अब्जांश पदार्थांची निर्मिती रासायनिक, भौतिक, जैविक अशा विविध पद्धतीने केली जाते. रासायनिक प्रक्रियेद्वारे अब्जांश पदार्थ निर्मितीच्या अनेक पद्धती आहेत. उदा., रासायनिक बाष्प प्रतिष्ठापन पद्धती (Chemical Vapor deposition), अवक्षेपण अभिक्रिया पद्धती (Precipitation Reaction Method), ध्वनिलहरी आधारित रासायनिक अभिक्रिया पद्धती (Sono-chemical Synthesis Method), सोल-जेल अभिक्रिया पद्धती (Sol-gel Method) इत्यादी. प्रकाश-रासायनिक (Photo-chemical) पद्धतीमध्ये प्रकाशाचा वापर करून अब्जांश पदार्थांची निर्मिती करता येते. या प्रक्रियेत रासायनिक द्रावणामध्ये प्रकाश सोडल्यास द्रावणामधील घटक प्रकाशाचे शोषण करतात. प्रकाश-कणांतील ऊर्जेमुळे द्रावणातील रासायनिक घटक उत्तेजित होतात व त्याद्वारे अब्जांश कणांची निर्मिती होते. या पद्धतीमध्ये प्रकाशाच्या वर्णपटामधील अतिनील वर्णपट (Ultraviolet spectrum; तरंगलांबी १००–४०० नॅनोमीटर), दृश्यमान वर्णपट (Visible spectrum; तरंगलांबी ४००–८०० नॅनोमीटर) व अवरक्त वर्णपट (Infrared spectrum; तरंगलांबी ८००–२५०० नॅनोमीटर) यांचा प्रामुख्याने वापर केला जातो. अब्जांश पदार्थांच्या निर्मितीसाठी यापैकी कोणत्या प्रकारच्या किरणांचा वापर करावयाचा हे वापरण्यात येणाऱ्या पदार्थाच्या गुणधर्मांवर अवलंबून असते.
प्रकाश-रासायनिक अभिक्रिया (Photo-Chemical Reaction) : प्रकाश-रासायनिक अभिक्रिया समजण्यासाठी तिच्याशी निगडीत पुढील दोन सिद्धांत महत्त्वाचे ठरतात.
ग्रोथस-ड्रेपर सिद्धांत (Grothus-Draper Principle) : हा सिद्धांत प्रकाश-रासायनिक अभिक्रियेचा पाया आहे. या सिद्धांतानुसार पदार्थामध्ये जेवढ्या प्रमाणात प्रकाशाचे शोषण (Absorption) होते तेवढ्याच प्रमाणात त्यामध्ये रासायनिक अभिक्रिया होते. प्रकाश-उर्जेच्या उर्वरीत भागामुळे पदार्थामध्ये उष्णता निर्माण होते. म्हणजेच, द्रावणामध्ये शोषण होणाऱ्या प्रकाश ऊर्जेपैकी काही भाग रासायनिक अभिक्रिया घडवून आणतो, तर उर्वरीत भाग पदार्थाचे तापमान (Temperature) वाढवतो.
स्टार्क-आइन्स्टाइन सिद्धांत (Stark-Einstein Principle) : हा सिद्धांत स्टार्क आणि आइन्स्टाइन या दोन वैज्ञानिकांनी स्वतंत्रपणे अनुक्रमे १९०८ व १९१३ साली मांडला. हा सिद्धांत ‘स्टार्क-आइन्स्टाइन सिद्धांत’ या नावाने ओळखला जातो. प्रकाशाचे ‘तरंग’ स्वरूपातील अस्तित्व (Wave nature) यापूर्वीच अनेक प्रयोगांद्वारे सिद्ध होऊन ते विज्ञान क्षेत्रात सर्वमान्य झालेले होते. सन १९०५ मध्ये आइन्स्टाइनने ‘प्रकाश परिस्थितीनुसार ‘कणरूपी’ अस्तित्वही दाखवतो’, ही एक क्रांतिकारी कल्पना मांडली व त्याआधारे प्रकाश-विद्युत्तीय परिणाम (Photo-electric effect) याचे वैज्ञानिक स्पष्टीकरण दिले. पुढील काळात अनेक प्रयोगांद्वारे प्रकाश-कणांचे (Photons) अस्तित्व सप्रमाण सिद्धही झाले.
