नया माइक्रोस्कोप उन्नत सामग्रियों में छिपी परमाणु संरचना को उजागर करता है
Date : 04-Aug-2024
सिडनी विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने एक नई माइक्रोस्कोपी विधि विकसित की है जो पदार्थों में परमाणु-स्तर के परिवर्तनों को देखने के लिए परमाणु जांच टोमोग्राफी का उपयोग करती है। यह प्रगति पदार्थों के गुणों की समझ को बढ़ाती है और एयरोस्पेस के लिए मजबूत मिश्र धातु, अधिक कुशल अर्धचालक और मोटरों के लिए बेहतर चुंबक का निर्माण कर सकती है।
सिडनी विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने पदार्थों में परमाणु-स्तर के परिवर्तनों का पता लगाने के लिए परमाणु जांच टोमोग्राफी का उपयोग करते हुए एक नई माइक्रोस्कोपी विधि विकसित की है , जो पदार्थ विज्ञान और इंजीनियरिंग में महत्वपूर्ण प्रगति का वादा करती है।
एक नई माइक्रोस्कोपी तकनीक शोधकर्ताओं को क्रिस्टलीय पदार्थों की परमाणु संरचना में सूक्ष्म परिवर्तनों का निरीक्षण करने में सक्षम बनाती है, जैसे कि जहाज निर्माण में उपयोग किए जाने वाले उन्नत स्टील और इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए कस्टम सिलिकॉन। इस पद्धति में पदार्थ के गुणों और व्यवहार की मौलिक उत्पत्ति के बारे में हमारी समझ को बढ़ाने की क्षमता है।
नेचर मैटेरियल्स में प्रकाशित एक पेपर में , सिडनी विश्वविद्यालय के एयरोस्पेस, मैकेनिकल और मेकाट्रॉनिक इंजीनियरिंग स्कूल के शोधकर्ताओं ने पदार्थों के भीतर परमाण्विक संबंधों को समझने का एक नया तरीका प्रस्तुत किया है।
यह सफलता एयरोस्पेस उद्योग के लिए मजबूत और हल्के मिश्र धातुओं, इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए नई पीढ़ी के अर्धचालकों और इलेक्ट्रिक मोटरों के लिए बेहतर चुम्बकों के विकास में सहायक हो सकती है। यह टिकाऊ, कुशल और लागत प्रभावी उत्पादों के निर्माण को भी सक्षम कर सकता है।
एटम प्रोब टोमोग्राफी में उन्नत तकनीकें
सिडनी विश्वविद्यालय के प्रो-वाइस-चांसलर (रिसर्च इंफ्रास्ट्रक्चर) प्रोफेसर साइमन रिंगर के नेतृत्व में किए गए अध्ययन में शॉर्ट-रेंज ऑर्डर (एसआरओ) की पेचीदगियों को उजागर करने के लिए एटम प्रोब टोमोग्राफी (एपीटी) की शक्ति का उपयोग किया गया। एसआरओ प्रक्रिया स्थानीय परमाणु वातावरण को समझने के लिए महत्वपूर्ण है जो नवीन सामग्रियों के विकास के लिए आवश्यक है जो मिश्र धातुओं और अर्धचालकों की नई पीढ़ी को आधार प्रदान कर सकती है।
एसआरओ की तुलना कभी-कभी 'सामग्री जीनोम' से की जाती है, जो क्रिस्टल के भीतर परमाणुओं की व्यवस्था या विन्यास है। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि विभिन्न स्थानीय परमाणु व्यवस्थाएं सामग्रियों के इलेक्ट्रॉनिक, चुंबकीय, यांत्रिक, ऑप्टिकल और अन्य गुणों को प्रभावित करती हैं, जिनका उत्पादों की एक श्रृंखला की सुरक्षा और कार्यक्षमता पर असर पड़ता है।
