क्वासिक क्रिस्टल, अजीब ठोस पदार्थ जो क्रिस्टल और कांच के बीच की रेखा को धुंधला करते हैं, दशकों से वैज्ञानिकों को हैरान कर रहे हैं। सामान्य क्रिस्टल के विपरीत, क्वासिक क्रिस्टल की परमाणु व्यवस्था कभी दोहराई नहीं जाती बल्कि अत्यधिक क्रमबद्ध रहती है। अब, पहली बार, शोधकर्ताओं ने क्वांटम मैकेनिकल सिमुलेशन का उपयोग यह बताने के लिए किया है कि ये सामग्रियां क्यों मौजूद हैं: वे संक्षेप में तेजी से ठंडा होने के बजाय आंतरिक रूप से स्थिर हैं। इस सफलता ने 40 साल पुराने वैज्ञानिक रहस्य को सुलझा दिया और अद्वितीय, क्रांतिकारी गुणों वाली इंजीनियर्ड सामग्रियों के विकास का द्वार खोल दिया।
क्वासिक क्रिस्टल: क्रिस्टल और कांच के बीच एक अजीब स्थिति
मिशिगन विश्वविद्यालय के शोध से पता चलता है कि क्रिस्टल और कांच के बीच कहीं पदार्थ का एक विदेशी और दुर्लभ रूप वास्तव में परमाणुओं के कुछ संयोजनों में सबसे स्थिर संरचना हो सकता है।
यह निष्कर्ष क्वासिक क्रिस्टल के पहले क्वांटम मैकेनिकल सिमुलेशन से उपजा है, एक प्रकार का ठोस जिसे कभी असंभव माना जाता था। क्रिस्टल की तरह, क्वासिक क्रिस्टल में परमाणु एक जाली में व्यवस्थित होते हैं, लेकिन उनके पैटर्न पारंपरिक क्रिस्टल की तरह कभी नहीं दोहराए जाते हैं। नए सिमुलेशन तरीकों से पता चलता है कि क्वासिक क्रिस्टल, क्रिस्टल की तरह, स्वाभाविक रूप से स्थिर होते हैं, कांच जैसी अव्यवस्थित सामग्री के समान होने के बावजूद, जो आम तौर पर तब बनते हैं जब पिघला हुआ पदार्थ बहुत जल्दी ठंडा हो जाता है।
स्कैंडियम-जिंक क्वासिक क्रिस्टल के एक एकल दाने में 12 पंचकोणीय क्रिस्टल फलक होते हैं। छवि स्रोत: यमादा एट अल। (2016)। आईयूसीआरजे
क्वासीक्रिस्टल क्यों मौजूद हैं?
"अगर हम वांछित गुणों के साथ सामग्री डिजाइन करना चाहते हैं, तो हमें यह जानना होगा कि परमाणुओं को विशिष्ट संरचनाओं में कैसे व्यवस्थित किया जाए," डॉव के सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग विभाग में प्रारंभिक कैरियर सहायक प्रोफेसर और नेचर फिजिक्स में आज प्रकाशित पेपर के संबंधित लेखक वेन्हाओ सन ने कहा। "क्विसिक क्रिस्टल हमें इस बात पर पुनर्विचार करने के लिए मजबूर करते हैं कि कुछ सामग्रियां कैसे और क्यों बनती हैं। हमारे अध्ययन से पहले, वैज्ञानिकों को यह नहीं पता था कि उनका अस्तित्व क्यों है।"
इस खोज ने पहली बार 1984 में वैज्ञानिक समुदाय को चौंका दिया था जब इज़राइली शोधकर्ता डैनियल शेखमैन ने एल्यूमीनियम और मैंगनीज मिश्र धातुओं का अध्ययन करते समय क्वासिक्रिस्टल का अवलोकन किया था। उन्होंने पता लगाया कि कुछ परमाणुओं ने एक इकोसाहेड्रल संरचना बनाई है, जो जुड़े हुए चेहरों वाले 20-पक्षीय पासों के समूह के समान है। यह संरचना क्वासीक्रिस्टल को पांच गुना समरूपता देती है - जिसका अर्थ है कि यह पांच अलग-अलग कोणों से बिल्कुल एक जैसा दिखता है - जिसे एक बार ठोस पदार्थ में असंभव माना जाता था।