प्रकाशाचे कणरूप हा ‘स्टार्क-आइन्स्टाइन’ सिद्धांताचा मुख्य गाभा आहे. हा सिद्धांत असे सांगतो की, पदार्थामध्ये शोषण झालेला प्रत्येक प्रकाश-कण पदार्थामध्ये रासायनिक अथवा भौतिक क्रिया घडवतो. अवशोषण झालेल्या प्रकाश-कणांमुळे किती रासायनिक अभिक्रिया घडून येतात त्याचे संख्यात्मक मोजमाप म्हणजे ‘पुंज उत्पादनक्षमता’ (Quantum yield or quantum efficiency). उदा., एका प्रकाश-कणामुळे एकच रासायनिक अभिक्रिया होत असेल तर त्या पदार्थाची पुंज उत्पादनक्षमता १ असते. प्रकाश-रासायनिक अभिक्रियांची गती आर्द्रता, दाब, विलयक्षमता (Solubility) व उत्प्रेरक (Catalyst) पदार्थ अशा विविध घटकांवर अवलंबून असते.
प्रकाश-रासायनिक अभिक्रियेद्वारा अब्जांश कणांची निर्मिती : अब्जांश धातुकण (Metallic nanoparticles), धातू-ऑक्साईड कण यांसारख्या पदार्थांची निर्मिती प्रकाश-रासायनिक अभिक्रियेचा वापर करून होऊ शकते. वनस्पतींची अन्ननिर्मिती हे नैसर्गिक प्रकाश-रासायनिक अभिक्रियेचे एक उत्तम उदाहरण आहे.
‘नोबेल धातू’ (Noble metals) या गटातील सोने, चांदी अशा धातूंच्या अब्जांश कणांची निर्मिती प्रकाश-रासायनिक अभिक्रियेद्वारे करता येते. त्याची पद्धत आकृतीमध्ये दाखवली आहे. या पद्धतीमध्ये धातूच्या क्षाराचे पाण्यात द्रावण तयार करून त्यामध्ये एखादा प्रकाश-संवेदनक्षम पदार्थ उत्प्रेरक (Photosensitizer) म्हणून मिसळला जातो. द्रावणावर प्रकाश सोडला असता कीटोनसारखा (Ketone) प्रकाश-संवेदनक्षम (Photosensitive) पदार्थ प्रकाशाचे शोषण झाल्यामुळे उत्तेजित होतो. परिणामत: रासायनिक अभिक्रियेला चालना मिळून द्रावणातील धातुकणांचे विघटन (Reduction) होऊन अब्जांश कणांची निर्मिती होते. द्रावणाच्या बदललेल्या रंगावरून धातुकण निर्मितीचे अनुमान काढता येते.
अब्जांश धातुकणांचा रंग हा त्यांच्या आकारावर अवलंबून असतो. या धातुकणांच्या गुणधर्मांचा अभ्यास करण्यासाठी रासायनिक, भौतिक अशा वेगवेगळ्या प्रकारच्या चाचण्या घेतल्या जातात. अब्जांश कणांचे विविध उपयोग समजून घेण्यासाठी हा अभ्यास उपयुक्त ठरतो. अब्जांश कणांच्या निर्मितीसाठी ‘प्रकाश-रासायनिक’ पद्धत ही कृतीच्या दृष्टीने सोपी असल्याने तिचा वापर अधिकाधिक प्रमाणावर केला जातो.
संदर्भ :
- Ed. Peter Warneck, Chapter 2 Photochemical Processes and Elementary Reactions, International Geophysics, Volume 41, Pages 46-90 (1988).
- Ksenija Glusac,”What has light ever done for chemistry?”, Nature Chemistry, volume 8, 734–73, (2016).
- Calvert, J. G.; Pitts, J. N. Photochemistry. Congress Catalog number: Wiley & Sons: New York, US, 65-24288 (1966).
- https://en.wikipedia.org/wiki/Photochemistry
समीक्षक : वसंत वाघ
