Irida-Graphene Phonon Thermal Transport via Non-equilibrium Molecular Dynamics Simulations
यह अध्ययन गैर-संतुलन आणविक गतिशीलता सिमुलेशन का उपयोग करके यह प्रकट करता है कि नव प्रस्तावित 2D कार्बन एलोट्रोप, इरिडा-ग्राफीन (Irida-Graphene), अपनी छिद्रपूर्ण 3-6-8 रिंग संरचना से होने वाले फोनोन स्कैटरिंग और कम समूह वेगों के कारण शुद्ध ग्राफीन की तुलना में काफी कम, लगभग 215 W/mK की अंतर्निहित कमरे के तापमान वाली तापीय चालकता प्रदर्शित करता है—जबकि उल्लेखनीय आकार प्रभावों के साथ समदैशिक तापीय परिवहन बनाए रखता है।
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नन्हे मशीनों की दुनिया में ऊष्मा (हीट) एक निरंतर चुनौती है। जैसे-जैसे इलेक्ट्रॉनिक उपकरण रेत के एक कण के आकार तक छोटे होते जा रहे हैं, उनके द्वारा उत्पन्न ऊष्मा का प्रबंधन करना कठिन होता जा रहा है, जो अक्सर उन घटकों को पिघलाने का खतरा पैदा करता है जिन्हें उन्हें शक्ति देनी होती है। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिक द्वि-आयामी (टू-डायमेंशनल) सामग्रियों के क्षेत्र की ओर देखते हैं—परमाणुओं की ऐसी परतें जो इतनी पतली हैं कि वे अनिवार्य रूप से सपाट हैं। इनमें से, कार्बन परमाणुओं की एक एकल परत जो हनीकॉम्ब (मधुमक्खी के छत्ते) के पैटर्न में व्यवस्थित है, जिसे ग्राफीन कहा जाता है, लंबे समय से मुख्य आकर्षण रही है। यह अविश्वसनीय दक्षता के साथ ऊष्मा का संचालन करती है, जो थर्मल ऊर्जा के लिए एक सुपरहाइवे की तरह कार्य करती है। हालाँकि, शोधकर्ता लगातार इन सामग्रियों के नए रूपों की खोज कर रहे हैं जो अलग गुण प्रदान कर सकें, शायद उस अत्यधिक गति के बदले कुछ अन्य उपयोगी विशेषताओं का व्यापार करें, या बस इस बात को नियंत्रित करने के नए तरीके खोजें कि एक ठोस के माध्यम से ऊष्मा कैसे चलती है।
हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने 'इरिडा-ग्राफीन' (Irida-Graphene) नामक एक नई प्रस्तावित कार्बन संरचना की ओर अपना ध्यान केंद्रित किया। ग्राफीन के पूर्ण हनीकॉम्ब के विपरीत, यह सामग्री त्रिकोणों, षट्कोणों (हेक्सागोन) और अष्टकोणों (ऑक्टागन) के मिश्रण से बनी है, जो एक छिद्रपूर्ण, खुले डिजाइन वाली शीट बनाती है। वैज्ञानिक यह समझना चाहते थे कि इस अद्वितीय जाली (लैटिस) के माध्यम से ऊष्मा कैसे यात्रा करती है। परमाणुओं की गति की नकल करने वाले शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, उन्होंने ट्रैक किया कि थर्मल ऊर्जा इस सामग्री में कैसे प्रवाहित होती है। उन्होंने पाया कि हालांकि इरिडा-ग्राफीन अभी भी ऊष्मा का एक अच्छा चालक है, लेकिन यह अपने प्रसिद्ध संबंधी (ग्राफीन) की तुलना में इस काम में काफी धीमा है। कमरे के तापमान पर, यह सामग्री लगभग 215 वॉट प्रति मीटर प्रति केल्विन की दर से ऊष्मा का संचालन करती है। यह उसी पद्धति से मापे जाने पर शुद्ध ग्राफीन में देखे गए लगभग 1,200 वॉट प्रति मीटर प्रति केल्विन से एक बड़ी गिरावट है।
इस मंदी का कारण सामग्री की अपनी वास्तुकला में निहित है। ग्राफीन जैसी एक पूर्ण शीट में, ऊष्मा-वाहक कंपन, जिन्हें फोनोन (phonons) कहा जाता है, बिना किसी बाधा के लंबी दूरी तय कर सकते हैं। इरिडा-ग्राफीन में, विभिन्न रिंग आकारों का मिश्रण एक ऊबड़-खाबड़ परिदृश्य बनाता है। जैसे-जैसे ये कंपन सामग्री के माध्यम से चलते हैं, वे छिद्रपूर्ण डिजाइन की संरचनात्मक अनियमितताओं से लगातार टकराते हैं। यह प्रकीर्णन (स्कैटरिंग) प्रभाव उन्हें धीमा कर देता है, ठीक वैसे ही जैसे एक धावक एक स्पष्ट ट्रैक के बजाय बाधाओं से भरे रास्ते पर आगे बढ़ता है। शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि इरिडा-ग्राफीन में इन कंपनों के यात्रा करने की गति ग्राफीन की तुलना में कम है, जो ऊष्मा को स्थानांतरित करने की क्षमता को कम करने में और योगदान देती है।
अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि सामग्री का आकार बहुत मायने रखता है। जब शीट बहुत छोटी होती है, तो ऊष्मा सीधे और निर्बाध तरीके से चलती है। जैसे-जैसे शीट लंबी होती जाती है, ऊष्मा अधिक प्रकीर्णित होने लगती है, जिससे वह परिवहन के एक अलग मोड में बदल जाती है। यह संक्रमण एक विशिष्ट दूरी पर होता है, जिसे टीम ने लगभग 55 नैनोमीटर गणना किया है। ग्राफीन की तुलना में कम चालक होने के बावजूद, यह सामग्री बोरॉन या मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड के कुछ रूपों जैसे कई अन्य द्वि-आयामी पदार्थों की तुलना में बेहतर प्रदर्शन करती है। यह सुझाव देता है कि इरिडा-ग्राफीन उन थर्मल प्रबंधन प्रणालियों में अपना स्थान बना सकता है जहाँ ग्राफीन की अत्यधिक गति के बजाय मध्यम, नियंत्रित ऊष्मा प्रवाह अधिक वांछनीय है, जो अगली पीढ़ी के कॉम्पैक्ट इलेक्ट्रॉनिक्स डिजाइन करने वाले इंजीनियरों को एक नया उपकरण प्रदान करता है।
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