நியூட்ரினோ விளையாட்டு – மெய்நிகர் செயலி (virtual reality app)


ஜல்லிக்கட்டு விளையாட்டை விடியோ கேம்ஸ் வடிவத்தில் ஆட சொன்ன போதே நியூட்ரினோ ஆராய்ச்சியை விர்ச்சுவல் ரியாலிட்டியில் செய்து கொள்ளச் சொன்னோம். நாம் அடித்த மணி கவர்மெண்ட் காதில் விழாத போதும் சில விஞ்ஞானிகள் ஒரு விதத்தில் இதை மெய்ப்பித்துக் காட்டியிருக்கிறார்கள். VENu (Virtual Environment for Neutrinos) என்ற செல்பேசி செயலியை உருவாக்கி, அதனைக் கொண்டு அமெரிக்காவின் ஃபெர்மிலேபில் உள்ள மைக்ரோபூன் (MicroBooNE) நியூட்ரினோ ஆய்வகத்தின் தரவுகளைக் குப்பனும் சுப்பனும் காண வழி செய்துள்ளனர்.

முப்பரிமாணத்தில் மெய்நிகர் மற்றும் மிகுமெய் (augmented reality) இயல்புகளைக் கொண்ட இந்த செயலியை முற்றிலும் இலவசமாக உங்கள் திறன்பேசியில் பதிவிறக்கிப் பயன்படுத்தலாம். VR viewer எனப்படும் மெய்நிகர் காட்டி ஒன்றை வாங்கித் தலையில் மாட்டிக் கொண்டு நியூட்ரினோ உலகத்தில் ஆழ்ந்து உலவலாம். இந்த செயலியில் உள்ள ‘விளையாட்டு’ அம்சங்களைக் கொண்டு  நியூட்ரினோ தடங்களைத் துப்புத் துலக்கி புதிய நியூட்ரினோக்களை நீங்களும் கண்டு பிடிக்கலாம். அது சரி, நியூட்ரினோங்கிறது யாரு என்று கேட்பவர்கள் அதன் அடிப்படை இயல்புகள், ஆனா ஆவன்னா எல்லாவற்றையும் கற்கவும் ஆவன செய்துள்ளனர். Pokemon-களைத் தேடுவதைப் போல் இதுவும் சுவாரசியமாக இருக்கக் கூடும்.

செயற்கை நுண்ணறிவு


கணினியில் நூற்றுக்கணக்கான புகைப்படங்கள் வைத்திருக்கிறேன். அவற்றில் ஏதாவது ஒரு புகைப்படத்தைத் தேட வேண்டும் என்றால் அதை எடுத்த அல்லது கணிப்பொறியில் பதித்த நாள் நினைவுக்கு வர வேண்டும். அல்லது அந்தப் படத்தை எடுத்த இடத்துக்கு எப்போது போனோம் என்ற விவரமோ, படத்துக்கு நான் இட்ட கோப்புப் பெயரோ தெரிய வேண்டும். ஞாபக மறதி இருப்பதையே அடிக்கடி மறந்து விடுவதால் இவை எல்லாம் கருப்புப் பணத்தை ஒழிக்கும் முயற்சியாகவே முடிகின்றன. ஆனால் கணிப்பொறிகள் நாளுக்கு நாள் புதிய திறமைகளை எங்கிருந்தோ பெற்றுக் கொண்டிருக்கின்றன. தஞ்சை பெரிய கோயில் படத்தைத் தேட ‘கோபுரம்’ என்ற பொருள் படும்படி ‘tower’ என்று என் கணினியில் தேடினால் கோபுர வடிவம் உள்ள அனைத்து புகைப்படங்களும் வரிசையாய் காட்டப்படுகின்றன. அப்படியானால் ‘கோபுரம்’ என்ற வடிவத்தை தான் காணும் ஒன்றுகளில் இருந்த்தும் சுழியங்களில் இருந்தும் இந்தக் கணினி எப்படியோ அடையாளம் கண்டு தரம் பிரித்து நான் தேடிய தகவலை மட்டும் எனக்குத் தருகிறது. ‘boat’, ‘tree’, ‘stadium’ போன்ற திறவுச் சொற்களும் படகு, மரங்கள் உள்ள புகைப்படங்களை மட்டும் காண்பித்தன.

stadium

‘Stadium’ என்ற குறி சொல் கொண்டு தேடிய போது கிடைத்த படங்கள் (குறிப்பு: இது ‘கூகுள்’ போன்ற இணைய தேடல் அல்ல. இந்த படங்களின் கோப்புப் பெயர்களிலும் (file name) ‘stadium’ என்ற சொல் இல்லை).

சற்று நிமிர்ந்து உட்கார்ந்து ‘horse’ என்று உள்ளீடு தந்ததும் குதிரை மட்டுமல்லாது ஆட்டுக்குட்டி இருக்கும் ஒரு புகைப்படத்தயும் குதிரை சிலை இருக்கும் புகைப்படங்களையும் சேர்த்தே காண்பித்தது கணினி. “நீ இன்னும் வளரணும் தம்பீ” என்று சொல்லி கணினியைச் சாத்தினேன். “அது சரி, இவ்வளவு அறிவு கூட இதற்கு இருந்ததில்லையே! இப்போது எப்படி?” என்று யோசித்தால் ஆர்டிஃபிஷியல் இண்டலிஜென்ஸ் அல்லவா இது? இயந்திர மனிதர்கள், தானியக்கி கார்கள், காலநிலை கணிப்புகள் என்று ‘பெரிய’ செயல்பாடுகளில் இருந்த இந்த செயற்கை நுண்ணறிவு இன்று மடி கணினியிலும் திறன்பேசிகளிலும் தடம் பதித்து விட்டது. விரல் வருடல்களில் வித்தைகள் செய்யும் இந்த செயலிகளின் பின்னணியில் உணர்தல், கணித்தல், அறிவுறுத்தல், அறிவித்தல், சூழ்நிலை குறித்த பிரக்ஜை, கற்றல், கற்றவற்றைக் கொண்டு புதுப்பித்தல், தானியக்கவியல் என்று பல பரிமாணங்கள் இருப்பதைக் காணலாம்.

