वैज्ञानिकों ने की पदार्थ की नई रहस्यमय अवस्था की खोज

धातुओं और खनिजों की दुनिया में, परमाणु अक्सर दो प्राथमिक क्रिस्टल व्यवस्थाओं में से एक में बसते हैं: फेस-सेंटर्ड क्यूबिक (FCC) या बॉडी-सेंटर्ड क्यूबिक (BCC)। ये संरचनाएं पदार्थ के सबसे मूलभूत निर्माण खंडों में से हैं, जो यह निर्धारित करती हैं कि धातुएं कितनी मजबूत या लचीली होंगी। हालांकि, इन दो परिचित रूपों के बीच एक रहस्यमय, क्षणभंगुर अवस्था का अस्तित्व सैद्धांतिक रूप से तो ज्ञात था, लेकिन इसे प्रयोगशाला में कभी स्थिर नहीं किया जा सका था। अब, ब्राउन यूनिवर्सिटी और मिशिगन यूनिवर्सिटी कॉलेज ऑफ इंजीनियरिंग के शोधकर्ताओं ने एक अभूतपूर्व उपलब्धि हासिल की है, जिससे इस मायावी संरचनात्मक चरण को चांदी के नैनोकणों का उपयोग करके स्थायित्व प्रदान किया गया है। यह खोज न केवल पदार्थ विज्ञान के बारे में हमारी समझ को गहरा करती है, बल्कि क्वांटम कंप्यूटिंग और सूचना प्रणालियों के लिए नए रास्ते भी खोल सकती है, क्योंकि यह नई सामग्री असाधारण प्रकाशीय गुण प्रदर्शित करती है।

पदार्थ के निर्माण खंडों को समझना

अधिकांश धातुओं की क्रिस्टल संरचनाएं मोटे तौर पर दो मुख्य श्रेणियों में आती हैं: फेस-सेंटर्ड क्यूबिक (FCC) और बॉडी-सेंटर्ड क्यूबिक (BCC)। FCC व्यवस्था को गोले के लिए सबसे सघन पैकिंग माना जाता है। इसमें, प्रत्येक घन के कोनों पर और प्रत्येक घन के फलकों (चेहरों) के केंद्र में एक कण होता है। इसके विपरीत, BCC व्यवस्था थोड़ी कम सघन होती है, जहाँ कण प्रत्येक घन के कोने पर और घन के शरीर के केंद्र में स्थित होता है, लेकिन फलकों पर नहीं। ये वे व्यवस्थाएं हैं जो परमाणु आमतौर पर धातु क्रिस्टल में बनाते हैं। उदाहरण के लिए, लौह जैसी धातुएं गर्म होने पर 912 डिग्री सेल्सियस पर BCC से FCC संरचना में बदल जाती हैं। दशकों से, सामग्री वैज्ञानिकों ने यह समझने की कोशिश की है कि यह संक्रमण ठीक कैसे होता है और इन दो स्थिर चरणों के बीच कौन से मध्यवर्ती, अस्थिर चरण मौजूद हो सकते हैं।

निशियामा-वॉसरमैन मार्ग और क्षणभंगुर अवस्थाएं

FCC और BCC संरचनाओं के बीच धातु के संक्रमण के लिए कई संभावित रास्ते प्रस्तावित किए गए हैं। इनमें से एक, जिसे निशियामा-वॉसरमैन (Nishiyama-Wassermann) मार्ग के रूप में जाना जाता है, FCC और BCC के बीच संक्रमणकालीन चरणों के एक सेट का सुझाव देता है। ये चरण उनकी कम समरूपता के कारण अधिक क्षणभंगुर होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे स्वाभाविक रूप से अस्थिर होते हैं और आसानी से स्थिर FCC या BCC अवस्थाओं में वापस आ जाते हैं। यही कारण है कि इन “मध्यवर्ती” चरणों का प्रत्यक्ष अवलोकन करना अत्यंत चुनौतीपूर्ण रहा है। ब्राउन और मिशिगन यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने अपनी नई तकनीक का उपयोग करके, चांदी के नैनोकणों के माध्यम से इन क्षणभंगुर “बीच-बीच” की अवस्थाओं को सफलतापूर्वक पुनः निर्मित किया और उन्हें स्थिर किया। यह नैनोपार्टिकल सुपरलैटिस धातु क्रिस्टल में FCC से BCC संक्रमण कैसे काम करता है, इसके बारे में नए और महत्वपूर्ण विवरण प्रदान करता है।

ब्राउन में रसायन विज्ञान के एसोसिएट प्रोफेसर और शोध के संबंधित लेखक, ओउ चेन बताते हैं, “हमारा काम कुछ हद तक लेगो ब्लॉकों के साथ खेलने वाले बच्चों जैसा है। हम अद्वितीय नैनोस्केल बिल्डिंग ब्लॉक्स को संश्लेषित करते हैं और उन्हें दिलचस्प संरचनाओं में ढेर करते हैं। इस मामले में, हम इन सैद्धांतिक संक्रमणकालीन संरचनाओं को स्थिर करने और महत्वपूर्ण क्वांटम ऑप्टिकल गुणों का प्रदर्शन करने में सक्षम थे।”

