අපගේ එදිනෙදා ජීවිතයේදී වීදුරු යනු ඉතා බිඳෙනසුලු, පරිස්සමෙන් භාවිත කළ යුතු ද්රව්යයකි. ජනේලයක්, වීදුරු කෝප්පයක් හෝ ජංගම දුරකථන තිරයක් බිම වැටුණු සැණින් කැබලිවලට කැඩී යාම අපට සාමාන්ය අත්දැකීමකි. නමුත් භෞතික විද්යාවේ සහ නැනෝ තාක්ෂණයේ දියුණුවත් සමඟ මෙම සාම්ප්රදායික මතය සම්පූර්ණයෙන්ම වෙනස් කිරීමට විද්යාඥයින් සමත්ව සිටිති. පරමාණුක මට්ටමින් නිසි ලෙස සකස් කළ හොත්, වීදුරුවලට වානේ පරයා යන ශක්තියක් ලබා ගත හැකි බව පර්යේෂකයන් පෙන්වා දී ඇත. මේ වන විට ඇමරිකානු පර්යේෂණ කණ්ඩායමක් විසින් වානේ වලට වඩා හතර ගුණයකින් ශක්තිමත්, නමුත් පස් ගුණයකින් සැහැල්ලු නැනෝ වීදුරු ව්යුහයක් නිපදවීමට සමත්ව ඇත.
මෙම අතිවිශේෂ ද්රව්යය නිපදවා ඇත්තේ කනෙක්ටිකට් විශ්වවිද්යාලය (University of Connecticut), කොලොම්බියා විශ්වවිද්යාලය (Columbia University) සහ බෲක්හැවන් ජාතික රසායනාගාරය (Brookhaven National Laboratory) යන ආයතනවල විද්යාඥයන් එක්ව සිදුකළ දීර්ඝ පර්යේෂණයක ප්රතිඵලයක් ලෙසිනි. මෙම නව සොයාගැනීම අනාගතයේ ගගනගාමී තාක්ෂණය, වාහන නිෂ්පාදනය සහ ඉලෙක්ට්රොනික මෙවලම් නිෂ්පාදනය සම්පූර්ණයෙන්ම වෙනස් මඟකට යොමු කිරීමට සමත් බලපෑමක් සහිත එකකි.
වීදුරු පහසුවෙන් බිඳී යන්නේ ඇයි?
සාමාන්ය වීදුරු මෙතරම් බිඳෙනසුලු වීමට ප්රධානතම හේතුව වන්නේ එහි ව්යුහයේ පවතින අන්වීක්ෂීය දෝෂයි. අපි දකින පැහැදිලි වීදුරු තහඩුවක් තුළ පවා පරමාණුක මට්ටමින් ලක්ෂ සංඛ්යාත ක්ෂුද්ර ඉරිතැලීම් (micro-cracks), හිස්තැන් හෝ අසමමිතික පරමාණුක සැකසුම් පවතී. භෞතික විද්යාඥ ඇලන් ග්රිෆිත් (Alan Griffith) විසින් ඉදිරිපත් කරන ලද ඉරිතැලීම් යාන්ත්ර විද්යාවට අනුව, ද්රව්යයකට බාහිරින් පීඩනයක් යෙදූ විට එම පීඩනය ද්රව්යය පුරා සමානව පැතිර යන්නේ නැත. වෙනුවට, එය අදාළ ක්ෂුද්ර ඉරිතැලීම් පවතින ස්ථානවලට ඒකරාශී වේ.
එම ක්ෂුද්ර ඉරිතැලීම් අසල පීඩනය අතිශයින් ඉහළ යන අතර, ප්රතිඵලයක් ලෙස ඉතා කුඩා බලයකින් වුවද එම ඉරිතැලීම ක්ෂණිකව මුළු වීදුරුව පුරාම පැතිර ගොස් එය කැබලිවලට කැඩී යයි. නමුත් යම් හෙයකින් මෙම අන්වීක්ෂීය දෝෂ සියල්ල ඉවත් කර, පරමාණු එකිනෙක පරිපූර්ණ ලෙස බන්ධනය කළ හැකි නම්, වීදුරු යනු විශ්වයේ පවතින ශක්තිමත්ම ද්රව්යයන්ගෙන් එකක් බවට පත්වේ.
නැනෝ වීදුරු යනු කුමක්ද? එහි පරමාණුක රහස
නැනෝ වීදුරු යනු පරමාණුක හෝ නැනෝමීටර මට්ටමින් දෝෂ විරහිතව සකස් කරන ලද අතිශය ක්ෂුද්ර වීදුරු ව්යුහයන්ය. නැනෝමීටරයක් යනු මීටරයෙන් බිලියනයෙන් පංගුවකි. ද්රව්යයක් නැනෝ පරිමාණයට (තනි මයික්රෝන එකකට වඩා අඩු පරිමාණයකට) කුඩා කළ විට, එහි අභ්යන්තරයේ ක්ෂුද්ර ඉරිතැලීම් පැවැත්මට ඇති ඉඩකඩ සම්පූර්ණයෙන්ම පාහේ නැති වී යයි.
