ఘనస్థితి రసాయన శాస్త్రం
ఘనస్థితి రసాయన శాస్త్రం (Solid-state chemistry) అనేది రసాయన శాస్త్రం (Chemistry) లో ఒక ముఖ్యమైన భాగం. దీనిని పదార్థ రసాయన శాస్త్రం (Materials chemistry) అని కూడా పిలుస్తారు. ఘన పదార్థాలు ఎలా తయారవుతాయి, వాటి లోపల నిర్మాణం ఎలా ఉంటుంది, అవి ఎలా ప్రవర్తిస్తాయి అనే విషయాలను ఈ శాస్త్రం వివరిస్తుంది. ముఖ్యంగా ద్రవాలు లేదా వాయువులు కాని పదార్థాల యొక్క తయారీ, స్పటిక నిర్మాణం, వాటి లక్షణాలు (Properties) పై ఇది దృష్టి పెడుతుంది.
ఘనస్థితి రసాయన శాస్త్రం ఇతర శాస్త్రాలతో చాలా దగ్గరి సంబంధం కలిగి ఉంటుంది. ఇందులో ఘనస్థితి భౌతిక శాస్త్రం, ఖనిజ శాస్త్రం, స్పటిక శాస్త్రం, సెరమిక్స్, లోహ శాస్త్రం, పదార్థ విజ్ఞాన శాస్త్రం వంటివి ఉన్నాయి. భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు సాధారణంగా ఘన పదార్థాల భౌతిక నియమాల గురించి ఆలోచిస్తారు. కానీ రసాయన శాస్త్రవేత్తలు కొత్త పదార్థాలను ఎలా సృష్టించాలి, వాటిని ఎలా వివరించాలి అనే అంశాలపై ఎక్కువ శ్రద్ధ చూపుతారు.
ఘన పదార్థాలను ప్రధానంగా రెండు గ్రూపులుగా విభజించవచ్చు. మొదటి రకం స్పటిక రూపం (Crystalline). ఈ రకమైన పదార్థాలలో చిన్న కణాలు ఒక క్రమ పద్ధతిలో అమర్చబడి ఉంటాయి. రెండవ రకం అస్పటిక రూపం (Amorphous). ఇటువంటి ఘన పదార్థాలలో కణాలు ఎటువంటి క్రమ పద్ధతి లేకుండా కలిసిపోయి ఉంటాయి.[1]
చరిత్ర
[మార్చు]
ఘనస్థితి రసాయన శాస్త్ర చరిత్ర పరిశ్రమలు, సాంకేతికతతో ముడిపడి ఉంది. మానవులు పనిముట్లు, యంత్రాలు తయారు చేయడానికి ఘన పదార్థాలను ఉపయోగిస్తారు. కాబట్టి కంపెనీలు ఎప్పుడూ మెరుగైన పదార్థాలను కనుగొనాలని కోరుకుంటాయి. కర్మాగారాలకు అమ్మడానికి కొత్త వస్తువులు అవసరమైనప్పుడల్లా ఈ రంగంలో పురోగతి కనిపిస్తుంది.
20వ శతాబ్దంలో చాలా ముఖ్యమైన ఆవిష్కరణలు జరిగాయి:
1950వ దశకంలో శాస్త్రవేత్తలు జియోలైట్లను కనుగొన్నారు. వీటిని ముడి చమురు నుండి పెట్రోల్ తయారు చేయడానికి ఉపయోగిస్తారు.
1960వ దశకంలో చాలా స్వచ్ఛమైన సిలికాన్ సృష్టించారు. దీనివల్లనే నేటి ఎలక్ట్రానిక్స్, కంప్యూటర్ల యుగం మొదలైంది.
1980వ దశకంలో "అధిక ఉష్ణోగ్రత" వద్ద పనిచేసే అతివాహకతను (Superconductivity) కనుగొన్నారు.
ఈ శాస్త్రంలో ఒక పెద్ద ముందడుగు ఎక్స్-రే క్రిస్టలోగ్రఫీ ఆవిష్కరణ. దీనిని 1900ల ప్రారంభంలో విలియం లారెన్స్ బ్రాగ్ ప్రారంభించారు. దీనివల్ల శాస్త్రవేత్తలు ఘన పదార్థం లోపల పరమాణువులు ఎక్కడ ఉన్నాయో చూడగలిగారు. మరొక ప్రముఖ శాస్త్రవేత్త కార్ల్ వాగ్నర్. ఈయన్ని "ఘనస్థితి రసాయన శాస్త్ర పితామహుడు" అని పిలుస్తారు. అయాన్లు ఘన పదార్థాల ద్వారా ఎలా కదులుతాయి, పదార్థ నిర్మాణంలో ఉండే లోపాలు (Defects) ఆ పదార్థం పనితీరును ఎలా మారుస్తాయి అనే విషయాలను ఈయన అధ్యయనం చేశారు.[2]
ఘన పదార్థాలను ఎలా తయారు చేస్తారు?
