திங்கள், 10 நவம்பர், 2014

துளைபொருட்கள் (Porous materials): நுண்துளைபொருட்கள் (Mesoporous materials) பற்றிய சிறு அறிமுகம்:

நானோ (nano), அதிநுண்ணணு பொருட்கள் (nanomaterials) மற்றும் அதிநுண்ணணு தொழிற்நுட்பம் (nanotechnology) ஆகியவை பற்றிய முன்னோட்டம்:


பொதுவாக நானோ (nano) என்பது ஒருவகையான அளவீட்டைக் குறிக்கும் சொல்லாடல். அது எதனுடன் சேர்ந்து வருகிறதோ, அந்த அளவைக் குறிக்கும். நீளம் (nm), எடை (ng), கன அளவு (nl), பரப்பளவு (nm2), வேகம் (ns), மின்னாற்றல் (nW), என எதனையும் குறிக்கப் பயன்படலாம். குறிப்பாக, நாம் km-கிலோமீட்டர், cm-சென்டிமீட்டர், mm- மில்லிமீட்டர், mm – மைக்ரோமீட்டர் என பொருளின் நீள-அகலத்தை அளக்கிறோம் அதுபோலவே மிகக்குறுகிய, சிறிய பொருட்களை அளக்க ‘nm-நானோ மீட்டர் (=0.000000001 m) என்ற அலகு பயன்படுகிறது.

ஒரு கிலோமீட்டரையும் நாம் நானோமீட்டர் அலகு கொண்டு எழுதலாம் (1 km = 1000000000000 nm), ஆனால் அது அதிநுண்ணணு பொருட்களாய் (nanomaterials) ஆகிவிடாது. குறிப்பாக, 100 nm அளவுக்கு குறைவாக உள்ள பொருட்களையே அதிநுண்ணணு பொருளென அழைக்கப்படுகிறது. இதற்கு காரணம், அதன் பண்புகளில் (properties) எற்படும் மாற்றங்கள்தான். கம்யூனிச சித்தாந்தமும் இதைப்பற்றி குறிப்பிட்டிருக்கிறது என்பது கூடுதல் தகவல். அதாவது, ஒரு பொருளின் அளவு மாறும்பொழுது அதன் பண்பும் மாறும் என்பதுதான். ஒரே பொருளின் மூலக்கூறை எடுத்துக்கொண்டு, அதில் ஒரு பகுதியை இயல்பான பெரும்பொருளாயும், மற்றொரு பகுதியை எடுத்து அதிநுண்ணணு பொருளாயும் உருவாக்கும் பொழுது இரண்டின் பண்புகளும் ஒத்திருப்பதில்லை. இயல்பான பெரும்பொருளை ஒப்பிடுகையில், அதிநுண்ணணு பொருளாய் வடிவமைக்கப்பட்ட பொருள் மிகவும் சிறப்புவாய்ந்த பண்புகளைக் கொண்டிருக்கும். இப்படிப்பட்ட அதிநுண்ணணு பொருட்களைப் பயன்படுத்தி செயல்படுத்தும் தொழிற்நுட்பத்திற்கு பெயர்தான் அதிநுண்ணணு தொழிற்நுட்பம் (nanotechnology) என வழங்கப்படுகிறது.

எடுத்துக்காட்டாய், இயல்பான கரியை எடுத்துக்கொள்வோம், அதுவே அதிநுண்ணணு கரிக்குழலையும் (CNT – carbon nano tube – கார்பன் நானோ டியூப்) எடுத்துக்கொள்வோம். இரண்டும் கரியால் (carbon) ஆனதுதான். ஆனால் இயல்பான கரி மிகவும் வலிமையற்றது. சிறிதாய் அதன் மீது கொடுக்கப்படும் அழுத்தத்தினால் கூட உடையும் பண்புடையது. அதுவே அதிநுண்ணணு கரிக்குழலை வைத்து நிலவு வரைக்கும் கூட ஏணி செய்துவிடலாம், உடையாமல். அந்தளவிற்கு வலிமையும், நிலைப்புத்தன்மையும் கொண்டிருக்கிறது இந்த கரியால் செய்யப்பட்ட அதிநுண்ணணு கரிக்குழல்.