முதலில் கணினி எப்படி ‘பார்க்கிறது’? ஒரு நாய்க்குட்டியின் புகைப்படம் கணினியின் ‘கண்களுக்கு’ இப்படி தெரிகிறது:

dogseenas

கணினியின் பார்வையில் நாய்க்குட்டி

இத்தகைய பார்வை எல்லா நேரத்திலும் கை கொடுப்பதில்லை. நாய்க்குட்டியின் படத்தில் பின்புலம் மாறுகையில் மேற்கண்ட அணியில் (matrix) மாற்றம் ஏற்படுகிறது. இந்த ‘குறைபாடு’ தான் கழுதையையும் குதிரையாகக் காட்டிக் குழப்புகிறது.

3457.567 x 98431.879 =  என்று தட்டியதும் கணப்பொழுதில் விடை தரும் கணினி, கொஞ்சம் ஏமாந்தால் விஸ்வனாதன் ஆனந்த்தையே தோற்கடிக்கும் கணினி, ‘பார்த்தல்’ என்கிற ஒரு ‘தன்னிச்சையான’ செயலில் இப்படி சொதப்புவது ஏன்? இதை மோராவெக் முரண்பாடு (moravec’s paradox) என்கிறார்கள். அதாவது நம்மாலாகாத செயல்கள் பலவும் கணினிக்கு அத்துப்படி. ஆனால் ஒரு குழந்தையால் முடிகிற வேலைகள் கூட கணினிக்கு மிகக் கடினம். இதற்கு மோராவெக் சொல்லும் காரணம்: மனிதர்கள் பல்லாயிரக்கணக்கான் ஆண்டுகளாகப் பரிணாம வளர்ச்சியுற்று சிந்தனை, மொழி போன்றவற்றில் ஆளுமை பெற்றிருக்கிறோம் . கணிப்பொறிகள் ‘நேற்று’ பிறந்த குழந்தைகள் அல்லவா?

இப்போதுதான் நமது மூளை செல்களான நியூரான்களைப் போன்றே கணினி நியூரான் வலையமைப்புகளை (computer neural networks) உருவாக்கத் தொடங்கியுள்ளோம். பார்வையின் மூலம் கிடைக்கும் உள்ளீடுகளை நமது நியூரான்கள் நிர்வகிக்கும் அளவுக்கு இந்த செயற்கை நியூரான்களால் செய்ய முடியுமா என்பது இப்போதைக்குக் கேள்விக்குறிதான். யார் கண்டது? அடுத்த முறை மடிக்கணினியைத் திறக்கும் போது வேறு பல அதிர்ச்சிகள் காத்திருக்கலாம்.

உள்ளொன்றும் புறமொன்றும்


இது மனிதர்களைப் பற்றியதல்ல. பொருள்கள் (அல்லது பொருண்மம்) பற்றியது. “உனக்கெல்லாம் இந்த வாழ்வு” என்று உள்ளுக்குள் நினைத்தாலும் “உன்னோடு பேசினதில ரொம்ப சந்தோசம்” என்று வெளியில் சொல்வது மனித இயல்பு. “நீங்க சொன்ன மாதிரியே செஞ்சிடலாம் சார்” என்று முன்னே சொல்லிவிட்டு “என்ன ஜென்மமோ, சொந்தமாவும் யோசிக்க மாட்டான், சொல்றதையும் கேட்க மாட்டான்” என்று பின்னே சொல்வோம். இயற்கை அப்படி அல்ல.

மின்சாரத்தைப் பாய்ச்சினாலும் பிணம் போல் கிடக்கும் பொருட்கள் பல இருக்கின்றன. கண்ணாடி, ரப்பர், நெகிழி என்று பலவற்றை இதற்கு எடுத்துக்காட்டாக சொல்லலாம். இதற்கு மாறாக எளிதில் மின்சாரத்தைக் கடத்தக்கூடிய பொருட்கள் உள்ளன. செம்பு, பொன், வெள்ளி போன்றவை அருமையான மின்கடத்திகள். இது போக இரண்டுங்கெட்டானாக சிலிக்கான், ஜெர்மானியம் போன்ற குறைக்கடத்திகளும் (semiconductors) உள்ளன. இவை அனைத்தும் இத்தகைய பண்புகளைத் தமது அனைத்து பரிமாணங்களிலும் தக்கவைத்துக் கொள்கின்றன. அதாவது, ஒரு செம்புக் கம்பியை எடுத்துப் பாதியாக வெட்டினாலும் சரி, நீளவாக்கில் பாதியைச் செதுக்கினாலும் சரி, அதன் மின்கடத்தும் திறன் மாறாது. சுருக்கமாகச் சொன்னால், அறிவியல் பண்புகள் உள்ளொன்றும் புறமொன்றுமாய் இருப்பதில்லை. அரசியல் பண்புகள் வேண்டுமானால் அப்படி இருக்கலாம் – தண்ணீர் திறந்து விடவே கூடாது என்று கர்நாடகத்தில் கூச்சலிட்டும் மத்திய அரசு நல்ல முடிவு எடுக்கும் என்று தமிழகத்தில் மழுப்பியும் தண்ணீர் திறந்து விட்டால் மாநிலத் தேர்தலில் தோற்றுவிடுவோம் என்பதால் உச்ச நீதிமன்றமே ஆணையிட்டாலும் அதைக் கழிவறைக் காகிதமாய் மதித்தும் ஒரே கட்சி பல பண்புகளை வெளிக்காட்டுவது அரசியலில் சகஜமாக இருக்கலாம். அறிவியல் அப்படி இருக்காது. அப்படித்தான் இதுவரை நம்பி வந்தோம். ஆனால் இது முற்றிலும் உண்மை இல்லை என்பது இப்போது தெரிய வந்துள்ளது.

