Thermoporometry and cryoporometry
થર્મોપોરોમેટ્રી અને ક્રાયોપોરોમેટ્રી એ છિદ્રાળુતા અને છિદ્રો-કદના વિતરણને માપવા માટેની પદ્ધતિઓ છે. ગિબ્સ-થોમસન સમીકરણ મુજબ ઘનનો એક નાનો પ્રદેશ જથ્થાબંધ ઘન કરતાં ઓછા તાપમાને પીગળી જાય છે. આમ, જો પ્રવાહીને છિદ્રાળુ પદાર્થમાં આત્મસાત કરવામાં આવે અને પછી સ્થિર કરવામાં આવે, તો ગલન તાપમાન છિદ્રોના કદના વિતરણ વિશે માહિતી પ્રદાન કરશે. ગલનની તપાસ વિભેદક સ્કેનીંગ કેલરીમેટ્રી-ડી. એસ. સી. થર્મોપોરોમેટ્રીનો ઉપયોગ કરીને તબક્કા સંક્રમણ દરમિયાન ક્ષણિક ગરમીના પ્રવાહને સંવેદના દ્વારા કરી શકાય છે, ન્યુક્લિયર મેગ્નેટિક રેઝોનન્સ-એન. એમ. આર. ક્રાયોપોરોમેટ્રી (એન. એમ. આર. સી.) નો ઉપયોગ કરીને ગતિશીલ પ્રવાહીના જથ્થાને માપી શકાય છે અથવા પ્રેરિત સ્ફટિકીય અથવા પ્રવાહી તબક્કાઓ-એન. ડી. ક્રાયોપોરોમેટ્રી (એન. ડી. સી.) માંથી ન્યુટ્રોન સ્કેટરિંગના કંપનવિસ્તારને માપી શકાય છે. થર્મોપોરોમેટ્રી/ક્રાયોપોરોમેટ્રી માપ બનાવવા માટે, પ્રવાહીને છિદ્રાળુ નમૂનામાં સમાવિષ્ટ કરવામાં આવે છે, જ્યાં સુધી તમામ પ્રવાહી સ્થિર ન થાય ત્યાં સુધી નમૂનાને ઠંડુ કરવામાં આવે છે, અને પછી જ્યાં સુધી તમામ પ્રવાહી ફરીથી ઓગળી ન જાય ત્યાં સુધી ગરમ કરવામાં આવે છે. તબક્કાના ફેરફારો અથવા સ્ફટિકીય/પ્રવાહી પ્રવાહીના જથ્થાના માપન કરવામાં આવે છે (ઉપયોગમાં લેવાતી માપન તકનીકના આધારે). આ તકનીકો ગિબ્સ-થોમસન અસરનો ઉપયોગ કરે છેઃ છિદ્રોમાં પ્રવાહીના નાના સ્ફટિકો જથ્થાબંધ પ્રવાહી કરતા ઓછા તાપમાને પીગળી જાય છેઃ ગલનબિંદુ દબાણ છિદ્રોના કદના વ્યસ્ત પ્રમાણમાં હોય છે. આ તકનીક છિદ્રોના કદને માપવા માટે ગેસ શોષણના ઉપયોગ સાથે નજીકથી સંબંધિત છે પરંતુ કેલ્વિન સમીકરણને બદલે ગિબ્સ-થોમસન સમીકરણનો ઉપયોગ કરે છે. તે બંને ગિબ્સ સમીકરણો (જોસિયાહ વિલાર્ડ ગિબ્સ) ના ચોક્કસ કિસ્સાઓ છેઃ કેલ્વિન સમીકરણ એ સતત તાપમાનનો કેસ છે, અને ગિબ્સ-થોમસન સમીકરણ એ સતત દબાણનો કેસ છે. તકનીકના પ્રકારો ડી. એસ. સી. થર્મોપોરોમેટ્રી આ તકનીક તબક્કામાં થતા ફેરફારોને શોધવા માટે વિભેદક સ્કેનીંગ કેલરીમેટ્રી (ડી. એસ. સી.) નો ઉપયોગ કરે છે. સિગ્નલ ડિટેક્શન તબક્કા ફેરફારો પર ફ્યુઝનની સુપ્ત ગરમીના ક્ષણિક ગરમીના પ્રવાહ પર આધાર રાખે છે, અને આમ માપન મનસ્વી રીતે ધીમે ધીમે કરી શકાતું