நோபல் 2023 வேதியியல் குவாண்டம் புள்ளிகள் திறக்கும் வாசல்கள்

விருதாளர்கள்: 1. மௌங்கி பவெண்டி, 2. லூயிஸ் புரூஸ், 3. அலெக்ஸி எகிமோவ்; படங்கள்: Nobelprize.org

• 2023 ஆம் ஆண்டுக்கான வேதியியல் நோபல் பரிசு, மாஸசூசெட்ஸ் தொழில்நுட்பக் கல்லூரிப் பேராசிரியர் மௌங்கி பவெண்டி (Moungi G. Bawendi), கொலம்பியா பல்கலைக்கழகப் பேராசிரியர் லூயிஸ் புரூஸ் (Louis E. Brus), நானோ கிரிஸ்டல்ஸ் டெக்னாலஜி நிறுவன முன்னாள் தலைமை விஞ்ஞானி அலெக்ஸி எகிமோவ் (Alexei I. Ekimov) ஆகிய மூவருக்கும் அறிவிக்கப்பட்டிருக்கிறது. குவாண்டம் புள்ளிகள் எனும் நவீனக் குறைகடத்திப் பொருள்களைக் கண்டுபிடித்ததற்காக இம்மூவருக்கும் கிடைத் திருக்கும் அங்கீகாரம் இது.

குறைகடத்தி என்றால் என்ன 

• மின்னோட்டத்தை இலகுவாகக் கடத்தும் அலுமினியம், செம்பு போன்ற உலோகங்கள் மின்கடத்திகள். மின்னோட்டத்தை ஏற்கப் பெரும் தயக்கம் காட்டும் கண்ணாடி, பீங்கான், ரப்பர், மரப் பொருள்கள் காப்புப் பொருள்கள். இரண்டுக்கும் இடைப்பட்ட மின்கடத்துத் திறன் கொண்ட பொருள்கள்தாம் குறைகடத்திகள் (Semiconductors).
• இவற்றைக் கொண்டு எதிர்மின்னேற்றம் கொண்ட எலெக்ட்ரான் துகளைக் குறிப்பிட்ட திசையில் மட்டும் நாம் வகுக்கும் பாதையில் செல்லும்படி மின் சுற்றுக்களை உருவாக்க முடியும். இவைதாம் எல்.ஈ.டி., டிரான்சிஸ்டர் போன்ற மின்னணுக் கருவிகளுக்கு அடிப்படை.
• காட்மியம் போன்ற இடைநிலை உலோகங்களை (Transition metals) செலினைடு, டெல்லூரைடு போன்ற உலோகப் போலிகளுடன் (Metalloids) பிணைத்து, நானோ அளவுகளில் தயாரிக்கும்போது, அவை குறைகடத்திக் குவாண்டம் புள்ளிகளாக மாறிவிடும். ஒரு துளி நீரில் ஐம்பது கோடி கோடி அணுக்கள் இருக்கும். ஆனால், வெறும் இரண்டு முதல் இருபது நானோ மீட்டர் அளவே இருக்கும் குவாண்டம் புள்ளிகளில் வெறும் 1,000 முதல் 10,000 அணுக்கள் மட்டுமே இருக்கும்.
• வெறும் இரண்டு நானோ மீட்டர் அளவே உடைய குவாண்டம் புள்ளியின் மீது நீல நிற ஒளியைப் பாய்ச்சினால், அது மறுபடி நீலச் சாயல் கொண்ட ஒளியை உமிழும். அதே வேளையில், ஆறு நானோ மீட்டர் அளவு கொண்ட குவாண்டம் புள்ளி என்றால், சிவப்பு நிற ஒளி வெளிப்படும். அதாவது, குவாண்டம் புள்ளியின் அளவுக்கு ஏற்ற வகையில் வெளிப்படும் ஒளியின் தன்மை மாறுபடும்.

