अत्याधुनिक माइक्रोस्कोपी और सिमुलेशन तकनीकों का उपयोग करते हुए, एक अंतरराष्ट्रीय शोध दल ने व्यवस्थित रूप से देखा कि लोहे के परमाणु टाइटेनियम में अनाज की सीमाओं की संरचना को कैसे बदलते हैं। वे आश्चर्यचकित थे: “लोहे के परमाणु न केवल इंटरफ़ेस में अलग हो जाते हैं, बल्कि वे पूरी तरह से अप्रत्याशित पिंजरे जैसी संरचना बनाते हैं,” यूनिवर्सिटी एलायंस रुहर के रिसर्च सेंटर फ्यूचर एनर्जी मैटेरियल्स एंड सिस्टम्स के प्रोफेसर डॉ. क्रिश्चियन लिबशर बताते हैं। शोधकर्ताओं को ऐसे व्यवहार की उम्मीद नहीं थी. उनके निष्कर्ष जर्नल में प्रकाशित हुए हैं विज्ञान 25 अक्टूबर 2024 को.
एक नए प्रकार का पृथक्करण व्यवहार
अधिकांश तकनीकी सामग्रियों में एक पॉलीक्रिस्टलाइन संरचना होती है: वे विभिन्न क्रिस्टल से बने होते हैं, जहां परमाणु एक नियमित जाली में व्यवस्थित होते हैं। इन क्रिस्टलों का हर जगह समान अभिविन्यास नहीं होता है और इन्हें अलग करने वाले इंटरफेस को अनाज सीमाओं के रूप में जाना जाता है। अध्ययन का माइक्रोस्कोपी कार्य करने वाले डॉ. विवेक देवुलपल्ली कहते हैं, “इन अनाज सीमाओं का किसी सामग्री के स्थायित्व और समग्र प्रदर्शन पर भारी प्रभाव पड़ता है।” वह आगे कहते हैं: “लेकिन हमारी समझ बहुत सीमित है कि जब तत्व अनाज की सीमाओं से अलग हो जाते हैं तो क्या होता है और वे किसी सामग्री के गुणों को कैसे प्रभावित करते हैं।”
सफलता की कुंजी परमाणु रिज़ॉल्यूशन पर संरचनाओं का निरीक्षण और मॉडल बनाना था। शोधकर्ताओं ने उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ परमाणु-रिज़ॉल्यूशन स्कैनिंग ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी से अपने परिणामों को सहसंबंधित किया। एक नया अनाज सीमा संरचना पूर्वानुमान एल्गोरिदम प्रयोगात्मक रूप से देखी गई संरचनाओं को उत्पन्न करने में सक्षम था और उनकी संरचना का अध्ययन करने में सक्षम था। “हमारे सिमुलेशन से पता चलता है कि विभिन्न लौह सामग्री के लिए, हम हमेशा पिंजरे की संरचनाओं को विभिन्न अनाज सीमा चरणों के अंतर्निहित निर्माण खंडों के रूप में पाते हैं। जैसे-जैसे अनाज की सीमा पर लोहे का स्तर बढ़ता है, अधिक इकोसाहेड्रल इकाइयाँ दिखाई देती हैं और अंततः एकत्रित हो जाती हैं,” डॉ. एन्ज़ बताते हैं स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय से चेन. एक इकोसाहेड्रोन एक ज्यामितीय वस्तु है जिसमें 12 कोने या शीर्ष होते हैं, इस मामले में परमाणुओं और 20 विमानों का कब्जा होता है।
अध्ययन के कम्प्यूटेशनल कार्य का नेतृत्व करने वाले डॉ. टिमोफ़े फ्रोलोव कहते हैं, “हमने एक ही सीमा के पांच से अधिक अलग-अलग संरचनाओं या अनाज सीमा चरणों की पहचान की है, जो सभी एक ही इकोसाहेड्रल पिंजरे इकाइयों की विभिन्न व्यवस्थाओं से बने हैं।”
क्वासिक्रिस्टलाइन-जैसे अनाज सीमा चरण
पिंजरे की संरचनाओं के बारीकी से निरीक्षण से पता चला कि परमाणु एक इकोसाहेड्रल व्यवस्था अपनाते हैं, जिसमें लोहे के परमाणु इकोसाहेड्रोन के केंद्र में स्थित होते हैं और टाइटेनियम परमाणु इसके शीर्ष पर स्थित होते हैं। विवेक देवुलपल्ली बताते हैं, “आइकोसाहेड्रल पिंजरे लोहे के परमाणुओं की सघन पैकिंग को सक्षम बनाते हैं और चूंकि वे एपेरियोडिक क्लस्टर बना सकते हैं, इसलिए अनाज की सीमा पर दो से तीन गुना से अधिक लोहे की मात्रा को समायोजित किया जा सकता है।” चेन कहते हैं, “ऐसा प्रतीत होता है जैसे लोहा क्वासिक्रिस्टलाइन-जैसे अनाज सीमा चरणों के अंदर फंस गया है।” “इसका श्रेय आइकोसाहेड्रल पिंजरों के गुणों को दिया जाता है,” लिबशर कहते हैं, “और अब हमें यह अध्ययन करने के तरीके खोजने की जरूरत है कि वे इंटरफ़ेस गुणों और इसके साथ भौतिक व्यवहार को कैसे प्रभावित करते हैं।”
सामग्री डिज़ाइन के लिए नए रास्ते
विभिन्न संरचनाओं और गुणों के साथ इकोसाहेड्रल अनाज सीमा चरणों के गठन को समझना और नियंत्रित करना संभावित रूप से सामग्रियों के गुणों को तैयार करने के लिए उपयोग किया जा सकता है। शोधकर्ता अब व्यवस्थित रूप से जांच करना चाहते हैं कि इन नवीन अनाज सीमा स्थितियों का उपयोग भौतिक व्यवहार को समायोजित करने, एक निश्चित सामग्री कार्यक्षमता को समायोजित करने और सामग्री को गिरावट प्रक्रियाओं के खिलाफ अधिक लचीला बनाने के लिए कैसे किया जा सकता है।