सार:
कैलिफ़ोर्निया विश्वविद्यालय, लॉस एंजिल्स (यूसीएलए) के नेतृत्व में एक शोध दल ने हाल ही में क्रिस्टल निर्माण पर एक नए अध्ययन की घोषणा की। पहली बार, वैज्ञानिकों ने परमाणु द्वारा क्रिस्टल न्यूक्लियेशन प्रक्रिया परमाणु का निरीक्षण करने के लिए त्रि-आयामी परमाणु इमेजिंग तकनीक का उपयोग किया, और पाया कि क्रिस्टल के अंदर व्यवस्थित संरचना और आसपास के अव्यवस्थित सामग्री के बीच कोई स्पष्ट सीमा नहीं है, जैसा कि शास्त्रीय सिद्धांत द्वारा वर्णित है। यह खोज इस बात की बुनियादी समझ को बदल सकती है कि पदार्थ में चरण परिवर्तन के दौरान क्रिस्टल कैसे बनते हैं।
लगभग एक सदी से, वैज्ञानिकों ने तरल ठंड और गैस संघनन जैसी चरण परिवर्तन प्रक्रियाओं को समझाने के लिए शास्त्रीय न्यूक्लियेशन सिद्धांत पर भरोसा किया है। यह सिद्धांत मानता है कि कुछ छोटे क्रमित क्षेत्र, जिन्हें क्रिस्टल नाभिक के रूप में जाना जाता है, पहले पदार्थ के अंदर बनेंगे, और फिर ये क्रिस्टल नाभिक बढ़ते रहेंगे, अंततः पूर्ण क्रिस्टल बनेंगे। इस सिद्धांत को रेखांकित करने वाले मूल समीकरणों को हजारों प्रयोगों द्वारा समर्थित किया गया है।
हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने परमाणु-दर-परमाणु आधार पर त्रि-आयामी अंतरिक्ष में क्रिस्टल गठन देखा, तो क्रिस्टल नाभिक की वास्तविक संरचना शास्त्रीय मॉडल की भविष्यवाणी से भिन्न थी। अनुसंधान दल ने कई धात्विक तत्वों से बने जटिल मिश्र धातु नैनोकणों का उपयोग किया और गठन के विभिन्न चरणों में क्रिस्टल नाभिक को स्थिर करने की एक विधि विकसित की, जिससे उन्हें इस प्रक्रिया का निरीक्षण करने की अनुमति मिली, जो आमतौर पर बहुत जल्दी होती है।
शोधकर्ताओं ने पाया कि व्यवस्थित क्रिस्टल से आसपास की अव्यवस्थित सामग्री में संक्रमण एक स्पष्ट विभाजन रेखा के साथ अचानक होने के बजाय धीरे-धीरे होता है। यूसीएलए में भौतिकी और खगोल विज्ञान के प्रोफेसर, कैलिफोर्निया नैनोसिस्टम्स इंस्टीट्यूट के सदस्य और पेपर के संबंधित लेखक जियानवेई "जॉन" मियाओ ने कहा कि क्रिस्टल नाभिक में एक समान आंतरिक संरचना और स्पष्ट सीमाएं नहीं होती हैं जैसा कि शास्त्रीय न्यूक्लिएशन सिद्धांत द्वारा वर्णित है। इसके विपरीत, प्रत्येक क्रिस्टल नाभिक के केंद्रीय क्षेत्र में उच्चतम क्रिस्टलीयता होती है। सीमा के जितना करीब, परमाणु व्यवस्था उतनी ही अधिक अव्यवस्थित हो जाती है, जिससे एक सतत ढाल बनती है।
इस घटना को समझाने के लिए, अनुसंधान टीम ने एक अधिक जटिल "ग्रेडिएंट न्यूक्लिएशन पथ मॉडल" प्रस्तावित किया। यह नया मॉडल शास्त्रीय न्यूक्लिएशन सिद्धांत को पलटता नहीं है, बल्कि इसका विस्तार करता है। मियाओ ने कहा कि शास्त्रीय सिद्धांत को वास्तव में नए मॉडल का एक विशेष मामला माना जा सकता है: यदि इस विशेष मामले को नए समीकरणों में जोड़ा जाता है, तो आप शास्त्रीय न्यूक्लिएशन सिद्धांत के समान ही परिणाम प्राप्त कर सकते हैं। लेकिन वास्तविक प्रयोगों में, शोधकर्ताओं ने कभी भी स्पष्ट परमाणु-पैमाने की सीमाओं का अवलोकन नहीं किया, इसके बजाय उन्होंने इस ढाल संरचना को बार-बार देखा।