கண்ணாடி மர்மம்

• பல கோடி கோடி அணுக்கள் நிரம்பிய துகளில் எலெக்ட்ரான்களின் நடத்தைக்கும், வெறும் சில ஆயிரம் அணுக்கள் மட்டுமே உள்ள நானோ நுண்துகளில் சிறு இடத்தில் அடைபட்ட எலெக்ட்ரான்களின் இயக்கத்துக்கும் பெரும் வேறுபாடு உண்டு. இதுவே நானோ அளவுகளில் மட்டும் வெளிப்படும் குவாண்டம் அடைப்பு விளைவு.
• சிலிக்கா பொருளை உருக்கிப் படிகம் போலக் குளிரவைத்தால், பளிங்கு போன்ற கண்ணாடி கிடைக்கும். உருகிய சிலிக்காவில் சிறிதளவு காட்மியம் சல்பைடு கலந்தால் மஞ்சள் நிறக் கண்ணாடி தயாராகும். இதேபோல குரோமிக் ஆக்சைடு மரகதப் பச்சை நிறத்தையும் செப்புக் கலவைகள் நீலம், பச்சை, சிவப்பு நிறத்தை கண்ணாடிக்கு அளிக்கும்.
• எனினும் காப்பர் குளோரைடு கலவையைக் கலந்து தயாரிக்கும் கண்ணாடி புதிராக இருந்தது. சில வேளை மஞ்சள் நிறக் கண்ணாடியாகவும், சில வேளை சிவப்பு நிறக் கண்ணாடியாகவும் அமைந்தது. இந்தப் புதிரைத்தான் 1970இல் ரஷ்யாவின் வாவிலோவ் அரசு ஒளியியல் ஆய்வு நிறுவனத்தில் ஆய்வாளராகச் சேர்ந்த அலெக்ஸி எகிமோவ் ஆய்வுக்கு எடுத்துக்கொண்டார்.
• வேகவேகமாகச் சூடேற்றி, கண்ணாடியை உருக்கி காப்பர் குளோரைடு கலவை செய்யலாம். மெல்ல மெல்ல நீண்ட நேரம் சூடேற்றியும் கலவை செய்யலாம். வெறும் 500 டிகிரி செல்சியஸ் வெப்பம் வரை உயர்த்தி அல்லது 700 டிகிரி செல்சியஸ் வரை உயர் வெப்பத்துக்கு எடுத்துச்சென்று உருக்கியும் கலவை செய்யலாம்.
• இப்படி ஆய்வுசெய்து கிடைத்த காப்பர் குளோரைடு கலந்த கண்ணாடியை எக்ஸ் கதிர்கள் கொண்டு ஆய்வுசெய்தபோது, தயாரிப்பு முறை சார்ந்து காப்பர் குளோரைடு துகளின் அளவு இரண்டு நானோ மீட்டர்கள் முதல் முப்பது நானோ மீட்டர்கள் வரை அமைகிறது எனக் கண்டார் எகிமோவ். குவாண்டம் அடைப்புப் பண்பு காரணமாக, துகளின் அளவைப் பொறுத்து கண்ணாடியின் பண்பிலும் அந்தக் கலவை மாற்றம் ஏற்படுத்துவதை முதன்முதலில் நிறுவினார்.

நினைத்ததும் நடந்ததும்

• இதற்கிடையில், அமெரிக்காவில் 1983இல் லூயிஸ் புரூஸ் வெப்பம், அழுத்தம் போன்றவற்றை அளித்து வேதிவினை ஏற்படுத்துவதுபோல சூரிய ஒளியைக் கொண்டு வேதிவினைகளைத் தூண்ட முடிந்தால், சுற்றுச்சூழல் மாசற்ற வகையில் வேதிப் பொருள்களைத் தயார் செய்யலாம் எனக் கருதி ஆய்வில் ஈடுபட்டுவந்தார். சூரிய ஒளியை உறிஞ்சி ஆற்றலை உருவாக்கும் தன்மை கொண்ட குறைகடத்திப் பொருளான காட்மியம் சல்பைடு துகள்களைக் கரைப்பானில் கரைத்துக் கரைசல் செய்து ஆய்வுசெய்தார்.
• தற்செயலாக, ஒருநாள் தயாரித்த கரைசலை ஆய்வகத்தில் அப்படியே விட்டுவிட்டார். அடுத்த நாள் வந்து பார்க்கும்போது அதன் நிறம் மாறியிருந்தது. பொடியாகக் கரைசலில் சேர்த்த காட்மியம் சல்பைடு துகள்கள் திரண்டு, அளவில் பெரிய முத்துக்களாக உருவாகிவிட்டன. அதன் தொடர்ச்சியாகத்தான் கரைசலின் நிறம் மாறிவிட்டது எனக் கருதினார்.
• இதனைச் சோதனை செய்து பார்க்க, வெறும் 4.5 நானோ மீட்டர் பருமனே உடைய காட்மியம் சல்பைடு துகள்கள், 12.5 நானோ மீட்டர் பருமன் உடைய துகள்களைத் தயாரித்துக்கொண்டார். இரண்டின் கரைசலையும் தயாரித்து ஒப்பிட்டுப் பார்த்தார். பெரிய பருமன் கொண்ட கரைசல் இயல்பு நிறத்தில் அமைந்தது; ஆனால், நுண் துகள்கள் கொண்ட கரைசலின் நிறம் நீலச் சாயல் தூக்கலாகத் தென்பட்டது. அதாவது, துகளின் அளவு மாற்றம், அதன் குணத்தில் மாற்றத்தை ஏற்படுத்துகிறது எனக் கண்டார்.