நீளம், அகலம், உயரம் என்ற மூன்று பரிமாணங்களைக் கொண்ட பொருட்கள் சட்டியில் இருப்பதுதான் அகப்பையில் வரும் என்கிற கணக்கில் செவ்வியல் (classical) இயற்பியலின் படி இயங்குகின்றன. இந்த மூன்று பரிமாணங்களில் ஒன்றையோ இரண்டையோ நீக்கி விட்டால் பொருட்கள் வியத்தகு அயற்பண்புகளை வெளிக்காட்ட ஆரம்பிக்கின்றன (இரண்டு மற்றும் ஒற்றைப் பரிமாண பொருட்களைப் பற்றி இங்கே காணலாம்). இன்னொரு காரணி வெப்பநிலை. நாம் இயல்பான பொருட்களின் பண்புகளைப் பெரும்பாலும் அறைவெப்ப நிலையிலேயே காண்கிறோம்.

தீபாவளி அன்று ரங்கநாதன் தெருவில் பர்ஸ் இருக்கிறதா பை இருக்கிறதா என்று பார்த்துப் பார்த்து நடப்போம். நமது தெருவில் நடக்கும்போது பக்கத்து வீட்டு நாய் கடிக்க வருகிறதா என்று மட்டும் பயந்து, மற்றபடி கொஞ்சம் சுதந்திரமாக நடப்போம்.  ஆள் அரவமற்ற தீவிலோ மலைப்பகுதியிலோ கடற்கரையிலோ சுற்றுலா சென்றால் நம் விருப்பப்படி திரிவோம். பொருட்களில் இருக்கும் அணுக்களும் இப்படித்தான். அறைவெப்ப நிலையில் ரங்கனாதன் தெரு போல் ஒன்றுடன் ஒன்று மோதிக் கொண்டு செவ்வியல் கோட்பாடுகளைக் கடைபிடிக்கின்றன. கடுங்குளிர் நிலையில் (-273 டிகிரி செல்சியஸ்) இதுவரை தெரியாத பண்புகள் எல்லாம் தெரிய வருகின்றன. இத்தகைய குளிர் உலகில் குவைய இயற்பியல் (quantum physics) விதிகள் ஆதிக்கம் செலுத்துகின்றன. திடம், திரவம், வாயு என்று 3 நிலைகள் தவிர பல புதிய, விந்தையான நிலைகளையும் காணக்கூடும்.

statesofmatter

படம் 1. வெப்ப நிலை குறையக் குறைய அணுக்களின் பிணைப்பும் இயக்கமும் மாறுவதால் வெவ்வேறு அவற்றைக் கொண்ட பொருள் வெவ்வேறு நிலைகளை அடைகிறது. மிகக் குறைந்த வெப்ப நிலையில் குவாண்டம் விதிகள் ஆதிக்கம் செலுத்துகின்றன.

எடுத்துக்காட்டாக, இத்தனை நேரம் மின்கடத்தாப் பொருள் இந்த வெப்ப நிலையில் தடையே இல்லாமல் மின்சாரம் பாயக்கூடிய மீக்கடத்தியாக (superconductor) மாறுகிறது. சில திரவங்கள் முடிவற்ற சுழற்சிகளைக் (vortices) கொண்டு superfluids எனப்படும் மீப்பாய்மங்களாக மாறுகின்றன. அணுக்கள் சீரான முறையில் நகர்ந்து ஒரே திசையில் நெறிப்படுத்தப் பட்டுள்ளதால் எளிதில் காந்தப் பண்புகளையும் பெறுகின்றன. மின்கடத்தும் திறனில் மட்டும் கொஞ்சம் குழப்பம் இருக்கிறது. இந்தப் பண்பானது, எஸ்கலேட்டரில் ஏறுவது போல் தொடர்ச்சியாக மாறாமல், படிகளில் ஏறுவது போல் படிப்படியாக மாறுகிறது. ஒரு படிக்கும் இன்னொரு படிக்கும் இடைப்பட்ட நிலை எதுவும் இருப்பதில்லை. காந்தப்புலத்தை டியூன் செய்தால் மின்னோட்டமும் மாறும் என்பதை அறிவோம். ஆனால் இங்கு முதலில் இருந்த மின்கடத்துத் திறன் 2 மடங்கு, 3 மடங்கு, 4 மடங்கு என்று தான் மாறுகிறதே தவிர, 1.5, 2.2, 3.1 போன்ற மதிப்புகளில் மாறுவதில்லை. இது ஏன் என்ற ஆராய்ச்சியில் topology என்கிற பரப்புருவியல் கோட்பாடுகளைக் கொண்டு விளக்கம் சொன்ன காரணத்திற்காக டேவிட் தோலஸ், டங்கன் ஹால்டேன், மற்றும் மைக்கேல் கோஸ்டர்லிட்ஸ் ஆகியோருக்கு இந்த ஆண்டு இயற்பியல் நோபெல் பரிசு வழங்கப் பட்டுள்ளது. அப்படி அவர்கள் என்ன விளக்கம் சொல்லி இருக்கிறார்கள் என்பதை அடுத்த பதிவில் பார்ப்போம்.

லித்திய உலகம் 1 – செல்ஃபோன் பேட்டரியும் சில லித்தியம் அயனிகளும்


வழக்கம் போல் முதலில் ஓரிரு சொற்களின் விளக்கம்:

லித்தியம்: தனிம அட்டவணையில் (Periodic table of elements) மூன்றாவது இடத்தில் இருக்கும் ஒரு உலோகம். ங, ஞ, ந, ண, ம, ன போல இதுவும் மெல்லினம். அதிலும் மற்ற அனைத்து உலோகங்களைக் காட்டிலும் மிகவும் மெல்லியது. அதற்காக, லித்தியத்தை லேசாக எடுத்துக் கொள்ள வேண்டாம். இது வேதியியல் வீரியம் மிக்கது (reactive). இயற்கையில் தூய நிலையில் கிடைக்காது; தாதுக்களில் இருந்து இதனைப் பிரித்தெடுக்க வேண்டும். காற்றில் இருக்கும் ஆக்சிஜன் மற்றும் நைட்ரஜன் வாயுக்களுடன் வினைபுரிந்து விடுவதால் தூய்மை படுத்தப்பட்ட லித்தியம் எப்போதும் மேற்சொன்ன வாயுக்களும் ஈரப்ப்பதமும் இல்லாத சூழலில் சேமிக்கப்படுகிறது. பெரும்பாலும் தூய லித்தியத்தை ஆர்கான் அல்லது ஹீலியம் போன்ற மந்த வாயுக்கள் நிரப்பிய Glove box எனப்படும் பெட்டிகளுக்குள்ளே தான் பயன்படுத்துவார்கள்.