નથી, છિદ્રોના કદમાં રીઝોલ્યુશનને મર્યાદિત કરે છે. છિદ્રોના જથ્થાનું માપન મેળવવામાં પણ મુશ્કેલીઓ છે. ન્યુક્લિયર મેગ્નેટિક રેઝોનન્સ ક્રાયોપોરોમેટ્રી એન. એમ. આર. સી. એ કુલ છિદ્રાળુતા અને છિદ્રોના કદના વિતરણને માપવા માટેની તાજેતરની તકનીક (1993 માં ઉદ્દભવેલી) છે. તે ગિબ્સ-થોમસન અસરનો ઉપયોગ કરે છેઃ છિદ્રોમાં પ્રવાહીના નાના સ્ફટિકો જથ્થાબંધ પ્રવાહી કરતા ઓછા તાપમાને પીગળી જાય છેઃ ગલનબિંદુ દબાણ છિદ્રોના કદના વ્યસ્ત પ્રમાણમાં હોય છે. આ તકનીક છિદ્રોના કદને માપવા માટે ગેસ શોષણના ઉપયોગ સાથે નજીકથી સંબંધિત છે પરંતુ કેલ્વિન સમીકરણને બદલે ગિબ્સ-થોમસન સમીકરણનો ઉપયોગ કરે છે. તે બંને ગિબ્સ સમીકરણો (જોસિયાહ વિલાર્ડ ગિબ્સ) ના ચોક્કસ કિસ્સાઓ છેઃ કેલ્વિન સમીકરણ એ સતત તાપમાનનો કેસ છે, અને ગિબ્સ-થોમસન સમીકરણ એ સતત દબાણનો કેસ છે. ન્યુક્લિયર મેગ્નેટિક રેઝોનન્સ (એન. એમ. આર.) નો ઉપયોગ પીગળેલા પ્રવાહીના જથ્થાને માપવા માટે એક અનુકૂળ પદ્ધતિ તરીકે થઈ શકે છે, તાપમાનના કાર્ય તરીકે, એ હકીકતનો ઉપયોગ કરીને કે સ્થિર પદાર્થમાં છૂટછાટનો સમય સામાન્ય રીતે ગતિશીલ પ્રવાહી કરતાં ઘણો ઓછો હોય છે. માપન કરવા માટે માત્ર થોડા મિલિસેકન્ડ્સના વિલંબ પર એન. એમ. આર. પ્રતિધ્વનિના કંપનવિસ્તારને માપવું સામાન્ય છે, જેથી ઘનમાંથી આવતા તમામ સંકેતો ક્ષીણ થઈ ગયા છે તેની ખાતરી કરી શકાય. આ તકનીક યુકેની કેન્ટ યુનિવર્સિટીમાં પ્રોફેસર જ્હોન એચ. સ્ટ્રેન્જ દ્વારા વિકસાવવામાં આવી હતી. એન. એમ. આર. સી. બે સમીકરણો પર આધારિત છે, ગિબ્સ-થોમસન સમીકરણ, જે ગલનબિંદુના દબાણને છિદ્રોના કદ સાથે મેળવે છે, અને સ્ટ્રેન્જ-રહેમાન-સ્મિથ સમીકરણ કે જે ચોક્કસ તાપમાન પર પીગળેલા સંકેતના કંપનવિસ્તારને છિદ્રોના કદ સાથે મેળવે છે. એન. એમ. આર. ક્રાયોપોરોમેટ્રી માપન કરવા માટે, પ્રવાહીને છિદ્રાળુ નમૂનામાં સમાવિષ્ટ કરવામાં આવે છે, જ્યાં સુધી તમામ પ્રવાહી સ્થિર ન થાય ત્યાં સુધી નમૂનાને ઠંડુ કરવામાં આવે છે, અને પછી ધીમે ધીમે ગરમ કરવામાં આવે છે, જ્યારે પ્રવાહી પ્રવાહીની માત્રાને માપવામાં આવે છે. આમ એન. એમ. આર. સી. ક્રાયોપોરોમેટ્રી એ ડી. એસ. સી. થર્મોપોરોસિમેટ્રી જેવી જ છે, પરંતુ તેનું રિઝોલ્યુશન ઊંચું છે, કારણ કે સિગ્નલ ડિટેક્શન ક્ષણિક ગરમીના પ્રવાહ પર આધાર રાખતું નથી, અને માપન મનસ્વી રીતે ધીમેથી કરી શકાય છે. કુલ છિદ્રાળુતા અને છિદ્ર-કદનું વોલ્યુમ માપાંકન સારું હોઈ શકે છે, જેમાં માત્ર ચોક્કસ છિદ્ર વ્યાસ પર એન. એમ. આર. સંકેત કંપનવિસ્તારને જ્યારે તમામ પ્રવાહી (જાણીતા દળનું) ઓગાળવામાં આવે ત્યારે કંપનવિસ્તાર સાથે ગુણોત્તરનો સમાવેશ થાય છે. એન. એમ. આર. સી. 