நவீன கால நுண்ணோக்கிகள் - மணற்கேணி2009 - பகுதி 2

முதல் பகுதியில், நுண்ணோக்கிகள் பற்றிய அறிமுகம் மற்றும், அவற்றின் செயல்திறனை நிர்ணயிக்கும் காரணிகள் குறித்து பார்த்தோம். இப்பகுதியில் தற்போது சமகால அறிவியலில் பயன்படுத்தப்படும் நவீன வகை நுண்ணோக்கிகள் பற்றி தொடர்கிறது கட்டுரை.

நவீன கால நுண்ணோக்கிகள் - பகுதி 1

ஈ. நவீன நுண்ணோக்கிகள்

20ஆம் நூற்றாண்டின் துவக்க காலங்கள் நவீன இயற்பியலில் மிகவும் குறிப்பிடத்தகுந்த ஆண்டுகாலம் எனலாம். பொருண்மை, ஆற்றல், அணு எனப் பல விடைதெரியா புதிர்களுக்கு விடைகள் கிடைத்த காலம் 20ஆம் நூற்றாண்டின் துவக்க காலம் எனலாம். இன்றைக்கு இயற்பியலில் கோலோச்சிக்கொண்டிருக்கும் பிந்து சித்தாந்தத்தின் (Quantum Theory) துவக்க காலங்கள் அவை. மேலும், அறிவியலின் தேடல், நுணுகிய பொருட்களுக்குள் புகுந்து அவற்றின் உலகைக் கண்டு இரசிக்கத் துவங்கியிருந்த காலம். அணுவே உலகின் மிகச்சிறிய துகள் என்று மனிதன் எண்ணியிருந்தது உடையத் துவங்கிய காலம். அணுவிற்குள்ளும் அதனினும் சிறிய துகள்கள் உண்டு எனப் புரியத் துவங்கியது.

ஈ.1. - எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கிகள்

1905 ஆம் ஆண்டு J.J.தாம்ஸன் (J.J.Thomson) அவர்களால் எலக்ட்ரான்கள் கண்டுபிடிக்கப்பட்டன. ஒரு வெற்றிடக் கண்ணாடிக்குழாயினுள் இரு மின்முனைகளுக்கிடையே உயர் மின்னழுத்ததை உண்டாக்கிய போது, எதிர்மின்முனையிலிருந்து(Cathode) கிளம்பிய ஒளிக்கற்றை நேர்மின்முனை(Anode) நோக்கிப் பாய்ந்தது. பின்னர் அதன் பண்புகள் பற்றிய மேலதிக ஆய்வுகளுக்குப் பின் அவ்வொளிக்கற்றைக்கு அணுக்களுள் இருக்கும் ஒரு துகளே காரணம் என்றும், அத்துகளுக்கு “எலக்ட்ரான்” என்றும் பெயரிடப்பட்டது. அணு மற்றும் அணுவின் அமைப்பு குறித்து ஆய்வுகள் நடைபெற்ற அதே காலங்களில், ஒளி பற்றிய அறிவியல் ஆய்வுகளும் தீவிரமாக நடந்து கொண்டிருந்தன.

ஒளி என்பது ஒரு அலையா அல்லது துகளா என்று பல்வேறு விஞ்ஞானிகள் ஆய்வுகள் மேற்கொண்டனர். ஆனால், ஒளி என்பது அலைப்பண்பு கொண்டது என்பதற்குப் போதிய ஆதாரங்கள் இருந்த போதிலும், அதன் துகள் பண்பும் அய்யமின்று நிரூபனம் ஆனது. ஒளியின் துகள் பண்பை விளக்கும் ஒரு முக்கிய ஆய்வான ஒளிமின்விளைவைப்(Photoelectric effect) பற்றிய விளக்கங்களுக்கு ஐன்ஸ்டீனுக்கு(Einstein) நோபல் பரிசு வழங்கப்பட்டது. இப்படியாக ஒளி என்பது அலைப்பண்பையும், துகள் பண்பையும் ஒருங்கே கொண்டது என்பது அய்யமின்றி நிரூபனம் ஆனது.

இதனையடுத்து, டிபிராக்லி (De Broglie) என்பவர், துகள்களும் ஒளியைப் போல இரட்டைப் பண்பு கொண்டவையே என்ற கூற்றின் அடிப்படையில், இயற்கையின் இருமைத் தன்மையை முன்மொழிந்தார். எலக்ட்ரான், நியூட்ரான் போன்ற துகள்கள், அடிப்படையில் துகள்களாகயிருந்தாலும், உயர் ஆற்றல் கொண்டு முடுக்கப்படும்போது அலைப்பண்பை கொண்டவை, என்றும் குறிப்பிட்டார். மேலும், அவை அலைப்பண்பைக் கொண்டிருக்கும் போது கீழ்வரும் அலைநீளத்தைக் கொண்டிருக்கும் என்றும் முன்மொழிந்தார்.

… (2)

சமன்பாட்டு விளக்கம்: l - எலக்ட்ரானின் அலைநீளம், h - பிளான்க் (Planck’s) மாறிலி , m - எலக்ட்ரான்களின் நிறை (பின்னர் அதிதுள்ளியக் கணக்கீட்டிற்காக இந்நிறை சார்புநிறையாக(Relativistic Mass) மாற்றப்பட்டது), e - எலக்ட்ரானின் மின் சுமை , V- மின்னழுத்தம். இவ்வலைநீளம் டிபிராக்லி அலைநீளம் என்றும் வழங்கப்படும்.

