திண்மம் (இயற்பியல்)

சிக்கிமுக்கிக் கல் படிக வடிவில் திண்மம்

திண்மம் என்பது இயற்பியலின்படி பொருள்களின் இயல்பான நான்கு நிலைகளில் ஒன்றாகும். திண்மப்பொருள் என்பது திடப்பொருள் என்றும் அழைக்கப்படும். திண்மப்பொருள் தனக்கென ஓருருவம் கொண்டது. இப்பொருளில் உள்ள அணுக்கள் ஒன்றுக்கொன்று நிலையான தொடர்பு கொண்டுள்ளன. அதாவது ஓரணுவுக்குப் பக்கத்தில் உள்ள வேறு ஓர் அணு அதன் பக்கத்திலேயே இருக்கும். சூழலின் வெப்பநிலையில் அணுக்கள் அதிர்ந்து கொண்டு இருந்தாலும், அணுக்கள் தங்களுக்கிடையே இருக்கும் தொடர்புகள் மாறுவதில்லை. ஒரு திண்மத்தில் உள்ள அணுக்களுக்கு இடையே உள்ள தொலைவும் ஏறத்தாழ அணுவின் விட்டத்திற்கு ஒப்பிடக்கூடியதாக (ஒப்பருகாக) இருக்கும். ஆனால் ஒரு நீர்மத்திலோ அல்லது ஒரு வளிமத்திலோ அணுக்களுக்கு இடையேயான இடைவெளி அணுவின் விட்டத்தைப் போல பல மடங்காக (பன்னூறு அல்லது பல்லாயிரம் மடங்காக) இருக்கும். ஒரு திண்மத்தில் உள்ள அணுக்கள் எம்முறையில் அமைந்திருக்கின்றன என்பதைப் பொருத்து திண்மங்கள் பலவாறு பகுக்கப்படுகின்றன.

• படிகம்: திண்மத்தில் உள்ள அணுக்கள் ஒரே சீரான அமைப்பில், அணியணியாய், ஒரு சீரடுக்காய் இருப்பின் அத்திண்மத்தைப் படிகம் என்று அழைக்கப்படும்.
• பல்படிகத் திண்மம்: திண்மத்தின் சிறுசிறு பகுதிகள் மட்டும் குறும்படிகங்களாய் இருந்து, இக்குறுபடிகங்கள் எல்லாம் ஒன்றுக்கொன்று வெவ்வேறான கோணங்களில் இணைந்திருந்தால் அவ்வகை திண்மத்தை பல்படிகத் திண்மம் என்பர். இதிலும் குறும்படிகத்தின் அளவைப்பொருத்து, மில்லி மீட்டர் அளவுப் பல்குறும்படிகம், மைக்ரோ மீட்டர் அளவுப் பல்குறும்படிகம், நானோ மீட்டர் அளவுப் பல்குறும்படிகம் என்று குறிக்கப்படும். குறும்படிகத்தின் அளவைப்பொருத்து அத்திண்மத்தின் இயல்பியல் பண்புகள் பெருமளவு மாறுபடும். எடுத்துக்காட்டாக, மின் கடத்துமை பல்லாயிரம் மடங்கு வேறுபடும். அதே போல திண்மத்தின் காந்தப் பண்புகள், ஒளிப்பண்புகள், வேதியியல் பண்புகள் எல்லாம் மிக மிக மாறுபடும்.
• சீருறாத் திண்மம்: ஒரு திண்மத்தில் உள்ள அணுக்கள் எந்த வகையிலும் ஒழுக்கம் இன்றி தாறுமாறாக அமைந்து இருந்தால் அவ்வகை திண்மங்களுக்கு சீருறாத் திண்மம் எனப்படும்.

திண்மங்கள் ஒரு குறிப்பிட்ட உயர் வெப்பநிலையில் உருகி நீர்ம நிலையை அடையும். அதே போல நீர்ம நிலையில் உள்ள ஒரு பொருளும் வெப்ப நிலை குறையக் குறைய ஒரு வெப்பநிலையில் திண்மமாய் உறையத்தொடங்கும்.

