ఉపరితల శాస్త్రం
{short description|ఉపరితలాలు మరియు వాటి మధ్య జరిగే మార్పుల శాస్త్రం}}
ఉపరితల శాస్త్రం (Surface science) అనేది విజ్ఞాన శాస్త్రంలో ఒక ముఖ్యమైన విభాగం. రెండు వేర్వేరు వస్తువులు లేదా పదార్థాలు ఒకదానికొకటి తాకినప్పుడు, ఆ తాకిడి ప్రదేశంలో ఏమి జరుగుతుందో ఈ శాస్త్రం వివరిస్తుంది. ఈ కలయిక ప్రదేశాన్ని మనం ఇంగ్లీషులో ఇంటర్ఫేస్ (Interface) అని అంటాము. శాస్త్రవేత్తలు ఈ ఇంటర్ఫేస్ల గురించి పరిశోధనలు చేసి, ఘన, ద్రవ, మరియు వాయు పదార్థాలు ఒకదానితో ఒకటి ఎలా ప్రవర్తిస్తాయో తెలుసుకుంటారు. ఉదాహరణకు, ఒక వాయువు ఒక ఘన పదార్థాన్ని తాకినప్పుడు ఏమి జరుగుతుంది? లేదా రెండు రకాల ద్రవాలు కలిసినప్పుడు వాటి మధ్య ఉండే పొర ఎలా ఉంటుంది? వంటి విషయాలను ఇది చర్చిస్తుంది.[1]
ఉపరితల శాస్త్రాన్ని మనం అర్థం చేసుకోవడానికి ప్రధానంగా రెండు భాగాలుగా విభజించవచ్చు:
ఉపరితల రసాయన శాస్త్రం (Surface chemistry): ఉపరితలాల మీద జరిగే రసాయనిక చర్యల గురించి చదవడం.
ఉపరితల భౌతిక శాస్త్రం (Surface physics): ఉపరితలాల మీద ఉండే శక్తులు మరియు అక్కడ జరిగే భౌతిక మార్పుల గురించి చదవడం.
ఈ శాస్త్రం మన నిత్య జీవితంలో చాలా అవసరం. మనం వాడుతున్న కంప్యూటర్ చిప్స్ (అర్ధవాహకాలు), ఇంధన కణాలు, మరియు గట్టిగా అతుక్కునే గమ్ వంటి పదార్థాల తయారీలో ఇది కీలక పాత్ర పోషిస్తుంది. అంతేకాకుండా, ఫ్యాక్టరీలలో రసాయనిక చర్యలను వేగవంతం చేసే ప్రక్రియను ఉత్ప్రేరక చర్య అంటారు. దీనిని అర్థం చేసుకోవడానికి కూడా ఈ శాస్త్రం ఎంతో సహాయపడుతుంది.
చరిత్ర
రసాయన చర్యలను వేగంగా ఎలా జరిపించాలో తెలుసుకోవాలనే ఆసక్తితోనే ఉపరితల శాస్త్రం పుట్టింది. దీనినే మనం ఉత్ప్రేరణ అంటాము. 1900వ సంవత్సరపు ప్రారంభ కాలంలో, పాల్ సబాటియర్ మరియు ఫ్రిట్జ్ హేబర్ వంటి గొప్ప శాస్త్రవేత్తలు లోహాల ఉపరితలాలను ఉపయోగించి రసాయనాలను ఎలా తయారు చేయాలో కనిపెట్టారు. వీరు కనుగొన్న పద్ధతుల వల్లే ఈ రోజు మనం పొలాల్లో వాడే అమ్మోనియా వంటి ఎరువులను పెద్ద మొత్తంలో తయారు చేయగలుగుతున్నాము.[2]
మరో ప్రముఖ శాస్త్రవేత్త ఇర్వింగ్ లాంగ్ముయిర్, అణువులు ఒక ఉపరితలానికి ఎలా అతుక్కుంటాయో చెప్పే కొన్ని ముఖ్యమైన సూత్రాలను రూపొందించారు. 1970వ దశకంలో, గెర్హార్డ్ ఎర్ట్ల్ అనే శాస్త్రవేత్త కొత్త రకమైన పరికరాలను ఉపయోగించి, హైడ్రోజన్ అణువులు లోహపు ఉపరితలంపై ఖచ్చితంగా ఎక్కడ కూర్చుంటాయో పరిశీలించారు. ఉపరితలాలు పరమాణువుల స్థాయిలో ఎలా పనిచేస్తాయో వివరంగా చూపించినందుకు ఆయనకు 2007లో రసాయన శాస్త్రంలో నోబెల్ బహుమతి లభించింది.
