છિદ્રાળુ ધાતુઓ બનાવવા માટે અલ્ટ્રાસોનિક નેનો-સંરચના

સોનોકેમિસ્ટ્રી નેનો પદાર્થોના ઇજનેરીકરણ અને કાર્યાત્મક ગુણધર્મો વિકસાવવા માટેનું ખૂબ જ અસરકારક સાધન છે. ધાતુવિજ્ઞાનમાં, અલ્ટ્રાસોનિક વિકિરણ છિદ્રાળુ ધાતુઓની રચનાને પ્રોત્સાહન આપે છે. ડૉ. દારિયા આન્દ્રેવાના સંશોધન જૂથે મેસોપોરસ ધાતુઓ બનાવવા માટે અસરકારક અને ખર્ચની દૃષ્ટિએ કાર્યક્ષમ અલ્ટ્રાસાઉન્ડ-સહાયિત પદ્ધતિ વિકસાવી છે.

છિદ્રાળુ ધાતુઓ તેમના કાટપ્રતિકાર, યાંત્રિક મજબૂતાઈ અને અતિશય ઊંચા તાપમાનને સહન કરવાની ક્ષમતા જેવા ઉત્કૃષ્ટ ગુણધર્મોને કારણે વિવિધ તકનીકી ક્ષેત્રોમાં ખૂબ જ રસ જગાવે છે. આ ગુણધર્મો નેનો-સંરચિત સપાટીઓ પર આધારિત છે, જેમનાં છિદ્રોનો વ્યાસ માત્ર થોડા નેનોમીટર હોય છે. મેસોપોરસ પદાર્થોમાં છિદ્રોનું કદ 2 થી 50 nm વચ્ચે હોય છે, જ્યારે માઇક્રોપોરસ પદાર્થોમાં છિદ્રોનું કદ 2nm કરતાં ઓછું હોય છે. બાયરોઇથ યુનિવર્સિટીના ડૉ. દારિયા આન્દ્રેવા (ભૌતિક રસાયણશાસ્ત્ર વિભાગ II) સહિતની આંતરરાષ્ટ્રીય સંશોધક ટીમે આવી ધાત્વિક સંરચનાઓની રચના અને ઉત્પાદન માટે ભારે કાર્યભાર સહન કરી શકે તેવી અને ખર્ચની દૃષ્ટિએ કાર્યક્ષમ અલ્ટ્રાસાઉન્ડ પદ્ધતિ સફળતાપૂર્વક વિકસાવી છે.

આ પ્રક્રિયામાં, ધાતુઓ પર જલીય દ્રાવણમાં એવી રીતે પ્રક્રિયા કરવામાં આવે છે કે ચોક્કસપણે નિર્ધારિત અંતરાલોમાં થોડા નેનોમીટરનાં પોલાણો વિકસે છે. જરૂરિયાત મુજબ તૈયાર કરેલી આ સંરચનાઓ માટે હવાની સફાઈ, ઊર્જા સંગ્રહ અથવા તબીબી તકનીક સહિતના નવીન ઉપયોગોની વિશાળ શ્રેણી પહેલેથી જ ઉપલબ્ધ છે. નેનોકોમ્પોઝિટમાં છિદ્રાળુ ધાતુઓનો ઉપયોગ ખાસ કરીને આશાસ્પદ છે. આ સંયુક્ત પદાર્થોનો એક નવો વર્ગ છે, જેમાં ખૂબ જ સૂક્ષ્મ મેટ્રિક્સ સંરચનાને 20 નેનોમીટર સુધીના કદના કણોથી ભરવામાં આવે છે.

