एक प्रमुख वैज्ञानिक सफलता में शोधकर्ताओं ने ठोस पदार्थों में गर्मी परिवहन के एक असामान्य तंत्र की खोज की है। यह मूल रूप से हमारी समझ को नया आकार देता है कि स्थानीय विकार के साथ क्रिस्टलीय पदार्थों में गर्मी कैसे बहती है। इसका अगली पीढ़ी के थर्मोइलेक्ट्रिक्स और थर्मल प्रबंधन प्रौद्योगिकियों में प्रभाव पड़ सकता है।

ठोस पदार्थों में गर्मी आमतौर पर फोनन द्वारा की जाती है, जो आम तौर पर उन कणों की तरह व्यवहार करते हैं जो क्रिस्टल जाली के माध्यम से आगे बढ़ते समय बिखर जाते हैं। इस शास्त्रीय "फोनन गैस" चित्र ने दशकों से सामग्री डिजाइन को निर्देशित किया है।

विज्ञान और प्रौद्योगिकी विभाग (डीएसटी) के एक स्वायत्त संस्थान, जवाहरलाल नेहरू सेंटर फॉर एडवांस्ड साइंटिफिक रिसर्च (जेएनसीएएसआर) बेंगलुरु के शोधकर्ताओं ने अब एक दुर्लभ संक्रमण का प्रदर्शन किया है। इसमें फोनॉन कणों की तरह व्यवहार करना बंद कर देते हैं और इसके बजाय लहर जैसी सुसंगतता के माध्यम से फैलते हैं, जो स्थानीय कंपन अवस्थाओं के बीच सुरंग बनाते हैं। यह कण-से-तरंग जैसा क्रॉसओवर एक नई अध्ययन की गई सामग्री में देखा गया था जो एक शून्य-आयामी अकार्बनिक धातु हैलाइड, टीएल है2एजीआई3.

न्यू केमिस्ट्री यूनिट (एनसीयू) जेएनसीएएसआर के प्रोफेसर कनिष्क बिस्वास के नेतृत्व में इस काम को प्रतिष्ठित पत्रिका प्रोसीडिंग्स ऑफ द नेशनल एकेडमी ऑफ साइंसेज, यूएसए (पीएनएएस) में प्रकाशित किया गया। इसके अनुसार सामग्री लगभग 0.18 डब्ल्यू/एम· के की असाधारण रूप से कम जाली तापीय चालकता प्रदर्शित करती है। उल्लेखनीय रूप से सामान्य क्रिस्टल के लिए अपेक्षित तापमान के साथ लगातार घटने के बजाय, तापीय चालकता लगभग 125 K से ऊपर तापमान स्वतंत्र हो जाती है, जो पारंपरिक फोनन गैस मॉडल के टूटने का संकेत देती है।

इस खोज के केंद्र में टीएल की अनूठी क्रिस्टल रसायन विज्ञान है2एजीआई3. संरचना में एक विस्तारित त्रि-आयामी नेटवर्क के बजाय असतत क्लस्टर जैसे बिल्डिंग ब्लॉक होते हैं। लगभग एक सदी पहले, नोबेल पुरस्कार विजेता लिनुस पॉलिंग ने परमाणु व्यवस्था को संरचनात्मक स्थिरता से जोड़ने वाले नियमों के एक सेट के माध्यम से आधुनिक क्रिस्टल रसायन विज्ञान की नींव रखी। पॉलिंग के तीसरे नियम से प्रेरणा लेते हुए, (जिसमें कहा गया है कि एक क्रिस्टल संरचना के भीतर समन्वय पॉलीहेड्रा के बीच किनारों या चेहरों को साझा करना धनायन-धनायन प्रतिकर्षण को बढ़ाता है), लेखकों ने अनुमान लगाया कि घनी कनेक्टेड समन्वय इकाइयों के भीतर मजबूत धनायन-धनायन प्रतिकर्षण स्थानीय रूप से जाली को अस्थिर कर सकता है।