சரி, இந்த லித்தியம் எதற்குப் பயன்படுகிறது? இன்றைய நிலையில் எப்போதும் நம்மை விட்டுப் பிரியாத தோழி அல்லது தோழனைப் போல் நம் பாக்கெட்டுக்குள்ளேயோ கைப்பையிலோ மேசை மீதோ இருக்கிறது. ஆம், நமது செல்பேசிகளிலும் மடிக்கணினிகளிலும் கைக்கணினிகளிலும் உள்ள மின்கலங்கள், அதாவது பேட்டரிகள் (Battery) எல்லாவற்றிலுமே லித்தியம் தான் ஹீரோ. லித்தியம் இல்லையேல் நமது செல்ஃபோன்கள் எல்லாம் செங்கல்களே.

Sony_Li-ion_battery_LIP-4WM

படம் 1. லித்தியம்-அயனி மின்கலம்

அயனி: அணுக்களில் எலெக்ட்ரான்களும் (-) ப்ரோட்டான்களும் (+) இருப்பதை அறிவோம். இந்தப் ப்ளஸ்ஸிலோ மைனஸிலோ ஏதேனும் ஒன்றிரண்டைக் கழற்றிவிட்டால் என்ன ஆகும்? நேர் மின்னோட்டத்துக்கும் எதிர் மின்னோட்டத்துக்குமான சம நிலை குலைந்து போய், மேற்படி அணுவானது ஒரு ‘அயனி’யாக மாறி விடுகிறது. முதல் பாதியில் சாதுவாக இருந்துவிட்டு இடைவேளைக்கு அப்புறம் அதிரடியாக மாறும் கதாநாயகனைப் போல முற்றிலும் மாறுபட்ட தன்மைகளைக் கொண்டு சிலபல அதிசயங்களைச் செய்கிறது.

சூரியக் குடும்பத்தில் (Solar System) கோள்கள் கதிரவனைச் சுற்றி வருவது போலவே ஒரு அணுவின் கருவைச் சுற்றி எலெக்ட்ரான்கள் வலம் வருகின்றன. அணுக்கருவில் நேர்மின் சுமை (positive charge) கொண்ட ப்ரோட்டான்களும் மின்சுமை எதுவுமற்ற நியூட்ரான்களும் உள்ளன. இந்த நேர் மின்சுமையைச் சம நிலைப்படுத்த ஒரு எதிர் மின்சுமை இருந்தால்தான் அந்த அணு நடு நிலையில் இருக்க முடியும். வேறு வழி தெரியாமல் மேம்பாலத்தையே சுற்றிச் சுற்றி வரும் வாகன ஓட்டிகளைப் போல் வட்டமடிக்கும் எலெக்ட்ரான்கள் தமது எதிர் மின்னோட்டத்தால் இந்த நடுநிலையைக் காத்து அணுவை அணுவளவும் சிதையாமல் வைத்திருக்கின்றன. இந்த நடுநிலையைச் சிதைப்பதிலும் மீண்டும் விதைப்பதிலுமே ஒரு லித்தியம்-அயனி மின்கலத்தின் (lithium-ion battery) செயல்திறன் இருக்கிறது.

lithium_ion_atom

படம் 2. (இடது) லித்தியம் அணுவில் 3 எலெக்ட்ரான்கள் உள்ளன. (வலது) சமநிலை குலைந்து ஒரு எலெக்ட்ரானை இழந்து Li+ அயனியாக மாறுகிறது.

ஏன் லித்தியம் மட்டும்? அடர்ந்த ஈயமும் இரும்பும் இருக்கும்போது ஈ போன்ற லித்தியத்தில் எவ்வளவு மின்னாற்றலைச் சேமித்துவிட முடியும்? முதலில், தன்வசமுள்ள எலெக்ட்ரான்களை இழந்து அயனியாக மாறுகையில் லித்தியம் ஏறத்தாழ 4 வோல்ட் தருகிறது. இதர உலோகங்கள் வெறும் 1.5 வோல்ட் மட்டுமே கொடுக்க முடியும். இதுபோக, லித்தியத்தின் இலகுவான தன்மையும் சாதகமாகி விடுகிறது. ஒரு கிலோ ஈயத்தில் ஒரு மணி நேரத்திற்கு 260 ஆம்பியர் அளவு மின்சாரத்தைச் சேமிக்கலாம். அடர்த்தி குறைந்த லித்தியத்திலோ அதே ஒரு கிலோ எடையில் சுமார் 3860 ஆம்பியர் மின்சாரத்தைச் சேமிக்கலாம். கொள்ளை லாபம் அல்லவா?

சரி, இப்போது பேட்டரிக்கு வருவோம். இதன் உள்ளே அப்படி என்னவெல்லாம் இருக்கிறது? அடிப்படையில், ஒரு நேர்மின் ‘தகடு’ (positive electrode), ஒரு எதிர்மின் ‘தகடு’ (negative electrode), பஞ்சும் நெருப்பும் பக்கத்தில் இருப்பதால் இந்த இரண்டிற்கும் நடுவே பெண்ணின் தந்தை போல் ஒரு தனிப்படுத்தி காகிதம் (separator). இது இருவரையும் ‘பார்த்தும் பேசிக்கொள்ளவும்’ அனுமதிக்கும்; தப்பு தண்டா செய்ய விடாது. இரண்டு மின்முனைகளையும் பிரித்து விட்டால் மின்சாரம் எங்கே இருந்து வரும்? அதற்காகவே ஒரு மின்பகுளி (electrolyte). இது அயனிகளைக் கடத்தும்; எலெக்ட்ரான்களைத் தடுக்கும். இதைப்பற்றி பின்னொரு பதிவில் விரிவாகக் காண்போம்.

