अब्जांश पदार्थ तयार करण्यासाठी ज्या विविध पध्दती वापरतात त्यांचे वर्गीकरण सामान्यत: दोन प्रकारच्या प्रक्रियांमध्ये केले जाते. या प्रक्रिया ‘टॉप डाऊन प्रक्रिया’ (Top Down Approach) आणि ‘बॉटम अप प्रक्रिया’ (Bottom Up Approach) या नावांनी सुपरिचित आहेत.
(अ) टॉप डाऊन प्रक्रिया : टॉप डाऊन प्रक्रियेच्या अंतर्गत येणाऱ्या पद्धतीमध्ये मोठ्या आकाराचा पदार्थ वेगवेगळ्या प्रकारे टप्प्याटप्प्याने अब्जांश आकारापर्यंत सूक्ष्म केला जातो. हे मुख्यत्वे दोन प्रकारे केले जाते.
(१) घर्षण प्रक्रियेचा उपयोग : या प्रकारामध्ये दोन कठीण पदार्थाच्या घर्षणाने त्यामध्ये ठेवलेल्या पदार्थाचे आकारमान हवे तितके सूक्ष्म केले जाते. याबाबतीत दळण्याच्या प्रक्रियेचे उदाहरण देता येईल. चक्कीमध्ये धान्य दळून गरजेनुसार पीठ, मैदा किंवा रवा असे पदार्थ मिळवले जातात. त्यातील कण वेगवेगळ्या आकारमानाचे असतात. खाद्यपदार्थाच्या प्रकारानुसार गिरणीतील कामगार दळण्याच्या प्रक्रियेची परीमापे बदलतो. याच धर्तीवर ‘बॉल मिलर’ या उपकरणाचा वापर करून अब्जांश कणांची निर्मिती केली जाते. या पद्धतीमध्ये एका बंद भांड्यात अनेक छोटे आणि टणक गोळे (High density spherical balls) घेतात. त्या भांड्यामध्ये ज्या पदार्थाचे अब्जांश कण बनवावयाचे असतात त्या पदार्थाचे छोटे-छोटे तुकडे घालतात. त्यानंतर ते भांडे पूर्वनियोजित कालावधीसाठी वेगाने फिरवतात. ह्या प्रक्रियेमध्ये गोळ्यांमधील घर्षणामुळे पदार्थ सातत्त्याने लहान होत जातो (आकृती १).
या पद्धतीमध्ये भांडे आणि बॉल्स ज्या पदार्थांचे बनलेले असतात त्याची घनता ज्या पदार्थाचे अब्जांश कण बनविण्याचे आहेत त्यापेक्षा अधिक असणे आवश्यक असते. प्रक्रियेमध्ये तयार होणाऱ्या अब्जांश कणांचा आकार व आकारमान या गोष्टी ‘बॉल मिलर‘चा फिरण्याचा वेग आणि कालावधी यांवर अवलंबून असतात. बॉल आणि पदार्थ यांचे वस्तुमान (Mass) व बॉलचा व्यास यांचे गुणोत्तर हे देखील एक महत्त्वाचे परिमाप असते. कृतीच्या दृष्टीने सोपी असलेल्या ह्या पद्धतीमध्ये अब्जांश कणांचा आकार (Shape) आणि आकारमान (Size) यावर नियंत्रण ठेवणे सोपे नसते. त्यामुळे या पद्धतीचा वापर मर्यादित प्रमाणावर केला जातो.
(२) लिथोग्राफी (Lithography) : अब्जांश पदार्थांच्या निर्मितीसाठी लिथोग्राफी तंत्रज्ञान दोन पद्धतीने वापरले जाते. पहिल्या पद्धतीमध्ये शिल्पकार जसा मोठ्या दगडाला कोरून हव्या त्या आकाराची मूर्ती घडवितो तशाच प्रकारे पदार्थाला सातत्त्याने कोरून अब्जांश आकारात आणले जाते. दुसऱ्या पद्धतीमध्ये लिथोग्राफी तंत्रज्ञानाचा वापर ‘स्टेन्सिल्स’ सारखा करतात. ‘स्क्रीनप्रिंटींग’ तंत्रज्ञानामध्ये स्टेन्सिल वापरून पाहिजे ते चित्र अनेक वेळा एकसारखे काढता येते. तशाच पद्धतीने अब्जांश आकाराच्या वेगवेगळ्या रचना लिथोग्राफीने बनविल्या जातात आणि त्यांचा वापर करून हव्या त्या आकाराचे अब्जांश पदार्थ बनविले जातात.