इस विचार से निर्देशित, उन्होंने प्रयोगात्मक रूप से चांदी के परमाणुओं के स्पष्ट स्थानीय विकृतियों को उजागर किया। यह रासायनिक बांड को आदर्श हार्मोनिक गति (एनहार्मोनिक) से काफी विचलित करते हैं। यह चरम असंगति नाटकीय रूप से कण जैसे फोनन बिखरने को बढ़ाती है, इस बिंदु तक कि पारंपरिक फोनन परिवहन ढह जाता है। प्रत्यक्ष परिणाम के रूप में, गर्मी लहर जैसी सुसंगतता के माध्यम से फैलना शुरू कर देती है। इसमें फोनोन अच्छी तरह से परिभाषित कणों के रूप में आगे बढ़ने के बजाय स्थानीयकृत कंपन अवस्थाओं के बीच सुरंग बनाते हैं। उसी समय थलियू

प्रो. कनिष्क बिस्वास ने खोज के महत्व पर कहा, "टीएल₂एजीआई₃ एक ऐसी सामग्री का एक दुर्लभ उदाहरण है जो क्रिस्टल और कांच की तरह एक साथ व्यवहार करती है। यह लंबी दूरी के क्रिस्टलीय क्रम को बरकरार रखता है, फिर भी फोनन स्थानीयकरण और लहर जैसी सुसंगतता के कारण कांच की तरह गर्मी का संचालन करता है।

चित्र 1 यह योजनाबद्ध इस शोध के प्रमुख निष्कर्षों को दर्शाता है अर्थात तापमान के साथ ऊष्मा परिवहन कैसे बदलता है टीएल2एजीआई3. यहाँ बड़ापीएच क्या एक फोनन बिखरे होने से पहले औसत दूरी तय करता है, और aपता परमाणुओं के बीच औसत दूरी है। कम तापमान पर, बड़ापीएच≫aपता, इसलिए ऊष्मा को एक आदेशित क्रिस्टल के माध्यम से कणों की तरह चलने वाले फोनन द्वारा ले जाया जाता है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, पॉलिंग के तीसरे नियम ने कटनायन-धनायन प्रतिकर्षण की मध्यस्थता स्थानीय संरचनात्मक विकृतियों को प्रेरित करती है, जिससे मजबूत जाली अहार्मोनिसिटी होती है। यह एलपीएच को कम करता है ताकि एलपीएच < एएवी हो जाए, जिससे लहर की तरह फोनन परिवहन के लिए एक क्रॉसओवर हो जाता है।

अत्याधुनिक सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे जोड़ी वितरण फ़ंक्शन माप, कम तापमान वाले थर्मल परिवहन प्रयोगों, रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी और उन्नत प्रथम-सिद्धांतों की सैद्धांतिक गणना के संयोजन से, टीम ने इस घटना की एक व्यापक तस्वीर प्रदान की। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने जेएनसीएएसआर में प्रोफेसर स्वपन के पति के समूह द्वारा विकसित हाल ही में विकसित एक समीकरण (रैखिक विग्नर परिवहन समीकरण) का उपयोग किया, ताकि यह पता लगाया जा सके कि गर्मी स्वतंत्र कण जैसे प्रकीर्णन के माध्यम से या तरंग जैसे योगदान के माध्यम से बहती है या नहीं। उनके विश्लेषण से पता चलता है कि, जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, सुसंगतता-संचालित तरंग जैसा परिवहन लगभग 175 K के कण-आधारित परिवहन से आगे निकल जाता है।

"यह एक अवधारणा का एक दुर्लभ प्रयोगात्मक अहसास है जो काफी हद तक सैद्धांतिक था," प्रोफेसर बिस्वास ने कह की "हम दिखाते हैं कि क्रिस्टलीय ठोस पदार्थों को गर्मी ले जाने के तरीके में सख्ती से कण की तरह फोनन बिखरने की आवश्यकता नहीं है। इसके बजाय वे एक मिश्रित शासन तक पहुंच सकते हैं जहां लहर जैसी सुसंगतता हावी होती है, जिससे अल्ट्रालो और कांच जैसी तापीय चालकता होती है।

