सार:
एक अंतरराष्ट्रीय शोध दल ने पाया कि दो प्रयोगात्मक नाइओबियम-टाइटेनियम-आधारित मिश्र धातुएं अभी भी पूर्ण शून्य के करीब अत्यधिक कम तापमान वाले वातावरण में अत्यधिक उच्च दरार प्रतिरोध बनाए रख सकती हैं। यह खोज सामग्री विज्ञान के क्षेत्र में धातुओं के कम तापमान वाले विघटन की लंबे समय से चली आ रही समझ को तोड़ती है और भविष्य के संलयन ऊर्जा उपकरणों, क्वांटम कंप्यूटिंग उपकरण, अंतरिक्ष यान और हाइड्रोजन ऊर्जा बुनियादी ढांचे के लिए अधिक विश्वसनीय सामग्रियों के विकास के लिए एक नई दिशा खोलती है।
तापमान गिरने पर अधिकांश धातुएँ मजबूत हो जाती हैं, लेकिन उनके टूटने की संभावना भी अधिक हो जाती है। यह लोहा, टंगस्टन और क्रोमियम जैसी शरीर-केंद्रित घन संरचना धातुओं के लिए विशेष रूप से सच है। जब तापमान बेहद निम्न स्तर तक गिर जाता है, तो झुकने या विरूपण के माध्यम से अवशोषित होने वाला तनाव अक्सर अचानक फ्रैक्चर में बदल जाता है।
इस घटना का महत्वपूर्ण कारण यह है कि धातु के भीतर अव्यवस्था गतिविधि प्रतिबंधित है। अव्यवस्थाएं क्रिस्टल संरचनाओं में रैखिक दोष हैं जो बाहरी ताकतों के संपर्क में आने पर धातुओं को प्लास्टिक रूप से विकृत होने में मदद करती हैं। हालाँकि, जैसे-जैसे तापमान गिरता जा रहा है, इन अव्यवस्थाओं को स्थानांतरित करना कठिन होता जा रहा है, जिससे सामग्री तनाव दूर करने की अपनी क्षमता खो देती है और अधिक नाजुक हो जाती है।
कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले, लॉरेंस बर्कले नेशनल लेबोरेटरी और यूनाइटेड किंगडम में ऑक्सफोर्ड विश्वविद्यालय के संयुक्त नेतृत्व में एक शोध दल ने पाया कि दो नाइओबियम-टाइटेनियम-आधारित प्रायोगिक मिश्र धातुएं इस समस्या से बच सकती हैं। यहां तक कि 20 केल्विन के वातावरण में, जो लगभग माइनस 253 डिग्री सेल्सियस (माइनस 424 डिग्री फ़ारेनहाइट) है, वे अभी भी क्रैकिंग के लिए मजबूत प्रतिरोध दिखाते हैं, और प्रयोगात्मक रूप से परीक्षण किए गए सबसे कम तापमान पर कोई मापने योग्य भंगुर संक्रमण नहीं होता है।
बेहद कम तापमान पर इन सामग्रियों के व्यवहार का अध्ययन करने के लिए, वैज्ञानिकों ने यूके के ऑक्सफोर्डशायर में आईएसआईएस न्यूट्रॉन और म्यूऑन सोर्स में एंगिन-एक्स सुविधा का उपयोग करके प्रयोग किए। उन्होंने नमूने को शून्य से 253 डिग्री सेल्सियस नीचे तक ठंडा करने के लिए हीलियम का उपयोग किया, और फिर न्यूट्रॉन बीम विकिरण के तहत नमूने पर द्विअक्षीय तन्य परीक्षण किया ताकि यह सटीक रूप से मापा जा सके कि सामग्री कितना भार झेल सकती है और टूटने से पहले यह कितना फैला था।
आगे इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी अवलोकनों से सामग्री की कठोरता का रहस्य पता चला। शोधकर्ताओं ने पाया कि "नैनोटविंस" नामक एक संरचनात्मक परिवर्तन दरारों के पास और मिश्र धातु के भीतर होता है। इस प्रक्रिया के दौरान, क्रिस्टल के स्थानीय क्षेत्रों को दर्पण-सममित संरचना बनाने के लिए पुन: व्यवस्थित किया जाता है, साथ ही क्रिस्टल संरचना का स्थानीय परिवर्तन भी होता है।
जब ये नवगठित संरचनाएं आसन्न अनाज सीमाओं से संपर्क करती हैं, तो वे स्थानीय उच्च तनाव क्षेत्र उत्पन्न करेंगे और नए क्रिस्टल दोषों की पीढ़ी को प्रेरित करेंगे। नए दोष प्लास्टिक विरूपण का कार्य जारी रख सकते हैं, ताकि तनाव के अधीन होने पर सामग्री सीधे टूटने के बजाय विकृत होती रहे।
शोधकर्ताओं ने इस तंत्र की तुलना बर्फीले तूफ़ान के दौरान सड़क नेटवर्क की आपातकालीन प्रतिक्रिया से की। जब मौजूदा सड़कें बर्फ और हिमपात से अवरुद्ध हो जाती हैं, तो परिवहन प्रणाली नए मार्ग खोल देगी। इसी तरह, जब पारंपरिक अव्यवस्था गति बेहद कम तापमान पर प्रतिबंधित होती है, तो नैनोट्विन का निर्माण नए विरूपण चैनल बनाता है जो सामग्री की कठोरता को बनाए रखता है।
अनुसंधान टीम ने कहा कि पहले से कम सराहे गए इस सूक्ष्म तंत्र से कम तापमान वाले भंगुरता का विरोध करने का एक नया तरीका पता चलता है। अतीत में, इंजीनियरिंग समुदाय का हमेशा यह मानना रहा है कि शरीर-केंद्रित घन धातुओं को अति-निम्न तापमान पर भंगुर होने से बचाना मुश्किल होता है। हालाँकि, इस अध्ययन से पता चलता है कि मिश्र धातु संरचना और माइक्रोस्ट्रक्चर को तर्कसंगत रूप से डिजाइन करके, सामग्री सक्रिय रूप से विरूपण मोड को स्विच कर सकती है और तनाव को अवशोषित और फैलाना जारी रख सकती है।
शोधकर्ताओं का मानना है कि इस खोज से भविष्य में कम तापमान वाली इंजीनियरिंग सामग्रियों की एक नई पीढ़ी के विकास को बढ़ावा मिलने की उम्मीद है। फ्यूजन रिएक्टरों, तरल हाइड्रोजन भंडारण और परिवहन प्रणालियों, गहरे अंतरिक्ष डिटेक्टरों और क्वांटम प्रौद्योगिकी उपकरणों में, कई प्रमुख घटकों को लंबे समय तक बेहद कम तापमान पर काम करने की आवश्यकता होती है। ऐसी सामग्रियां जो उच्च शक्ति और कठोरता को जोड़ सकती हैं, इन उन्नत प्रौद्योगिकी प्रणालियों की विश्वसनीयता और सुरक्षा में काफी सुधार करेंगी।
प्रासंगिक शोध परिणाम अंतरराष्ट्रीय शैक्षणिक पत्रिका "नेचर" में प्रकाशित किए गए हैं। अनुसंधान टीम ने कहा कि अगला कदम यह पता लगाना होगा कि क्या इस तंत्र को अधिक धातु प्रणालियों तक बढ़ाया जा सकता है और अधिक कठोर वातावरण के लिए उपयुक्त नए इंजीनियरिंग मिश्र धातु डिजाइन करना होगा।
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