1 એન. એમ. થી લગભગ 2 માઇક્રોનની રેન્જમાં છિદ્રોના વ્યાસને માપવા માટે યોગ્ય છે. એન. એમ. આર. ક્રાયોપોરોમેટ્રિક માપન કરવા માટેનું સાધન વ્યાપારી રીતે ઉપલબ્ધ છે. નોંધઃ ગિબ્સ-થોમસન સમીકરણમાં બરફ-પ્રવાહી આંતરપૃષ્ઠની વળાંકને લગતી ભૌમિતિક સંજ્ઞા છે. આ વળાંક વિવિધ છિદ્ર ભૂમિતિઓમાં અલગ હોઈ શકે છે; આમ સોલ-જેલ કેલિબ્રેશન (~ ગોળાઓ) નો ઉપયોગ કરીને જ્યારે SBA-15 (નળાકાર છિદ્રો) સાથે ઉપયોગ કરવામાં આવે ત્યારે લગભગ બે ભૂલનું પરિબળ મળે છે. તેવી જ રીતે ઠંડું અને પીગળતું વળાંક (સામાન્ય રીતે બરફના ઘૂસણખોરી પર ગોળાકાર અને બરફ પીગળવા પર નળાકાર), નળાકાર છિદ્રોમાં પણ ઠંડું અને પીગળતા તાપમાનમાં તફાવતમાં પરિણમે છે જ્યાં કોઈ "શાહી-બોટલ" અસર નથી. પ્રમાણભૂત મેગ્નેટિક રેઝોનન્સ ઇમેજિંગ પ્રોટોકોલ સાથે એન. એમ. આર. સી. ને જોડીને અથવા મર્યાદિત પ્રવાહી વિશે વર્તણૂકીય માહિતી પ્રદાન કરીને, અવકાશી રીતે આધારિત છિદ્રોના કદના વિતરણમાં માળખાકીય રીઝોલ્યુશન પ્રદાન કરવા માટે મૂળભૂત એન. એમ. આર. સી. પ્રયોગને અનુકૂળ બનાવવો પણ શક્ય છે. ન્યુટ્રોન વિવર્તન ક્રાયોપોરોમેટ્રી આધુનિક ન્યુટ્રોન વિવર્તનમાપકમાં થોડી મિનિટોમાં સંપૂર્ણ સ્કેટરિંગ સ્પેક્ટ્રાને માપવાની ક્ષમતા હોય છે, કારણ કે તાપમાનમાં વધારો થાય છે, જે ક્રાયોપોરોમેટ્રી પ્રયોગો કરવા માટે સક્ષમ બનાવે છે. એન. ડી. ક્રાયોપોરોમેટ્રી તાપમાનના કાર્ય તરીકે વિવિધ સ્ફટિકીય તબક્કાઓ (જેમ કે ષટ્કોણ બરફ અને ઘન બરફ) તેમજ પ્રવાહી તબક્કાના જથ્થાને મોનિટર કરવામાં સક્ષમ હોવાની અનન્ય વિશિષ્ટતા ધરાવે છે, અને આમ તાપમાનના કાર્ય તરીકે છિદ્ર-તબક્કાની માળખાકીય માહિતી આપી શકે છે. ગલન અને ઠંડક બંને ઘટનાઓનો ઉપયોગ કરીને છિદ્રોના કદના માપ ગિબ્સ-થોમસન અસર ગલન અને ઠંડક બંનેને ઘટાડવાનું કામ કરે છે, અને ઉત્કલન બિંદુને વધારવાનું પણ કામ કરે છે. જો કે, સંપૂર્ણ પ્રવાહી નમૂનાનું સરળ ઠંડક સામાન્ય રીતે બિન-સંતુલન સુપર ઠંડકની સ્થિતિ તરફ દોરી જાય