දෝෂ නොමැති වූ විට, වීදුරුවේ ඇති සිලිකන් සහ ඔක්සිජන් පරමාණු අතර පවතින ප්රබල කෝවලන්ට් බන්ධනවල (covalent bonds) සැබෑ ශක්තිය එළියට පැමිණේ. මෙම පරමාණුක බන්ධන කැඩීමට නම් අතිවිශාල පීඩනයක් යෙදවිය යුතුය. එම නිසා, නැනෝ වීදුරු මගින් සාමාන්ය වීදුරුවලට වඩා සිය ගුණයක් පමණ වැඩි පීඩනයකට ඔරොත්තු දීමේ හැකියාව ලබා දෙයි.
DNA සහ නැනෝ වීදුරු එක්කළ විප්ලවීය පර්යේෂණය
කොලොම්බියා සහ කනෙක්ටිකට් විශ්වවිද්යාලවල විද්යාඥයින් විසින් මෙම ශක්තිමත් ද්රව්යය සෑදීම සඳහා යොදාගත්තේ ඉතා අමුතුම උපක්රමයකි. එනම් ජෛව විද්යාත්මක DNA අණු භාවිත කිරීමයි.
DNA ඇටවුම් ව්යුහය (DNA Origami/Scaffolding)
විද්යාඥයන් පළමුවෙන්ම DNA අණු ස්වයංක්රීයව එකිනෙක හා සම්බන්ධ වන සේ සැලසුම් කරමින් ත්රිමාන ජාලාකාර (3D lattice) ව්යුහයක් සකස් කළහ. මෙය ගොඩනැගිල්ලක් සෑදීමට තබන පලංචියක් වැනි කුඩා නැනෝ සැකිල්ලකි.
සිලිකා වීදුරු තැන්පත් කිරීම
ඉන්පසුව, මෙම DNA සැකිල්ල මත අතිශය තුනී සිලිකා (වීදුරු) ස්තරයක් තැන්පත් කරන ලදී. මෙහිදී තැන්පත් කරන ලද වීදුරු ස්තරයේ ඝනකම නැනෝමීටර 5ක් වැනි අතිශය කුඩා අගයක් විය.
හිස් අවකාශ සහිත සෛලීය ව්යුහය
අවසානයේ මෙම ව්යුහයේ අභ්යන්තරය හිස්ව පවතින පරිදි සකස් කළ අතර, එහි ප්රතිඵලය වූයේ මී වදයක හැඩයට සමාන, අතිශය සැහැල්ලු නමුත් දැවැන්ත ශක්තියක් සහිත නැනෝ වීදුරු නල ජාලයකි.
නැනෝ වීදුරු ද්රව්යයේ ඇති අසාමාන්ය ගුණාංග
මෙම පර්යේෂණයෙන් බිහිවූ නව ද්රව්යය වර්තමාන ද්රව්ය විද්යාවේ (Material Science) නව සන්ධිස්ථානයක් ලෙස සැලකේ. එහි ඇති සුවිශේෂී ගුණාංග කිහිපයක් පහත දැක්වේ:
- අතිමහත් ශක්තිය: මෙම නැනෝ වීදුරු ජාලය වානේවලට වඩා හතර ගුණයකින් ශක්තිමත් බව පරීක්ෂණවලදී තහවුරු විය.
- අඩු ඝනත්වය සහ සැහැල්ලු බව: මෙය වානේවලට වඩා පස් ගුණයකින් සැහැල්ලුය. එහි බරෙන් වැඩි ප්රමාණයක් වාතයෙන් හෝ හිස් අවකාශයෙන් සමන්විත වීම මෙයට හේතුවයි.
- ඉහළ විශේෂිත ශක්තිය (High Specific Strength): යම් ද්රව්යයක ඝනත්වයට සාපේක්ෂව එහි ඇති ශක්තිය “විශේෂිත ශක්තිය” ලෙස හැඳින්වේ. මෙම මිනුම් දණ්ඩට අනුව, මෙම නැනෝ වීදුරු ව්යුහය දැනට ලොව සොයාගෙන ඇති ඝනත්වයට සාපේක්ෂව ශක්තිමත්ම ද්රව්යය ලෙස වාර්තා වේ.
අනාගත තාක්ෂණයට නැනෝ වීදුරු භාවිත කළ හැකි ක්ෂේත්ර
අඩු බර සහ ඉහළ ශක්තිය යනු ඉංජිනේරු විද්යාවේදී රන්මය සංයෝජනයකි. නැනෝ වීදුරු තාක්ෂණය අනාගතයේදී පහත සඳහන් ක්ෂේත්රවල දැවැන්ත වෙනසක් සිදු කරනු ඇත:
1. අභ්යවකාශ සහ ගගනගාමී ඉංජිනේරු විද්යාව (Aerospace Engineering)
රොකට් සහ අභ්යවකාශ යානා පෘථිවි ගුරුත්වාකර්ෂණයෙන් මිදී අභ්යවකාශයට යැවීමේදී බර අවම කර ගැනීම ඉතා තීරණාත්මක ය. NASA ආයතනය ඇතුළු අභ්යවකාශ නියෝජිතායතන මගින් සැහැල්ලු ද්රව්ය පිළිබඳව විශාල ලෙස පර්යේෂණ පවත්වයි. නැනෝ වීදුරු ව්යුහයන් භාවිතයෙන් චන්ද්රිකා, රොකට් කොටස් සහ ගගන යානා නිපදවීමෙන් ඉන්ධන පිරිමැසුම අතිවිශාල ලෙස ඉහළ නංවා ගත හැක.