பின்னர், 1928ஆம் ஆண்டு டேவிசன் (Davisson) மற்றும் ஜெர்மர் (Germer) என்ற விஞ்ஞானிகளின் ஆய்வின் முடிவுகள் மூலம், டீபிராக்லி முன்மொழிந்த இயற்கையின் இரட்டைத் தன்மை அய்யமின்று நிரூபனம் ஆனது. அதிவேக எலக்ட்ரான்களை மெல்லிய நிக்கல் தகட்டில் மோதுவதன் மூலம் எலக்ட்ரான்களின் விளிம்பு விளைவை உண்டாக்கிக் காட்டினர். அலைப் பண்பு கொண்ட துகள்கள் அல்லது அலைகளின் முக்கியப் பண்புகளில் ஒன்று இவ்விளிம்பு விளைவு. இதன் மூலம், எலக்ட்ரான்கள் ஒரு அலையைப் போல் இயங்கும் தன்மைகொண்டவை என்பது நிரூபனம் ஆனது. மேலும், எலக்ட்ரான்கள் மின்சுமை கொண்டவையாதலால், உயர் மின்னழுத்தின் மூலம்அவற்றின் திசைவேகத்தை மாற்றியமைக்க முடியும். மேலே குறிப்பிட்டுள்ள சமன்பாடு (2)ன் அடிப்படையில் எலக்ட்ரான்களின் திசைவேகத்தை மாற்றியமைப்பதின் மூலம் அவற்றின் அலைநீளத்தை மாற்றியமைக்க முடியும். மேலே பகுதி-(இ)யில் குறிப்பிட்டது போல நுண்ணோக்கிகளின் பரித்தறிதிறன் மற்றும் உருப்பெருக்கத்தில் முக்கியப் பங்கு வகிப்பது நுண்ணோக்கியில் பயன்படுத்தப்படும் ஒளிமூலத்தின் அலைநீளம், என்பதை நினைவு படுத்திக்கொள்வது நலம்.

எலக்ட்ரான் மூலங்களுக்களிக்கப்படும் மின்னழுத்தத்தை அதிகரிப்பதன் மூலம், எலக்ட்ரான்களின் அலைநீளத்தை ஒளியின் அலைநீளத்தைவிட ஏறத்தாழ 3-5 அடுக்குகள் குறைக்கமுடியும். இதன் மூலம், எலக்ட்ரான்களை அடிப்படையாகக் கொண்டு இயங்கும் நுண்ணோக்கிகள், ஒளிநுண்ணோக்கிகளால் காணமுடியாத நுண்ணிய அளவிளான பொருட்களையும், படிகங்களுக்குள் இருக்கும் அணுக்களினது கட்டமைப்பையும் காண வழிவகை செய்யும் என்று நம்பினர் விஞ்ஞானிகள். இதனடிப்படையிலேயே எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கிகள் வடிவமைக்கப்பட்டு பயன்பாட்டிற்கு வந்தன. 1938-ஆம் ஆண்டு எலக்ட்ரான்களைக் கொண்டு இயங்கும் முதல் எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கி எர்ன்ஸ்ட் ருஸ்கா (Ernst Ruska) என்பவரால் கண்டுபிடிக்கப்பட்டது. பின்னர் 1986 ஆம் ஆண்டு அவருக்கு அக்கண்டுபிடிப்பிற்கான நோபல் பரிசு வழங்கப்பட்டது.

ஈ.1.1 மின்காந்த ஆடிகள் (electromagnetic lens)

ஆனால், எலக்ட்ரான்களின் அலைநீளத்தைக் குறைப்பதினால் மட்டுமே அவற்றை நுண்ணோக்கிகளில் பயன்படுத்திவிட முடியாது. ஒளிக்கற்றைகளைக் ஆடிகளின் உதவியோடு குவித்து விரிப்பது போல, எலக்ட்ரான் கற்றைகளையும் குவிக்கவும் விரிக்கவும் வேண்டும். இதனையும் எலக்ட்ரான்களின் மின்சுமையின் உதவியுனூடே செய்துவிடமுடியும். ஆம், அடர்வுகுறை ஊடகங்களிலிருந்து அடர்வு மிகு பொருட்களுக்குள் நுழையும் போது ஒளியின் விலகும் பண்பைக் கொண்டு நாம் ஆடிகளை வடிவமைத்தது போல, மின் மற்றும் காந்த விசைகளினால் எலக்ட்ரான்கள் தங்கள் பாதையை மாற்றிக் கொள்ளும் பண்பை எலக்ட்ரான் கற்றைகளைக் குவிக்கப் பயன்படுத்த முடியும். ஒளி நுண்ணோக்கிகளில் குவார்ட்ஸ் மற்றும் கண்ணாடி ஆடிகள் பயன்படுத்தப்படுவது போல எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கிகளில் மின்காந்த ஆடிகள் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. மின் மற்றும் காந்தப் புலங்களுக்குட்படும் போது எலக்ட்ரான்கள் மின்காந்த விசைக்குட்படுகின்றன. இதனை லாரன்ஸ் விசை (Lorentz force) என்றும் வழங்குவர். உதாரணமாக ஒரே அளவிளான காந்தப்பாய அடர்வு (magnetic flux density) மற்றும் சிறப்பான வடிவமைப்பு கொண்ட மின்காந்தங்களை எதிரெதிரே வைத்து அவற்றுக்கிடையில் எலக்ட்ரான்களைப் பாய்ச்சும் போது, எலக்ட்ரான் கதிர்கள் குவிக்கப்படுகின்றன. கீழுள்ள படம்.3ல் எலக்ட்ரான்களைக் குவிக்கும் வரைபடம் ஒன்றைக் காணலாம். இப்படியாக மின் மற்றும் காந்தபுலங்களைப் பயன்படுத்தி எலக்ட்ரான்களை ஒளியைப் போல் குவிக்கவும் விரிக்கவும் முடியும்.

படம்.3: ஒரு மின்காந்த ஆடி செயல்படும் மாதிரி.