છે અને માત્ર આખરે બિન-સંતુલન ઠંડક તરફ દોરી જાય છે-સંતુલન ઠંડકની ઘટનાનું માપ મેળવવા માટે, પહેલા છિદ્રોની બહારના વધારાના પ્રવાહી સાથે નમૂનાને સ્થિર કરવા માટે પૂરતું ઠંડું કરવું જરૂરી છે, પછી જ્યાં સુધી છિદ્રોમાં પ્રવાહી ઓગળી ન જાય ત્યાં સુધી નમૂનાને ગરમ કરો, પરંતુ જથ્થાબંધ સામગ્રી હજી પણ સ્થિર છે. પછી ફરીથી ઠંડું કરવા પર સંતુલન ઠંડું થવાની ઘટનાને માપી શકાય છે, કારણ કે બાહ્ય બરફ પછી છિદ્રોમાં વધશે. આ અસરકારક રીતે "બરફની ઘૂસણખોરી" માપ છે (સી. એફ. મર્ક્યુરી ઇન્ટ્રુઝન પોરોસિમેટ્રી), અને જેમ કે ભાગમાં ગળાના છિદ્રોના ગુણધર્મો વિશે માહિતી પ્રદાન કરી શકે છે. ગલનની ઘટના અગાઉ છિદ્રોના શરીર પર વધુ સચોટ માહિતી પ્રદાન કરે તેવી અપેક્ષા રાખવામાં આવતી હતી. જો કે, એક નવી ગલન પદ્ધતિની દરખાસ્ત કરવામાં આવી છે જેનો અર્થ છે કે ગલનની ઘટના છિદ્રોના શરીર પર સચોટ માહિતી પ્રદાન કરતી નથી. ગલન પદ્ધતિને અદ્યતન ગલન તરીકે ઓળખવામાં આવે છે અને તેનું નીચે વર્ણન કરવામાં આવ્યું છે. અદ્યતન ગલન પદ્ધતિ સ્થિર તબક્કા માટે ગલન પ્રક્રિયા હાલના પીગળેલા તબક્કાથી શરૂ થાય છે, જેમ કે પ્રવાહી જેવા સ્તર કે જે છિદ્ર દિવાલ પર જાળવી રાખવામાં આવે છે. આ આકૃતિ 1 માં શાહીની બોટલના છિદ્રોના નમૂના (સ્થિતિ A) માટે દર્શાવવામાં આવ્યું છે; તીર દર્શાવે છે કે પ્રવાહી જેવું સ્તર કેવી રીતે પીગળવાની પ્રક્રિયા શરૂ કરે છે અને આ પીગળવાની પદ્ધતિ સ્લીવ આકારના મેનિસ્કી દ્વારા થાય છે. આવી ગલન પદ્ધતિ માટે, નાની ગરદન પહેલા ઓગળી જશે અને જેમ જેમ તાપમાન વધશે તેમ તેમ મોટા છિદ્રો ઓગળી જશે. તેથી, ગલનની ઘટના ગરદન અને શરીરનું સચોટ વર્ણન આપશે. જો કે, નળાકાર છિદ્રોમાં, પીગળવું અર્ધગોલાકાર મેનિસ્કસ (નક્કર અને પીગળેલા તબક્કાઓ વચ્ચે) દ્વારા નીચા તાપમાને થાય છે, જે સ્લીવ-આકારના મેનિસ્કસ દ્વારા થાય છે. સ્કૅનિંગ વણાંકો અને લૂપ્સનો ઉપયોગ એ બતાવવા માટે કરવામાં આવ્યો છે કે ક્રાયોપોરોમેટ્રી ગલન વણાંકો છિદ્ર-છિદ્ર સહકારી અસરો માટે સંવેદનશીલ છે અને આ આકૃતિ 1 માં સ્થિતિ બી દ્વારા દર્શાવવામાં આવ્યું છે. થ્રુ શાહી બોટલના છિદ્રો માટે, છિદ્રોની દિવાલ પર અસ્તિત્વમાં રહેલા કાયમી રીતે સ્થિર ન થયેલા પ્રવાહી જેવા પ્રવાહીની પાતળી નળાકાર સ્લીવમાંથી બાહ્ય ગરદનમાં પીગળવાની શરૂઆત કરવામાં