துளைபொருட்கள் (porous materials):


நம் அன்றாட வாழ்வில் துளைபொருட்களின் பயன்பாடும், அதிநுண்ணணு தொழிற்நுட்பத்தில் துளைபொருட்களின் செயல்பாடும்:

ஒரு பெரும்பொருளில் துளையிடும் பொழுது அதன் பரப்பளவு அதிகமாவது மட்டுமின்றி அதன் எடை குறைகிறது அதேசமயம் அதன் நிலைப்புதன்மையும் அதிகமாகிறது. நாம், அன்றாட வாழ்வில் பயன்படுத்தும் உலர்ந்த மரங்கள், பஞ்சு, போன்றவை துளைகள் அமையப்பெற்ற பொருட்களே. அதனால்தான் இவற்றின் எடை இயல்பான துளைகளற்ற பொருட்களை காட்டிலும் குறைவாயும், உறிஞ்சும் தன்மை அதிகமாகவும் காணப்படுகின்றன. அதேபோல், துளைகளற்றதும், மிகவும் எடைமிக்கதுமான சிமெண்ட் பிளாக்குகளை விடுத்து அதே சிமெண்டால், துளைகளுடன் உருவாக்கப்படும் ஹாலோ பிளாக்குகளை (hollow blocks) பயன்படுத்த துவங்கியுள்ளோம். இதன் எடையும் குறைவு, நிலைப்புத்தன்மையும் அதிகம். இப்படி, நம்மின் அன்றாட வாழ்வில் துளைபொருட்களின் பங்கை சொல்லிக்கொண்டே போகலாம்.
அதேபோல்தான், துளைகள் அமையப்பெற்ற அதிநுண்ணணு பொருட்களும் சிறப்பு பண்புகளை பெற்றிருக்கின்றன. அப்பண்புகளின் காரணமாக, அவை பல்வேறுபட்ட பயன்பாடுகளுக்காய் உட்படுத்தப்படுகின்றன. அவற்றில், மருத்துவம், நீர் தூய்மைப்படுத்துதல், மின்னணு தொழிற்நுட்பம் மற்றும் பல துறைகளும் அடங்கும்.

துளைபொருட்களின் வகைகள்:


துளைபொருட்களின் பண்புகளைப்பொருத்து, ‘IUPAC, அதனை மூன்று வகைகளாய் முறைப்படுத்தியிருக்கிறது,

(அ) அதிநுண்துளைபொருட்கள் (microporous materials)
(ஆ) நுண்துளைபொருட்கள் (mesoporous materials)
(இ) பெருந்துளைபொருட்கள் (macroporous materials)

இவற்றுள், அதிநுண்துளைபொருட்கள், 2 nm க்கும் குறைவான அளவுகொண்ட துளைகளையும், நுண்துளைபொருட்கள் 2 முதல் 50 nm வரையிலான அளவுகொண்ட துளைகளையும் பெற்றிருக்கும். அதற்குமேல் அதாவது 50 nm மேல் அளவுள்ள துளைகள் கொண்ட பொருளை பெருந்துளை பொருட்களெனவும் வழங்கப்பெறுகின்றன.

இதில், பொருளாய்வு அறிவியலாளர்களின் (materials scientists) மத்தியில் அதிகம் பேசக்கூடியதாய் இருப்பது ‘நுண்துளைபொருட்கள் (mesoporous materials)தான். அதற்கு காரணம், அவற்றின் ஒருங்கே அமைந்த பண்புகளான,

அதீத உள் மற்றும் வெளிப்பரப்பு (high internal and external surface area)

குறிப்பாய், பெருப்பாலான பயன்பாடுகளுக்கு உதவும் ‘2-50 nm அளவுகொண்ட வரிசை மாறா துளைகள் (ordered porous system)

அதிக வெப்பத்தையும், அழுத்தத்தையும் தாங்கும் பண்பு (high stability)

அவற்றின் வெளி-உட் தளங்களில் அலாதியாய் மொய்த்துக்கிடக்கும் வினைபுரி கூறுகள் (more functionalities).