2. විද්යුත් වාහන (EVs) සහ මෝටර් රථ කර්මාන්තය
විද්යුත් වාහනවල (EV) පරාසය (Range) වැඩි කිරීමට නම් වාහනයේ බර අඩු විය යුතුය. වානේ වෙනුවට මෙම නැනෝ වීදුරු සංයුක්ත ද්රව්ය භාවිත කිරීමෙන් වාහනවල ආරක්ෂාව වැඩි වන අතරම එකම බැටරි ධාරිතාවකින් වැඩි දුරක් ගමන් කිරීමට හැකියාව ලැබේ.
3. ස්මාර්ට්ෆෝන් සහ ඉලෙක්ට්රොනික මෙවලම්
අනාගතයේදී බිඳී නොයන, අතිශය සැහැල්ලු ස්මාර්ට් ජංගම දුරකථන සහ ලැප්ටොප් පරිගණක නිෂ්පාදනය කිරීමට මෙම නැනෝ වීදුරු තාක්ෂණය යොදා ගත හැකිය.
4. වෛද්ය විද්යාව සහ ක්ෂුද්ර ශල්යකර්ම
මිනිස් සිරුරට අහිතකර නොවන ලෙස සකස් කළ හැකි නැනෝ වීදුරු ක්ෂුද්ර මෙවලම් මගින් ශරීරය අභ්යන්තරයේ කෙරෙන සංකීර්ණ ශල්යකර්ම සඳහා අවශ්ය උපකරණ නිපදවිය හැක.
මදුරුවන් ආකර්ෂණය වීම පිටුපස ඇති සැබෑ විද්යාත්මක රහස කුමක්ද?
අභියෝග සහ ඉදිරි අනාගතය
මෙම සොයාගැනීම අතිශයින්ම උද්වේගකර වුවද, එය වාණිජමය වශයෙන් වෙළඳපොළට පැමිණීමට තවත් බාධක කිහිපයක් පසුකිරීමට සිදුවේ.
ප්රධානතම අභියෝගය වන්නේ මෙම නැනෝ වීදුරු ව්යුහයන් මහා පරිමාණයෙන් (Mass Production) නිෂ්පාදනය කරන්නේ කෙසේද යන්නයි. වර්තමානයේ DNA සැකිලි භාවිතයෙන් මෙය සිදු කරන්නේ අන්වීක්ෂීය මට්ටමින් ඉතා කුඩා ප්රමාණවලිනි. කාර්මික මට්ටමින් විශාල ප්රමාණවලින් නැනෝ වීදුරු නිෂ්පාදනය කිරීම සඳහා වඩාත් ලාභදායී සහ වේගවත් ක්රමවේදයන් විද්යාඥයින් විසින් තවදුරටත් ගවේෂණය කළ යුතුව ඇත.
කෙසේ වෙතත්, නැනෝ තාක්ෂණය සහ ද්රව්ය විද්යාව ගමන් කරන ශීඝ්ර වේගය දෙස බලන විට, ඉදිරි දශකය තුළ මෙම නැනෝ වීදුරු පදනම් කරගත් ද්රව්ය අපගේ එදිනෙදා ජීවිතයේ කොටසක් බවට පත්වීම වැළැක්විය නොහැක.
නිගමනය
වීදුරු යනු බිඳෙනසුලු ද්රව්යයක් යන්න පැරණි විද්යාත්මක මතයක් බවට පත් කරමින්, පරමාණුක මට්ටමේ සැකසුම් මගින් අද්විතීය ශක්තියක් ලබා දීමට නැනෝ වීදුරු සමත්ව ඇත. වානේ මෙන් හතර ගුණයක් ශක්තිමත්, නමුත් ඉතා සැහැල්ලු මෙම නව සොයාගැනීම, අනාගත ලෝකයේ තාක්ෂණික විප්ලවයකට මුලපිරීමට නියමිතය. විද්යාවේ මෙවැනි සොයාගැනීම් මගින් තහවුරු වන්නේ සොබාදහමේ පවතින සරලම ද්රව්ය පවා පරමාණුක මට්ටමින් නැවත සකස් කිරීමෙන් මානව සංස්කෘතියේ අනාගතය වෙනස් කළ හැකි බවයි.
මූලාශ්ර-
- Nature Journal Research Paper (DNA-assembled glass nanolattices):
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06216-w - NASA Materials and Manufacturing Research:
https://www.nasa.gov/technology/materials-and-manufacturing/