नैनोकणों के साथ रचनात्मक खेल

इस अभूतपूर्व उपलब्धि को हासिल करने के लिए, चेन और उनके सहयोगियों ने विशेष रूप से आकार के चांदी के नैनोकणों को संश्लेषित किया, जिन्हें ‘मेकॉन’ (mecons) या ‘ट्रंकेटेड ऑक्टाहेड्रा’ कहा जाता है। ये हीरे के आकार के कण होते हैं जिनके प्रत्येक शीर्ष को काटकर 14-तरफा ठोस बनाया जाता है। चेन के अनुसार, यह आकार विशेष रूप से दिलचस्प है क्योंकि यह एक घन और एक गोले के बीच का मध्यवर्ती रूप है, जिनकी अलग-अलग पैकिंग व्यवहार होते हैं। अध्ययन के प्रमुख लेखक और वरिष्ठ अनुसंधान वैज्ञानिक यासुताका नागाओका के नेतृत्व में, चेन की टीम ने कणों को संश्लेषित करने में शामिल गर्मी को बदलकर, अधिक गोलाकार से अधिक क्यूबिक तक, मेकोन-आकृतियों की एक श्रृंखला बनाई। फिर, उन्होंने इन कणों को लंबे, चिपचिपे अणुओं से ढक दिया, जो कणों को एक साथ बांधने में मदद करते हैं। इसके बाद, उन्होंने प्रत्येक आकार के कणों को खुद को नैनोपार्टिकल सुपरलैटिस में इकट्ठा करने दिया, ताकि यह परीक्षण किया जा सके कि वे कैसे व्यवहार करते हैं।

मिशिगन यूनिवर्सिटी में शेरॉन ग्लॉट्ज़र (Sharon Glotzer) की टीम के साथ सहयोग में भौतिक अवलोकनों और सटीक कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि चिपचिपे अणु उन कणों के लिए आवश्यक थे जो निशियामा-वॉसरमैन मार्ग द्वारा अनुमानित क्षणिक अवस्थाओं से मेल खाते थे। अध्ययन के सह-लेखक और मिशिगन विश्वविद्यालय में शोध वैज्ञानिक टिम मूर ने बताया, “आप उन्हें ‘बालों वाले कणों’ की तरह मान सकते हैं। बाल इतने लचीले होते हैं कि कणों को हिलने-डुलने की अधिक स्वतंत्रता मिलती है, लेकिन वे एक साथ अच्छी तरह से फिट भी होते हैं, जिससे कणों को एक साथ जुड़ने में मदद मिलती है।”

असामान्य गुण और भविष्य के अनुप्रयोग

इस नई नैनोपार्टिकल सुपरलैटिस की सबसे रोमांचक विशेषताओं में से एक इसके असाधारण प्रकाशीय गुण हैं। प्रकाश प्रदीपन के माध्यम से, ये चांदी के नैनोपार्टिकल सुपरलैटिस ‘डीप-स्ट्रॉन्ग लाइट-मैटर कपलिंग’ (deep-strong light-matter coupling) के विशिष्ट लक्षण दिखाते हैं। यह तब होता है जब चांदी के कणों में इलेक्ट्रॉन प्रकाश तरंगों के साथ पूर्ण सामंजस्य में कंपन करते हैं और क्वांटम यांत्रिक रूप से उलझ जाते हैं। आमतौर पर, इस प्रकार की क्वांटम ऑप्टिकल अंतःक्रियाएं बहुत कम तापमान पर देखी जाती हैं, लेकिन यह नई संरचना कमरे के तापमान पर भी इस व्यवहार को प्रदर्शित करती है। शोधकर्ताओं का कहना है कि यह खोज क्वांटम कंप्यूटिंग या सेंसिंग के लिए नई सामग्री बनाने के लिए एक खाका प्रदान कर सकती है।

मूर कहते हैं, “सामग्री वैज्ञानिक लंबे समय से अपनी धातुओं में FCC और BCC की मात्रा को नियंत्रित करने के बारे में चिंतित रहे हैं, लेकिन इन चरणों के बीच के संक्रमणों का अध्ययन करना मुश्किल रहा है क्योंकि वे इतने अस्थिर होते हैं। इन संरचनाओं का निरीक्षण करने में सक्षम होना सामग्री विज्ञान में एक मौलिक सफलता है, और यह हमें नैनोमटेरियल इंजीनियरिंग पर अधिक नियंत्रण प्रदान करता है।”

चेन ने जोर देकर कहा कि पदार्थ के एक नए चरण की पहचान हमेशा नए अनुप्रयोगों को जन्म देती है। क्वांटम प्रौद्योगिकियों के तेजी से विकास के युग में, कमरे के तापमान पर काम करने वाली नई सामग्री का निर्माण गेम-चेंजर हो सकता है। यह शोध न केवल पदार्थ के मूलभूत व्यवहार के बारे में हमारी समझ को आगे बढ़ाता है, बल्कि पूरी तरह से नए प्रकार की सामग्रियों को इंजीनियर करने के लिए कस्टम-आकार के नैनोकणों का उपयोग करने के लिए एक नई “पकाने की विधि” भी प्रदान करता है, जिनके गुण विशेष रूप से अनुरूप किए जा सकते हैं। इस खोज के निहितार्थ बहुत दूरगामी हो सकते हैं, जिससे भविष्य में क्वांटम कंप्यूटरों से लेकर अधिक कुशल ऊर्जा प्रणालियों तक सब कुछ बदल सकता है।

संदर्भ और कड़ियां (References & Links)

• मूल समाचार विज्ञप्ति: ब्राउन यूनिवर्सिटी (Brown University)
• शोध पत्र: साइंस (Science)