படம் 1ல், அதிநுட்ப எதிர்மின்னயணி நுண்ணோக்கியில் (scanning electron microscope), அதிமின்னழுத்த எதிர்மின்னயணி உதவியுடன் படமாக்கப்பட்ட சில சிலிக்கா (Silica) நுண்துளைபொருட்களை காணலாம். இந்த படமானது, பொருளின் வெளிப்புற அமைப்பியலை (external morphology) எளிதில் விளங்கிக்கொள்ள பயன்படுகிறது.


படம் 1: அதிநுட்ப எதிர்மின்னயணி நுண்ணோக்கியில் படமாக்கப்பட்ட சிலிக்கா நுண்துளைபொருட்களின் வெளிப்புற அமைப்பியல். (அ) SBA-15 சிலிக்கா வகை மற்றும் (ஆ) MCM-41 சிலிக்கா வகை நுண்துளைபொருட்கள்.

நுண்துளைபொருட்களின் உட்புற அமைப்பியலை (internal morphology) அறிய, ஊடுருஎதிர்மின்னயணி நுண்ணோக்கி (transmission electron microscope) பயன்படுத்தப்படுகிறது. அதிமின்னழுத்தம், அதாவது 200 kV அளவுக்கு எதிர்மின்னயணியானது பொருளை ஊடுருவிச்சென்று, எதிர்ப்பக்கம் அதன் நிழலை உருவாக்கும். பின் அந்த எதிர்மின்னயணி நிழல், அதிநுட்ப புகைப்படக் கருவிகொண்டு படம்பிடிக்கப்படும். படம் 2, SBA-15 சிலிக்கா வகை நுண்துளைபொருளின் உட்புற அமைப்பியலை விளக்குகிறது. அதில் மிகவும் சிறப்பான வகையில், தேன்கூடு போன்று துளைகள் ஒருங்கே அமைந்திருப்பதையும் அறிந்துகொள்ளமுடிகிறது. அந்த துளையின் அளவு, ஏறக்குறைய 5 லிருந்து 10 nm இருக்கலாம்.


படம் 2: ஊடுருஎதிர்மின்னயணி நுண்ணோக்கி உதவியுடன் படமாக்கப்பட்ட சிலிக்கா நுண்துளைபொருட்களின் உட்புற அமைப்பியல். (அ & ஆ) SBA-15 சிலிக்கா வகை நுண்துளைபொருட்கள்.

நுண்துளைபொருட்களின் பயன்பாடுகள்:



படம் 3: சிலிக்கா நுண்துளைபொருளின் படம்.


இந்த நுண்துளைபொருட்களின்,
(அ) அதிகப் பரப்பளவு (படம் 3-அ)
(ஆ) மிகவும் சீராய் அமையப்பெற்ற நுண்துளைகள் (படம் 3-ஆ)
(இ) அதிக நிலைப்புத்தன்மை
(ஈ) அதிகமாய் அமையப்பெற்ற வினைபுரி கூறுகள் (படம் 3-இ)

ஆகிய சிறப்பு பண்புகளால்,

(அ) மருத்துவத்துறையில் நோயுற்ற இடத்தினை சரியாய்க் கண்டறிந்து அந்த இடத்தில் மட்டும் மருந்தை உட்செலுத்தும் முறை, நீரில் மந்தமாய் கரையும் மருந்துகளின் கரைதிறனை அதிகரிக்க, புற்றுநோய் போன்றவற்றிற்கு சிறந்த மருந்தெடுத்துசெல்லும் கருவி மற்றும் பல வழிகளில் பயன்படுகின்றன.