திண்ம நிலையில் உள்ள பொருள்களின் இயற்பியல் பண்புகளை முறைப்படி அறியும் துறை 1946 வாக்கில் தான் வளர்ச்சியடையத் துவங்கியது. இயற்பியலில் ஏற்பட்ட புரட்சிகரமான குவாண்டம் (குவிண்டம்) கருத்துருக்களை திண்ம நிலையில் உள்ள பொருட்களுக்கு பயன்படுத்த முயற்சிகள் மேற்கொள்ளப்பட்டன. இதன் பயனாய் புது நுண்மின்கருவிகள் கண்டுபிடிக்கப்பட்டன, பொருட்களின் காந்ததன்மை பற்றிய அடிப்படையான பண்புக்ளை அறியத்தொடங்கினர். லேசர் என்னும் சீரொளிக் கருவிகள் புதிதாக உருவாக்கப்பட்டன. குவிண்டம் (குவாண்டம்) கருத்துக்களின் உதவியால் அணுக்களின் அமைப்புகள் எவ்வாறு இயற்பியல் பண்புகளை உருவாக்குகின்றன என்று அறிய முடிந்தது. திண்ம நிலை பற்றிய ஆய்வுகள் மிக விரைவாய் இன்றும் நடந்து வருகின்றன. புதிதாக ஆய்வு செய்யப்பட்டு வரும் நானோ மீட்டர் அளவுத் திண்மங்களும், நானோ மீட்டர் அளவுப் பல்படிகங்களும் மிக விரைவாய் வளர்ந்து வருகின்றது.

நுண்ணியல் பார்வையில் விவரிப்பு

ஒரு படிகத்திண்மத்தில் அணுக்கள் நெருக்கமாக பிணைக்கப்பட்டிருப்பதன் மாதிரி

திண்மப் பொருளை உருவாக்கும் அணுக்கள், மூலக்கூறுகள் அல்லது அயனிகள் ஒழுங்கான திரும்பத் திரும்ப வரக்கூடிய அமைப்பில் (அல்லது) ஒழுங்கற்ற முறையில் ஒழுங்கமைக்கப்பட்டிருக்கலாம். திண்மப்பொருள்களின் ஆக்கக்கூறுகள் (அணுக்கள் (அ) மூலக்கூறுகள் (அ) அயனிகள்) ஒழுங்கான முறையில் அமைக்கப்பட்டுள்ள பொருள்கள் படிகங்கள் என அழைக்கப்படுகின்றன. சில நேர்வுகளில், இந்த ஒழுங்கான வரிசையமைப்பு அறுபடாமல் மிகப்பெரிய அளவிற்குத் தொடர முடியும். உதாரணமாக, வைரத்தில் இத்தகைய அமைப்பு காணப்படுவதால் வைரமானது ஒற்றைப் படிகமாக உள்ளது. பார்ப்பதற்கும், கையாள்வதற்கும் எளிதான பெரிய அளவில் இருக்கும் திண்மப் பொருட்கள், அரிதாக ஒற்றைப் படிகத்தால் ஆக்கப்பட்டவையாக இருக்கலாம். அதற்குப் பதிலாக, அதிக எண்ணிக்கையிலான ஒற்றைப் படிகங்களால் உருவாக்கப்பட்டவையே நுண்படிகங்களாக உள்ளன. இவற்றின் அளவு ஒரு சில நானோமீட்டர்களிலிருந்து பல மீட்டர்கள் அளவிற்கு மாறுபடலாம். இத்தகைய பொருட்கள் பல்படிகங்களாக (polycrystals) உள்ளன. ஏறத்தாழ அனைத்து பொதுவான உலோகங்களும் மற்றும் பல பீங்கான் பொருட்களும் பல்படிகங்களாகவே காணப்படுகின்றன.