न्यूक्लिएशन प्रक्रिया व्यापक रूप से प्राकृतिक और इंजीनियरिंग प्रणालियों जैसे क्लाउड ड्रॉपलेट निर्माण और औद्योगिक विनिर्माण में मौजूद है। इसलिए, इस प्रक्रिया को दोबारा समझने से कई शोध क्षेत्र प्रभावित हो सकते हैं और नई प्रौद्योगिकियों के विकास के लिए संदर्भ मिल सकता है।
क्रिस्टल निर्माण के विभिन्न चरणों को पकड़ने के लिए, शोधकर्ताओं ने पहले नैनोकणों को 3,000 डिग्री फ़ारेनहाइट (लगभग 1,649 डिग्री सेल्सियस) से अधिक तक गर्म किया और फिर उन्हें एक सेकंड के कुछ सौवें हिस्से में तेजी से कमरे के तापमान तक ठंडा कर दिया। तेजी से ठंडा होने से क्रिस्टल निर्माण की प्रक्रिया शुरू हो जाती है, जबकि विभिन्न नैनोकणों में क्रिस्टल नाभिक विकास के अपने अलग-अलग चरणों में बने रहते हैं।
मियाओ ने बताया कि डेटा संग्रह के लिए आवश्यक समय न्यूक्लिएशन प्रक्रिया की तुलना में बहुत लंबा है, इसलिए शोधकर्ताओं को विभिन्न चरणों में न्यूक्लिएशन घटना का अध्ययन करने से पहले क्रिस्टल गठन प्रक्रिया को "फ्रीज" करना होगा।
इसके बाद अनुसंधान टीम ने प्रत्येक नैनोकण का परमाणु-दर-परमाणु त्रि-आयामी पुनर्निर्माण करने के लिए परमाणु इलेक्ट्रॉन टोमोग्राफी का उपयोग किया, और विभिन्न क्षेत्रों में क्रम की डिग्री निर्धारित करने के लिए उन्नत सांख्यिकीय विश्लेषण का उपयोग किया। संपूर्ण डेटा सेट में 8,000 से अधिक नाभिक हैं, जिनका आकार 10 परमाणुओं से कम से लेकर 1,000 परमाणुओं से अधिक तक है।
शोधकर्ताओं ने बार-बार इन नाभिकों में एक ही पैटर्न देखा: परमाणु क्रम की डिग्री केंद्रीय क्षेत्र में सबसे अधिक थी और धीरे-धीरे सतह की ओर कम हो गई। जैसे-जैसे क्रिस्टल नाभिक बढ़ता रहेगा, इसके मध्य क्षेत्र में क्रम की डिग्री और भी बढ़ेगी।
ये ढाल संरचनाएं क्रिस्टल नाभिक बनाने के लिए आवश्यक ऊर्जा के बारे में शोधकर्ताओं की समझ को भी बदल देती हैं। शास्त्रीय न्यूक्लिएशन सिद्धांत मानता है कि क्रिस्टल नाभिक को एक स्पष्ट न्यूनतम ऊर्जा आवश्यकता, एक तथाकथित ऊर्जा बाधा को दूर करना होगा। पर्याप्त ऊर्जा वाले केवल कुछ क्रिस्टल नाभिक ही इस "दीवार" को पार कर सकते हैं।
हालाँकि, प्रायोगिक परिणाम बताते हैं कि न्यूक्लियेशन प्रक्रिया एक बार में ऊर्जा अवरोध को पार नहीं कर सकती है, लेकिन धीरे-धीरे कई मध्यवर्ती चरणों के माध्यम से पूरी होती है। मियाओ ने इसकी तुलना दीवार पर चढ़ने से की: क्लासिक सिद्धांत का मानना है कि क्रिस्टल नाभिक को सीधे दीवार पर चढ़ना चाहिए, लेकिन शोध के नतीजे बताते हैं कि प्रकृति ने अधिक कुशल तरीका अपनाया होगा, सीढ़ी के माध्यम से कदम दर कदम चढ़ना और ऊर्जा बाधाओं को दूर करने के लिए कई मध्यवर्ती राज्यों का उपयोग करना। शोध दल का मानना है कि नया ग्रेडिएंट न्यूक्लिएशन पथ मॉडल इस प्रक्रिया का वर्णन कर सकता है और बता सकता है कि क्रिस्टल नाभिक को अधिक कुशलता से क्यों बनाया जा सकता है।