ఉపరితల రసాయన శాస్త్రం
ఉపరితల రసాయన శాస్త్రం అనేది అణువులు ఒక ఉపరితలం మీదకు ఎలా వస్తాయి, అక్కడ ఎలా నిలిచి ఉంటాయి మరియు అవి ఎలా స్పందిస్తాయి అనే విషయాలను వివరిస్తుంది. దీనిలో కొన్ని ముఖ్యమైన ప్రక్రియలు ఉన్నాయి:
అడ్సార్ప్షన్ (Adsorption)
ఒక వాయువు లేదా ద్రవంలో ఉండే అణువులు ఒక ఘన పదార్థం యొక్క ఉపరితలానికి వచ్చి అతుక్కున్నప్పుడు దానిని మనం అడ్సార్ప్షన్ (Adsorption) అంటాము. దీనిని తెలుగులో 'అధిశోషణం' అని కూడా అంటారు. ఇది "అబ్సార్ప్షన్" (Absorption) కు భిన్నమైనది. అబ్సార్ప్షన్ అంటే స్పాంజి నీటిని పీల్చుకున్నట్లు పదార్థం లోపలికి వెళ్లడం. కానీ అడ్సార్ప్షన్ అంటే కేవలం పైన పొర మీద మాత్రమే అతుక్కోవడం.
ఇది రెండు రకాలుగా ఉంటుంది:
భౌతిక అధిశోషణం (Physisorption): ఇందులో అణువులు చాలా బలహీనంగా అతుక్కుంటాయి. ఒక చిన్న అయస్కాంతం ఇనుముకు అతుక్కున్నట్లుగా ఇది ఉంటుంది. రసాయనిక అధిశోషణం (Chemisorption): ఇందులో అణువులు ఉపరితలంతో బలమైన రసాయన బంధాన్ని ఏర్పరుచుకుంటాయి. ఇది చాలా గట్టిగా ఉంటుంది.
ఎలక్ట్రోకెమిస్ట్రీ (విద్యుత్ రసాయన శాస్త్రం)
విద్యుత్తు మరియు ఉపరితలాల మధ్య ఉండే సంబంధాన్ని ఇది చర్చిస్తుంది. ఒక బ్యాటరీ లోపల ద్రవ పదార్థం మరియు లోహపు ప్లేట్లు కలిసే చోట ఈ చర్యలు జరుగుతాయి. అయాన్లు (ఆవేశం ఉన్న కణాలు) ఒక చోటు నుండి మరో చోటుకు ఎలా కదులుతాయో శాస్త్రవేత్తలు ఇక్కడ అధ్యయనం చేస్తారు. మన ఫోన్లలో వాడే బ్యాటరీలు మరియు ఇంధన కణాలు పనిచేయడానికి ఈ సూత్రాలే ఆధారం.
జియోకెమిస్ట్రీ (భూ రసాయన శాస్త్రం)
ప్రకృతిలో నేల ఎలా కలుషితం అవుతుంది మరియు ఖనిజాలు ఎలా పెరుగుతాయి అనేది తెలుసుకోవడానికి ఉపరితల శాస్త్రం అవసరం. ఉదాహరణకు, నదుల్లో ఉండే రాళ్లకు విషపూరితమైన లోహాలు (భారీ లోహాలు) అతుక్కున్నప్పుడు, ఆ నీరు శుభ్రంగా మారుతుందా లేదా అలాగే మురికిగా ఉంటుందా అనేది ఈ శాస్త్రం ద్వారానే మనం చెప్పగలం.
ఉపరితల భౌతిక శాస్త్రం
ఉపరితల భౌతిక శాస్త్రం ఒక పదార్థం యొక్క "చర్మం" లేదా పైపొర గురించి వివరిస్తుంది. ఒక ఘన పదార్థం లోపల ఉండే పరమాణువుల కంటే, దాని పైభాగంలో ఉండే పరమాణువులు భిన్నంగా ఉంటాయి. ఎందుకంటే లోపల ఉండే పరమాణువులకు చుట్టూ స్నేహితులు (ఇతర పరమాణువులు) ఉంటారు, కానీ పైన ఉండే వాటికి పైన ఎవరూ ఉండరు. దీని వల్ల కొన్ని ప్రత్యేక పరిస్థితులు ఏర్పడతాయి:
ఘర్షణ (Friction): వస్తువులు ఒకదానిపై ఒకటి ఎలా జారుతాయి లేదా రుద్దుకుంటాయి అనేది దీనిపై ఆధారపడి ఉంటుంది.
సర్ఫేస్ డిఫ్యూజన్ (Surface Diffusion): అణువులు ఒక ఉపరితలం మీద ఒక చోటు నుండి మరో చోటుకు పాకుతూ వెళ్లి కొత్త చోట ఎలా స్థిరపడతాయో ఇది చెబుతుంది.
ఎపిటాక్సీ (Epitaxy): ఒక స్పటికం (Crystal) మీద మరో పర్ఫెక్ట్ స్పటికపు పొరను పెంచడం. ఇది ఎలక్ట్రానిక్స్ రంగంలో చాలా ముఖ్యం.
శాస్త్రవేత్తలు ఉపరితలాలను ఎలా అధ్యయనం చేస్తారు?
