تھالیئم کاپر سیلینائڈ (ٹی ایل سی یو5 ایس ای 3) نامی حال ہی میں مطالعہ کیے گئے تانبے کے چالکوجینائیڈ مادے میں حرارت کی نقل و حمل کا ایک غیر معمولی طریقۂ کار پایا گیا ہے، جو پاور پلانٹس، سیمنٹ کی صنعت، اسٹیل پلانٹس، آٹوموبائل، ڈیٹا سینٹرز اور بیٹری ہیٹ مینجمنٹ سسٹمز میں تھرمو الیکٹرک توانائی کی تبدیلی کے ذریعے ضائع ہونے والی حرارت کو مؤثر طریقے سے بجلی میں تبدیل کرنے کی راہ ہموار کر سکتا ہے۔

روایتی سپر آئنک مواد انتہائی متحرک آئنوں کے ذریعے کم جالی حرارتی چالکتا حاصل کر سکتے ہیں۔ تاہم، آئنوں کی ضرورت سے زیادہ منتقلی ساختی عدم استحکام کا سبب بن سکتی ہے اور ان کی تھرمو الیکٹرک کارکردگی کو متاثر کر سکتی ہے۔ محدود آئن پھیلاؤ، جس میں آئنک حرکت ایک پیچیدہ کرسٹل لائن فریم ورک کے اندر محدود رہتی ہے، ساختی استحکام برقرار رکھتے ہوئے حرارت کی نقل و حمل کو دبانے اور حرارت کی نقل و حمل کے غیر روایتی طریقۂ کار کو فروغ دینے کا ایک طریقہ فراہم کرتا ہے۔

کرسٹل مواد میں حرارت روایتی طور پر ذرہ نما فونون کے ذریعے منتقل ہوتی ہے، جس میں فونون کا اوسط آزاد راستہ (ایم ایف پی) عموماً بین جوہری فاصلے سے کہیں زیادہ ہوتا ہے۔ اس کے برعکس، شیشوں میں موجود مضبوط بے ترتیبی اور انہارمونکیت (ایسا رجحان جس میں جوہری ارتعاش غیر متناسب ہو جاتے ہیں اور معمول کے پیرابولک رویے سے نمایاں طور پر انحراف کرتے ہیں، جس سے حرارت کے پھیلاؤ میں خلل پڑتا ہے) روایتی فونون پھیلاؤ کو دبا دیتی ہے اور ایم ایف پی کو تقریباً بین جوہری لمبائی کے پیمانے تک کم کر دیتی ہے۔

تاہم، یہ روایتی تصور اس وقت ناکافی ثابت ہوتا ہے جب مضبوط انہارمونکیت اور ساختی بے ترتیبی طویل فاصلے تک کرسٹلگرافک ترتیب برقرار رکھتے ہوئے انتہائی مقامی اور باہم قریب واقع ارتعاشی طریقوں کو جنم دیتی ہے، جو ایک دوسرے کے ساتھ مضبوطی سے تعامل کرتے ہیں۔

اس درمیانی نظام میں حرارتی توانائی نہ صرف ذرہ نما فونون پھیلاؤ کے ذریعے منتقل ہو سکتی ہے بلکہ مختلف ارتعاشی طریقوں کے درمیان موج نما ہم آہنگی کے ذریعے بھی منتقل ہو سکتی ہے، جس سے انتہائی کم جالی حرارتی چالکتا ممکن ہوتی ہے۔ ایسے انتہائی کم حرارتی چالکتا والے مواد تھرمل بیریئر کوٹنگز، تھرمو الیکٹرک توانائی کی تبدیلی اور تھرمل ڈیکوہرنس سے پاک کوانٹم ٹیکنالوجی کے لیے بے حد اہمیت رکھتے ہیں۔

جواہر لال نہرو سینٹر فار ایڈوانسڈ سائنٹفک ریسرچ (جے این سی اے ایس آر)، بنگلورو، جو محکمہ سائنس و ٹیکنالوجی، حکومت ہند کے تحت ایک خود مختار ادارہ ہے، اور دیگر تحقیقی ٹیم کے ارکان نے حال ہی میں مطالعہ کیے گئے تانبے کے چالکوجینائیڈ مادے (ٹی ایل سی یو5 ایس ای 3) میں موج نما حرارتی نقل و حمل کا ایک غیر معمولی طریقۂ کار دریافت کیا ہے، جو اعلیٰ کارکردگی والی تھرمو الیکٹرک توانائی کی تبدیلی کا باعث بن سکتا ہے۔

توقع کی گئی تھی کہ (ٹی ایل سی یو5 ایس ای 3)  کا پیچیدہ کرسٹل فریم ورک سی یو ایٹموں کی حرکت کو محدود کرے گا، بجائے اس کے کہ انہیں طویل فاصلے تک نقل مکانی کی اجازت دے۔ اس سے یہ جانچنے کا موقع ملا کہ آیا یہ محدود متحرک رویہ ساختی عدم استحکام پیدا کیے بغیر مضبوط ہم آہنگی پیدا کر سکتا ہے اور حرارت کی نقل و حمل کو دبا سکتا ہے۔

اس کام میں جے این سی اے ایس آر کے نیو کیمسٹری یونٹ (این سی یو) سے پروفیسر کنشکا بسواس کی قیادت میں ان کے پی ایچ ڈی طلبہ محترمہ سیانتونی چودھری اور ڈاکٹر انیمیش بھوئی نے، جس کے نتائج معروف جریدے ’سائنس ایڈوانسز‘ میں شائع ہوئے، تجربات کے ذریعے ساختی اور تھرمو الیکٹرک خصوصیات کا مطالعہ کیا اور غیر معمولی حرارت کی نقل و حمل کی اصل کو سمجھنے کے لیے جدید نظریاتی حسابات کیے۔