ஈ.2. எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கிகளின் வகைகள்:

இப்பகுதியில் எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கிகளிலுள்ள இரண்டு பெரும் பிரிவுகள் பற்றி படங்களுடன் காணலாம். எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கிகளை அவை செயல்படும் விதத்தைப் பொருத்து இரண்டு பெறும் பிரிவுகளாகப் பிரிக்கலாம்: (1) வரியோட்ட எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கிகள் (2) ஊடுறுவு எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கிகள்

ஈ.2.1. வரியோட்ட எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கிகள் (Scanning Electron Microscopes)

படம்.4: வரியோட்ட எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கி(மையப்படம்) மற்றும் சில உதாரணப் படங்கள்.

படவிளக்கம்4: அ). ஓர் எரும்பின் தலைப்பகுதி, சில ஆயிரம் மடங்கு பெரிதுபடுத்தப்பட்டது,( http://en.wikipedia.org/wiki/File:Ant_SEM.jpg)

ஆ) மனித உடலிலுள்ள சிவப்பு இரத்தச் செல்கள், ( http://www.mybioworld.blogspot.com/)

இ). ஆய்வகங்களில் வேதிவினைமூலம் தயாரிக்கப்பட்ட, நமது எலும்புகளிலுள்ள அடிப்படை மூலக்கூறுகளுள் ஒன்றான ஹைட்ராக்சிஅபட்டைட் (Hydroxy apatite) எனப்படும் பொருளின் உருப்பெருக்கம்.

ஈ). ஓர் அயனித்திடப்பொருள் ஒன்றின் படிகப்பரலமைப்பு.

மையத்தில்: வரியோட்ட நுண்ணோக்கிஒன்றின் புகைப்படம். எலக்ட்ரான்கள் உருவாக்கி முடுக்குவதற்கு வெற்றிடக் குழாய் அவசியம் ஆதலால் செங்குத்தான வெற்றிடக் குழாய் அமைப்பினுள்ளேயே அனைத்து மின்காந்த ஆடியமைப்புகளும் இருக்கும்.

வரியோட்ட எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கிகள் எலக்ட்ரான் கற்றைகளை ஒரு பொருளின் புறப்பரப்பில் வரியோட்டம் செய்து பிம்பப்படுத்தும் முறையை அடிப்படையாகக் கொண்டு செயல்படுகிறது. நாம் ஒரு புத்தகத்தை எப்படி வரியோட்டம் செய்கிறோமோ அதே போல இடமிருந்து வலமாக ஒரு பொருளின் குறிப்பிட்ட ஒரு பகுதியில் வரியோட்டம் செய்து கண்ணுறு ஒளிக்கோ அல்லது மனிதக் கண்களுக்கோ புலனாகாத நுணுக்கங்களைக் கண்டுணர முடியும். வரியோட்ட நுண்ணோக்கிகளில் எலக்ட்ரான் கற்றைகளை உருவாக்கி முடுக்குவதற்குப் பொதுவாக 30 கிலோவோல்ட் மின்னழுத்தம் வரை பயன்படுத்தப்படுகிறது. சிறப்பான எலக்ட்ரான் மூலங்கள் மற்றும் முறையான தேர்ந்த பயன்பாட்டினூடாக வரியோட்ட நுண்ணோக்கிகளின் பிரித்தறிதிறன் 1 - 20 நேநோ மீட்டர் வரை மாறுபடலாம்.

வரியோட்ட எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கிகளில் தோன்றும் பிம்பங்களுக்கான உதாரணமாக மேலேயுள்ள படம்-4ல் உள்ள படம்(ஈ), ஒரு பலபடிகத்தின் பரலமைப்பைக் குறிக்கிறது. நாம் இன்றைக்குப் பயன்படுத்தும் பல பொருட்கள் பரலமைப்பு கொண்டவை. உதாரணமாக ஒரு மாதுளம் பழத்தினுள் அதன் மணிகள் நெருக்கமாக இருப்பதைப் போல நாம் அன்றாடம் பயன்படுத்தும் உலோகங்கள் பலவும் நுணுக்கமான பரலமைப்பு கொண்டவை. மேலும், அவ்வுலோகங்களின் கடினத்தன்மை மற்றும் உறுதி போன்ற பண்புகளுக்கு இப்பரலமைப்பும் முக்கியமானதொரு காரணியாகவிருக்கிறது. ஆதலால், வரியோட்ட நுண்ணோக்கிகள், அறிவியலின் பல துறைகளிலும் முக்கியப் பங்கு வகிக்கின்றன. வரியோட்ட நுண்ணோக்கிகளின் மூலம் பொருட்களின் புறவமைப்பு பற்றி மட்டுமே அறிந்துகொள்ளமுடியுமாதலால், பொருட்களிலுள்ள அணுக்களின் அமைப்பு மற்றும் அவற்றின் படிக அமைப்பு ஆகியனவற்றை அறிந்து கொள்ள எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கிகளில் சில மாறுதல்கள் தேவைப்பட்டது. அப்படி மேம்படுத்தப்பட்ட எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கிகளே ஊடுறுவு எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கிகள்.