આ નવી તકનીક અલ્ટ્રાસોનિક રીતે ઉત્પન્ન થતા પરપોટાની રચનાની પ્રક્રિયાનો ઉપયોગ કરે છે, જેને ભૌતિકશાસ્ત્રમાં કેવિટેશન કહેવામાં આવે છે (લેટિન “cavus” = “પોલું” પરથી ઉતરી આવેલો શબ્દ). દરિયાઈ નૌકાવહનમાં, આ પ્રક્રિયા જહાજના પ્રોપેલરો અને ટર્બાઇનોને ભારે નુકસાન પહોંચાડી શકે છે, તેથી તેનો ભય રહે છે. કારણ કે પરિભ્રમણની ખૂબ ઊંચી ઝડપે પાણીની અંદર વરાળના પરપોટા બને છે. અત્યંત ઊંચા દબાણ હેઠળ થોડા સમય પછી પરપોટા અંદરની તરફ તૂટી પડે છે, જેનાથી ધાત્વિક સપાટીઓ વિકૃત થાય છે. આ પ્રક્રિયા, એટલે કે કેવિટેશન , અલ્ટ્રાસાઉન્ડનો ઉપયોગ કરીને પણ ઉત્પન્ન કરી શકાય છે. અલ્ટ્રાસાઉન્ડ શ્રાવ્ય શ્રેણી (20 kHz) કરતાં વધુ આવૃત્તિવાળા સંકોચન તરંગોથી બનેલો હોય છે અને પાણી તથા જલીય દ્રાવણોમાં નિર્વાત પરપોટા ઉત્પન્ન કરે છે. જ્યારે આ પરપોટા અંદરની તરફ વિસ્ફોટક રીતે તૂટી પડે છે ત્યારે કેટલાક હજાર ડિગ્રી સેન્ટિગ્રેડ જેટલું તાપમાન અને 1000 bar સુધીનું અત્યંત ઊંચું દબાણ ઉત્પન્ન થાય છે.

ઉપરની આકૃતિ ધાતુના કણોના રૂપાંતરણ પર ધ્વનિક કેવિટેશનની અસરો દર્શાવે છે. ઝિંક (Zn) જેવી નીચા ગલનબિંદુ (MP) ધરાવતી ધાતુઓ સંપૂર્ણપણે ઓક્સિડાઇઝ થાય છે; નિકલ (Ni) અને ટાઇટેનિયમ (Ti) જેવી ઊંચા ગલનબિંદુવાળી ધાતુઓ સોનિકેશન હેઠળ સપાટીનું રૂપાંતરણ દર્શાવે છે. એલ્યુમિનિયમ (Al) અને મેગ્નેશિયમ (Mg) મેસોપોરસ સંરચનાઓ બનાવે છે. ઉમદા ધાતુઓ ઓક્સિડેશન સામેની તેમની સ્થિરતાને કારણે અલ્ટ્રાસાઉન્ડ વિકિરણ સામે પ્રતિરોધક હોય છે. ધાતુઓના ગલનબિંદુ ડિગ્રી કેલ્વિન (K) માં દર્શાવેલા છે.

આ પ્રક્રિયાનું ચોક્કસ નિયંત્રણ જલીય દ્રાવણમાં નિલંબિત ધાતુઓની લક્ષિત નેનો-સંરચના તરફ દોરી શકે છે – જો ધાતુઓમાં ચોક્કસ ભૌતિક અને રાસાયણિક લાક્ષણિકતાઓ હોય. કારણ કે આવા સોનિકેશનના સંપર્કમાં આવતાં ધાતુઓ ખૂબ જ અલગ રીતે પ્રતિક્રિયા આપે છે, જેમ કે ડૉ. દારિયા આન્દ્રેવાએ ગોલ્મ, બર્લિન અને મિન્સ્કના તેમના સહકર્મીઓ સાથે દર્શાવ્યું છે. ઝિંક, એલ્યુમિનિયમ અને મેગ્નેશિયમ જેવી ઉચ્ચ પ્રતિક્રિયાશીલતા ધરાવતી ધાતુઓમાં ધીમે ધીમે મેટ્રિક્સ સંરચના બને છે, જે ઓક્સાઇડના આવરણથી સ્થિર થાય છે. તેનાથી છિદ્રાળુ ધાતુઓ બને છે, જેમને ઉદાહરણ તરીકે સંયુક્ત પદાર્થોમાં આગળ પ્રક્રિયા કરી શકાય છે. જોકે સોનું, પ્લેટિનમ, ચાંદી અને પેલેડિયમ જેવી ઉમદા ધાતુઓ અલગ રીતે વર્તે છે. ઓક્સિડેશનની ઓછી વૃત્તિને કારણે, તેઓ અલ્ટ્રાસાઉન્ડ પ્રક્રિયાનો પ્રતિકાર કરે છે અને પોતાની પ્રારંભિક સંરચનાઓ તથા ગુણધર્મો જાળવી રાખે છે.

