Cooperating Cracks in Two-Dimensional Crystals
यह अध्ययन प्रकट करता है कि द्विपरतीय (बाइलेयर) 2D क्रिस्टल में मिसफिट-प्रेरित इंटरलेयर शियर, समानांतर और प्रति-समानांतर दरारों को क्रमशः आकर्षित या प्रतिकर्षित करता है, जिससे सामग्री की कठोरता बढ़ती है और फ्रैक्चर पैटर्न को इंजीनियर करने के लिए एक सैद्धांतिक ढांचा प्रदान होता है।
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जब कोई ठोस पदार्थ टूटता है, तो यह शायद ही कभी एक एकल, साफ रेखा में होता है। इसके बजाय, विफलता अक्सर दरारों के एक नेटवर्क के साथ शुरू होती है जो बढ़ती हैं, मुड़ती हैं और एक-दूसरे के साथ परस्पर क्रिया करती हैं। इंजीनियरिंग और सामग्री विज्ञान की दुनिया में, इन दरारों के व्यवहार को समझना सुरक्षा और डिजाइन का विषय है। दशकों से, वैज्ञानिक अध्ययन करते आए हैं कि कैसे दरारें एक ही ठोस ब्लॉक के माध्यम से चलती हैं। वे जानते हैं कि जब एक ही समतल तल में दो दरारें मौजूद होती हैं, तो वे अपने संरेखण (alignment) के आधार पर एक-दूसरे को दूर धकेल सकती हैं या एक-दूसरे को खींच सकती हैं। लेकिन दो-आयामी (two-dimensional) क्रिस्टल की खोज के साथ एक नया क्षितिज खुला है। ये ऐसी सामग्रियां हैं जो केवल कुछ परमाणुओं जितनी मोटी होती हैं, जैसे कि एक के ऊपर एक रखे कागज के पन्ने। क्या होता है जब इन अत्यंत पतली शीटों में से एक में दरार पड़ती है, और ठीक उसके ऊपर या नीचे वाली शीट में दूसरी दरार पड़ती है? उत्तर केवल उन चीजों के बारे में जो हम मोटी सामग्रियों के बारे में जानते हैं, उसका एक सरल विस्तार नहीं है; इन परतों के बीच की परस्पर क्रिया यह तय करने के लिए नियमों का एक पूरी तरह से अलग सेट बनाती है कि चीजें कैसे टूटती हैं।
शोधकर्ताओं ने अब मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड (molybdenum disulfide) नामक एक सामग्री में दरारों को देखकर इन छिपे हुए नियमों का खुलासा किया है, जो दो परतों में व्यवस्थित है। एक शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी (microscope) का उपयोग करते हुए जो व्यक्तिगत परमाणुओं को देख सकता है, टीम ने देखा कि इन स्टैक्ड (stacked) शीटों में दरारें कैसे बढ़ीं। उन्होंने पाया कि इन दरारों का व्यवहार पूरी तरह से इस बात पर निर्भर करता है कि परतें एक-दूसरे के सापेक्ष कैसे रखी गई हैं। जब दो दरारें आसन्न परतों में समानांतर चलती हैं, तो वे एक-दूसरे को अनदेखा नहीं करती हैं। इसके बजाय, वे एक-दूसरे की ओर आकर्षित होती हैं, और तब तक अपना रास्ता मोड़ती हैं जब तक कि वे अंततः एक एकल रेखा में विलीन नहीं हो जातीं। यह एक आश्चर्यजनक परिणाम है क्योंकि, एक ही ठोस ब्लॉक में, समानांतर दरारें आमतौर पर एक-दूसरे को धकेलती हैं या तनाव के विशिष्ट प्रकार के आधार पर जटिल तरीके से चलती हैं। यहाँ, परतें एक सेतु (bridge) के रूप में कार्य करती हैं, जो दरारों को एक-दूसरे की ओर खींचती हैं। इसके विपरीत, जब दरारें प्रति-समानांतर (anti-parallel) व्यवस्था में होती हैं, यानी वे विपरीत दिशाओं से एक-दूसरे की ओर बढ़ रही होती हैं, तो वे टकराने से बचने के लिए दूर हट जाती हैं और रास्ता बदल लेती हैं।