நேர்மின் தகடு பெரும்பாலும் லித்தியம் கோபால்ட் ஆக்சைடு (LiCoO2) என்ற சேர்மத்தால் ஆனது. 1990-களில் Sony நிறுவனத்தால் நடைமுறை பேட்டரிகளில் அறிமுகம் செய்யப்பட்டது முதல் இளையராஜா பாடல்கள் போல் இன்றளவும் ‘நின்று’ கொண்டிருப்பது LCO என்று அழைக்கப்படும் இந்தச் சேர்மம் தான். புதுப்புது சேர்மங்களைச் செய்யும் பொருட்டு எத்தனையோ கோடி பணத்தை இறைத்தும் சிலபல ஜிகினா வேலைகளைச் செய்தும் இதன் மின்வேதிப் பண்புகளை இன்னும் மீற முடியவில்லை என்றே சொல்ல வேண்டும். உங்கள் பேட்டரியை நீங்கள் ரீ-சார்ஜ் செய்யும் போது LiCoO2-இல் இருக்கும் லித்தியம் (Li+) அயனிகள் மின்பகுளி மற்றும் செப்பரேட்டர் வழியாக எதிர்மின் தகட்டினை நோக்கி விரைகின்றன. வழிமறிக்கப்பட்ட எலெக்ட்ரான்கள் நகரத்தின் புறவழிச் சாலை போன்ற ஒரு வெளி மின்சுற்றுப் பாதையில் பயணிக்கின்றன. எலெக்ட்ரான்களின் ஓட்டமே மின்சாரம் அல்லவா? இப்படி உருவான மின்சாரத்தையே நீங்கள் பாட்டு கேட்டும் அழைப்புகள் செய்தும் ஃபேஸ்புக் பார்த்தும் கேம்ஸ் விளையாடியும் தீர்க்கிறீர்கள்.

how-cells-work

படம் 3. சார்ஜ் செய்யும் போது நேர்மின் தகட்டில் (LiCoO2) இருந்து லித்தியம் அயனிகள் கிராஃபைட் படிமங்களை வந்தடைகின்றன. பேட்டரியைப் பயன்படுத்துகையில் (discharge) மீண்டும் நேர்மின் தகட்டிற்குச் சென்றுவிடுகின்றன.

எதிர்மின் தகடு லித்தியமாக இருக்கலாம். ஆனால் அது பாதுகாப்பற்றது என்று முன்னுரையில் பார்த்தோம். அப்படியானால் சார்ஜ் செய்யும் போது வந்து கொண்டிருக்கும் லித்தியம் அயனிகளை எப்படி கவர்ந்து மின்சாரத்தைச் சேமித்து வைப்பது? இங்கு தான் அறிவியலாளர்களின் மகத்துவம் மிளிர்கிறது. ஒரு ஊரில் நல்ல வேலை கிடைக்கிறது. சொந்த ஊரிலிருந்து வெகுதூரம். ஆனால் நல்ல சம்பளம். சொந்த வீடு இல்லாவிட்டால் என்ன? இரவில் முடங்கிக் கொள்ள ஒரு இருப்பிடம் தேவை. வாடகை வீடு பிடித்துத் தங்கி, முடிந்த வரைக்கும் மிச்சம் பிடித்து வீட்டுக்குப் பணம் அனுப்புவதில்லையா? அதுபோலவே, சார்ஜ் செய்யும் போது வரும் லித்தியம் அயனிகள் சற்று இளைப்பாற ஒரு ஏற்பி (host) இருந்தால் போதும். சார்ஜ் முடிந்து அந்த பேட்டரியை நாம் பயன்படுத்தும் போது இந்த லித்தியம் அயனிகளை அப்படியே திருப்பி அனுப்பும் வகையில் இந்த ஏற்பி இருக்க வேண்டும். இதற்கு எங்கே போவது?

இயற்கையிலேயே இத்தகைய தன்மை உடையது கிராஃபைட் என்ற கரிம படிவம் (இதைப் பற்றிய மேலதிக தகவலுக்கு இத்தளத்தில் ஏற்கனவே வந்த இந்தப் பதிவைப் பார்க்கவும்). மெல்லிய இந்த கிராஃபைட் அடுக்குகளின் ஊடே லித்தியம் அயனிகள் சொகுசாகத் தங்கி விழாவைச் சிறப்பித்த பின் தங்களை இழந்து வெறும் கோபால்ட் ஆக்சைடாகப் (CoO2) பிரிவாறாதிருக்கும் நேர்மின் தகட்டினை நோக்கிப் பாய்கின்றன.  LiCoO2 புத்துயிர் பெறுகிறது. இழந்த சொர்க்கம் மீட்கப்படுகிறது. சுபம்.

இப்போது சில கேள்விகள் எழலாம்.

  • நாளடைவில் பேட்டரி ‘சார்ஜ் ரொம்ப நேரம் நிற்பதில்லையே’, ஏன்?
  • எப்படி அயனிகள் மட்டும் ஒரு வழியில் அனுமதிக்கப்பட்டு எலெக்ட்ரான்கள் ‘Take Diversion’ செய்யப்படுகின்றன?
  • பேட்டரி ஏன் சில (பல) நேரங்களில் செத்துப் போக நேர்கிறது?
  • லித்தியத்தை விட சிறப்பான உலோகங்களைப் பயன்படுத்தி பேட்டரி செய்ய முடியுமா?

இந்தக் கேள்விகளுக்கு விடை தேடும் முன் சற்று நாமும் சார்ஜ் செய்து கொள்வோம்.

சார்ஜ் ஏறும்…

படங்கள்:

  1. Wikibooks
  2. bbc.co.uk
  3. http://www.jmbatterysystems.com

ஈர்ப்பு அலைகளை ‘ஈர்த்தது’ எப்படி?