प्रायोगिक कार्य का नेतृत्व पहले लेखक डॉ. रिद्धिमय पाठक ने किया था, जो प्रोफेसर बिस्वास के पीएचडी छात्र थे, जिन्होंने संश्लेषण, संरचनात्मक लक्षण वर्णन और थर्मल परिवहन माप किए। इस अध्ययन के प्रथम लेखक श्री सायन पॉल हैं, जो जेएनसीएएसआर के सैद्धांतिक विज्ञान इकाई (टीएसयू) के प्रोफेसर स्वपन के. पति के समूह से हैं, जो फोनन सुसंगतता और लहर जैसी गर्मी परिवहन में महत्वपूर्ण सैद्धांतिक अंतर्दृष्टि प्रदान करते हैं।

थर्मल प्रबंधन प्रौद्योगिकियों में निहितार्थ के साथ खोज एक नई डिजाइन रणनीति स्थापित करती है: क्रिस्टलीय ठोस पदार्थों में फोनन स्थानीयकरण और सुसंगतता को इंजीनियर करने के लिए रासायनिक नियमों और स्थानीय जाली अस्थिरता का उपयोग करना।

अनुसंधान को India@DESY कार्यक्रम के अंतर्गत राष्ट्रीय सुपरकंप्यूटिंग संसाधनों और अंतर्राष्ट्रीय सिंक्रोट्रॉन सुविधाओं से लाभ हुआ।

यह उपलब्धि मौलिक सामग्री अनुसंधान में भारत के बढ़ते नेतृत्व को रेखांकित करती है और बताती है कि कैसे गहरी रासायनिक अंतर्दृष्टि, उन्नत प्रयोगात्मक और सैद्धांतिक उपकरणों के साथ मिलकर, मजबूत तकनीकी प्रासंगिकता के साथ पूरी तरह से नई भौतिक व्यवस्थाओं को उजागर कर सकती है।

एक इमारत के सामने खड़े दो आदमीAI-जनित सामग्री गलत हो सकती है।

चित्र 2: लेखक- डॉ. रिद्धिमय पाठक (बाएं) और प्रो. कनिष्क बिस्वास (दाएं)

प्रकाशन लिंक: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2521353123 ;

https://doi.org/10.1073/pnas.2521353123)

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पीके/ केसी/ एसके

 

ठोस पदार्थों में ताप परिवहन का नया खोजा गया असामान्य तंत्र अति-कुशल थर्मल इंसुलेटर को सक्षम कर सकता है

 

एक प्रमुख वैज्ञानिक सफलता में शोधकर्ताओं ने ठोस पदार्थों में गर्मी परिवहन के एक असामान्य तंत्र की खोज की है। यह मूल रूप से हमारी समझ को नया आकार देता है कि स्थानीय विकार के साथ क्रिस्टलीय पदार्थों में गर्मी कैसे बहती है। इसका अगली पीढ़ी के थर्मोइलेक्ट्रिक्स और थर्मल प्रबंधन प्रौद्योगिकियों में प्रभाव पड़ सकता है।

ठोस पदार्थों में गर्मी आमतौर पर फोनन द्वारा की जाती है, जो आम तौर पर उन कणों की तरह व्यवहार करते हैं जो क्रिस्टल जाली के माध्यम से आगे बढ़ते समय बिखर जाते हैं। इस शास्त्रीय "फोनन गैस" चित्र ने दशकों से सामग्री डिजाइन को निर्देशित किया है।

विज्ञान और प्रौद्योगिकी विभाग (डीएसटी) के एक स्वायत्त संस्थान, जवाहरलाल नेहरू सेंटर फॉर एडवांस्ड साइंटिफिक रिसर्च (जेएनसीएएसआर) बेंगलुरु के शोधकर्ताओं ने अब एक दुर्लभ संक्रमण का प्रदर्शन किया है। इसमें फोनॉन कणों की तरह व्यवहार करना बंद कर देते हैं और इसके बजाय लहर जैसी सुसंगतता के माध्यम से फैलते हैं, जो स्थानीय कंपन अवस्थाओं के बीच सुरंग बनाते हैं। यह कण-से-तरंग जैसा क्रॉसओवर एक नई अध्ययन की गई सामग्री में देखा गया था जो एक शून्य-आयामी अकार्बनिक धातु हैलाइड, टीएल है2एजीआई3.