انہوں نے دکھایا کہ  سی یو  ذیلی جالی کی پیچیدہ کرسٹل ساخت اور اندرونی طور پر محدود متحرک بے ترتیبی غیر معمولی طور پر مضبوط انہارمونکیت پیدا کرتی ہے، جس کے نتیجے میں بنیادی طور پر موج نما فونون نقل و حمل اور انتہائی کم جالی حرارتی چالکتا پیدا ہوتی ہے۔

 

شکل ۱: پیچیدہ گرہ نما ساختی فریم ورک کی عکاسی کرنے والا ایک خاکہ، جو کے یو  کی محدود حرکیات کا باعث بنتا ہے اور نتیجتاً (ٹی ایل سی یو5 ایس ای 3) میں حرارت کی نقل و حمل کے غیر معمولی طریقۂ کاراور انتہائی اعلیٰ تھرمو الیکٹرک کارکردگی کو ظاہر کرتا ہے۔

یہ غیر معمولی حرارتی نقل و حمل، سازگار الیکٹرانک نقل و حمل کے ساتھ مل کر، خالص سہ عنصری چالکوجینائیڈز میں تھرمو الیکٹرک کارکردگی کی بلند ترین سطحوں میں سے ایک کا باعث بنتی ہے، جس میں میرٹ کا تھرمو الیکٹرک عدد (زیڈ ٹی) 1.7 ہے۔

اس غیر معمولی رویے کی بنیاد (ٹی ایل سی یو5 ایس ای 3)  کے مخصوص کرسٹل فریم ورک میں ہے۔ یہ مرکب ٹیٹراگونل ساخت میں کرسٹلائز ہوتا ہے اور کرسٹلگرافک سی-محور کے ساتھ کھلے چینلز کے حامل ایک پیچیدہ سہ جہتی کلوور لیف گرہ نما فریم ورک کی تشکیل کرتا ہے۔

اس پیچیدہ فریم ورک سے وابستہ اندرونی بانڈنگ کی درجہ بندی ان محدود حرکیات کا باعث بنتی ہے۔ کیو کے اس محدود متحرک رویے کی موجودگی کی تحقیق کے لیے ٹیم نے جے این سی اے ایس آر، بنگلورو کے تھیوریٹیکل سائنسز یونٹ (ٹی ایس یو) کے پروفیسر امیش وی. واگھمارے اور ان کے پوسٹ ڈاکٹریٹ محقق ڈاکٹر پرساد وی. مٹوکومیلی کے ساتھ تعاون کیا اور جدید ترین فرسٹ پرنسپلز نظریاتی حسابات اور مالیکیولر ڈائنامکس سمیولیشنز انجام دیے۔

-

شکل 2: پروفیسر کنشکا بسواس (بائیں) اور سیانتونی چودھری (دائیں)، جے این سی اے ایس آر، بنگلورو۔

مالیکیولر ڈائنامکس سمیولیشنز (وقت کے ساتھ جوہری حرکات کے کمپیوٹر پر کیے جانے والے سمیولیشنز) سے ظاہر ہوتا ہے کہ کیو ایٹم سپر آئنک تانبے کے چالکوجینائیڈز میں پائی جانے والی طویل فاصلے تک پھیلاؤ کی مائع نما خصوصیت کے بجائے مقامی متحرک بے ترتیبی کا مظاہرہ کرتے ہیں۔ یہ محدود حرکت بنیادی طور پر جالی کی مضبوط ہم آہنگی کے ایک ذریعے کے طور پر کام کرتی ہے۔ اس کے براہِ راست نتیجے کے طور پر حرارت موج نما ہم آہنگی کے ذریعے پھیلنے لگتی ہے، جہاں فونون واضح طور پر متعین ذرات کی طرح حرکت کرنے کے بجائے مقامی ارتعاشی حالتوں کے درمیان سرنگ کے ذریعے منتقل ہوتے ہیں۔

یہ سمجھنے کے لیے کہ یہ غیر معمولی ارتعاشی حالتیں حرارت کو کس طرح منتقل کرتی ہیں، محققین نے روایتی فونون گیس ماڈل سے آگے بڑھتے ہوئے حرارتی نقل و حمل کے ایک متحد رسمی طریقۂ کار کو استعمال کیا۔ یہ فریم ورک فونون کی مختلف شاخوں کے درمیان ذرہ نما فونون پھیلاؤ اور موج نما ہم آہنگی، دونوں کو مدنظر رکھتا ہے۔

اس کام کی اہمیت تھرمو الیکٹرک کارکردگی سے کہیں آگے ہے۔ اس تحقیق سے یہ واضح ہوتا ہے کہ ساختی پیچیدگی اور محدود آئن حرکیات کس طرح حرارتی نظم و نسق اور اعلیٰ کارکردگی والی تھرمو الیکٹرک توانائی کی تبدیلی کے لیے غیر روایتی طریقۂ کار کو جنم دے سکتی ہیں۔

اشاعت کا لنک: DOI:10.1126/sciadv.aeh9096

***

UR-3442

(ش ح۔اس ک  )

 

(ریلیز آئی ڈی: 2310259) وزیٹر کاؤنٹر : 9