கண்ணாடியின் வடிவத்தில் அங்குமிங்குமாய் அமைந்த மூலக்கூறு வலைப்பின்னலின் திட்டமுறை உருவமைப்பு (இடது) மற்றும் ஒத்த வேதி இயைபுக்குத் தகுந்த ஒழுங்கான படிகக்கூடு (வலது)

மற்ற பொருட்களில், அணுக்களின் அமைவிடத்தில் இத்தகைய ஒழுங்கான நீண்ட தொடரமைப்பு காணப்படாது. அத்தகைய திண்மங்கள் சீருறாத் திண்மங்கள் என அழைக்கப்படுகின்றன. உதாரணமாக பாலிஸ்டைரீன் மற்றும் கண்ணாடி இத்தகைய படிக வடிவமற்ற திண்மங்களே. ஒரு திண்மமானது படிக வடித்தைப் பெற்றுள்ளதா அல்லது படிக வடிமற்று உள்ளதா என்பது அத்திண்மத்தின் உருவாக்கத்தில் பங்குபெறும் பொருளின் தன்மையையும் அது உருவான சூழ்நிலையையும் பொறுத்ததாகும். படிப்படியான குளிர்வித்தலின் வழியாக உருவான திண்மங்கள் படிக உருவத்தைப்பெற விழைபவையாகவும், அதிவிரைவாக உறையச் செய்யப்பட்டவை படிக வடிவமற்றவையாக மாறக்கூடியவையாகவும் உள்ளன. இதேபோன்று, படிகத் திண்மத்தால் ஏற்கப்படும் குறிப்பிட்ட படிக அமைப்பானது அந்தப் பொருளைப் பொறுத்தும் அது உருவான விதத்தைப் பொறுத்தும் அமைகிறது.ஒரு பனிக்கட்டி அல்லது ஒரு நாணயம் போன்ற பல பொதுவான பொருட்களில் அந்தப் பொருள் முழுமையும் வேதியியல் தன்மையில் ஒரே சீரானதாக இருக்கும் பொழுது மற்றும் பல பொதுவான பொருட்கள் பலவிதமான வெவ்வேறு பொருட்கள் ஒன்றாக கலந்த கலவையாக உள்ளன. உதாரணமாக, ஒரு பாறையானது எந்த ஒரு குறிப்பிட்ட வேதி இயைபையும் கொண்டிராத பல்வேறு கனிமங்கள் மற்றும் கனிமக்கலவைகள் போன்றவற்றின் தொகுப்பாகவோ அல்லது திரட்டாகவோ இருக்கிறது. மரமானது கரிம லிக்னினின் தளத்தில் செல்லுலோசு இழைகள் முதன்மையாகப் பொதிந்த இயற்கையான கரிமப் பொருளாக உள்ளது.

திண்மங்களின் வகைகள்

திண்மங்களில் அணுக்களுக்கிடையிலான விசையானது பலவிதமான வடிவங்களைப் பெறுகிறது. உதாரணமாக, ஒரு சோடியம் குளோரைடு (சாதாரண உப்பு) படிகமானது அயனிப்பிணைப்பால் பிணைக்கப்பட்ட சோடியம் மற்றும் குளோரின் அயனிகளால் ஆக்கப்பட்டதாகும். வைரத்தில் அல்லது சிலிக்கானில், அணுக்கள் எதிர்மின்னிகளைப் பகிர்ந்து கொண்டு சகப்பிணைப்புகளை உருவாக்குகின்றன. உலோகங்களில், உலோகப்பிணைப்புகளில் எதிர்மின்னிகள் பங்கிடப்படுகின்றன. சில திண்மங்கள், குறிப்பாக பெரும்பாலான கரிமச் சேர்மங்கள், ஒவ்வொரு மூலக்கூறின் மீதும் உள்ள எதிர்மின்னியின் மின்சுமை முகிலின் முனைவுறு தன்மையால் உருவான வான் டெர் வால்ஸ் விசையினால் பிணைக்கப்பட்டுள்ளன. திண்மங்களின் வகைகளுக்கிடையேயான வேறுபாடுகள் அவற்றின் பிணைப்புகளின் வேறுபாடிகளின் காரணமாக விளைபவையேயாகும். திண்மங்களை பின்வருமாறும் வகைப்படுத்தலாம். அவை,