इस अजीब व्यवहार का रहस्य परतों के बीच का स्थान है। ये दो-आयामी क्रिस्टल बहुत कमजोर बलों द्वारा जुड़े होते हैं, जो शीट के भीतर परमाणुओं को जोड़ने वाले मजबूत बंधों (bonds) की तुलना में बहुत कमजोर होते हैं। जब ऊपरी परत में दरार खुलती है, तो यह एक अंतराल बनाता है जो निचली परत के परमाणुओं को खींचता है। क्योंकि दोनों परतें पूरी तरह से एक-दूसरे में लॉक नहीं होती हैं, इसलिए निचली परत तनाव को समायोजित करने के लिए थोड़ा फिसल जाती है। यह फिसलन, या 'शीयर' (shear), एक बल पैदा करता है जो अंतराल के माध्यम से यात्रा करता है। यदि दरारें समानांतर हैं, तो यह फिसलन उन्हें एक साथ खींचने के लिए एक खिंचाव पैदा करती है। यदि दरारें प्रति-समानांतर हैं, तो यह फिसलन एक धक्का पैदा करती है जो उन्हें दूर धकेलती है। शोधकर्ताओं ने अरबों परमाणुओं की गति का मॉडल बनाने वाले विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन चलाकर इस तंत्र की पुष्टि की। इन सिमुलेशनों ने दिखाया कि इस आकर्षण या प्रतिकर्षण की शक्ति इस बात पर निर्भर करती है कि दरारें कितनी दूर हैं और परतों के बीच का जुड़ाव कितना सख्त है। दरारें जितनी करीब होंगी, और परतों के बीच का जुड़ाव जितना मजबूत होगा, प्रभाव उतना ही अधिक नाटकीय होगा।
इन जटिल परमाणु गतिविधियों को समझने के लिए, टीम ने इस समस्या के बारे में सोचने का एक नया तरीका विकसित किया। उन्होंने दरारें बढ़ने की भविष्यवाणी करने के लिए उपयोग किए जाने वाले मानक नियमों को एक ऐसे मॉडल के साथ जोड़ा जो परतों के एक-दूसरे के विरुद्ध फिसलने का वर्णन करता है। इस दृष्टिकोण ने उन्हें यह भविष्यवाणी करने की अनुमति दी कि एक दरार अपने पड़ोसी की दूरी और सामग्री के गुणों के आधार पर बिल्कुल कैसे मुड़ेगी। उनके गणना परिणाम सूक्ष्मदर्शी और कंप्यूटर सिमुलेशन से प्राप्त अवलोकनों से पूरी तरह मेल खाते थे। उन्होंने पाया कि यह परस्पर क्रिया इतनी मजबूत है कि यह वास्तव में सामग्री को अधिक कठोर (tougher) बना सकती है। दरारों को पूरे ढांचे को कमजोर करने और फैलने के बजाय उन्हें विलीन होने के लिए प्रोत्साहित करके, सामग्री संरचना की अखंडता बनाए रखने के लिए अधिक ऊर्जा को अवशोषित कर सकती है। यह सुझाव देता है कि इंजीनियर परतों को व्यवस्थित करके दरारों के बीच की परस्पर क्रिया को नियंत्रित करने के माध्यम से मजबूत सामग्रियां डिजाइन कर सकते हैं। दरारें बनने से रोकने के बजाय, वे उन्हें इस तरह से विलय करने के लिए निर्देशित कर सकते हैं जो संरचना की अखंडता को सुरक्षित रखता है।
अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि परतों के बीच के घुमाव का कोण (angle) भी महत्वपूर्ण है। कुछ विन्यासों (configurations) में, परतें आसानी से फिसलती हैं, और दरारें अनुमानित तरीके से व्यवहार करती हैं। अन्य में, परतें इस तरह से लॉक होती हैं जो इस फिसलन को रोकती है, और दरारें एक-दूसरे को अनदेखा करती हैं, मानो वे एक ही ठोस ब्लॉक में हों। यह निष्कर्ष इस बात पर प्रकाश डालता है कि इन सामग्रियों का आंतरिक आर्किटेक्चर उनके रासायनिक संयोजन जितना ही महत्वपूर्ण है। शोधकर्ताओं ने मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड और ग्रेफीन (graphene), जो शुद्ध कार्बन से बनी सामग्री है, दोनों पर इन विचारों का परीक्षण किया और पाया कि समान सिद्धांत लागू होते हैं। परिणाम अगली पीढ़ी के अति-पतले उपकरणों में विफलता को प्रबंधित करने के बारे में एक नया दृष्टिकोण प्रदान करते हैं। यह समझकर कि पड़ोसी परतों में दरारें उनके बीच के कमजोर बलों के माध्यम से एक-दूसरे से संवाद कर सकती हैं, वैज्ञानिक अब ऐसी सामग्रियां डिजाइन करने की कल्पना कर सकते हैं जो न केवल टूटने के प्रति प्रतिरोधी हैं, बल्कि जो लंबे समय तक जीवित रहने के लिए अपने टूटने के तरीके को सक्रिय रूप से प्रबंधित करती हैं।
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