(ஆ) வேதியியல் துறையில், மிகவும் கடினமான வினைகளை குறைந்த காலத்துள் நிகழ்த்தி விளைபொருளை எளிதில் கிடைக்கப்பெற வினையூக்கியாகவும் பயன்படுகிறது.

(இ) அசுத்தமான நீரிலோ அல்லது கடல் நீரை தூய்மைப்படுத்தும் முறையிலோ, பிரித்தெடுக்க கடினமான சில அயணிகளை உறிந்து நீரைத் தூய்மைப்படுத்த பயன்படுகிறது.

(ஈ) மேலும் இதன் பயன்கள், மின்னணு தொழிற்நுட்பம், நிறமாற்றிகள் உருவாக்கம், சென்சார் என நீண்டுகொண்டே போகின்றன.

ஒரு எளிய சிலிக்கா நுண்துளைபொருளை உருவாக்குதல் எப்படி?


ஒரு எளிய சிலிக்கா நுண்துளைபொருளை உருவாக்க, கரிம பல்கூட்டுமூலக்கூறு (organic polymer), சிலிக்காவின் மூலப்பொருள் (silica source), அமிலம் (acid) மற்றும் காய்ச்சி வடித்தநீர் (distilled water) ஆகியவை வேண்டும்.
முதலில், ஏறக்குறைய 4 கி அளவுக்கு கரிம பல்கூட்டுமூலக்கூறை காய்ச்சி வடித்தநீரில் கரைத்து, அதில் சற்று செரிவு குறைந்த (2N HCl) அமிலத்தை சேர்க்க வேண்டும். இப்பொழுது படம் 4-அ&ஆ ல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி கரைந்த அந்த கரிம பல்கூட்டுமூலக்கூறு, ஒரு குறிப்பிட்ட வடிவத்தில் தன்னைத்தானே ஒருங்கிணைத்துக்கொள்ளும் (self-assembly). அதில் சிலிக்காவின் மூலப்பொருளை (TEOS – tetraethyl orthosilicate) கலக்க வேண்டும் (படம் 4-அ & வினை 1-அ). அதனை இயக்க நிலையில் (stirring) 2 மணிநேரம் வைத்த பின்பு, மாறா நிலையில் 80 °C வெப்பநிலையுடன் அழுத்தப்பட்ட சுற்றத்தில் அமைக்க வேண்டும் (Hydrothermal treatment – இட்லி செய்வதற்கு நாம் பயன்படுத்தும் முறைதான்). அப்பொழுது அதிலுள்ள சிலிக்கா மூலக்கூறுகள் அமிலம் உதவியுடன் நீருடன் வினைபுரிந்து சிலிசிக் அமிலத்தை (silicic acid) உருவாக்கும் (வினை 1-ஆ, இ & ஈ). அந்த சிலிசிக் அமிலம் ஒன்றுடன் மற்றொன்று வினையாற்றி (வினை 1-உ), -Si-O-Si-O-Si- என்று கனிம பல்கூட்டு மூலக்கூறாய் மாறும் (படம் 4-இ). இந்த கனிம பல்கூட்டு மூலக்கூறு, முன்பே ஒரு வடிவாய் ஒருங்கிணைந்த கரிம பல்கூட்டு மூலக்கூறின் தளத்தின் மீது அமையப்பெறுகின்றன (படம் 4-இ&ஈ). பல்படியாக்கல் நிகழ்வு (polymerization) முடிந்தவுடன், வெண்ணிற பொடியாய் அடியில் தங்கும் நுண்துளைபொருளானது, வடித்து பிரித்தெடுக்கப்படுகிறது. பின், 60 °C ல் உலரவைக்கப்பட்டு, 550 °C ல் வெப்பப்படுத்தப்படுகிறது. இந்த அதிவெப்பநிலையில், அந்த பொருளிலிருந்து கரிம பல்கூட்டு மூலக்கூறு வெளியேற்றப்படுகிறது (படம் 4-ஈ & ‘ஞ). அப்படி வெளியேற்றப்பட்ட இடத்தில், துளைகள் உருவாகின்றன (படம் 4 ல் ‘ட). இதன் அளவு, 5-10 nm இருக்கும், எனவேதான் இவற்றை சிலிக்கா நுண்துளைபொருட்கள் (mesoporous silica) என்றழைக்கிறோம்.