• உலோகங்கள்
• கனிமங்கள்
• சுட்டாங்கற்கள்
• பீங்கான் சுட்டாங்கற்கள்
• கரிமத் திண்மங்கள்
• பலபடிகள்
• கூட்டுப்பொருட்கள்
• குறைக்கடத்திகள்
• நானோபொருட்கள்
• உயிரியப்பொருட்கள்

உலோகங்கள்

உலோகங்கள் கடினமானவையாகவும், அடர்த்தியானவையாகவும், நல்ல மின் கடத்திகளாகவும், வெப்பங்கடத்திகளாகவும் உள்ளன. தனிம வரிசை அட்டவணையில் உள்ள போரான் முதல் பொலோனியம் வரை உள்ள மூலைவிட்டத்திற்கு இடதுபுறமாக உள்ள ஏராளமான தனிமங்கள் உலோகங்களாகும். இரண்டு அல்லது அதற்கு மேற்பட்ட உலோகங்களின் கலவை உலோகக் கலவை எனப்படும்.

கனிமங்கள்

பல்வேறு கனிமங்களின் தொகுப்பு

கனிமங்கள் பல்வேறு நிலவியல் நடைமுறைகளின்படி அதிக அழுத்தத்தின் காரணமாக உருவான இயற்கையில் காணப்படும் மூலப்பொருட்களாகும். ஒரு பொருள் உண்மையான கனிமமாக வகைப்படுத்தப்பட வேண்டுமானால் அது படிக அமைப்பையும், முழுவதும் ஒரே சீரான இயற்பியல் பண்புகளைக் கொண்டதாகவும் இருக்க வேண்டும்.. கனிமங்கள் துாய்மையான தனிமங்கள், எளிய உப்புக்கள் மற்றும் சிக்கலான சிலிகேட்டுகள் என பலவிதமான வகைகளில் ஆயிரத்துக்கும் மேற்பட்ட அறியப்பட்ட வடிவங்களில் கிடைக்கின்றன.புவியோட்டுப் பாறைகளில் பெரும்பான்மையாகக் காணப்படும் கனிமங்களாக குவார்ட்சு (படிக வடிவ SiO₂), பெல்ட்சுபார், மைகா, குளோரைட்டு, காவோலின், கால்சைட்டு, எபிடோட்டு, ஒலிவைன், ஆகைட்டு, ஆர்ன்ப்ளெண்ட், மாக்னடைட், ஹேமடைட், லிமோனைட் மற்றும் இன்னும் சில அமைகின்றன.

சுட்டாங்கற்கள்

Si₃N₄ சுட்டாங்கற்களைத் தரும் பாகங்கள்

சுட்டாங்கல் திண்மங்கள் பொதுவாக தனிமங்களின் ஆக்சைடுகளாலான கனிமச் சேர்மங்களால் உருவாக்கப்படுகின்றன. இவை, வேதியியல் பண்புகளினடிப்படையில் மந்தத்தன்மை பெற்றனவாகவும், அமில மற்றும் காரத்தன்மையுள்ள சூழல்களில் வேதியியல் அரிமானங்களை எதிர்த்து நிற்பனவாகவும் காணப்படுகின்றன. மேலும் இவை 1000 முதல் 1600 °C வரையிலான உயர் வெப்பநிலைகளைத் தாங்கி நிற்பனவாகவும் காணப்படுகின்றன. ஆக்சைடுகள் அல்லாத நைட்ரைடுகள், போரைடுகள் மற்றும் கார்பைடுகள் போன்ற கனிமப் பொருட்கள் விதிவிலக்குகளில் உள்ளடங்கும்.