[మార్చు]ఘన పదార్థాలను తయారు చేయడానికి చాలా మార్గాలు ఉన్నాయి. ఘన పదార్థాలు రకరకాలుగా ఉంటాయి కాబట్టి, రసాయన శాస్త్రవేత్తలు వేర్వేరు పద్ధతులను వాడతారు. కొన్ని పద్ధతులు చాలా ఎక్కువ వేడిని ఉపయోగిస్తాయి. మరికొన్ని వాయువులను లేదా ద్రవాలను ఉపయోగిస్తాయి.[1][3]
అధిక ఉష్ణోగ్రత పద్ధతులు
[మార్చు]సెరామిక్ పద్ధతి (Ceramic method)
[మార్చు]ఘన పదార్థాలను తయారు చేయడానికి సెరామిక్ పద్ధతి అత్యంత సాధారణ మార్గం. దీనిని కొన్నిసార్లు "షేక్ అండ్ బేక్" (Shake and bake) పద్ధతి అని కూడా పిలుస్తారు.[4] ఈ పద్ధతిలో:
ముందుగా కావలసిన ముడి పదార్థాలను (Reactants) కొలుస్తారు. వాటిని రోలు, రోకలి లేదా బాల్ మిల్లు ఉపయోగించి మెత్తటి పొడిగా చేస్తారు. ఆ పొడిని ఒక చిన్న గుండ్రని ఆకారంలోకి (Pellet) ఒత్తిడి చేస్తారు. ఆ పెల్లెట్ను ఒక పెద్ద వేడి ఓవెన్ లేదా ఫర్నేస్లో వేడి చేస్తారు. పదార్థం తగినంత వేడెక్కినప్పుడు, పరమాణువులు కదలడం మొదలై ఒకదానితో ఒకటి కలిసి కొత్త ఘన పదార్థంగా ఏర్పడతాయి. ఈ పద్ధతి ద్వారా సాధారణంగా చాలా చిన్న స్పటికాలు ఉన్న పొడి (Polycrystalline) తయారవుతుంది.[4]
మోల్టెన్ ఫ్లక్స్ సింథసిస్ (Molten flux synthesis)
[మార్చు]కొన్నిసార్లు రసాయన చర్య మొదలవ్వడం కష్టమవుతుంది. అటువంటప్పుడు రసాయన శాస్త్రవేత్తలు ఫ్లక్స్ (Flux) ఉపయోగిస్తారు. ఫ్లక్స్ అనేది సులభంగా కరిగే ఒక పదార్థం. ఉప్పు నీటిలో ఎలా కరుగుతుందో, అలాగే ముడి పదార్థాలు ఈ వేడి ద్రవ రూపంలో ఉన్న ఫ్లక్స్లో కరుగుతాయి. ఈ మిశ్రమం చల్లబడినప్పుడు స్పటికాలు పెరుగుతాయి. ఆ తర్వాత నీటితో లేదా ఆమ్లంతో (Acid) ఫ్లక్స్ను కడిగివేస్తారు. పెద్దవైన సింగిల్ క్రిస్టల్స్ (Single crystals) తయారు చేయడానికి ఈ పద్ధతి చాలా బాగుంటుంది.
| ఫ్లక్స్ రకం | కరిగే ఉష్ణోగ్రత | దేనికి ఉపయోగిస్తారు |
|---|---|---|
| సోడియం క్లోరైడ్ (ఉప్పు) | 801°C | ఆక్సైడ్లు |
| బోరాన్ ట్రైయాక్సైడ్ | 450°C | స్పటికాలు |
| బిస్మత్ | 271°C | లోహాలు |
కెమికల్ వేపర్ ట్రాన్స్పోర్ట్
[మార్చు]ఈ పద్ధతిలో ఒక ఘన పదార్థాన్ని ఒక చోటు నుండి మరొక చోటుకు తరలించడానికి వాయువును ఉపయోగిస్తారు. ఇది "ఆంపూల్" అని పిలువబడే ఒక గాజు గొట్టం లోపల జరుగుతుంది. దీనికి తక్కువ మొత్తంలో "ట్రాన్స్పోర్ట్ ఏజెంట్" (క్లోరిన్ వాయువు వంటివి) కలుపుతారు. ఈ ఏజెంట్ ఘన పదార్థంతో కలిసి వాయువుగా మారుతుంది. ఈ వాయువు గొట్టం యొక్క చల్లని చివరకు వెళ్లి తిరిగి చాలా స్వచ్ఛమైన స్పటికంగా మారుతుంది. దీనికి ఒక ప్రసిద్ధ ఉదాహరణ మాండ్ ప్రక్రియ. దీనిని స్వచ్ఛమైన నికెల్ తయారు చేయడానికి ఉపయోగిస్తారు.[5]