ஈ.2.2. ஊடுறுவு எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கிகள் (Transmission Electron Microscope)

ஊடுறுவு எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கிகள், ஒரு பொருளினுள்ளே ஊடுறுவி வரும் எலக்ட்ரான் கற்றைகளைக் கொண்டு பிம்பங்களை உருவாக்கம் செய்கிறது. உதாரணமாக மிக மெல்லிய துணியிலுள்ள நூலிழை அமைப்பை நாம் ஒளியை ஊடுறுவச் செய்து காண்கிறோமே, ஏறத்தாழ அதற்கிணையானதொரு நிகழ்வுதான். இப்படிப் பொருட்களினூடே ஊடுறுவி வரும் எலக்ட்ரான்கள் நின்றொளிரும் (Fluorescent screen) தன்மை கொண்ட ஒரு திரையின் மேல் பாவிக்கப்படுகின்றன. அத்திறையில் பொருட்களின் பிம்பம் விழும். இப்போது நீங்களே ஊகித்திருக்க முடியும், ஊடுறுவுதலை அடிப்படையாகக் கொண்டால், பொருட்களின் தடிமன் மிக முக்கியமானதொரு காரணியாகிவிடுமே என்று? ஆம் நீங்கள் ஊகித்தது சரிதான், ஊடுறுவு எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கிகளில் நாம் காணவேண்டிய பொருளின் தடிமன் ஏறத்தாழ 10x10^-9 மீட்டர் அதாவது 10 நேநோ மீட்டருக்கும் குறைவாகயிருக்க வேண்டும். இல்லாவிடில், ஊடுறுவும் எலக்ட்ரான்கள் பலவகைச் சிதறல்களுக்குட்பட்டு ஊடுறுவ முடியாமல் போகும், இதனால் நமக்கு எவ்விதபிம்பமும் கிடைக்காது வெறும் கருநிழல் மட்டுமே மிஞ்சும். இவ்வகை நுண்ணோக்கிகளில் எலக்ட்ரான்களின் உருவாக்கம் மற்றும் முடுக்கத்திற்கு ஏறத்தாழ 300கிலோவோல்ட் மின்னழுத்தம் வரை பயன்படுத்தப்படுகிறது. இதன்மூலம், எலக்ட்ரான்களின் அலைநீளத்தை 0.001-1நேநோ மீட்டர் அளவுகளுக்கு குறைக்க முடியும், மேலும் அதன் பிரித்தறிதிறன் 0.05 - 0.001 நேநோ மீட்டர் அளவுகளுக்குக் குறைக்க முடியும்.

கீழுள்ள படம் 5ல். ஒரு ஊடுறுவு நுண்ணோக்கியின் புகைப்படமும் அதன் மூலம் எடுக்கப்பட்ட புகைப்படங்கள் சிலவும் உள்ளன.

படம்-5: மையப்படம் - ஊடுறுவு நுண்ணோக்கியின் புகைப்படம், இடது: வேதியியற் முறையில் தயாரிக்கப்பட்ட உலோகத்த தங்கத்தின் நேநோ துகள்கள். அப்புகைப்படத்தின் கீழுள்ள அளவுக்கோடு 50 நேநோ மீட்டர் அளவைக்குறிக்கிறது. வலது: மிகவும் அதுயுயர் பிரித்தறிதிறன் கொண்ட ஒரு ஊடுறுவு எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கி மூலம், ஒரு பொருளின் உள்ளே இருக்கும் அணுவமைப்பைக் காட்டுகிறது. வெள்ளைப் புள்ளிகள் நாம் காணும் பொருளிலுள்ள ஒரு அணுவரிசையின்(atomic column) நிழலாகப் புரிந்து கொள்ளலாம், ஆனால், இப்படி அதியுயற் ஊடுறுவு திறன் பிம்பங்களைக் (High resolution images) காணும் போது மிகவும் கவனமாகக் கையாளவேண்டும் பலமுறை மாயத்தோற்ற பிம்பங்கள் நம்மை ஏமாற்றிவிடும் சாத்தியம் உண்டு.

ஈ.3. எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கிகளின் பயன்களும் குறைபாடுகளும்:

இப்படியாக எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கிகள், 1.எலக்ட்ரான்களின் அலைநீளத்தை மாற்றியமைத்துப் பயன்படுத்திக்கொள்ளும் வசதி, 2. பொருட்களின் படிக அமைப்பு மற்றும் பரலமைப்பு, 3. பொருட்கள் கட்டமைக்கப்பட்டிருக்கும் அணுக்களைக் கண்டறிதல், 4. நேநோ அளவிலான பொருட்களைக் கண்டுணர்தல், மற்றும் 5. எல்க்ட்ரான் பிம்பங்களினால் பொருட்களில் ஏற்படும் விளைவுகளைக் காண எனப் பலதரப்பட்ட பயன்பாடுகளைக் கொண்டவையாக விளங்குகின்றன. இப்படியான பல பயன்களைக் கொண்டிருந்தாலும், அவற்றிலும் குறைபாடுகளில்லாமல் இல்லை, குறிப்பாக 1.எலக்ட்ரான்களை உருவாக்க உயர்மின்னழுத்தங்களைப் பாவித்தல், 2.ஒளி நுண்ணோக்கிகளில் செய்வதுபோல உயிரோடிருக்கும் செல்கள், போன்றவற்றைக் காணமுடியாமல் இருத்தல், மேலும், 3.ஊடுறுவு எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கிகளில் நாம் காணவிரும்பும் பொருளின் தடிமனை குறைப்பதற்காக அவற்றை சிதைக்க வேண்டிய தேவையிருக்கிறது மற்றும் 4.அதிஉயர் பிரித்தறிதிறன் கொண்ட ஊடுறுவு எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கிகள் பொருளாதார ரீதியாக தன்னிறைவடைந்த நிறுவனங்கள் மட்டுமே கொள்வனவு செய்யும் வகையிலேயே இருக்கின்றன, என்று அவற்றின் குறைபாடுகளாகப் பட்டியலிடலாம்.