न्यू केमिस्ट्री यूनिट (एनसीयू) जेएनसीएएसआर के प्रोफेसर कनिष्क बिस्वास के नेतृत्व में इस काम को प्रतिष्ठित पत्रिका प्रोसीडिंग्स ऑफ द नेशनल एकेडमी ऑफ साइंसेज, यूएसए (पीएनएएस) में प्रकाशित किया गया। इसके अनुसार सामग्री लगभग 0.18 डब्ल्यू/एम· के की असाधारण रूप से कम जाली तापीय चालकता प्रदर्शित करती है। उल्लेखनीय रूप से सामान्य क्रिस्टल के लिए अपेक्षित तापमान के साथ लगातार घटने के बजाय, तापीय चालकता लगभग 125 K से ऊपर तापमान स्वतंत्र हो जाती है, जो पारंपरिक फोनन गैस मॉडल के टूटने का संकेत देती है।

इस खोज के केंद्र में टीएल की अनूठी क्रिस्टल रसायन विज्ञान है2एजीआई3. संरचना में एक विस्तारित त्रि-आयामी नेटवर्क के बजाय असतत क्लस्टर जैसे बिल्डिंग ब्लॉक होते हैं। लगभग एक सदी पहले, नोबेल पुरस्कार विजेता लिनुस पॉलिंग ने परमाणु व्यवस्था को संरचनात्मक स्थिरता से जोड़ने वाले नियमों के एक सेट के माध्यम से आधुनिक क्रिस्टल रसायन विज्ञान की नींव रखी। पॉलिंग के तीसरे नियम से प्रेरणा लेते हुए, (जिसमें कहा गया है कि एक क्रिस्टल संरचना के भीतर समन्वय पॉलीहेड्रा के बीच किनारों या चेहरों को साझा करना धनायन-धनायन प्रतिकर्षण को बढ़ाता है), लेखकों ने अनुमान लगाया कि घनी कनेक्टेड समन्वय इकाइयों के भीतर मजबूत धनायन-धनायन प्रतिकर्षण स्थानीय रूप से जाली को अस्थिर कर सकता है।

इस विचार से निर्देशित, उन्होंने प्रयोगात्मक रूप से चांदी के परमाणुओं के स्पष्ट स्थानीय विकृतियों को उजागर किया। यह रासायनिक बांड को आदर्श हार्मोनिक गति (एनहार्मोनिक) से काफी विचलित करते हैं। यह चरम असंगति नाटकीय रूप से कण जैसे फोनन बिखरने को बढ़ाती है, इस बिंदु तक कि पारंपरिक फोनन परिवहन ढह जाता है। प्रत्यक्ष परिणाम के रूप में, गर्मी लहर जैसी सुसंगतता के माध्यम से फैलना शुरू कर देती है। इसमें फोनोन अच्छी तरह से परिभाषित कणों के रूप में आगे बढ़ने के बजाय स्थानीयकृत कंपन अवस्थाओं के बीच सुरंग बनाते हैं। उसी समय थलियू

प्रो. कनिष्क बिस्वास ने खोज के महत्व पर कहा, "टीएल₂एजीआई₃ एक ऐसी सामग्री का एक दुर्लभ उदाहरण है जो क्रिस्टल और कांच की तरह एक साथ व्यवहार करती है। यह लंबी दूरी के क्रिस्टलीय क्रम को बरकरार रखता है, फिर भी फोनन स्थानीयकरण और लहर जैसी सुसंगतता के कारण कांच की तरह गर्मी का संचालन करता है।

चित्र 1 यह योजनाबद्ध इस शोध के प्रमुख निष्कर्षों को दर्शाता है अर्थात तापमान के साथ ऊष्मा परिवहन कैसे बदलता है टीएल2एजीआई3. यहाँ बड़ापीएच क्या एक फोनन बिखरे होने से पहले औसत दूरी तय करता है, और aपता परमाणुओं के बीच औसत दूरी है। कम तापमान पर, बड़ापीएच≫aपता, इसलिए ऊष्मा को एक आदेशित क्रिस्टल के माध्यम से कणों की तरह चलने वाले फोनन द्वारा ले जाया जाता है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, पॉलिंग के तीसरे नियम ने कटनायन-धनायन प्रतिकर्षण की मध्यस्थता स्थानीय संरचनात्मक विकृतियों को प्रेरित करती है, जिससे मजबूत जाली अहार्मोनिसिटी होती है। यह एलपीएच को कम करता है ताकि एलपीएच < एएवी हो जाए, जिससे लहर की तरह फोनन परिवहन के लिए एक क्रॉसओवर हो जाता है।