తక్కువ ఉష్ణోగ్రత - ద్రవ పద్ధతులు
[మార్చు]ఇంటర్కలేషన్ పద్ధతి
[మార్చు]ఇంటర్కలేషన్ అనేది ఘన పదార్థాన్ని మార్చడానికి ఒక ప్రత్యేక మార్గం. కొన్ని ఘన పదార్థాలు పొరలు పొరలుగా ఉండి వాటి మధ్య ఖాళీలు ఉంటాయి. శాస్త్రవేత్తలు ఈ ఖాళీలలోకి కొత్త పరమాణువులను పంపగలరు. లిథియం-అయాన్ బ్యాటరీలు ఇలాగే పనిచేస్తాయి. మీరు ఫోన్ ఛార్జింగ్ పెట్టినప్పుడు లేదా వాడుతున్నప్పుడు లిథియం అయాన్లు బ్యాటరీ పదార్థంలోని పొరల లోపలికి, బయటికి వెళ్తుంటాయి.[6]
సోల్-జెల్ ప్రెసిపిటేషన్
[మార్చు]ఈ పద్ధతులలో ద్రవాల నుండి ఘన పదార్థాలు తయారవుతాయి. ప్రెసిపిటేషన్ ప్రక్రియలో రెండు ద్రవాలను కలిపినప్పుడు ఒక ఘనపు పొడి కిందకు చేరుతుంది. సోల్-జెల్ పద్ధతిలో ఒక ద్రవం జెల్లీ లాంటి "జెల్" గా మారుతుంది. ఆ తర్వాత దానిని ఆరబెట్టి, వేడి చేయడం ద్వారా గట్టి ఘన పదార్థంగా మారుస్తారు.
వాయు పద్ధతులు
[మార్చు]కొన్ని ఘన పదార్థాలు ఆక్సిజన్ లేదా నైట్రోజన్ వంటి వాయువులతో చర్య జరపడం ద్వారా తయారవుతాయి. వస్తువులపై సన్నని పొరలు (Coatings) వేయడానికి దీనిని ఉపయోగిస్తారు. ఇందులో ప్రధానమైనది కెమికల్ వేపర్ డిపోజిషన్ (CVD). ఇందులో వేడి ఉపరితలంపై వాయువు ప్రవహిస్తుంది. ఆ వాయువు విడిపోయి ఉపరితలంపై ఒక సన్నని ఘన పొరను ఏర్పరుస్తుంది. కంప్యూటర్ భాగాలు ఇలాగే తయారవుతాయి.
ఘన పదార్థాలను ఎలా అధ్యయనం చేస్తారు?
[మార్చు]కొత్త ఘన పదార్థాన్ని తయారు చేసిన తర్వాత అది ఏమిటో శాస్త్రవేత్తలు తెలుసుకోవాలి. దీనిని క్యారెక్టరైజేషన్ (Characterization) అంటారు. వారికి ఆ పదార్థం యొక్క రసాయన సూత్రం, పరమాణువుల అమరిక తెలియాలి.
కొత్త దశలను కనుగొనడం
[మార్చు]ఏం జరుగుతుందో చూడటానికి శాస్త్రవేత్తలు వేర్వేరు మిశ్రమాలను తయారు చేస్తారు. దీని కోసం పౌడర్ డిఫ్రాక్షన్ అనే పరికరాన్ని ఉపయోగిస్తారు. ఇది పరమాణువుల అమరికను చూడటానికి ఎక్స్-రేలను వాడుతుంది. ఎక్స్-రే ద్వారా వచ్చే చిత్రం కొత్తగా ఉంటే ఆ శాస్త్రవేత్త ఒక కొత్త పదార్థాన్ని కనుగొన్నట్లు లెక్క. పదార్థంలో కావలసిన పదార్థాల సరైన నిష్పత్తిని కనుగొనడం ఇందులో చాలా ముఖ్యమైన పని.
నిర్మాణం కూర్పును పరిశీలించడం
[మార్చు]ఘన పదార్థం యొక్క ఉపరితలాన్ని చూడటానికి శాస్త్రవేత్తలు స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోప్ (SEM) ఉపయోగిస్తారు. ఇది కాంతికి బదులుగా ఎలక్ట్రాన్ కిరణాలను వాడుతుంది. ఇది చాలా చిన్న వివరాలను కూడా చూపిస్తుంది. పదార్థం యొక్క చాలా సన్నని పొరల గుండా చూడటానికి ట్రాన్స్మిషన్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (TEM) ఉపయోగిస్తారు.