ஈ.4. அணுவிசை நுண்ணோக்கிகள் (Atomic Force Microscopes):

இதுவரை ஓர் அலையைக் கொண்டோ அல்லது துகள்களின் அலைப்பண்பைப் பயன்படுத்தியோ பொருட்களை உருப்பெருக்கம் செய்து காணும் நுண்ணோக்கிகள் குறித்து விரிவாகக் கண்டோம். மேலும் அவற்றின் சாதக பாதகங்கள் குறித்தும் ஓரளவு அறிந்து கொண்டுள்ளோம். இனி மற்றொரு புதிய வகை நுண்ணோக்கி ஒன்றைப் பற்றி விரிவாகக் காணலாம்.

ஒளி மற்றும் துகள் மூலங்கள் இல்லாமல், மிகவும் நுண்ணிய பொருட்களைக் காணக் கண்டுபிடிக்கப்பட்ட புதியவகை நுண்ணோக்கிகளுள் ஒன்று “அணுவிசை நுண்ணோக்கி (Atomic Force Microscope (AFM))”. தற்போது அறிவியல் துறையில் மிகவும் பேசப்படும் நேநோ(nano) தொழில்நுட்பத்தில் மிகவும் இன்றியமையாத பங்காற்றிக் கொண்டிருக்கும் நுண்ணோக்கிகளுள் ஒன்று அணுவிசை நுண்ணோக்கி.

இவ்வணுவிசை நுண்ணோக்கியின் முதல் வடிவமாக 1981 ஆம் ஆண்டு Gerd Binning மற்றும் Heinrich Rohrer ஆகியோர் எலக்ட்ரான்களின் சிதறலற்ற ஊடுறுவுப் பண்பை மையமாகக் கொண்டு உருவாக்கினர். மேலும் 1986 ஆம் ஆண்டு அதற்கான நோபல் பரிசையும் வென்றனர். இப்படியாக உருவாகிய அணுவிசை நுண்ணோக்கி பின்னர் பொருட்களின் பல்வேறு விபரங்களை அறியும் வகையாக பிறசேர்க்கை வசதிகளுடன் வடிவமைக்கப்ட்டது.

ஈ.4.1 அணுவிசை நுண்ணோக்கி செயல்படும் முறை:

இந்நுண்ணோக்கி செயல்படும் விதம் பற்றி இரு எளிய உதாரணத்துடன் காணலாம்.

உதாரணம்1: உங்கள் கண்களைக் கட்டிவிட்டு மணல், செங்கல், சலவைக்கல் ஆகிய மூன்றும் உங்கள் முன் வைக்கப்பட்டுவிட்டது என்று கொள்வோம். இப்போது அவற்றை நீங்கள் அடையாளம் கண்டுணர வேண்டும் என்பது போட்டி. கண்டிப்பாக நீங்கள் அவற்றை உங்கள் விரல்களால் தொடுவதன் மூலம் மணல் எது, செங்கல் எது, சல்வைக்கல் எது என அடையாளம் கண்டுணர முடியும். இப்போது ஒளியின் உதவியில்லாமலே நீங்கள் அவற்றைக் கண்டுகொண்டுவிட்டீர்கள்.

உதாரணம்2: கண்களால் பார்க்கும் திறனற்ற ஒருவர் ஒரு கோலின் உதவியுடன் முகட்டுப் பகுதிகளையும், அகட்டுப் பகுதிகளையும் கண்டுகொள்வதை இதற்கு இன்னொரு எடுத்துக்காட்டாகக் கொள்ளலாம்.

மேற்கூறிய உதாரணங்களில் தொடுவுணர்வையும் பொருட்களின் சுரசுரப்புத் தன்மையையும் பயன்படுத்திப் பொருட்களைக் காட்சிப்படுத்திக் கொண்டது போல, பொருட்களின் புறப்பரப்பைப் பற்றியறிய அணுக்களின் இடையே செயல்படும் மின்நிலைம விசையை அடிப்படையாகக் கொண்டு காட்சிப்படுத்திக் கொள்ளப் போகிறோம். இப்படி அணுக்களுக்கிடையே உள்ள மின்நிலைம விசைகளினைப் பயன்படுத்திக் காட்சிப்படுத்துதலை அடிப்படையாகக் கொண்டு இயங்குகிறது அணுவிசை நுண்ணோக்கி (Atomic Force Microscope).

இவ்வகை நுண்ணோக்கிகளில் ஒரு வளைவுச்சட்டம் ஒன்றின் முனையில் மிகவும் கூரான ஒரு முள்முனை உண்டு. இக்கூறான முள்முனையைக் கொண்டு பொருட்களின் புறப்பரப்பில் வரியோட்டம் செய்யும் போது அப்பொருளின் புறப்பரப்பில் இருக்கும் அணுக்களுக்கும் வளைவுச்சட்டத்தின் முனையில் இருக்கும் முற்முனைக்கும் இடையே நடைபெறும் மின்நிலைம விசைப் பரிமாற்றங்களின் அடிப்படையில் வளைவுச்சட்டம் மேலெழும்பும் அல்லது கீழிறங்கும். இப்போது இவ்வளைவுச்சட்டம் விலக்கமடையும் அளவினடிப்படையில் பொருளின் புறப்பரப்பு பற்றி அறிந்து கொள்ளமுடியும். இம்மின்நிலைம விசைகள் செயல்படும் வெளி சில நேநோ மீட்டர் (10^-9 மீட்டர்) அளவுகளே இருக்கும், அதனால் ஒரு பொருளின் புறப்பரப்பில் நேநோமீட்டர் அளவிலுள்ள முகடுகளையும் அகடுகளையும் கண்டுணர முடியும். ஒரு அணுவிசை நுண்ணோக்கியின் கூர்முனை ஒரு பொருளின் முகடையும் அகடையும் உணரும் போது எப்படி நாம் அறிந்து கொள்ள முடியும் என்பதனை ஒரு வரைபடத்துடன் கூடிய விளக்கமாகப் படம் 6.ல் காணலாம்.