अब तक, एसआरओ को मापना और मात्रा निर्धारित करना शोधकर्ताओं के लिए चुनौतीपूर्ण रहा है, क्योंकि परमाणु व्यवस्थाएं इतने छोटे पैमाने पर होती हैं कि उन्हें पारंपरिक माइक्रोस्कोपी तकनीकों से देख पाना कठिन होता है।
प्रोफेसर रिंगर की टीम द्वारा विकसित एपीटी का उपयोग करने वाली नई विधि इन चुनौतियों पर विजय प्राप्त करती है, तथा पदार्थ विज्ञान में प्रगति का मार्ग प्रशस्त करती है, जिसका विभिन्न उद्योगों में जहाज के पतवारों के लिए स्टील्स तथा इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए कस्टम सिलिकॉन पर दूरगामी प्रभाव हो सकता है।
एयरोस्पेस, मैकेनिकल और मेकाट्रॉनिक इंजीनियरिंग स्कूल (एएमएमई) में मैटेरियल इंजीनियर प्रोफेसर रिंगर ने कहा, "हमारा शोध मैटेरियल्स साइंस में एक महत्वपूर्ण सफलता प्रस्तुत करता है।"
"क्रिस्टल संरचना और समरूपता से परे, हम क्रिस्टल के भीतर परमाणु-पैमाने के पड़ोस संबंधों के बारे में अधिक जानना चाहते थे - क्या वे यादृच्छिक हैं, या गैर-यादृच्छिक हैं? यदि उत्तरार्द्ध है, तो हम इसे मापना चाहते हैं। एसआरओ हमें यह जानकारी विस्तार से देता है, जो उन सामग्रियों के लिए विशाल संभावनाओं को खोलता है जो ताकत जैसे वांछित गुणों को प्राप्त करने के लिए विशिष्ट पड़ोस व्यवस्था के साथ, परमाणु-दर-परमाणु कस्टम-डिज़ाइन किए गए हैं।"
अध्ययन में उच्च एन्ट्रॉपी मिश्रधातुओं पर ध्यान केंद्रित किया गया, जो विभिन्न उन्नत इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों के लिए आशाजनक हैं।
निहितार्थ और भविष्य अनुसंधान
प्रोफेसर रिंगर ने कहा, "ये मिश्रधातुएं विश्व भर में बड़े पैमाने पर शोध का विषय हैं, क्योंकि इनका उपयोग उच्च तापमान की आवश्यकता वाली स्थितियों में करने में रुचि है, जैसे कि जेट इंजन और बिजली संयंत्रों में, साथ ही परमाणु रिएक्टरों में न्यूट्रॉन विकिरण परिरक्षण के लिए, जहां विकिरण क्षति से सुरक्षा आवश्यक है।"
टीम ने एपीटी से प्राप्त आंकड़ों के आधार पर उन्नत डेटा विज्ञान तकनीकों का उपयोग किया - एपीटी एक परिष्कृत इमेजिंग तकनीक है जो 3 डी में परमाणुओं को दर्शाती है, जिससे टीम को एसआरओ का निरीक्षण और माप करने में मदद मिलती है, तथा तुलना करने में मदद मिलती है कि विभिन्न प्रसंस्करण स्थितियों के तहत मिश्र धातुओं में यह कैसे बदलता है।
यह अनुसंधान कोबाल्ट-क्रोमियम-निकल उच्च एन्ट्रॉपी मिश्र धातु के अवलोकन पर केंद्रित था , जिसमें यह बताया गया कि विभिन्न ताप उपचार किस प्रकार SRO को बदल सकते हैं।
"यह भविष्य के अध्ययनों के लिए एक टेम्पलेट प्रदान करता है जिसमें एसआरओ महत्वपूर्ण सामग्री गुणों को नियंत्रित करता है। एसआरओ के विश्लेषण के विभिन्न पहलुओं पर अभी बहुत कुछ किया जाना बाकी है - यह एक कठिन समस्या है, लेकिन यह एक महत्वपूर्ण कदम है," प्रोफेसर रिंगर ने कहा।