இரண்டு கருந்துளைகள். இணைபிரியாமல் ஒன்றை மற்றொன்று சுழல் தடத்தில் சுற்றிச் சுற்றி வருகின்றன. ஏறக்குறைய ஒரு காதலன் – காதலி மாதிரி. ஒளி வேகத்தில் இருவரும் நெருங்கிக் கொண்டிருக்கையில் இனி இரண்டல்ல, ஒன்றுதான் என்கிற கட்டம். 36 சூரிய எடை கூட்டல் 29 சூரிய எடை என்றால் சும்மாவா? ஆனந்த நடனம் முடிவுற்று அண்டம் அதிரும் வண்ணம் ஒரு புதிய, பெரிய கருந்துளை பிறக்கிறது – சுமார் 62 சூரிய எடையுடன். ஒரு மூன்று சூரிய எடை கணக்கு இடிக்கிறது. இது அண்ட மகா ஊழலாக அல்லவா இருக்கிறது?

ஒரு ரூபாய் சில்லறைக்குப் பதிலாக ஒன்றுக்கும் ஆகாத மிட்டாய் கொடுப்பது மாதிரி இந்த மூன்று சூரிய எடை ஆற்றலாக மாற்றப் பட்டு அலைகளாகப் பரவுகிறது. ஆனால் இவை ஒன்றுக்கும் ஆகாத அலைகளல்ல. அண்டத்தின் பிறப்பு முதலிய குறிப்புகள் அடங்கிய ஈர்ப்பு அலைகளாக காலம், இடம் எல்லாவற்றையும் பெயர்த்துக் கொண்டு புறப்பட்டன.

130 கோடி ஆண்டுகளுக்குப் பிறகு: அந்த அலைகள் பால்வழி மண்டலத்தைக் (Milky Way galaxy) கடந்து செல்கின்றன. எண்ணற்ற விண்மீன் கூட்டங்களில் சூரியன் என்ற ‘சிறு’ விண்மீனைச் சுற்றிவரும் புவி என்கிற கோளைக் கடக்கையில், பெரும்பாலும் தாங்கள் கண்டுபிடித்த சில கடவுள்களுக்காகப் போரிட்டுக் கொண்டும் பிற தீவிரவாதிகளை முறியடிக்கவும் பிரயத்தனம் செய்து கொண்டிருக்கும் மனிதர்கள் என்ற ஒரு இனத்தவர், இதற்கும் கொஞ்சம் நேரம் ஒதுக்கி நூறாண்டுகள் அறிவியல் தவம் புரிந்து உருவாக்கி  வைத்துள்ள சில கருவிகள் இந்த ஈர்ப்பு அலைகளை ஒரு இனிய செப்டம்பர் பதினான்காம் தேதி ‘எதிர்பாராத நேரத்தில்’ உணர்கின்றன. ஏன் எதிர்பாராத நேரம் என்றால் அந்தக் கருவிகளை அப்போது அளவுதிருத்தம் (calibration) செய்து கொண்டிருந்தார்கள். இது எப்படி சாத்தியம் ஆனது? கீழே உள்ள படங்களைப் பார்க்கலாம்.

மோசமான இந்தப் படத்திற்கு மன்னிக்கவும். 12-ஆம் வகுப்பு ‘ரெக்கார்ட் நோட்புக்’ படங்களை உங்கள் அம்மா வரைந்து கொடுத்திருந்தால் நீங்களும் இப்படித்தான் வரைவீர்கள். எது எப்படியோ, மேற்கண்ட படத்தில் உள்ளது ஒரு குறுக்கீட்டு மானி என்று நான் சொன்னால் நீங்கள் நம்பித்தான் ஆக வேண்டும். லேசர் ஒளி அலைவெட்டியின் மீது பாயும் போது தன் பெயருக்கு வஞ்சகம் செய்யாமல் அந்த ஒளி அலைகளை இரண்டாக ‘வெட்டி’ விடுகிறது அலைவெட்டி. இப்படி வெட்டப் பட்ட ஒளி அலைகளின் ஒரு பகுதி முதல் கண்ணாடியிலும், மற்றொரு பகுதி இரண்டாம் கண்ணாடியிலும் படுகிறது. இந்த இரு கண்ணாடிகளைக் கொண்ட ‘கைகள்’ ஒவ்வொன்றும் நான்கு கிலோ மீட்டர் தூரம் நீண்டவை. லேசர் ஒளி இவ்விரு கைகளிலும் நானூறு தடவை எதிரொளிக்கப் பட்டு பின்னர் படத்தில் கீழே கண், காது எல்லாம் வைத்துக் காட்டியுள்ள உணரியில் (detector) பதிகின்றன. வெட்டப்பட்ட இரண்டு அலைக் கற்றைகளும் ஓரலையாக உணரப் படுகின்றன. இத்தகைய குறுக்கீட்டு மானி ஒன்று அமெரிக்காவின் லூசியானா மாகாணத்தில் உள்ள லிவிங்ஸ்டன் ஆய்வகத்திலும் அதே போன்ற மற்றொன்று வாஷிங்டன் மாகாணத்தின் ஹேன்ஃபோர்ட்  ஆய்வகத்திலும் நிறுவப்பட்டுள்ளன. ஈர்ப்பு அலை உணரப்படும் பட்சத்தில் இந்த இரண்டு மானிகளிலும் உணரப்படும் சமிக்ஞை ஒரு நொடியில் நூறில் ஒரு பங்கு மட்டுமே வேறுபடும் (படம் 2-ஐ பார்க்கவும்).

ligo-signal

படம் 2. இருவேறு ஆய்வகங்களில் உணரப்பட்ட ஈர்ப்பு அலை சமிக்ஞைகள் [1]