படம் 6: அணுவிசை நுண்ணோக்கியினது கூர்முனையின் செயல்பாட்டு விளக்கப்படம்

படவிளக்கம் 6: பச்சைஅணுக்கள்- கூர்முனையின் அணுக்கள், சிவப்பு அணுக்கள்- காணப்போகும் பொருளின் புறப்பரப்பிலுள்ள அணுக்கள். (அ).- வரியோட்டம் துவங்குவதற்கு முன்னுள்ள நிலை. லேசரினைக் குறிக்கும் சிகப்பு அம்புக்குறி ஒளியுணர் டையோடின் மையத்தில் இருக்கும். (ஆ).- வரியோட்டம் துவங்கியபின் பொருளின் முகடான பகுதியில் இருக்கும் அணுக்களுடன் முள்முனை ஊடாடும் போது வளைவுச்சட்டம் மேல்நோக்கி எழும்பும், அதே நேரம் லேசர் கதிர் தனது மையப்புள்ளியிலிருந்து விலகும். (இ).- பொருளின் அகடான பகுதியில் முள்முனை படும்போது வளைவுச்சட்டம் கீழ்நோக்கி வளையும், அதே நேரம் லேசர் கதிர் தனது மையப்புள்ளியிலிருந்து விலகி மேல்நோக்கி நகரும்.

மேற்கூறியது ஒரு அணுவிசை நுண்ணோக்கி செயல்படும் அடிப்படை மட்டுமே ஆனால், இப்படி ஒரு முள்முனையினை பொருட்களின் புறப்பரப்பில் வரியோட்டம் செய்வது மூலம் காட்சிப்படுத்துதல் எளிதான செயல் அல்ல. மிகவும் நுட்பமான ஓர் எலக்ட்ரானியல் சுற்று (electronic circuit) தேவைப்படுகிறது. ஒரு அணுவிசை நுண்ணோக்கியில் உள்ள வெவ்வேறு பகுதிகள் பற்றியதொரு விளக்கப்படத்தை கீழேயுள்ள படம்7-ல் காணலாம்.

படம்-7:அணுவிசை நுண்ணோக்கியின் வெவ்வேறு பகுதிகள் குறித்த விளக்கப்படம்

பொருட்களின் மேல் வரியோட்டம் செய்வதன் மூலம் ஒளியுணர் டையோடில் மின்சமிஞ்சையை உருவாக்கிக் கொள்கிறோம் என்று எளிதாகக் கூறினாலும், இவ்வகை நுண்ணோக்கிகளின் செயல்பாடு மிகவும் நுட்பமானவை. இந்நுண்ணோக்கிகளில் முள்முனையை பொருட்களின் புறப்பரப்பிற்கருகே நேநோ மீட்டர் அளவிற்கு அருகில் கொண்டுவரவேண்டும், பின்னர் 1. முள்முனை பொருட்களின் புறப்பரப்பைத் தொட்டபின் வரியோட்டம் செய்தல், 2. மாறாக முள்முனையை பொருட்களின் புறப்பரப்பிற்கும் முள்முனைக்கும் இடையே இருக்கும் தூரத்தை நிலையாக வைத்துக் கொண்டு முள்முனைக்கும், பொருட்களின் புறப்பரப்பிலிருக்கும் அணுக்களுக்கும் இடையே இருக்கும் மின்நிலைம விசையை மட்டுமே கொண்டு மின்சமிஞ்சையை உருவாக்குதல், எனப் பலவகைகளில் நுட்பமாகக் கையாளமுடியும். இவை பொருட்களின் புறப்பரப்பில் இருக்கும் விபரங்களை முப்பரிமாண பிம்பங்களாகவும் தரவல்லவை.

மேற்கூறிய படி ஒரு அணுவிசை நுண்ணோக்கி செயல்பட மிகவும் முக்கியமான நான்கு பகுதிகள் தேவைப்படுகின்றன, அவை 1. வரியோட்டம் செய்யும் அமைப்பு, 2.முள்முனை, லேசர் மற்றும் நான்முக ஒளியுணர் டையோடு, 3.உருவாகும் மின்சமிஞ்சையைக் கொண்டு முள்முனையை இயக்கும் ஒரு பின்னுட்ட சுற்று மற்றும் நான்காவது முள்முனையின் விளக்கத்தினால் உருவான மின்சமிஞ்சையை பிம்பமாக மாற்றுதல். இப்படி மிக முக்கியமான நான்கு பாகங்களையே மேலுள்ள விளக்கப் படத்தில் காணலாம். இங்கே மிகவும் முக்கியமானதொரு கவனப்புள்ளி: இவ்வகை நுண்ணோக்கிகளில் மின்சமிஞ்சைகள் பிம்பமாக மாற்றப்படுகின்றன. அதனால், இவ்வகை நுண்ணோக்கிகளில் கிடைக்கும் பிம்பங்கள் பொய்ப்பிம்பங்கள் {மாயப்பிம்பங்கள் அல்ல, False-images, NOT virtual-images} என அழைக்கப்படுகின்றன. அதாவது எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கிகள், மற்றும் கண்ணுறு ஒளி நுண்ணோக்கிகளில் நேரடியாக பிம்பத் தோற்றம் இருப்பதுபோலல்லாமல், இவற்றில் மின்சமிஞ்சைகளே பிம்பமாக மாற்றப்படுவதால் அப்படி வழங்கப்படுகின்றன. ஆனால், அப்படி உருவாக்கப்பட்ட பிம்பங்கள் நம்பகமானவையே அல்லது அவை நமது பொருளின் புறப்பரப்பையே குறிக்கிறது. “பொய்ப்பிம்பம் என்பது பிம்பம் உருவாக்கப்படும் முறையினால் வழங்கப்படும் பெயரேயன்றி பிம்பம் சொல்லும் செய்திகள் பொய்யல்ல.”