குவாண்டம் புள்ளி தயாரிப்பு

• குவாண்டம் புள்ளிகளின் நானோ விளைவுகளைப் பயன்படுத்த வேண்டும் என்றால், சீரான ஒரே அளவுள்ள துகள்கள் வேண்டும். 1988இல் லூயிஸ் புரூஸின் ஆய்வகத்தில் ஆய்வு மாணவராகச் சேர்ந்த மௌங்கி பவெண்டிக்கு, சீரான அளவு கொண்ட நானோ துகள்களைத் தயாரிக்கும் ஆய்வில் 1993இல்தான் திருப்புமுனை ஏற்பட்டது. இதற்கிடையில், முனைவர் பட்டம் பெற்ற பின்பு மாஸசூசெட்ஸ் தொழில்நுட்ப நிறுவனத்தில் சேர்ந்த பின்னரும் விடாமுயற்சியுடன் தனது ஆய்வில் அவர் ஈடுபட்டுவந்தார்.
• குறிப்பிட்ட கரைப்பானில் குறைகடத்திப் பொருள்களை நிரப்பும் அளவுக்குக் கரைக்கும்போது, சீரான நானோ துகள்கள் உருவாகின்றன எனக் கண்டார். வெப்பத்தைக் கூட்டிக் குறைத்தால் வெவ்வேறு அளவுடைய குவாண்டம் புள்ளிகளைத் தயாரிக்க முடிந்தது.

குவாண்டம் புள்ளி நுட்பத்தின் பயன்கள்

• 1960களில் குறைகடத்திகளை இனம் கண்டபோதுதான் மின்னணுப் புரட்சி ஏற்பட்டது. அதுபோல குவாண்டம் புள்ளிகள் புதிய மின்னணுப் புரட்சியை ஏற்படுத்தும் எனப்படுகிறது. கியூ.எல்.இ.டி (QLED) எனும் நவீனத் தொலைக்காட்சித் திரை குவாண்டம் புள்ளி தொழில்நுட்பத்தைக் கொண்டு இயங்குகிறது. பச்சை, சிவப்பு, நீலம் எனும் மூன்று அடிப்படை நிறங்களை உமிழும் அளவு கொண்ட நானோ குவாண்டம் புள்ளிகளைக் கொண்டு இந்தத் திரை தயாரிக்கப்படுகிறது. குவாண்டம் புள்ளிகள்மீது ஒளியைச் செலுத்தி, நிறக் கலவை செய்து, அச்சு அசலான நிறப் படங்களை உருவாக்குகிறார்கள்.
• மருத்துவத் துறையில் புற்றுக்கட்டி போன்ற வெட்டி எடுக்க வேண்டிய உடல் பகுதியில் புளோரசென்ட் பூச்சு தடவி, அடையாளம் இடுவார்கள். இதைவிடக் குவாண்டம் துகள் பூச்சைக் கொண்டு மேலும் துல்லியமாக வெட்டி எடுக்கவேண்டிய பகுதியை அடையாளம் இட முடியும். சாதாரணமான சூரிய மின்தகட்டில் உள்ள குறைகடத்தி, ஒளியின் தூண்டுதலில் ஒரே ஒரு எலெக்ட்ரானை மட்டுமே வெளியேற்றும். ஆனால், குவாண்டம் புள்ளியைக் கொண்டு தயாரிக்கப்படும் சூரிய மின் கிறிஸ்டல்களில் இரண்டு எலெக்ட்ரான்கள் வெளிப்படும். அதாவது, சூரிய மின்னாற்றல் உற்பத்தித் திறனை வெகுவாகக் கூட்ட முடியும்.

நன்றி: இந்து தமிழ் திசை (11 - 10 – 2023)