இப்போது படம் 1-இல் வலது புறப் படத்தைப் பாருங்கள். ஈர்ப்பு அலைகள் வரும் காட்சி இது. ஈர்ப்பு அலைகளின் குறுக்கீட்டால் ஒருவித களேபரம் நடந்து இரண்டு அலைக்கற்றைகளும் ஒத்துப் போகாமல் சீரற்று உணரப் படுகின்றன. ஈர்ப்பு அலைகள் இடத்தையும் காலத்தையும் சிதைக்கக் கூடியவை என்று பார்த்தோம். இதன் விளைவாக நமது குறுக்கீட்டு மானியில் ஒரு ‘கை’ சற்று நீண்டு விட்டது. எவ்வளவு நீண்டிருக்கிறது என்றால் 10^-19 மீட்டர் ஒரு புள்ளி வைத்து 18 சுழியங்களை எழுதி அதன் பின் 1 என்று எழுதிக்கொள்க). இப்படி உணரப்பட்ட அலையின் வடிவத்தைக் கொண்டு அதற்குக் காரணமான ஈர்ப்பு அலைகள் உருவான காலம், இடம், அவற்றைப் பெற்றெடுத்த கருந்துளைகளின் நிறை என்று அதன் பிறப்பு சான்றிதழையே பெற முடியும்.

இன்னும் கொஞ்சம் நோண்டிப் பார்த்தால் அண்டம் உருவான விதம் பற்றிய விவரங்கள் கிடைக்கக் கூடும். இதை எல்லாம் கண்டு பிடிப்பதனால் யாருக்கு என்ன லாபம்? நிச்சயமாக நாளைக்கே வெங்காய விலை குறைந்து விடப் போவதில்லை. மோனா லிசா போன்ற ஓவியங்கள், தஞ்சை பெரிய கோவில், மாமல்லபுரத்து சிற்பங்கள், மற்றும் இவைபோன்ற கலை வடிவங்கள் எல்லாம் எவ்வளவு அழகானதும் முக்கியமானதுமோ அதே போல இத்தகைய அறிவியல் மைல்கற்களும் பிரபஞ்சத்தில் நாமும் இருக்கிறோம் என்பதற்கும் நம்மைச் சூழ்ந்துள்ளவற்றை நாம் ஆர்வத்துடன் அறிவியல் கண் கொண்டு நோக்குகிறோம் என்பதற்கும் அடையாளங்களே.

காண்க:

[1] http://physicsworld.com/cws/article/news/2016/feb/11/ligo-detects-first-ever-gravitational-waves-from-two-merging-black-holes

 

லேசர் ஒளியில் நடக்கும் கிராஃபின் காகிதங்கள்!


ஒளியைக் கண்டதும் விரிவதேன்?

1. ஒளியிலே… விரிவதேன்?

சிறு வயதில் நமது வட்டார விஞ்ஞானி எவனாவது மூக்குப்பொடி டப்பா ஒன்றை எடுத்துக் கொண்டு இருபுறமும் துளையிட்டு அவற்றில் ஒரு ரப்பர் பாண்டைக் குறுக்காகப் புகுத்தி, ஒரு முனையில் விளக்குமாற்றுக் குச்சியைக் கட்டி, அந்தக் குச்சியை டைம் பீஸுக்கு சாவி கொடுப்பது போல திருகி டப்பாவைக் கீழே விட்டதும் அது அந்த ரப்பர் பாண்டின் எலாஸ்டிக் கட்டளைக்குப் பணிந்து ரோட் ரோலரைப் போல் மெல்ல நகர்ந்து செல்வதைப் பார்த்திருப்போம்.

90-களுக்குப் பிறகு பிறந்தவர்கள் முதல் பாராவைப் படிக்காததாகக் காட்டிக் கொண்டு அடுத்த பாராவுக்குச் சென்று விடுங்கள்.

graphite_vs_graphene

படம் 2. க்ராஃபைட் – கிராஃபின் வேறுபாடு

நானோ அறிவியலில் தற்போதைய சூப்பர் ஸ்டார் கிராஃபின் எனப்படும் ஒற்றை அணு அளவு தடிமனே கொண்ட கரிம (carbon) அடுக்குகள் தான். ஆம், அங்கும் கறுப்பு சூப்பர் ஸ்டார் தான். பென்சில்களில் இருக்கும் க்ராஃபைட் (Graphite) தண்டை ஒட்டுத் தாளில் (ஸ்காட்ச் டேப்) அழுத்தி எடுத்தால் ஒட்டிக்கொண்டு வரும் மெல்லிய படலம் கிராஃபின். க்ராஃபைட் நீளம், அகலம், தடிமன் என்று மூன்று பரிமாணங்களைக் கொண்டது என்றால் கிராஃபின் இரண்டே பரிமாணங்களைக் கொண்டது (படம் 2).

இப்படி ஒற்றை அடுக்காகத் துகிலுரித்ததும் பல வியப்பூட்டும் குணாதிசயங்களைக் காட்டுகிறது கிராஃபின். அதிக ரன்கள், அதிக சதங்கள் என்று சச்சின் செய்துள்ள சாதனைகளைப் போல், பட்டை விட மென்மை, எஃகை விட உறுதி, பஞ்சை விட எடை குறைவு என்று நாசர், நமிதா முதலானவர்கள் விளம்பரப் படுத்தும் முறுக்குக் கம்பிகளைக் காட்டிலும் அதிக சிறப்புகள் வாய்ந்ததாக மாறி விடுகிறது.

இத்தகைய அதிசய பண்புகள் கொண்ட கிராஃபினை வைத்துக் கொண்டு என்ன செய்வது என்பதே ஒரு மிகப்பெரிய சவால். அப்படி யோசித்து இந்தத் தாள்களை நடக்க வைத்தால் என்ன என்று சில சீன விஞ்ஞானிகள் பரிசோதித்து வெற்றியும் கண்டுள்ளனர். கிராஃபின் ஆக்ஸைடு தாளில் பாலிடோபமைன் (polydopamine) எனும் பாலிமரை மடிப்புகள் தேவைப்படும் இடங்களில் தடவினார்கள். இந்தப் பசை சுற்றுப்புறத்தில் இருக்கும் நீர் மூலக்கூறுகளை ஈர்த்துக் கொள்ளும் தன்மை கொண்டது, ஒட்ட-கம் போல. ஆனால் வெறும் கிராஃபின் ஆக்ஸைடு இவ்வாறு நீரை ஈர்க்காது. இதில்தான் விசேஷமே. அகச்சிவப்பு லேசர் ஒளியை இந்தக் காகிதத்தின் மீது பாய்ச்சும் போது பாலிமர் மடிப்புகள் தேக்கி வைத்துள்ள நீர் விரைவாக உலர்கிறது. அதன் விளைவாக அந்த மடிப்புகள் உள்ள இடங்கள் சூரியனைக் கண்ட தாமரை போல ‘மலர்ந்து’ எழுகின்றன.