கீழுள்ள படம்-8ல், அணுவிசை நுண்ணோக்கி மூலம் படமாக்கப்பட்ட் ஒரு பிம்பம் கொடுக்கப்பட்டுள்ளது.

படம்-8: அணுவிசை நுண்ணோக்கியின் உதவியுனூடு வரியோட்டம் செய்யப்பட்ட, சிலிகான் சில்லின் மேல், மெல்லிழையாகப் படியவைக்கப்பட்ட பிளாட்டினம் உலோகத்தின் புறப்பரப்பு. அதிலுள்ள நிறங்கள் போலியானவை அதாவது மென்பொருள் உருவாக்குவது. ஆனால் இடது புறம் நிறத்தினடிப்படையிலுள்ள ஒரு அளவைப்பட்டை வழங்கப்பட்டிருக்கிறதே அது மிகவும் முக்கியமானது. அதாவது கருமை நிறத்திலிருந்து துவங்கி பின்னர் வெள்ளை நோக்கிப் பயணிக்கிறது அந்நிற அளவைப்பட்டை. அந்நிற அளவைப்பட்டையின் மையப்புள்ளியை ஆதாரப்புள்ளியாகக் கொண்டால், மேலே வெள்ளைநிறம் என்பது ஒரு முகடைக் குறிப்பதாகவும், கீழே கருமை நிறம் என்பது ஒரு அகடைக் குறிப்பதாகவும் பொருள் கொள்ள வேண்டும். அந்நிற அளவைப்பட்டைக்கு அருகே அளவைக் கோடுகள் வழங்கப்பட்டுள்ளது. அதாவது இருஅளவைக்கோடுகளுக்கிடையே உள்ள தூரம் 40நேநோ மீட்டர் என்றிருக்கிறது. இப்போது நாம் நிற அளவைப்பட்டையையும் பிம்பத்தையும் ஒப்பிட்டு பிம்பத்தில் தெரியும் நிறத்திற்கும் இந்நிறப்பட்டையில் அதேநிறம் இருக்கும் புள்ளியைக் காணவேண்டும். பின்னர் ஆதாரப் புள்ளியில் இருந்து அந்நிறப்பட்டையில் எவ்வளவு தூரம் தள்ளியிருக்கிறோம் என்பதையும் கணித்து அருகேயுள்ள 40நேநோமீட்டர்/அளவுக்கோடு என்ற எண்மதிப்போடு ஒப்பிட்டு நமது பொருளின் புறப்பரப்பில் இருக்கும் அகட்டின் அளவையும் முகட்டின் அளவையும் கண்டுகொள்ளலாம். உதாரணமாக இங்கே அளித்துள்ள படம்8 ல், பிம்பத்தில் உள்ள வெள்ளைப் பரப்புகள் ஏறத்தாழ 50 நேநோ மீட்டர் முகட்டையும், பிம்பத்திலுள்ள கரிய நிறம் ஏறத்தாழ 50 நேநோ மீட்டர் கொண்ட அகடையும் குறிக்கிறது. ஆனால், அப்படத்தில் உள்ள பிளாட்டினம் புறவமைப்பு அதிக சுரசுரப்புத் தன்மை இல்லாதது, அதனால், பிம்பத்தில் கரிய நிறமோ அல்லது வெந்நிறமோ இல்லாமல் இருக்கிறது. மேலும் வழங்கப்பட்ட பிம்பத்தில் இருக்கும் பொருளின் புறப்பரப்பு ஏறத்தாழ1-2 நேநோ மீட்டர் அளவு மட்டுமே சுரசுரப்புத் தன்மை கொண்டது. அதில் தெரியும் மணிபோன்றவை பிளாட்டினம் உலோகத்தின் புறப்பரப்பிலுள்ள பரலமைப்பைக் குறிக்கிறது. இப்படியாகப் பொருட்களின் புறப்பரப்பில் இருக்கும், நுண்ணிய விபரங்களை அணுவிசை நுண்ணோக்கியின் உதவியினூடாகக் காணமுடியும்.

ஈ.4. அணுவிசை நுண்ணோக்கிகளின் பயன்கள்:

தற்போது வளர்ந்து வரும் நேநோ தொழில்நுட்பத்துறையில் அணுவிசை நுண்ணோக்கிகள் தங்களுக்கென்ற தனியிடத்தைப் பிடித்துக்கொண்டன. இதற்கான மிக முக்கியக் காரணிகளாகப் பல இருந்தாலும், இவை கையாள எளிதானவை, வரியோட்ட எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கிகளோடு ஒப்பிடும்போது பொருட்செலவு குறைவானவை, மேலும், புறப்பரப்பின் முப்பரிமாணத்தைக் காண வழிவகை செய்யும், பொருட்களின் பரலமைப்பிலிருந்து ஒரு குறிப்பிட்ட பரலின் மின்கடத்துதிறன், மற்றும் அவற்றின் காந்த மற்றும் மின் பண்புகள் ஆகியவற்றை அறியமுடியும். மிகவும் நுண்ணிய அளவிலான கார்பன் நேநோ குழாய்களின் மின்கடத்து திறன் போன்ற ஆய்வுகளைச் செய்யமுடியும் எனப் பல பயன்பாடுகளைக் கொண்டவை. இதிலுள்ள குறைப்பாடுகளுள் சிலவாக: இது சுற்றுப்புற ஒலி மற்றும் அதிர்வுகளின்பால் அதிக உணர்திறன் கொண்டது, மேலும், வளைவுச்சட்டத்தின் முனையிலுள்ள முள்முனை விரைவில் மழுங்கிப்போய்விடும், மற்றும் மின்சமிஞ்சைகள் பிம்பமாக மாற்றப்படுவதால், பிம்பங்கள் உருவானவுடன் பலமுறை பல வழிமுறைகளில் சரிபார்த்தல் வேண்டும்.