ఇతర ముఖ్యమైన పరికరాలు:
EDX (Energy-dispersive X-ray spectroscopy): ఆ నమూనాలో ఏయే మూలకాలు (ఇనుము, బంగారం వంటివి) ఎంత ఉన్నాయో ఇది చెబుతుంది.[7]
XRD (X-ray diffraction): స్పటిక నిర్మాణాన్ని కనుగొనడానికి ఇది ప్రధాన మార్గం. పరమాణువుల మధ్య దూరం ఎంత ఉందో ఇది చూపిస్తుంది.[8]
.jpg)
ఘన పదార్థాల లక్షణాలు
[మార్చు]పదార్థం ఎలా ప్రవర్తిస్తుందో కూడా శాస్త్రవేత్తలు పరీక్షిస్తారు.
కాంతి లక్షణాలు: కొన్ని పదార్థాలను లేజర్లు లేదా సౌర ఫలకాల్లో వాడతారు. అవి కాంతికి ఎలా స్పందిస్తాయో శాస్త్రవేత్తలు తనిఖీ చేస్తారు. ఉదాహరణకు అర్ధవాహకాలకు (Semiconductors) "బ్యాండ్ గ్యాప్" ఉంటుంది. విద్యుత్తు ప్రవహించడానికి కావలసిన శక్తిని ఇది సూచిస్తుంది.
ఉష్ణ లక్షణాలు: ఒక పదార్థం ఏ ఉష్ణోగ్రత వద్ద కరుగుతుంది లేదా ఆకారం మారుతుందో చూడటానికి ఉష్ణ పరీక్షలు చేస్తారు. దీనికోసం DSC వంటి పరికరాలను ఉపయోగిస్తారు.
స్థానిక నిర్మాణం: కొన్నిసార్లు స్పటికం పైకి బాగున్నా, కొన్ని పరమాణువుల దగ్గర చిన్న మార్పులు ఉండవచ్చు. వీటిని చూడటానికి మోస్బాయర్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ ఉపయోగిస్తారు.
ఘనస్థితి రసాయన శాస్త్రం ఎందుకు ముఖ్యం?
[మార్చు]ఘనస్థితి రసాయన శాస్త్రం చాలా కారణాల వల్ల ముఖ్యమైనది. ఇది లేకపోతే మనకు ఇవి ఉండేవి కావు:
కంప్యూటర్లు, స్మార్ట్ఫోన్లు: ఇవి సిలికాన్, ఇతర ఎలక్ట్రానిక్ పదార్థాలపై ఆధారపడి పనిచేస్తాయి.
బ్యాటరీలు: కొత్త పదార్థాల వల్ల బ్యాటరీలు ఎక్కువ కాలం మన్నిక వస్తాయి, త్వరగా ఛార్జ్ అవుతాయి.
వైద్యం: కొన్ని ఘన పదార్థాలను శరీరంలో మందులను నెమ్మదిగా విడుదల చేయడానికి ఉపయోగిస్తారు.
నిర్మాణం: మెరుగైన రకం సిమెంట్, ఉక్కు తయారీకి ఈ శాస్త్రం తోడ్పడుతుంది.
పర్యావరణానికి మేలు చేసే శక్తి వనరుల కోసం, మెరుగైన సోలార్ సెల్స్ కోసం, హైడ్రోజన్ ఇంధనాన్ని నిల్వ చేసే మార్గాల కోసం ఈ రంగం నిరంతరం అభివృద్ధి చెందుతోంది.
మూలాలు
[మార్చు]- 1 2 West, Anthony R. (2004). Solid State Chemistry and Its Applications. John Wiley and Sons. ISBN 981-253-003-7.
- ↑ Martin, Manfred (డిసెంబరు 2002). "Life and achievements of Carl Wagner, 100th birthday". Solid State Ionics. 152–153: 15–17. doi:10.1016/S0167-2738(02)00318-1.
- ↑ Cheetham, A. K.; Day, Peter (1988). Solid State Chemistry: Techniques. ISBN 0198552866.
- 1 2 Rao, C. N. R. (2015). Essentials of inorganic materials synthesis. Kanishka Biswas. Hoboken, New Jersey. ISBN 981-118-89267-1.
{{cite book}}: Check|isbn=value: length (help)CS1 maint: location missing publisher (link) - ↑ Binnewies, Michael (ఫిబ్రవరి 2013). "Chemical Vapor Transport Reactions". Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. 639 (2): 219–229.
- ↑ Laipan, Minwang (1 ఏప్రిల్ 2020). "Layered intercalation compounds". Progress in Materials Science. 109.
- ↑ Bell, Dc (2003). Energy Dispersive X-ray Analysis in the Electron Microscope. Garland Science.
- ↑ Handbook of Materials Characterization. Springer. 2018.
బయటి లింకులు
[మార్చు]
Media related to Solid state chemistry at Wikimedia Commons
MIT ఓపెన్ కోర్స్ వేర్: ఘనస్థితి రసాయన శాస్త్ర పరిచయం