एयरोस्पेस, मैकेनिकल और मेकाट्रॉनिक इंजीनियरिंग स्कूल में पोस्टडॉक्टरल रिसर्च फेलो डॉ. मेंगवेई हे ने कहा:
"शॉर्ट-रेंज ऑर्डर को मापने और समझने की क्षमता ने सामग्री डिजाइन के प्रति हमारे दृष्टिकोण को बदल दिया है। यह हमें यह देखने के लिए एक नया नज़रिया देता है कि कैसे परमाणु स्तर की वास्तुकला में छोटे बदलाव सामग्री के प्रदर्शन में बड़ी छलांग लगा सकते हैं।"
महत्वपूर्ण रूप से, यह अध्ययन शोधकर्ताओं की कम्प्यूटेशनल रूप से अनुकरण, मॉडल और अंततः पदार्थों के व्यवहार की भविष्यवाणी करने की क्षमताओं को बढ़ाता है क्योंकि एसआरओ एक विस्तृत परमाणु-स्तरीय खाका प्रदान करता है।
वरिष्ठ पोस्टडॉक्टरल फेलो डॉ. एंड्रयू ब्रीन ने कहा: "हमने प्रदर्शित किया है कि ऐसे शासन हैं जहाँ एसआरओ को वास्तव में एटम प्रोब टोमोग्राफी का उपयोग करके मापा जा सकता है। न केवल हमने एसआरओ को मापने के लिए एक प्रयोगात्मक दृष्टिकोण और कम्प्यूटेशनल ढांचे का बीड़ा उठाया है, बल्कि हमने एक संवेदनशीलता विश्लेषण भी तैयार किया है जो परिस्थितियों की सटीक सीमा को सीमित करता है जहाँ ऐसे माप मान्य हैं, और जहाँ वे मान्य नहीं हैं।"
डॉ. विल डेविड्स, जिन्होंने प्रोफेसर रिंगर के साथ अपनी डॉक्टरेट पूरी की और अब इंजीनियरिंग फर्म इंफ्राव्यू के लिए काम करते हैं, ने कहा: "यह एक रोमांचक प्रगति है क्योंकि हमने दिखाया है कि मल्टीकंपोनेंट मिश्र धातुओं में एसआरओ माप संभव है, जो निस्संदेह सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग समुदाय के लिए फायदेमंद होगा। समुदाय अब यह सीखना चाहेगा कि एसआरओ की मापनीय व्यवस्था को और कैसे बढ़ाया जाए, इसलिए इस शोध क्षेत्र में एक बड़ी जगह अभी खुली है।"
इस शोध को ऑस्ट्रेलिया रिसर्च काउंसिल (ARC) डिस्कवरी प्रोग्राम द्वारा समर्थित किया गया था। टीम ने ऑस्ट्रेलिया सरकार द्वारा समर्थित ऑस्ट्रेलिया-यूएस मल्टीडिसिप्लिनरी यूनिवर्सिटी रिसर्च इनिशिएटिव (AUSMURI) कार्यक्रम से भी समर्थन प्राप्त किया। टीम ने निम्नलिखित शोध सुविधाओं में किए गए प्रयोगों के लिए तकनीकी और वैज्ञानिक समर्थन को स्वीकार किया: सिडनी माइक्रोस्कोपी और माइक्रोएनालिसिस (SMM), सिडनी एनालिटिकल, सिडनी इंफॉर्मेटिक्स हब और सिडनी मैन्युफैक्चरिंग हब। SMM माइक्रोस्कोपी ऑस्ट्रेलिया का एक आधारभूत नोड है, जो NCRIS द्वारा समर्थित राष्ट्रीय माइक्रोस्कोपी सुविधा है। यह शोध टीम इंजीनियरिंग संकाय में एयरोस्पेस, मैकेनिकल और मेक्ट्रोनिक इंजीनियरिंग स्कूल के सभी सदस्य हैं, और ऑस्ट्रेलियाई माइक्रोस्कोपी और माइक्रोएनालिसिस केंद्र के सदस्य हैं। प्रोफेसर रिंगर द्वारा एक पेटेंट आवेदन आंशिक रूप से इस कार्य से संबंधित है।
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