पूर्ण चरण परिवर्तन प्रक्रिया के लिए एक दूसरे के साथ संयोजन करने के लिए विभिन्न क्रिस्टल नाभिकों की भी आवश्यकता होती है। शोध दल ने इस प्रक्रिया में एक अप्रत्याशित घटना की भी खोज की: कई क्रिस्टल नाभिक जो एक-दूसरे के करीब होते हैं, विलय से पहले ही उनका अभिविन्यास लगभग समान होता है, जिससे उनके लिए अंततः संयोजन करना आसान हो जाता है।
मियाओ ने कहा कि यह आश्चर्यजनक है कि कई नाभिक विलय से पहले ही लगभग संरेखित हो चुके थे। यह निम्न-ऊर्जा निर्माण पथ को प्रतिबिंबित कर सकता है, लेकिन यह भी दर्शाता है कि प्रकृति जिस तरह से पदार्थ को व्यवस्थित करती है, उसके बारे में अभी भी बहुत कुछ पता लगाना बाकी है।
इस प्रयोग में प्रयुक्त उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातु और मध्यम-एन्ट्रॉपी मिश्र धातु लगभग 20 साल पहले ही दिखाई देने लगे थे। ऐसी सामग्रियां स्टील जैसे पारंपरिक मिश्र धातुओं के विपरीत, जहां एक ही प्राथमिक तत्व हावी होता है, कई धातु तत्वों को लगभग समान अनुपात में मिश्रित करके बनाया जाता है। उनकी अत्यधिक मिश्रित परमाणु संरचना ताकत और लचीलेपन जैसे गुणों के असामान्य संयोजन उत्पन्न कर सकती है, और इसका उपयोग अधिक कुशल और टिकाऊ रासायनिक प्रतिक्रिया उत्प्रेरक बनाने के लिए भी किया जा सकता है।
मियाओ ने कहा, इन सामग्रियों की न्यूक्लियेशन प्रक्रिया को समझने से शोधकर्ताओं को उन्हें बेहतर डिजाइन और विकसित करने में मदद मिल सकती है। साथ ही, शोध टीम का मानना है कि इस मॉडल को अन्य न्यूक्लिएशन सिस्टम पर भी व्यापक रूप से लागू किया जा सकता है।
क्योंकि न्यूक्लिएशन प्रकृति और इंजीनियर प्रणालियों में एक सर्वव्यापी घटना है, यह शोध भौतिक विज्ञान, जलवायु मॉडलिंग, भोजन, फार्मास्यूटिकल्स, अर्धचालक और इलेक्ट्रॉनिक्स जैसे विविध क्षेत्रों को प्रभावित कर सकता है। इस बार उपयोग की गई परमाणु इमेजिंग विधि शोधकर्ताओं को यह पता लगाने के लिए एक नया उपकरण भी प्रदान कर सकती है कि न्यूक्लियेशन प्रक्रिया कैसे सामने आती है।
मियाओ के लिए, इस शोध का अधिक महत्वपूर्ण महत्व यह है कि यह वैज्ञानिक समुदाय को इस बात पर पुनर्विचार करने के लिए प्रेरित कर सकता है कि चरण परिवर्तनों के दौरान पदार्थ खुद को कैसे व्यवस्थित करता है। उन्होंने कहा कि शोध टीम का मानना है कि यह काम न्यूक्लियेशन घटना के बारे में शोधकर्ताओं की समझ को बदल देगा और उम्मीद है कि भविष्य की पाठ्यपुस्तकें अंततः इस नई समझ को प्रतिबिंबित करेंगी।
यह शोध, जिसका शीर्षक है "क्रिस्टल न्यूक्लियेशन एंड ग्रोथ इन हाई-एंट्रॉपी अलॉयज रिवील्ड बाय एटॉमिक इलेक्ट्रॉन टोमोग्राफी", 25 अगस्त, 2026 को नेचर मटेरियल्स जर्नल में प्रकाशित हुआ था। शोध को मुख्य रूप से अमेरिकी ऊर्जा विभाग के विज्ञान कार्यालय के बेसिक एनर्जी साइंस प्रोग्राम के सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग डिवीजन द्वारा समर्थित किया गया था।
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