கிராஃபின் ஆக்ஸைடு காட்டும் இந்த பண்பைக் கொண்டு இத்தகைய காகிதங்களை நடக்கவும், திரும்பவும் வைத்துக் காட்டி அசத்தியிருக்கிறார்கள் Donghua University விஞ்ஞானிகள். தொடு உணர்வால் சுருங்கிக் கொள்ளும் தொட்டாஞ்சிணுங்கி போல ஒளி நுகர்ந்த கிராஃபின் காகிதம் விரியும் இந்தக் காட்சியை யூடியூபில் காண:

மேற்கோள்:

படம் 1: http://www.rsc.org/chemistryworld/2015/11/graphene-origami-light-self-folding-paper-walking

படம் 2: http://www.intechopen.com/books/nanocomposites-new-trends-and-developments/polymer-graphene-nanocomposites-preparation-characterization-properties-and-applications

இரண்டு நிமிட அறிவியல் – நீரின்றி அமையாது அலகு


பெரும்பாலான தமிழ் நாளிதழ்களில் ‘இன்றைய வெப்பநிலை’ என்ற பகுதியில் 98 டிகிரி, 102 டிகிரி என்று போடுகின்றனர். பள்ளி நாட்களில் இப்படி எழுதுகையில் ’98 கழுதையா குதிரையா?’ என்று நம் அறிவியல் ஆசிரியர் மண்டையில் கொட்டியிருப்பார்.

இங்கே அவர்கள் குறிப்பிட விரும்புவது 98 டிகிரி ஃபாரன்ஹெய்ட் என்பதையே. அதே நாளில் மற்றொரு நாளிதழ்  37 டிகிரி என்று குறிப்பிடுகிறது. எது சரி? இரண்டுமே தான். அலகுகள் தான் வேறுபடுகின்றன. இரண்டாம் நாளிதழ் 37 டிகிரி செல்சியஸ் என்ற அளவைக் குறிக்கிறது.

வெப்பநிலை என்ற ஒரே பண்பை அளக்க ஏன் வெவ்வேறு அலகுகள்? அளவிடும் முறைகள், அவை கண்டுபிடிக்கப் பட்ட காலகட்டங்கள், அரசியல் நிர்பந்தங்கள் (இங்கேயும்) என்று பல காரணங்கள்.

18-ஆம் நூற்றாண்டில் டேனியல் கேப்ரியல் ஃபாரன்ஹெய்ட் என்பவர் பனிக்கட்டியின் உருகுநிலையையும் (32°F) மனித உடலின் சராசரி வெப்பநிலையும் (98°F ) அடிப்படையாகக் கொண்டு வடிவமைத்த வெப்ப அளவீட்டு முறை ஃபாரன்ஹெய்ட் என்ற அலகுக்கு வழிவகுத்தது.

இந்த 32-இல் தொடங்கி 180-இல் முடிக்கும் வேலை எல்லாம் வேண்டாம். சுழியத்தில் தொடங்கி நூறில் முடியும் படியாக – நூறு படிகளாக (சென்டிகிரேடு) எளிய அளவீட்டு முறை இதோ என்று ஆண்டர்ஸ் செல்சியஸ் 1742-இல் புதியதோர் அலகை உலகுக்கு ஈந்தார். நாளடைவில் இது செல்சியஸ் என்ற பெயரிலேயே வழங்கப் படுவதாயிற்று.

இவ்வாறாக, பல்வேறு கணியங்களைப் போலவே வெப்பநிலை அளவீட்டிலும் நீரின் தன்மையே அளவுகோளாகப் பயன்படுகிறது. இது தவிர கெல்வின், ரான்கின் என்று வேறு சில அலகுகளும் உள்ளன. (உடல் சூட்டைத் தணிக்கிறேன் பேர்வழி என்று டாஸ்மாக் தண்ணி அடிப்பவர்கள் வேறு பல அலகுகளைப் பயன்படுத்துகிறார்கள்.)

சுருங்கச் சொன்னால்…

 நீர் உரையும வெப்பநிலை ௦ டிகிரி செல்சியஸ் (32 டிகிரி ஃபாரன்ஹெய்ட்).

நீர் கொதிக்கும் வெப்பநிலை 100 டிகிரி செல்சியஸ் (212 டிகிரி ஃபாரன்ஹெய்ட்).

தசமங்களையும் நெகடிவ் எண்களையும் அதிகம் விரும்பாத அமெரிக்கர்களும் இன்ன பிற நாட்டவரும் இன்னும் ஃபாரன்ஹெய்ட் முறையையே பின்பற்றுகின்றனர். நம்மூர் செய்தித் தாள்கள் எதற்கு வம்பு என்று நடுநிலையாக எந்த அலகையும் பயன்படுத்துவதில்லை.

இதை எழுதக் காரணம் பட்டப் படிப்பு முடித்த ஒரு நண்பனுடனான இந்த உரையாடல் தான்:

நான்: போன வருஷம் மே மாசம் வெயில் 40 டிகிரிக்கு

என் முழு ஓவியத் திறனையும் கொண்டு வரைந்தது

மேல போயிடிச்சு…

நண்பன்: எந்த உலகத்துல இருக்க? 104 டிகிரி அடிச்சது பா!

எந்த உலகத்தில் இருக்கிறோம்?

மேலதிக தகவல்களுக்கு:

http://en.wikipedia.org/wiki/Celsius

http://www.britannica.com/EBchecked/topic/200231/Fahrenheit-temperature-scale