உ. கட்டுரைச்சுறுக்கமும் முடிவுரையும்:

கட்புலனாகாத நுண்ணிய உலகு குறித்த தேடுதல் துவங்கிய காலத்திலிருந்து இன்றுவரை அறிவியலில் நுண்ணோக்கிகள் பெரும்பங்காற்றியிருக்கின்றன. நுண்ணோக்கித் தொழில்நுட்பமும் அறிவியலும் தமக்குள்ளெ ஒரு சகப்பிணைப்பை கொண்டு ஒன்றோடொன்று இணைந்து வளர்ந்தன என்றால் மிகையாகாது. நுண்ணோக்கிகள் பல அறிவியல் கண்டுபிடிப்புகளை சாத்தியமாக்கின, அதேசமயம், பல அறிவியல் கண்டுபிடுப்புகள் நுண்ணோக்கித் தொழில்நுட்பத்தை வளர்தெடுத்தன.

கண்ணாடி அரவையில் துவங்கிய நுண்ணோக்கிகளின் பயணம், கண்ணுறு ஒளியைத் தாண்டி, அலைப்பண்பு கொண்ட துகள்கள், மற்றும் ஒளிமூலம் இல்லாத புதியவகை நுண்ணோக்கிகள் என இன்றும் பரிணமித்துக் கொண்டே இருக்கின்றன. இன்னும் X-கதிர்களைக் கொண்டு இயங்கும் நுண்ணோக்கிகள், அணுவிசை நுண்ணோக்கிகள் மட்டுமல்லாமல், மின்னிரட்டைகள் மற்றும் காந்தப் பொருட்களின் புறத்திலுள்ள காந்தஇருமுனையின் விசைகளைக் கொண்டு இயங்கும் நுண்ணோக்கிகள் எனப் பல்வேறு நவீன வகை நுண்ணோக்கிகள் பயன்பாட்டில் உள்ளன. கட்டுரையின் அளவு கருதியும், நவீன நுண்ணோக்கிகள் பற்றிய ஒரு தேடுதலுக்கான துவக்கப்புள்ளியாகவும் இருக்குமாறு இக்கட்டுரையில் எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கிகள் மற்றும் அணுவிசை நுண்ணோக்கிகள் ஆகிய இரண்டு பற்றி மட்டும் எழுதப்பட்டிருக்கிறது.

நுண்ணோக்கிகள் நமக்காக தேக்கி வைத்திருக்கும் ஆச்சர்ய அதிர்வுகள் கடல் போல விரிந்து கொண்டே செல்கிறது. அறிந்த பொருட்களைப்பற்றி புதிய செய்திகள் அறியாத பொருட்கள் பற்றிய அறிமுகம் என அனுதினமும் அவை புதியவற்றை நமக்கு அறிமுகப்படுத்திக் கொண்டேயிருக்கின்றன.

தொலைநோக்கிகளின் ஆடிகளினுடே அனுதினமும் பிரபஞ்சம் விரிவது போல, நம்மை உள்ளிழுத்து ஒரு புள்ளியில் குவித்து அங்கிருந்து மற்றுமொரு பிரபஞ்சத்தை விரித்துக் கொண்டேயிருக்கின்றன நுண்ணோக்கிகள்.

நன்றியறிவிப்பு:

இக்கட்டுரையில் பயன்படுத்துவதற்காக தங்களிடம் இருந்த எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கிப் பிம்பங்களைப் பகிர்ந்துகொண்ட நண்பர்கள், திரு.விஸ்வநாத், திருமதி.அதிதி மற்றும் திருமதி.சித்ரா ஆகியோருக்கும், தமிழாக்கத்தில் உதவிய நண்பர்கள் திரு.பி.சூரியகுமார், திரு.இராஜா, மற்றும் கட்டுரையை வாசித்துக் கருத்துக்களைப் பகிர்ந்து கொண்ட திருமதி.நந்தினிக்கும் நன்றிகள் பல.

ஆதாரக் கட்டுரைகள் மற்றும் தரவுகள்:

1. Physical principles of Electron microscopy – Ray.F.Egerton - http://www.scribd.com/doc/8288963/Physical-Principles-of-Electron-Microscopy-an-Introduction-to-TEM-SEM-and-AEM .
2. http://nobelprize.org/educational_games/physics/microscopes/
3. Atomic Force Microscope - User Manual, Veeco, http://www.veeco.com/atomic-force-microscope-systems/index.aspx
4. http://tamilvu.org/coresite/html/cwhomepg.htm - தமிழ் கலைச்சொற்கள் உதவிக்கு.

முக்கிய அறிவிப்புகள்:

1. இக்கட்டுரையின் வரைபடங்கள் மற்றும் உள்ளடக்கம் மணற்கேணி2009 / தமிழ்வெளி குழுவினர்களின் அலுவல்தளம் தவிர பிறர் முறையான முன்அனுமதியின்றி (kaiyedu@gmail.com) மீள்பதிவுசெய்தல் அல்லது பயன்படுத்துதல் கூடாது.
2. மாணவர் கல்விக்காகவும், விக்கிபீடியா போன்ற இலவச தகவல்தளங்களிலும் முன்னறிவிப்பு செய்துவிட்டுப் பயன்படுத்திக்கொள்ளலாம்.
3. கட்டுரையின் உள்ளடக்கத்திற்கும் வரைபடங்களுக்கும், முறையான அனுமதியற்ற பொருளீட்டும் நோக்குடனான பயன்பாடு மறுக்கப்படுகிறது.