உயர்தொழில்நுட்பக் கருவிகள் (sophisticated or hightech instruments)

இதற்கு முன் நேனோ பற்றி கொஞ்சம் பொதுவான கருத்துக்களை பார்த்தோம். இவ்வளவு சிறிய நேனோ பொருளை எப்படி பார்ப்பது? இதற்கு பல வழிகள் உண்டு. சிலவற்றை இங்கு பார்க்கலாம். குறிப்பாக நான்கு விதமான கருவிகளைப் பார்க்கலாம்.

1. Scanning Electron Microscopy அல்லது SEM - செம்


2. Transmission Electron Microscopy அல்லது TEM - டெம்


3. Atomic Force Microscopy அல்லது AFM-ஏ. எஃப். எம்


4. Scanning Tunneling Microscopy அல்லது STM -எஸ்.டீ.எம்.

இது தவிர வேறு கருவிகளும் உண்டு. முதலில் இவற்றைப் பற்றி சில பதிவுகளில் பார்க்கலாம்.
இவற்றில் ”செம்” என்பது மிக அதிகமாக பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது. ஏ.எஃப்.எம். என்பது அதிக பயன்பாட்டில் வந்துகொண்டு இருக்கிறது. எஸ்.டீ.எம். முன்பு ஓரளவு இருந்தது, இப்போது குறைந்து வருகிறது. டெம் என்பதை கையாளுவது மிக சிரமம், அதனால் ஓரளவு பயன்பாட்டில் இருக்கிறது. இவற்றை எல்லாமே, ‘மிகப் பெரிய பூதக்கண்ணாடிகள்' என்று எளிமைப் படுத்தி சொல்லலாம்.

ஒரு சிறிய பொருளை, லென்ஸ் வைத்து பெரிதாக்கி பார்க்க முடிகிறது இல்லையா? மிகச் சிறிய பொருளை மைக்ராஸ்கோப் என்ற கருவி வைத்து (இரண்டு அல்லது அதற்கு அதிகமான லென்ஸ் வைத்து செய்யப்பட்ட கருவி) பார்க்கலாம். ஆனால் இதற்கு ஒரு வரம்பு (limit) உண்டு. சும்மா, பெரிய பெரிய லென்ஸ் வைத்து 10,000 மடங்கு, லட்சம் மடங்கு என்று எல்லாம் பெரிதாக்கி பார்க்க முடியாது. ஏன் தெரியுமா?

நம் கண்களுக்கு தெரியும் ஒளியின் அலை நீளம் (wavelength) 400 முதல் 700 நே.மீ. ஆகும். வெறும் கண்களால் பார்க்கும்பொழுது சுமார் 0.1 மி.மீ. அளவு இருக்கும் பொருள் தெரியலாம் . லென்ஸ் அல்லது மைக்ராஸ்கோப் வைத்து பார்க்கும் போது சுமார் 0.01 மி.மீ (அதாவது 10 மைக்ரான்) அளவு இருக்கும் பொருள் தெரியும். ரொம்ப கஷ்டப்பட்டு, லைட்டிங், காண்ட்ராஸ்ட் (lighting, contrast) எல்லாம் அட்ஜஸ்ட் செய்து பார்த்தால் 5 மைக்ரான் அளவிருக்கும் பொருள் தெரியும். அதைவிட அதிகமாக ஜூம் செய்ய பார்த்தால் (எ.கா. பெரிய லென்ஸ் வைத்தால்), பொருள் தெளிவாகத் தெரியாது. தெளிவில்லாமல் (hazy) தெரியும். இதற்கு காரணம் நாம் உணரும் / பார்க்கும் ஒளியின் அலை நீளம் 700 நேமீ அல்லது 0.7 மைக்ரான். ஒரு பொருளை நாம் பார்க்க வேண்டும் என்றால், அந்தப் பொருளில் இருந்து ஒளி வரவேண்டும் (எ.கா. கருப்பு பேப்பரில் வெள்ளை புள்ளி). அல்லது அதை சுற்றி இருக்கும் இடத்தில் இருந்து ஒளி வரவேண்டும் (வெள்ளை பேப்பரில் கருப்பு புள்ளி). அப்போதுதான் நம்மால் எதையுமே பார்த்து அறிய முடிகிறது.

