 900 மெகாபாஸ்கல் இழுவிசை வலிமை (வழக்கமான தகட்டை விட இருமடங்கு), தூய செம்பின் மின்கடத்துத்திறனில் 90% (ஒப்பிடத்தக்க கலவைகளை விட மும்மடங்கு), ஆறு மாதங்களுக்குப் பிறகும் செயல்திறன் குறையாமை ஆகியவை அடங்கும்.
• கரிமச் சேர்மங்களுடன் தொழில்துறை அளவில் விரிவுபடுத்தக்கூடிய மின்படிதல் முறையைப் பயன்படுத்தி உற்பத்தி செய்யப்படுகிறது. இதனால் ஒருங்கிணைந்த மின்சுற்றுகள் மற்றும் லித்தியம்-அயன் மின்கலங்களுக்கான வணிக உற்பத்தியை உடனடியாகத் தொடங்க முடியும்.
• மேம்பட்ட ஸ்மார்ட்போன் சில்லுகள், செயற்கை நுண்ணறிவுக் கணிப்புக் கருவிகள், மேம்பட்ட பாதுகாப்பு, குறைந்த வெப்பமாதல், திறமையான மின்னூட்டம் கொண்ட மின்சார வாகன மின்கலங்கள் ஆகியவை இதன் பயன்பாடுகளில் அடங்கும்.
• குறைக்கடத்திகள் மற்றும் தூய்மையான எரிசக்தி உற்பத்தி உள்ளிட்ட மூலோபாயத் துறைகளில் சீனாவின் திறன்களை இந்த முன்னேற்றம் வலுப்படுத்துவதுடன், நானோ அளவிலான பொருள் பொறியியலுக்கான புதிய வழிகளையும் எடுத்துக்காட்டுகிறது.