આવે છે. એકવાર નળાકાર સ્લીવ મેનિસ્કસ મિકેનિઝમ દ્વારા ગરદન પીગળી જાય, પછી મોટા છિદ્રોના શરીરના બંને છેડા પર અર્ધગોલાકાર મેનિસ્કસ રચાય છે. અર્ધગોલાકાર મેનિસ્કી પછી મોટા છિદ્રમાં ઓગળવાની પ્રક્રિયા શરૂ કરી શકે છે. વધુમાં, જો મોટા છિદ્રોની ત્રિજ્યા વર્તમાન તાપમાને અર્ધગોલાકાર મેનિસ્કસ દ્વારા ઓગળવા માટેના નિર્ણાયક કદ કરતા નાની હોય, તો પછી મોટા છિદ્રો નાના છિદ્રો જેવા જ તાપમાને ઓગળશે. તેથી, ગલનની ઘટના છિદ્રોના શરીર વિશે સચોટ માહિતી આપશે નહીં. જો પી. એસ. ડી. (છિદ્ર કદ વિતરણ) મેળવતી વખતે ખોટી ગલન પદ્ધતિ ધારવામાં આવે તો પી. એસ. ડી. માં ઓછામાં ઓછી 100% ભૂલ હશે. વધુમાં, એવું દર્શાવવામાં આવ્યું છે કે અદ્યતન ગલન અસરો મેસોપોરસ સોલ-જેલ સિલિકા માટે પીએસડીમાં નાના છિદ્રો તરફ નાટકીય વળાંક તરફ દોરી શકે છે, જે ક્રાયોપોરોમેટ્રી ગલન વળાંકમાંથી નક્કી થાય છે. એપ્લિકેશન્સ એન. એમ. આર. ક્રાયોપોરોમેટ્રી (બાહ્ય ક્રાયોપોરોમેટ્રી વેબસાઇટ) એ એક ખૂબ જ ઉપયોગી નેનો-થ્રુ મેસો-થી માઇક્રો-મેટ્રોલોજી તકનીક (નેનોમેટ્રોલોજી, nano-science.co.uk/nano-metrology) છે જેનો ઉપયોગ ઘણી સામગ્રીનો અભ્યાસ કરવા માટે કરવામાં આવે છે, અને ખાસ કરીને છિદ્રાળુ ખડકોનો અભ્યાસ કરવા માટે કરવામાં આવે છે (એટલે કે. સેંડસ્ટોન, શેલ અને ચાક/કાર્બોનેટ ખડકો), તેલ નિષ્કર્ષણ, શેલ ગેસ નિષ્કર્ષણ અને પાણીના અમૂર્તતામાં સુધારો કરવાના દૃષ્ટિકોણથી. લાકડું, સિમેન્ટ અને કોંક્રિટ જેવી છિદ્રાળુ બાંધકામ સામગ્રીના અભ્યાસ માટે પણ ખૂબ ઉપયોગી છે. એન. એમ. આર. ક્રાયોપોરોમેટ્રી માટે હાલમાં ઉત્તેજક ઉપયોગ એ કાર્બન, ચારકોલ અને બાયોચારના અભ્યાસમાં છિદ્રાળુતા અને છિદ્રો-કદના વિતરણનું માપન છે. બાયોચારને એક મહત્વપૂર્ણ માટી વધારનાર તરીકે ગણવામાં આવે છે (પૂર્વ-ઇતિહાસથી ઉપયોગમાં લેવાય છે), અને જીવમંડળમાંથી કાર્બન ડાયોક્સાઇડ દૂર કરવા માટે મોટી શક્યતાઓ પ્રદાન કરે છે. એન. એમ. આર. ક્રાયોપોરોમેટ્રી દ્વારા અભ્યાસ કરાયેલ સામગ્રીઓમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છેઃ સંભવિત ભાવિ ઉપયોગમાં છિદ્રાળુ તબીબી પ્રત્યારોપણમાં છિદ્રાળુતા અને છિદ્રાળુ કદના વિતરણને માપવાનો સમાવેશ થાય છે. સંદર્ભો બાહ્ય કડીઓ cryoporometry.com nano-science.co.uk/nano-metrology સામગ્રી પરીક્ષણ