இங்கு ஓரிடத்தில் கருப்பு புள்ளி இருந்தால், கண்ணுக்கு அதை சுற்றி வெள்ளையாக இருப்பதும், ஒரு புள்ளியில் இருந்து மட்டும் ஒளி வரவில்லை (கருப்பாக இருக்கிறது) என்பதும் தெரியும். ஆனால் புள்ளியின் அளவு 1 மைக்ரான் அளவு இருந்தால் பக்கத்தில் இருந்து வரும் ஒளி கூட அந்த புள்ளியில் இருந்து வருவது போல தோன்றும். இதற்கு விளிம்பு வளைவு (diffraction) என்று பெயர். இதனால், புள்ளி தெளிவாகத் தெரியாது, சில சமயங்களில் புள்ளி இருப்பதே தெரியாது.

அதனால்தான், நாம் காற்றில் இருக்கும் தூசிகளை பல சமயங்களில் பார்க்க முடிவதில்லை. நாலு நாள் வீட்டை பெருக்காமல் இருந்தால் தூசி தரையில் கூடிவிடுகிறது. பல தூசிகள் சேர்ந்து பெரிதாக இருந்தால் அதை பார்க்க முடியும். சில சமயங்களில் வீட்டில் சன்னல் வழியே சூரிய வெளிச்சம் கற்றையாக வரும்பொழுது, காற்றில் தூசிகள் ‘அலைவதை' பார்க்க முடியும். ஏனென்றால் அந்த தூசிகள் ஒளியை சிதற அடிக்கும் போது (scatter) நம்மால் பார்க்க முடிகிறது. அவையும் 5 அல்லது 10 மைக்ரானை விட பெரியதாகவே இருக்கும். ஒளிக்கற்றை இல்லாமல் டுயூப் லைட் இருந்தால் அவை பெரும்பாலும் தெரியாது.

ஆனால் நாம் பார்க்கும் ஒளியின் அலை நீளத்தின் அளவே (அல்லது அதைவிட சிறிதாக ) இருக்கும் பொருள்களை பார்க்க முடியாது. இதற்கு விளிம்பு வளைவு வரம்பு (நாக்கு தள்ளுகிறது!) அல்லது diffraction limit அல்லது டைஃப்ராக்‌ஷன் லிமிட் என்று பெயர்.

இந்த தடையை மீறி சிறிய பொருள்களைப் பார்க்க வழி உண்டா? நிச்சயமாக உண்டு. நாம் இன்னும் சிறிய அலை நீளம் கொண்ட ஒளியைப் பயன்படுத்தினால், அதில் டைஃப்ராக்‌ஷன் லிமிட் மிகக் குறைவாக இருக்கும். அப்போது 1 மைக்ரான் என்ன, அதில் ஆயிரத்தில் ஒருபங்கான 1 நே.மீ.கூட பார்க்கலாம். பிரச்சனை என்ன என்றால், நம் கண்களுக்கு அந்த ஒளிக்கதிர்களைப் பார்க்கும் அல்லது உணரும் திறன் கிடையாது. அதனால், அந்த மாதிரி கதிர்களை உணரும் கருவிகளைக் கொண்டு, அல்லது காமிரா வைத்து, படம் பிடித்தால், பிறகு அதை கம்ப்யூட்டரில் நாம் பிளாக்-அண்ட்-வொய்ட் படம் போல பார்க்கலாம். நல்ல சாப்ஃட்வேர் இருந்தால் இஷ்டத்துக்கு கலர் கொடுக்கலாம். (டிஸ்கவரி சேனலில், இரவில் அகச்சிவப்பு காமிரா மூலம் எடுத்த படங்களை சில சமயங்களில் பார்க்கலாம்.அதில் கூட பல சமயங்களில் கருப்பு வெள்ளையாக இருக்காது, கருப்பு பச்சையாக இருக்கும்). இந்த அடிப்படையில் வேலை செய்வது ‘செம்' மற்றும் ‘டெம்' கருவிகள்.

இன்னொரு விதத்திலும் சிறிய பொருள்களைப் பார்க்கலாம். இதற்கு ஒரு எடுத்துக்காட்டு, ஒரு முழு இருட்டு அறையில் நாம் போக வேண்டி இருந்தால், ‘தடவித் தடவித்' தான் போகவேண்டும். அப்போது, அங்கு ஒரு கம்பியின் தடிமன் எவ்வளவு என்று கேட்டால், விரலால் தடவிப் பார்த்து ஓரளவு சொல்லலாம். ஒரு டேபிளுக்கும், நாற்காலிக்கும் இடையே எவ்வளவு தொலைவு என்று கேட்டால், எவ்வளவு அடி நடக்க வேண்டி இருக்கிறது என்பதை வைத்து ஓரளவு சொல்லலாம். இதைப் போலவே ‘தொட்டுப்பார்த்து' ஒரு நே.மீ. அளவு இருக்கும் பொருளைக்கூட உணர முடியும். அதன் அடிப்படையில் இருப்பது எஸ்.டீ.எம். மற்றும் ஏ.எஃப். எம்.