उन ठोस पदार्थों की स्थिरता की गणना करने के लिए जिनके परमाणु अनुक्रम में दोहराए नहीं जाते हैं, शोधकर्ताओं ने बड़े पैमाने पर यादृच्छिक रूप से नमूना किए गए क्वासिक्रिस्टल चम्मच का अनुकरण किया। चूँकि कणों की अच्छी तरह से परिभाषित सीमाएँ होती हैं, प्रत्येक नैनोकण के भीतर की ऊर्जा की गणना क्वांटम यांत्रिकी का उपयोग करके की जा सकती है। स्कूप आकारों की एक श्रृंखला में गणनाओं को दोहराकर, शोधकर्ता ऊर्जा गणनाओं को थोक क्वासिक क्रिस्टल में विस्तारित कर सकते हैं। छवि क्रेडिट: वूहयोन बाक, मिशिगन विश्वविद्यालय सौर अनुसंधान समूह
विवाद से नोबेल पुरस्कार तक
उस समय वैज्ञानिकों का मानना था कि क्रिस्टल में परमाणुओं को केवल एक अनुक्रम में व्यवस्थित किया जा सकता है जो प्रत्येक दिशा में दोहराया जाता है, लेकिन पांच गुना समरूपता ने इस पैटर्न को खारिज कर दिया। इस तरह की असंभव परिकल्पना का प्रस्ताव करने के लिए शेचटमैन को शुरू में गहन जांच का सामना करना पड़ा, लेकिन अन्य प्रयोगशालाओं ने तब से क्वासिक क्रिस्टल को संश्लेषित किया और अरबों साल पहले के उल्कापिंडों में उनकी खोज की।
शेचटमैन ने अंततः इस खोज के लिए रसायन विज्ञान में 2011 का नोबेल पुरस्कार जीता, लेकिन वैज्ञानिक अभी भी क्वासिक क्रिस्टल के गठन के बारे में बुनियादी सवालों का जवाब नहीं दे पाए हैं। बाधा यह है कि घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत, एक क्वांटम यांत्रिक विधि जिसका उपयोग क्रिस्टल की स्थिरता की गणना करने के लिए किया जाता है, एक अनुक्रम में असीम रूप से दोहराए जाने वाले पैटर्न पर निर्भर करता है, जिसमें क्वासिक क्रिस्टल की कमी होती है।
मिशिगन विश्वविद्यालय में सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग में डॉक्टरेट छात्र और अध्ययन के पहले लेखक वूहयोन बाक ने कहा, "किसी सामग्री को समझने में पहला कदम यह जानना है कि इसे स्थिर क्या बनाता है, लेकिन यह बताना मुश्किल है कि क्वासिक क्रिस्टल कैसे स्थिर हैं।"
किसी भी सामग्री में परमाणुओं को आमतौर पर क्रिस्टल में व्यवस्थित किया जाता है ताकि रासायनिक बंधन न्यूनतम संभव ऊर्जा प्राप्त कर सकें। वैज्ञानिक इस संरचना को एन्थैल्पी-स्थिर क्रिस्टल कहते हैं। लेकिन अन्य सामग्रियां इसलिए बनती हैं क्योंकि उनमें उच्च एन्ट्रॉपी होती है, जिसका अर्थ है कि उनके परमाणुओं को कई अलग-अलग तरीकों से व्यवस्थित या कंपन किया जा सकता है।
मिशिगन विश्वविद्यालय अनुसंधान दल। प्रत्येक शोधकर्ता एक ज्यामितीय मॉडल से लैस था जो पारंपरिक क्रिस्टल में फिट नहीं हो सकता था। चित्र, बाएँ से दाएँ: मैकेनिकल इंजीनियरिंग और सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के प्रोफेसर विक्रम गविनी; संबित दास, मैकेनिकल इंजीनियरिंग में अनुसंधान सहयोगी; वुहयोन बाक, सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग में डॉक्टरेट छात्र; वेन्हाओ सन, डॉव में सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के प्रारंभिक कैरियर सहायक प्रोफेसर; और शिबो टैन, सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग में डॉक्टरेट छात्र। छवि क्रेडिट: मार्सिन स्ज़ज़ेपैंस्की, मिशिगन कॉलेज ऑफ़ इंजीनियरिंग