படம் 4: ஒரு எளிய சிலிக்கா நுண்துளைபொருளின் உருவாக்கம்.


 வினை 1: சிலிக்கா மூலப்பொருளிருந்து, சிலிக்கா பல்கூட்டு மூலக்கூறு உருவாக்கம்.


இந்த நுண்துளைபொருளின் தோற்றத்தையும், துளையின் அளவையும், மற்ற பண்புகளையும், படம் 5ல் காட்டியுள்ளபடி எப்படி வேண்டுமானாலும் மாற்றியமைக்க முடியும். (வேதிவினையில்; அமிலத் தன்மை, சிலிக்கா மூலப்பொருள், கரிம பல்பொருள் மூலக்கூறு, கரைப்பான், வெப்பநிலை, போன்றவற்றில் மாற்றங்களை நிகழ்த்துகையில், நுண்துளைபொருளின் மேற்கூறிய பண்புகளிலும் மாற்றங்கள் நிகழ்கிறது.)


படம் 5: வினையின் அளபுருக்களில் மாற்றம் செய்யப்படும்பொழுது நுண்துளைபொருட்களில் ஏற்படும் பண்பு மாற்றம்.

நுண்துளைபொருட்கள் பற்றிய கூடுதல் தகவல்களுக்கு:




S Gandhi, S Venkatesh, U Sharma, NR Jagannathan, S Sethuraman, UM Krishnan. Superparamagnetic nanosystems based on iron oxide nanoparticles & mesoporous silica: synthesis & evaluation of their magnetic, relaxometric and biocompatability properties. Journal of Materials Chemistry 21 (39), 15698-15707, 2011.

S Gandhi, S Sethuraman, UM Krishnan. Synthesis, characterization and biocompatibility evaluation of iron oxide incorporated magnetic mesoporous silica. Dalton Transactions 41 (40), 12530-12537, 2012.

S Gandhi, K Thandavan, S Sethuraman, UM Krishnan. Investigation of the photodegradation properties of iron oxide doped mesoporous SBA-15 silica. Journal of Porous Materials 20 (5), 1009-1015, 2013.

S Gandhi, S Sethuraman, UM Krishnan. In-situ generation of large microporous skeleton in mesoporous silica framework using different dicarboxylic acids. Journal of Porous Materials DOI: 10.1007/s10934-013-9746-7, 2013.

S Gandhi, S Sethuraman, UM Krishnan. Heterogeneous mesoporous SBA-15 silica as catalyst towards the synthesis of various biodegradable aliphatic polyesters. Macromolecular Research, 21(8), 833-842, 2013.

S Gandhi, S Sethuraman, UM Krishnan. Influence of polyhydric solvents on the catalytic & adsorption properties of self-oriented mesoporous SBA-15 silica. Journal of Porous Materials 18 (3), 329-336, 2011.

S Gandhi, K Thandavan, BJ Kwon, HJ Woo, CH Kim, SS Yi, JH Jeong, KW Jang, DS Shin. Highly efficient warm white light emitting Eu2+ activated silicate host: Another fabulous work of mesoporous silica. Journal of Materials Chemistry C 2014, DOI: 10.1039/C4TC00711E.

S Gandhi, K Prem, K Thandavan, KW Jang, DS Shin, A Vinu. Synthesis of novel hierarchical mesoporous organic–inorganic nanohybrid using polyhedral oligomeric silsesquioxane bricks. RSC New Journal of Chemistry 2014, DOI: 10.1039/C4NJ00292J.