अत्याधुनिक सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे जोड़ी वितरण फ़ंक्शन माप, कम तापमान वाले थर्मल परिवहन प्रयोगों, रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी और उन्नत प्रथम-सिद्धांतों की सैद्धांतिक गणना के संयोजन से, टीम ने इस घटना की एक व्यापक तस्वीर प्रदान की। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने जेएनसीएएसआर में प्रोफेसर स्वपन के पति के समूह द्वारा विकसित हाल ही में विकसित एक समीकरण (रैखिक विग्नर परिवहन समीकरण) का उपयोग किया, ताकि यह पता लगाया जा सके कि गर्मी स्वतंत्र कण जैसे प्रकीर्णन के माध्यम से या तरंग जैसे योगदान के माध्यम से बहती है या नहीं। उनके विश्लेषण से पता चलता है कि, जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, सुसंगतता-संचालित तरंग जैसा परिवहन लगभग 175 K के कण-आधारित परिवहन से आगे निकल जाता है।

"यह एक अवधारणा का एक दुर्लभ प्रयोगात्मक अहसास है जो काफी हद तक सैद्धांतिक था," प्रोफेसर बिस्वास ने कह की "हम दिखाते हैं कि क्रिस्टलीय ठोस पदार्थों को गर्मी ले जाने के तरीके में सख्ती से कण की तरह फोनन बिखरने की आवश्यकता नहीं है। इसके बजाय वे एक मिश्रित शासन तक पहुंच सकते हैं जहां लहर जैसी सुसंगतता हावी होती है, जिससे अल्ट्रालो और कांच जैसी तापीय चालकता होती है।

प्रायोगिक कार्य का नेतृत्व पहले लेखक डॉ. रिद्धिमय पाठक ने किया था, जो प्रोफेसर बिस्वास के पीएचडी छात्र थे, जिन्होंने संश्लेषण, संरचनात्मक लक्षण वर्णन और थर्मल परिवहन माप किए। इस अध्ययन के प्रथम लेखक श्री सायन पॉल हैं, जो जेएनसीएएसआर के सैद्धांतिक विज्ञान इकाई (टीएसयू) के प्रोफेसर स्वपन के. पति के समूह से हैं, जो फोनन सुसंगतता और लहर जैसी गर्मी परिवहन में महत्वपूर्ण सैद्धांतिक अंतर्दृष्टि प्रदान करते हैं।

थर्मल प्रबंधन प्रौद्योगिकियों में निहितार्थ के साथ खोज एक नई डिजाइन रणनीति स्थापित करती है: क्रिस्टलीय ठोस पदार्थों में फोनन स्थानीयकरण और सुसंगतता को इंजीनियर करने के लिए रासायनिक नियमों और स्थानीय जाली अस्थिरता का उपयोग करना।

अनुसंधान को India@DESY कार्यक्रम के अंतर्गत राष्ट्रीय सुपरकंप्यूटिंग संसाधनों और अंतर्राष्ट्रीय सिंक्रोट्रॉन सुविधाओं से लाभ हुआ।

यह उपलब्धि मौलिक सामग्री अनुसंधान में भारत के बढ़ते नेतृत्व को रेखांकित करती है और बताती है कि कैसे गहरी रासायनिक अंतर्दृष्टि, उन्नत प्रयोगात्मक और सैद्धांतिक उपकरणों के साथ मिलकर, मजबूत तकनीकी प्रासंगिकता के साथ पूरी तरह से नई भौतिक व्यवस्थाओं को उजागर कर सकती है।

एक इमारत के सामने खड़े दो आदमीAI-जनित सामग्री गलत हो सकती है।

चित्र 2: लेखक- डॉ. रिद्धिमय पाठक (बाएं) और प्रो. कनिष्क बिस्वास (दाएं)

प्रकाशन लिंक: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2521353123 ;

https://doi.org/10.1073/pnas.2521353123)

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पीके/ केसी/ एसके

(रिलीज आईडी: 2227451)

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