முதலில் செம் பற்றி பார்க்கலாம். மிகச்சிறிய அலை நீளம் கொண்ட மின்காந்த அலைகள் புற ஊதா (ultra violet), எக்ஸ்-ரே, காமா கதிர் என்று இருக்கும். இவற்றை பயன்படுத்தி ஒரு பொருளை பார்க்கவேண்டும், லென்ஸ் வைத்து பெரிதாக்கி பார்க்கவேண்டும் என்று முயற்சி செய்தால் தோல்விதான் வரும்.

இதற்கு காரணம், நமது மைக்ராஸ்கோப் லென்ஸ் கண்ணாடியால் ஆனது. கண்ணாடி சாதாரண ஒளியை ‘வளைக்கும்' தன்மை உடையது. ஒளி ஒரு பொருளின் மேல் பட்டால் அது ஒன்று எதிரொளிக்கப் படும், அல்லது உறிஞ்சப்படும் அல்லது ஊடுருவி செல்லும் என்பது நமக்கு தெரியும். ஊடுருவி செல்லும்போது, அது வளைந்து அல்லது விலகிச் செல்லலாம். இதை ‘ஒளிவிலகல் எண்' என்று சொல்வார்கள். நம் கண்ணுக்கு தெரியும் ஒளியை சுலபமாக லென்ஸ் வைத்து வளைக்கலாம். அதனால்தான் காமிராவில் 7x optical zoom, 3x optical zoom என்று எல்லாம் விற்கிறார்கள். ஆனால் எக்ஸ்-ரே கதிர்களை வளைக்க முடியாது. அதனால் அவற்றை குவிக்க, அல்லது விரிய வைக்க முடியாது. காமாக் கதிர்களின் நிலையும் அதுதான்.

சற்று யோசித்துப் பாருங்கள், உடல்நலம் சரியில்லை எலும்பு முறிவு என்று எக்ஸ்-ரே எடுத்தால், அந்த பிலிம் நமது எலும்பின் சைஸிலேயே வரும். ஏனென்றால் எக்ஸ்-ரேயை சுலபமாக வளைக்க முடியாது. முடிந்திருந்தால், கைக்கு அடக்கமான பிலிமில் கொடுத்து இருப்பார்கள். இதே காரணத்தால்தான், டிஜிட்டல் எக்ஸ் ரே வரவில்லை. 2 அடிக்கு 2 அடி சைஸில் காமிரா செய்ய வேண்டும். விலை கட்டுப்படி ஆகாது.

சரி, புற உதாக் கதிர்களை எடுத்தால் என்ன பிரச்சனை? புற ஊதாக் கதிர்களை ஏறக்குறைய
எல்லாப் பொருள்களுமே உறிஞ்சும். அதனால் நமது பொருளுக்கும், சுற்றி இருக்கும் பொருளுக்கும் எந்த வித்தியாசமும் தெரியாது. ஒரு கருப்பு பேப்பரில் கருப்பு புள்ளி வைத்து ‘புள்ளி எங்கே' என்று கேட்டால் சொல்ல முடியாது. வெள்ளை பேப்பரில் கருப்பு புள்ளியோ அல்லது கருப்பு பேப்பரில் வெள்ளை புள்ளியோ இருந்தால்தான் பார்க்க வழி உண்டு. தவிர, புற ஊதாக்கதிர்களை வளைப்பதுவும் சிரமம்தான். அதை வளைக்க முடியும், ஆனால் லென்ஸே பாதி கதிர்களை உறிஞ்சி ஏப்பம் விட்டு விடும். நாலு லென்ஸ் வைத்து மைக்ராஸ்கோப் செய்தால், கடைசியில் ஒன்றுமே வெளி வராது.

இப்படி, ”அலைநீளம் குறைந்த எல்லா மின்காந்த அலைகளிலும் ஏதோ ஒரு பிரச்சனை இருக்கிறதே, என்னதான் செய்வது” என்று யோசிக்கும் பொழுது, குவாண்டம் இயற்பியல் உதவிக்கு வருகிறது