S Gandhi, K Thandavan, BJ Kwon, HJ Woo, SS Yi, HS Lee, JH Jeong, KW Jang, DS Shin. Mesoporous Silica: AHighly Promising and Compatible Candidate for Optical and Biomedical Applications.RSC Advances 4, 5953-5962, 2014.

V Viswanathan, G Murali, S Gandhi, P Kumaraswamy, S Sethuraman, UM Krishnan, Development of Thioflavin-modified Mesoporous Silica Framework for Amyloid Fishing. Microporous and Mesoporous Materials 06/2014, DOI: DOI:10.1016/j.micromeso.2014.05.045.

R Ravichandran, D Sundaramurthi, S Gandhi, S Sethuraman, UM Krishnan. Bioinspired hybrid mesoporous silica–gelatin sandwich construct for bone tissue engineering. Microporous and Mesoporous Materials 187, 53-62, 2014.

B Murugan, L Ramana, S Gandhi, UM Krishnan, S Sethuraman, Engineered chemoswitchable mesoporous silica for tumor-specific cytotoxicity. Journal of Materials Chemistry B 1 (28), 3494-3505, 2013.

R Ravichandran, S Gandhi, D Sundaramurthi, S Sethuraman, UM Krishnan. Hierarchical mesoporous silica nanofibers as multifunctional scaffolds for bone tissue regeneration. Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition 24(17), 1988-2005, 2013.


5 கருத்துகள்:

  1. அருமை தோழரே! என்னைப் பொறுத்த வரை, அந்த நுட்பமான அறிவியல் விளக்கங்களை விட, இது பற்றிய உங்கள் தொடக்க விளக்கம் மிகவும் பிடித்திருந்தது. ஒரு பொருள் இயல்பு நிலையில் இருப்பதற்கும் நுண் நிலையில் இருப்பதற்குமான வேறுபாட்டை வெகு அழகாகப் புரிய வைத்தீர்கள். நன்றி!

    ஆனால், இவற்றோடு மட்டும் நில்லாது, கடவுள் துகள், தரைக்கடியில் நிகழ்ந்து கொண்டிருக்கும் அந்த வரலாறு காணாப் பேராராய்ச்சி, காலப் பயணம், வேற்றுக்கோள் வாழிகள் ஆகியவற்றைப் பற்றியும் எழுதுமாறும் கூடவே, இங்குள்ளவர்கள் எழுத இயலாத அணு ஆற்றல் ஆபத்து, நியூட்ரினோ ஆராய்ச்சி சரியா தவறா போன்றவற்றைப் பற்றியும் பதிவிடுமாறும் விரும்பிக் கேட்டுக் கொள்கிறேன். இது இந்தத் தளத்தின் 'நேயர் விருப்பம்'! :-)

    பதிலளிநீக்கு
    பதில்கள்
    1. மிக்க நன்றி தோழர்.. நீங்கள் கொடுக்கும் ’ஊக்கம், மாறிலியாய் (constant) எப்பொழுதும் இருப்பது,’ என்னை வலுப்பெற செய்கிறது...
      ”கடவுள் துகள், தரைக்கடியில் நிகழ்ந்து கொண்டிருக்கும் அந்த வரலாறு காணாப் பேராராய்ச்சி”: கட்டாயம் எழுதுகிறேன் தொழர்...
      ”இது இந்தத் தளத்தின் 'நேயர் விருப்பம்”: நீங்கள் நேயராய் கிடைத்தது, இந்த தளத்தின் பொலிவை கூட்டுகிறது....

      நீக்கு
  2. நண்பரே! உங்கள் தளத்தில் குப்பைத் தடுப்பான் (spam detector) இன்னும் செயலிழக்கவில்லை. இது தளத்தில் கருத்திடுவோரை எரிச்சலூட்டி, கருத்துக்களின் எண்ணிக்கையை வெகுவாகப் பாதிக்கும் என்பதால் செயலிழக்கச் செய்து விடுவது நல்லது.

    பதிலளிநீக்கு