क्वासिक्रिस्टल: दोहराव के बिना आदेश
कांच उष्ण कटिबंधीय स्थिर ठोस का एक उदाहरण है। यह तब बनता है जब पिघला हुआ सिलिका तेजी से ठंडा होता है और परमाणु तुरंत एक पैटर्नहीन रूप में जम जाते हैं। लेकिन अगर शीतलन दर धीमी हो जाती है, या गर्म सिलिका में एक आधार जोड़ा जाता है, तो परमाणु खुद को क्वार्ट्ज क्रिस्टल में व्यवस्थित करते हैं - कमरे के तापमान पर इष्टतम, सबसे कम ऊर्जा वाली स्थिति। क्वासिक क्रिस्टल कांच और क्रिस्टल के बीच एक रहस्यमय मध्यवर्ती हैं। उन्होंने स्थानीय स्तर पर क्रिस्टल की तरह परमाणुओं की व्यवस्था का आदेश दिया है, लेकिन चश्मे की तरह, वे लंबी दूरी के दोहराव वाले पैटर्न नहीं बनाते हैं।
यह निर्धारित करने के लिए कि क्या क्वासिक क्रिस्टल में एन्थैल्पी- या एन्ट्रापी-स्थिर गुण हैं, शोधकर्ताओं का दृष्टिकोण सिम्युलेटेड क्वासिक क्रिस्टल के बड़े ब्लॉक से छोटे नैनोकणों को निकालना था। इसके बाद शोधकर्ताओं ने प्रत्येक नैनोकण की कुल ऊर्जा की गणना की। चूँकि कणों की अच्छी तरह से परिभाषित सीमाएँ होती हैं, इसलिए इसके लिए अनंत अनुक्रम की आवश्यकता नहीं होती है।
क्वैसिक्रिस्टल की गुप्त शक्ति का खुलासा
क्योंकि एक नैनोकण में ऊर्जा उसके आयतन और सतह क्षेत्र से संबंधित होती है, बढ़ते आकार के नैनोकणों की गणना को दोहराकर, शोधकर्ता बड़े क्वासिक क्रिस्टल के भीतर कुल ऊर्जा का अनुमान लगा सकते हैं। इस दृष्टिकोण का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने पाया कि दो अच्छी तरह से अध्ययन किए गए क्वासिक क्रिस्टल में एन्थैल्पी-स्थिरीकरण गुण होते हैं। एक स्कैंडियम-जिंक मिश्र धातु है और दूसरा येटरबियम-कैडमियम मिश्र धातु है।
क्वासिक क्रिस्टल की ऊर्जा के सबसे सटीक अनुमान के लिए सबसे बड़े संभावित कणों की आवश्यकता होती है, लेकिन मानक एल्गोरिदम के साथ नैनोकणों को बढ़ाना मुश्किल है। केवल कुछ सौ परमाणुओं वाले नैनोकणों के लिए, परमाणुओं की संख्या दोगुनी करने से गणना का समय आठ गुना बढ़ जाता है। लेकिन शोधकर्ताओं ने कम्प्यूटेशनल अड़चन के आसपास के रास्ते भी ढूंढ लिए हैं।
सामग्री अनुसंधान के भविष्य में तेजी लाना
"पारंपरिक एल्गोरिदम में, प्रत्येक कंप्यूटर प्रोसेसर को एक-दूसरे के साथ संचार करने की आवश्यकता होती है, लेकिन हमारा एल्गोरिदम 100 गुना तेज है क्योंकि केवल आसन्न प्रोसेसर ही संचार करते हैं, और हम सुपर कंप्यूटर में जीपीयू त्वरण का प्रभावी ढंग से लाभ उठाते हैं," अध्ययन के सह-लेखक और मिशिगन विश्वविद्यालय में मैकेनिकल इंजीनियरिंग और सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के प्रोफेसर विक्रम गविनी ने कहा।
"अब हम ग्लास और अनाकार सामग्री, विभिन्न क्रिस्टल के बीच इंटरफेस और क्रिस्टल दोषों का अनुकरण कर सकते हैं जो क्वांटम कंप्यूटिंग बिट्स को सक्षम कर सकते हैं।"
/scitechdaily से संकलित