Thermoporometry and cryoporometry
تھرموپورومیٹری اور کریوپورومیٹری سوراخ اور سوراخ کے سائز کی تقسیم کی پیمائش کے طریقے ہیں۔ ٹھوس کا ایک چھوٹا سا خطہ بلک ٹھوس سے کم درجہ حرارت پر پگھل جاتا ہے، جیسا کہ گبز-تھامسن مساوات کے ذریعہ دیا گیا ہے۔ اس طرح، اگر کسی مائع کو سوراخ دار مادے میں جذب کیا جاتا ہے، اور پھر منجمد کیا جاتا ہے، تو پگھلنے کا درجہ حرارت سوراخ کے سائز کی تقسیم کے بارے میں معلومات فراہم کرے گا۔ پگھلنے کا پتہ تفریق اسکیننگ کیلوریمیٹری-ڈی ایس سی تھرموپورومیٹری کا استعمال کرتے ہوئے مرحلے کی منتقلی کے دوران عارضی گرمی کے بہاؤ کو محسوس کرکے، نیوکلیئر مقناطیسی گونج-این ایم آر کریوپورومیٹری (این ایم آر سی) کا استعمال کرتے ہوئے متحرک مائع کی مقدار کی پیمائش کرکے یا نیوٹران کے پھیلاؤ کی پیمائش کرکے لگایا جا سکتا ہے۔ تھرموپورومیٹری/کریوپورومیٹری کی پیمائش کرنے کے لیے، ایک مائع کو سوراخ دار نمونے میں شامل کیا جاتا ہے، نمونے کو ٹھنڈا کیا جاتا ہے جب تک کہ تمام مائع منجمد نہ ہو جائے، اور پھر گرم کیا جاتا ہے جب تک کہ تمام مائع دوبارہ پگھل نہ جائے۔ پیمائش مرحلے کی تبدیلیوں یا مائع کی مقدار سے کی جاتی ہے جو کرسٹل/مائع ہے (استعمال شدہ پیمائش کی تکنیک پر منحصر ہے)۔ تکنیکیں گبز-تھامسن اثر کا استعمال کرتی ہیں: سوراخوں میں مائع کے چھوٹے کرسٹل بلک مائع سے کم درجہ حرارت پر پگھل جاتے ہیں: پگھلنے کا نقطہ ڈپریشن سوراخ کے سائز کے الٹا متناسب ہوتا ہے۔ اس تکنیک کا سوراخ کے سائز کی پیمائش کے لیے گیس کے جذب کے استعمال سے گہرا تعلق ہے لیکن یہ کیلون مساوات کے بجائے گبز-تھامسن مساوات کا استعمال کرتی ہے۔ یہ دونوں گبز مساوات (یوسیاہ ولارڈ گبز) کے مخصوص معاملات ہیں: کیلون مساوات مستقل درجہ حرارت کا معاملہ ہے، اور گبز-تھامسن مساوات مستقل دباؤ کا معاملہ ہے۔ تکنیکی متغیرات ڈی ایس سی تھرموپورومیٹری یہ تکنیک مرحلے کی تبدیلیوں کا پتہ لگانے کے لیے تفریقی اسکیننگ کیلوریمیٹری (ڈی ایس سی) کا استعمال کرتی ہے۔ سگنل کا پتہ لگانے کا انحصار مرحلے کی تبدیلیوں پر فیوژن کی پوشیدہ حرارت کے عارضی حرارت کے بہاؤ پر ہوتا ہے، اور اس طرح پیمائش من مانی طور پر آہستہ نہیں کی جا سکتی، جس سے سوراخ کے سائز میں ریزولوشن محدود ہو جاتا ہے۔ سوراخ کے حجم کی پیمائش حاصل کرنے میں بھی مشکلات ہیں۔ نیوکلیئر مقناطیسی گونج کریوپورومیٹری این ایم آر سی ایک حالیہ تکنیک ہے (جس کی ابتدا 1993 میں ہوئی تھی) تاکہ کل سوراخ اور سوراخ کے سائز کی تقسیم کی پیمائش کی جا سکے۔ یہ گبز-تھامسن اثر کا استعمال کرتا ہے: سوراخوں میں مائع کے چھوٹے کرسٹل بلک مائع سے کم درجہ حرارت پر پگھل جاتے ہیں: پگھلنے کا نقطہ ڈپریشن سوراخ کے سائز کے الٹا متناسب ہوتا ہے۔ اس تکنیک کا سوراخ کے سائز کی پیمائش کے لیے گیس کے جذب کے استعمال سے گہرا تعلق ہے لیکن یہ کیلون مساوات کے بجائے گبز-تھامسن مساوات کا استعمال کرتی ہے۔ یہ دونوں گبز مساوات (یوسیاہ ولارڈ گبز) کے مخصوص معاملات ہیں: کیلون مساوات مستقل درجہ حرارت کا معاملہ ہے، اور گبز-تھامسن مساوات مستقل دباؤ کا معاملہ ہے۔ نیوکلیئر مقناطیسی گونج (این ایم آر) کو پگھلے ہوئے مائع کی مقدار کی پیمائش کے لیے ایک آسان طریقہ کے طور پر استعمال کیا جا سکتا ہے، درجہ حرارت کی تقریب کے طور پر، اس حقیقت کو استعمال کرتے ہوئے کہ منجمد مواد میں آرام کا وقت عام طور پر متحرک مائع کے مقابلے میں بہت کم ہوتا ہے۔ پیمائش کرنے کے لیے چند ملی سیکنڈ کی تاخیر پر صرف این ایم آر ایکو کے طول و عرض کی پیمائش کرنا عام بات ہے، تاکہ یہ یقینی بنایا جا سکے کہ ٹھوس سے آنے والے تمام سگنل ختم ہو چکے ہیں۔ یہ تکنیک برطانیہ کی یونیورسٹی آف کینٹ میں پروفیسر جان ایچ سٹرینج نے تیار کی تھی۔ این ایم آر سی دو مساوات پر مبنی ہے، گبز-تھامسن مساوات، جو پگھلنے والے نقطہ کے دباؤ کو سوراخ کے سائز سے جوڑتی ہے، اور عجیب-رحمان-سمتھ مساوات جو کسی خاص درجہ حرارت پر پگھلے ہوئے سگنل کے طول و عرض کو سوراخ کے حجم سے جوڑتی ہے۔ این ایم آر کریوپورومیٹری کی پیمائش کرنے کے لیے، ایک مائع کو سوراخ دار نمونے میں شامل کیا جاتا ہے، نمونے کو اس وقت تک ٹھنڈا کیا جاتا ہے جب تک کہ تمام مائع منجمد نہ ہو جائے، اور پھر آہستہ آہستہ گرم کیا جاتا ہے، جبکہ مائع کی مقدار کی پیمائش کی جاتی ہے۔ اس طرح این ایم آر سی کریوپورومیٹری ڈی ایس سی تھرموپوروسیمیٹری سے ملتی جلتی ہے، لیکن اس کی ریزولوشن زیادہ ہوتی ہے، کیونکہ سگنل کا پتہ لگانے کا انحصار عارضی حرارت کے بہاؤ پر نہیں ہوتا ہے، اور پیمائش من مانی طور پر آہستہ کی جا سکتی ہے۔ کل سوراخ اور سوراخ کے سائز کی حجم کی انشانکن اچھی ہو سکتی ہے، جس میں صرف ایک خاص سوراخ کے قطر پر این ایم آر سگنل طول و عرض کو طول و عرض سے تناسب کرنا شامل ہے جب تمام مائع (معلوم کمیت کا) پگھل جاتا ہے۔ این ایم آر سی 1 این ایم سے لے کر تقریبا 2 مائیکرو میٹر کی حد میں سوراخ کے قطر کی پیمائش کے لیے موزوں ہے۔ این ایم آر کریوپورومیٹرک پیمائش کرنے کے لیے آلات تجارتی طور پر دستیاب ہیں۔ نوٹ: گبز-تھامسن مساوات برف-مائع انٹرفیس کی منحنیت سے متعلق ایک ہندسی اصطلاح پر مشتمل ہے۔ یہ منحنی پن مختلف سوراخوں کی جیومیٹریوں میں مختلف ہو سکتا ہے ؛ اس طرح سول جیل انشانکن (~ دائرے) کا استعمال کرتے ہوئے جب ایس بی اے-15 (سلنڈریکل سوراخ) کے ساتھ استعمال کیا جاتا ہے تو تقریبا دو غلطی کا عنصر ملتا ہے۔ اسی طرح منجمد اور پگھلنے والے منحنی خطوط (عام طور پر برف کی دراندازی پر گول، اور برف پگھلنے پر سلنڈریکل) کے نتیجے میں سلنڈریکل سوراخوں میں بھی منجمد اور پگھلنے کے درجہ حرارت میں فرق ہوتا ہے جہاں سیاہی کی بوتل کا کوئی اثر نہیں ہوتا ہے۔ این ایم آر سی کو معیاری مقناطیسی گونج امیجنگ پروٹوکول کے ساتھ ملا کر، یا محدود مائع کے بارے میں طرز عمل کی معلومات فراہم کرکے، مقامی طور پر منحصر سوراخ کے سائز کی تقسیم میں ساختی ریزولوشن فراہم کرنے کے لیے بنیادی این ایم آر سی تجربے کو اپنانا بھی ممکن ہے۔ نیوٹرون ڈفریکشن کروپورومیٹری جدید نیوٹرون ڈفریکٹومیٹر ایک دو منٹ میں مکمل بکھرنے والے سپیکٹر کی پیمائش کرنے کی صلاحیت رکھتے ہیں، کیونکہ درجہ حرارت میں اضافہ ہوتا ہے، جس سے کروپورومیٹری کے تجربات انجام دیے جا سکتے ہیں۔ این ڈی کریوپورومیٹری کو درجہ حرارت کی ایک تقریب کے طور پر مختلف کرسٹل لائن مراحل (جیسے کہ ہیکساگونل آئس اور کیوبک آئس) کے ساتھ ساتھ مائع مرحلے کی مقدار کی نگرانی کرنے کے قابل ہونے کا منفرد امتیاز حاصل ہے، اور اس طرح درجہ حرارت کی تقریب کے طور پر سوراخ مرحلے کی ساختی معلومات دے سکتا ہے۔ پگھلنے اور منجمد کرنے والے دونوں واقعات کا استعمال کرتے ہوئے سوراخ کے سائز کی پیمائش گبز-تھامسن اثر پگھلنے اور منجمد ہونے والے نقطہ دونوں کو کم کرنے اور ابلتے نقطہ کو بڑھانے کا بھی کام کرتا ہے۔ تاہم، تمام مائع نمونے کی سادہ ٹھنڈک عام طور پر غیر توازن سپر کولنگ کی حالت کا باعث بنتی ہے اور صرف بالآخر غیر توازن منجمد ہونے کا باعث بنتی ہے-توازن منجمد ہونے کے واقعے کی پیمائش حاصل کرنے کے لیے، ضروری ہے کہ پہلے کسی نمونے کو سوراخوں کے باہر اضافی مائع کے ساتھ منجمد کرنے کے لیے کافی ٹھنڈا کیا جائے، پھر نمونے کو گرم کیا جائے جب تک کہ سوراخوں میں موجود مائع تمام پگھل نہ جائے، لیکن بلک مواد اب بھی منجمد ہے۔ پھر دوبارہ ٹھنڈا کرنے پر توازن منجمد ہونے کے واقعے کی پیمائش کی جا سکتی ہے، کیونکہ بیرونی برف پھر سوراخوں میں بڑھ جائے گی۔ یہ درحقیقت ایک "برف کی دراندازی" کی پیمائش ہے (c. f. مرکری انٹروژن پوروسیمیٹری)، اور اس طرح جزوی طور پر چھاتی کے سوراخ کی خصوصیات کے بارے میں معلومات فراہم کر سکتی ہے۔ اس کے بعد پگھلنے کے واقعے سے پہلے توقع کی جاتی تھی کہ وہ سوراخ کے جسم کے بارے میں زیادہ درست معلومات فراہم کرے گا۔ تاہم، پگھلنے کا ایک نیا طریقہ کار تجویز کیا گیا ہے جس کا مطلب ہے کہ پگھلنے کا واقعہ سوراخ کے جسم کے بارے میں درست معلومات فراہم نہیں کرتا ہے۔ پگھلنے کے طریقہ کار کو اعلی درجے کا پگھلنا کہا گیا ہے اور اسے ذیل میں بیان کیا گیا ہے۔ جدید پگھلنے کا طریقہ منجمد مرحلے کے لیے پگھلنے کا عمل موجودہ پگھلے ہوئے مرحلے سے شروع کیا جاتا ہے، جیسے کہ مائع جیسی پرت جو سوراخ کی دیوار پر برقرار رہتی ہے۔ یہ شکل 1 میں سیاہی کی بوتل کے سوراخ ماڈل (پوزیشن اے) کے لیے دکھایا گیا ہے۔ تیروں سے پتہ چلتا ہے کہ مائع جیسی پرت پگھلنے کے عمل کو کس طرح شروع کرتی ہے اور کہا جاتا ہے کہ یہ پگھلنے کا طریقہ آستین کی شکل والے مینیسی کے ذریعے ہوتا ہے۔ اس طرح کے پگھلنے کے طریقہ کار کے لیے، چھوٹی گردنیں پہلے پگھل جائیں گی اور جیسے ہی درجہ حرارت بڑھے گا بڑا سوراخ پھر پگھل جائے گا۔ لہذا، پگھلنے کا واقعہ گردنوں اور جسم کی درست وضاحت دے گا۔ تاہم، بیلناکار سوراخوں میں، پگھلنا آستین کی شکل کے مینیسس کے مقابلے میں نصف کروی مینیسس (ٹھوس اور پگھلے ہوئے مراحل کے درمیان) کے ذریعے کم درجہ حرارت پر ہوتا ہے۔ اسکیننگ منحنی خطوط اور لوپس کا استعمال یہ ظاہر کرنے کے لیے کیا گیا ہے کہ کریوپورومیٹری پگھلنے والے منحنی خطوط سوراخ-سوراخ کوآپریٹو اثرات کا شکار ہوتے ہیں اور اس کا مظاہرہ شکل 1 میں پوزیشن B کے ذریعے کیا گیا ہے۔ سیاہی کی بوتل کے سوراخ کے لیے، سوراخ کی دیوار پر موجود مستقل طور پر غیر منجمد مائع جیسے سیال کی پتلی سلنڈریکل آستین سے بیرونی گردنوں میں پگھلنا شروع کیا جاتا ہے۔ ایک بار جب گردن سلنڈریکل آستین کے مینیسس میکانزم کے ذریعے پگھل جاتی ہے، تو بڑے سوراخ والے جسم کے دونوں سروں پر ایک نصف کروی مینیسس بن جائے گا۔ اس کے بعد نصف کروی مینیسی بڑے سوراخ میں پگھلنے کا عمل شروع کر سکتا ہے۔ مزید برآں، اگر موجودہ درجہ حرارت پر نصف کروی مینسکس کے ذریعے پگھلنے کے لیے بڑے سوراخ کا رداس اہم سائز سے چھوٹا ہے، تو بڑا سوراخ اسی درجہ حرارت پر پگھل جائے گا جس پر چھوٹے سوراخ پگھلتے ہیں۔ لہذا، پگھلنے کا واقعہ سوراخ کے جسم کے بارے میں درست معلومات نہیں دے گا۔ اگر پی ایس ڈی (سوراخ کے سائز کی تقسیم) حاصل کرتے وقت پگھلنے کا غلط طریقہ کار فرض کیا جاتا ہے تو پی ایس ڈی میں کم از کم 100% غلطی ہوگی۔ مزید برآں، یہ دکھایا گیا ہے کہ اعلی درجے کے پگھلنے کے اثرات میسوپورس سول جیل سلیکاس کے لیے پی ایس ڈی میں چھوٹے سوراخوں کی طرف ڈرامائی موڑ کا باعث بن سکتے ہیں، جس کا تعین کروپورومیٹری پگھلنے کے منحنی خطوط سے ہوتا ہے۔ ایپلی کیشنز این ایم آر کریوپورومیٹری (بیرونی کریوپورومیٹری ویب سائٹ) ایک بہت ہی مفید نینو تھرو میسو سے مائیکرو میٹرولوجی تکنیک (نینو میٹرولوجی، nano-science.co.uk/nano-metrology) ہے جو بہت سے مواد کا مطالعہ کرنے کے لیے استعمال ہوتی رہی ہے، اور خاص طور پر سوراخ دار چٹانوں (یعنی. ریت کا پتھر، شیل اور چاک/کاربونیٹ چٹانیں)، تیل نکالنے، شیل گیس نکالنے اور پانی کے خلاصہ کو بہتر بنانے کے مقصد سے۔ لکڑی، سیمنٹ اور کنکریٹ جیسے سوراخ دار تعمیراتی مواد کا مطالعہ کرنے کے لیے بھی بہت مفید ہے۔ این ایم آر کریوپورومیٹری کے لیے فی الحال ایک دلچسپ ایپلی کیشن کاربن، چارکول اور بائیوچار کے مطالعہ میں سوراخ اور سوراخ کے سائز کی تقسیم کی پیمائش ہے۔ بائیوچار کو ایک اہم مٹی بڑھانے والا (قبل از تاریخ سے استعمال کیا جاتا ہے) سمجھا جاتا ہے، اور یہ کرۂ حیات سے کاربن ڈائی آکسائیڈ کو ہٹانے کے بڑے امکانات پیش کرتا ہے۔ این ایم آر کریوپورومیٹری کے ذریعے زیر مطالعہ مواد میں شامل ہیں: مستقبل کے ممکنہ استعمال میں سوراخ دار طبی امپلانٹس میں سوراخ کے سائز کی تقسیم اور سوراخ کی پیمائش شامل ہے۔ حوالہ جات بیرونی لنکس cryoporometry.com nano-science.co.uk/nano-metrology مواد کی جانچ