ఉపరితలాలు చాలా సన్నగా ఉంటాయి (కేవలం కొన్ని పరమాణువుల మందం మాత్రమే). కాబట్టి వీటిని చూడటానికి చాలా ప్రత్యేకమైన పరికరాలు కావాలి. ఈ పరికరాలను చాలావరకు ఒక గాలి లేని గదిలో అంటే శూన్యం (Vacuum) లో ఉపయోగిస్తారు. గాలి ఉంటే, ఆ గాలిలో ఉండే దుమ్ము మరియు ఆక్సిజన్ అణువులు వెంటనే వచ్చి ఆ ఉపరితలాన్ని మురికి చేస్తాయి.
సాధారణ పరికరాలు
| పరికరం | ఇది ఏమి చేస్తుంది? |
|---|---|
| XPS | ఎక్స్-రేలను ఉపయోగించి ఉపరితలంపై ఏ రసాయనాలు ఉన్నాయో చూస్తుంది. |
| STM | ఉపరితలంపై ఉండే ఒక్కో పరమాణువును కూడా విడివిడిగా చూడగలదు. |
| AFM | ఒక చిన్న సూదితో ఉపరితలాన్ని తాకి, దాని ఆకారాన్ని మ్యాప్ చేస్తుంది. |
| LEED | ఎలక్ట్రాన్లను ఉపయోగించి పరమాణువులు ఏ పద్ధతిలో అమర్చబడి ఉన్నాయో చూస్తుంది. |
కాంతి మరియు ధ్వని పద్ధతులు
కొన్ని పరికరాలు ఎలక్ట్రాన్లకు బదులుగా కాంతి లేదా ధ్వనిని ఉపయోగిస్తాయి. ఇవి గాలిలో లేదా నీటి అడుగున కూడా పనిచేయగలవు కాబట్టి చాలా ఉపయోగకరం.
SERS అనేది లేజర్ కాంతిని ఉపయోగించి అణువులను గుర్తిస్తుంది.
QCM అనేది ఒక ప్రకంపించే స్పటికాన్ని ఉపయోగించి ఉపరితలంపై పడే అతి తక్కువ బరువును కూడా కొలుస్తుంది. ఇది ఎంత సున్నితమైనది అంటే, కేవలం ఒక పరమాణువు పొర బరువును కూడా ఇది లెక్కించగలదు.
ఉపయోగాలు
ఆధునిక ప్రపంచంలో ఉపరితల శాస్త్రం ప్రతిచోటా ఉంది:
కాలుష్యం లేని కార్లు: కార్లలో ఉండే కాటలిటిక్ కన్వర్టర్ ఉపరితల చర్యలను ఉపయోగించి విషపూరితమైన వాయువులను సురక్షితమైన వాయువులుగా మారుస్తుంది.
కంప్యూటర్లు: ఫోన్లలో ఉండే చిన్న చిన్న ట్రాన్సిస్టర్లను తయారు చేయడానికి చాలా ఖచ్చితమైన మరియు శుభ్రమైన ఉపరితలాలు అవసరం.
వైద్యం: కృత్రిమ ఎముకలు లేదా గుండె వాల్వులను తయారు చేసేటప్పుడు, శరీరంలోని కణాలు ఆ ఉపరితలాలకు సరిగ్గా అతుక్కునేలా శాస్త్రవేత్తలు డిజైన్ చేస్తారు. దీనివల్ల ఇన్ఫెక్షన్లు రాకుండా ఉంటాయి.
ఉపరితల శాస్త్రం అనేది కేవలం ప్రయోగశాలలకే పరిమితం కాలేదు. మన కంటికి కనిపించని చిన్న అణువుల స్థాయిలో జరిగే ఈ అద్భుతాలు మన సాంకేతికతను ఎంతో ముందుకు తీసుకెళ్తున్నాయి. పరిశ్రమలలో రసాయనాల తయారీ నుండి రోదసి పరిశోధనల వరకు ఈ శాస్త్రం యొక్క ప్రభావం ఎంతో ఉంది.
ఇవి కూడా చూడండి
మూలాలు
- ↑ Prutton, Martin (1994). Introduction to Surface Physics. Oxford University Press.
- ↑ "Scientific Background on the Nobel Prize in Chemistry 2007" (PDF).
మరింత సమాచారం కోసం
Kolasinski, Kurt W. (2012). Surface Science: Foundations of Catalysis and Nanoscience. Wiley. Attard, Gary (1998). Surfaces. Oxford Chemistry Primers.
బయటి లింకులు
సర్ఫేస్ మెట్రాలజీ గైడ్ - ఉపరితల ఆకారాలను కొలిచే పద్ధతుల సమాచారం.
సర్ఫేస్ కెమిస్ట్రీ ఆవిష్కరణలు - ఈ రంగంలోని చరిత్ర మరియు వార్తల గురించి సైట్.