‘लिथोग्राफी’ ही अतिशय क्लिष्ट प्रक्रिया असून त्यासाठी लागणारी उपकरणे अतिशय महागडी असतात. असे असले तरी अब्जांश पदार्थांच्या निर्मितीसाठी लिथोग्राफीचा सर्वांत जास्त वापर होतो. विविध इलेक्ट्रॅानिक उपकरणांमधील समाकलित मंडल (Integrated circuits) बनविण्यासाठी लागणारे अब्जांश पदार्थ प्रामुख्याने लिथोग्राफी तंत्रज्ञान वापरून बनविले जातात.
(ब) बॉटम अप प्रक्रिया : या पद्धतीमध्ये गोलाकार (Spherical), इष्टिकाचिती (Cuboids) अशा अनेक प्रकारचे त्रिमितीय अब्जांश पदार्थ बनविता येतात. या पध्दतीने द्विमितीय आणि एकमितीय आकाराचे अब्जांश पदार्थ देखील बनविता येतात. अब्जांश पदार्थ निर्मितीची ही प्रक्रिया साधारणत: तीन प्रकारे राबवली जाते.
(१) पहिल्या प्रकारात घन पदार्थाचे प्रथम द्रवीकरण करून तद्नंतर द्रवाचे बाष्पीकरण करून वायुरूप अवस्थेत रूपांतर केले जाते. काही घन पदार्थाचे थेट वायू अवस्थेमध्ये रूपांतर संप्लवन (Sublimation) पद्धतीने होऊ शकते. मग तापमान व दाब नियंत्रित करून वायू अवस्थेतील पदार्थाचे संद्रवण (Condensation) करून अब्जांश कण बनवितात. ॲल्युमिनियम धातूचे अब्जांश कण तयार करण्यासाठी ही पद्धत वापरली जाते.
(२) दुसऱ्या प्रकारात पदार्थाच्या द्रावणापासून त्याची स्फटिके मिळवितात. ही प्रक्रिया एका सोप्या उदाहरणाने समजून घेता येईल. एका भांड्यात पाणी घेऊन त्यात मीठ टाकून ढवळले तर ते विरघळते. ते विरघळल्यावर आणखी मीठ टाकत राहिल्यास काही वेळाने अधिक मीठ त्यात विरघळत नाही. अशा स्थितीतील द्रावणाला ‘तृप्त द्रावण’ (Saturated solution) असे म्हणतात. जर तृप्त द्रावणाचे तापमान किंचित वाढवले तर भांड्यातील न विरघळलेले मीठ त्यात विरघळते. या द्रावणाला जर आपण थंड केले तर अतिसंतृप्त द्रावण (Supersaturated solution) तयार होते आणि मिठाचे स्फटिक भांड्याच्या कडेला जमलेले दिसतात (आकृती २). अशाच पद्धतीने ज्या पदार्थाचे अब्जांश कण तयार बनवावयाचे आहेत त्या पदार्थाच्या अतिसंतृप्तद्रावणाला नियंत्रित पद्धतीने थंड केले तर वेगवेगळ्या क्षारांचे अब्जांश स्फटिकीय पदार्थ बनविता येतात.
(३) तिसऱ्या प्रकारात दोन किंवा अधिक रासायनिक संयुगांच्या (Compounds) अभिक्रियेद्वारा नवीन पदार्थ निर्माण केला जातो. अशा पदार्थाच्या द्रावणामध्ये त्यांच्यामधील रासायनिक बंधांचे विभाजन होऊन धन (+ve) आणि ऋण (-ve) आयन तयार होतात व त्यांच्यामध्ये रासायनिक बंध (Chemical bonds) तयार होऊन नवीन पदार्थांचे रेणू तयार होतात. हे पदार्थ अविद्राव्य (insoluble) असतील तर त्यांना अवक्षेप (Precipitate) म्हणतात आणि होणाऱ्या रासायनिक अभिक्रियेला अवक्षेपण (Precipitation) असे म्हणतात. या प्रक्रियेमध्ये निर्माण झालेला अवक्षेप गाळणी कागद (Filter paper) वापरून सहजरीत्या वेगळा करता येतो.
ह्या पध्दतीमध्ये अभिक्रिया परिमापे (Reaction parameters) नियंत्रित करणे आवश्यक असते. स्थायू (Solid) किंवा वायू स्थितीमधील पदार्थावर देखील रासायनिक अभिक्रिया करून अब्जांश पदार्थ बनवले जाऊ शकतात.
संदर्भ :
- Evgenii Avakumov, Mamoru Senna and Nina Koseva, Soft Mechanochemical Synthesis : A Basic for New Chemical Technologies, Kluwer Academic Publishers, 2001.
- Guozhong Cao and Ying Wang, Nanostructures and Nanomaterials Synthesis, Properties and Applications, World Scientific, 2011.
- Michael Kohler, Wolfgang Fritzsche, Nanotechnology : An Introduction to Nanostructuring Techniques, 2007.
समीक्षक : वसंत वाघ