ઉપરનું ચિત્ર દર્શાવે છે કે એલ્યુમિનિયમની મિશ્રધાતુઓને કાટ સામે રક્ષણ આપવા માટે પણ અલ્ટ્રાસાઉન્ડનો ઉપયોગ કરી શકાય છે. ડાબી બાજુ: અત્યંત કાટકારક દ્રાવણમાં રહેલી એલ્યુમિનિયમની મિશ્રધાતુનો ફોટો અને તેની નીચે સપાટીનું ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપથી મેળવેલું ચિત્ર છે, જેના પર – સોનિકેશનને કારણે – પોલિઇલેક્ટ્રોલાઇટનું આવરણ બન્યું છે. આ આવરણ 21 દિવસ સુધી કાટ સામે રક્ષણ આપે છે. જમણી બાજુ: સોનિકેશનના સંપર્કમાં ન મૂકેલી એ જ એલ્યુમિનિયમની મિશ્રધાતુ છે. સપાટી સંપૂર્ણપણે કાટગ્રસ્ત થઈ ગઈ છે.

જુદી જુદી ધાતુઓ સોનિકેશન પ્રત્યે અત્યંત જુદી રીતે પ્રતિક્રિયા આપે છે એ હકીકતનો ઉપયોગ પદાર્થવિજ્ઞાનમાં નવીનતાઓ માટે કરી શકાય છે. મિશ્રધાતુઓને આ રીતે નેનોકોમ્પોઝિટમાં રૂપાંતરિત કરી શકાય છે, જેમાં વધુ સ્થિર પદાર્થના કણો ઓછી સ્થિર ધાતુની છિદ્રાળુ મેટ્રિક્સમાં ઘેરાયેલા હોય છે. આ રીતે ખૂબ જ મર્યાદિત જગ્યામાં ખૂબ મોટા સપાટી ક્ષેત્રફળો સર્જાય છે, જે આ નેનોકોમ્પોઝિટનો ઉત્પ્રેરક તરીકે ઉપયોગ શક્ય બનાવે છે. તેઓ ખાસ કરીને ઝડપી અને કાર્યક્ષમ રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ કરાવે છે.

ડૉ. દારિયા આન્દ્રેવા સાથે, ભૌતિક રસાયણશાસ્ત્ર વિભાગ II ના જ સંશોધકો પ્રો. ડૉ. આન્દ્રેઆસ ફેરી, ડૉ. નિકોલસ પાઝોસ-પેરેઝ અને યાના શેફરહાન્સે પણ સંશોધનનાં પરિણામોમાં યોગદાન આપ્યું હતું. ગોલ્મની મેક્સ પ્લાન્ક ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઑફ કોલોઇડ્સ એન્ડ ઇન્ટરફેસિસ, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH અને મિન્સ્કની બેલારુશિયન સ્ટેટ યુનિવર્સિટીના તેમના સહકર્મીઓ સાથે, તેમણે તેમનાં તાજેતરનાં પરિણામો “Nanoscale” સામયિકમાં ઑનલાઇન પ્રકાશિત કર્યાં છે.