Extreme Suppression of Thermal Conductivity in Monolayer Beryllene
प्रथम-सिद्धांत गणनाओं (first-principles calculations) से पता चलता है कि चार-फोनोन प्रकीर्णन (four-phonon scattering), निम्न-आवृत्ति वाले फ्लेक्सरल फोनोन (low-frequency flexural phonons) के तीव्र प्रकीर्णन के माध्यम से मोनोलेयर बेरेलिन की कमरे के तापमान पर तापीय चालकता को 90% से अधिक नाटकीय रूप से कम कर देता है, जो इसे द्वि-आयामी सामग्रियों में उच्च-क्रम फोनोन-नियंत्रित तापीय परिवहन का एक अद्वितीय मामला बनाता है।
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ऊष्मा एक निरंतर यात्री है। ठोस पदार्थों की सूक्ष्म दुनिया में, यह आग की लहर के रूप में नहीं, बल्कि परमाणुओं के कंपन के रूप में चलती है, जो एक क्रिस्टल लैटिस (crystal lattice) के माध्यम से फैलने वाली एक लयबद्ध थरथराहट है। वैज्ञानिक इन कंपनों को फोनोन (phonons) कहते हैं। दशकों से, शोधकर्ता इस बात का अध्ययन कर रहे हैं कि ये कंपन ऊष्मा को कैसे ले जाते हैं, विशेष रूप से उन अति-पतली सामग्रियों में जो केवल एक परमाणु जितनी मोटी होती हैं। ये द्वि-आयामी (two-dimensional) परतें, जैसे कि ग्राफीन, अविश्वसनीय दक्षता के साथ ऊष्मा का संचालन करने के लिए प्रसिद्ध हैं, जो अक्सर हमारे इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग किए जाने वाले धातुओं से कहीं बेहतर होती हैं। इस प्रवाह को नियंत्रित करना करना महत्वपूर्ण है। यदि हम भविष्य के कंप्यूटरों के सूक्ष्म सर्किट या क्वांटम उपकरणों की नाजुक परतों में ऊष्मा का प्रबंधन नहीं कर सके, तो उपकरण अत्यधिक गर्म होकर विफल हो जाएंगे। चुनौती परमाणुओं के जटिल नृत्य में निहित है: वे एक-दूसरे से कैसे टकराते हैं, वे कैसे बिखरते हैं, और जब सामग्री को उसके सबसे पतले संभव रूप तक खींचा जाता है, तो उनकी अंतःक्रियाएं कैसे बदल जाती हैं।
भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान जोधपुर के शोधकर्ताओं की एक टीम ने बेरीलिन (beryllene) नामक एक विशिष्ट, नव-खोजे गए पदार्थ पर ध्यान केंद्रित किया है। यह बेरेलियम परमाणुओं की एक एकल परत है जो एक सपाट, हनीकॉम्ब (honeycomb) पैटर्न में व्यवस्थित है। चूंकि बेरेलियम ऐसी शीट बनाने में सक्षम सबसे हल्का धातु है, और चूंकि यह परत पूरी तरह से सपाट है, इसलिए वैज्ञानिकों ने शुरू में उम्मीद की थी कि यह ऊष्मा का एक उत्कृष्ट संवाहक होगा, ठीक अपने भारी, बल्क बेरेलियम धातु की तरह। यह पता लगाने के लिए कि इस सामग्री के माध्यम से ऊष्मा वास्तव में कैसे चलती है, शोधकर्ताओं ने फोनोन के यात्रा करने के समीकरणों को हल करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। उन्होंने केवल उन सामान्य तरीकों को ही नहीं देखा जिनसे परमाणु आपस में टकराते हैं; उन्होंने बहुत दुर्लभ, अधिक जटिल टकरावों के प्रभावों की भी गणना की जहाँ चार परमाणु एक साथ परस्पर क्रिया करते हैं।
इस अध्ययन के परिणामों ने एक नाटकीय और अप्रत्याशित मोड़ प्रकट किया। जब शोधकर्ताओं ने केवल मानक, तीन-परमाणु टकरावों का उपयोग करके ऊष्मा प्रवाह की गणना की, तो उन्होंने भविष्यवाणी की कि बेरीलिन ऊष्मा का बहुत अच्छा संचालन करेगा, जिसका मान कमरे के तापमान पर 154.3 वॉट प्रति मीटर-केल्विन होगा। यह संख्या बताती थी कि यह सामग्री एक थर्मल सुपरहाइवे होगी। हालांकि, जब उन्होंने अपनी गणनाओं में चार-परमाणु अंतःक्रियाओं को शामिल किया, तो तस्वीर तुरंत बदल गई। अनुमानित तापीय चालकता (thermal conductivity) गिरकर केवल 10.7 वॉट प्रति मीटर-केल्विन रह गई। यह 90 प्रतिशत से अधिक की कमी है, जो कि किसी भी द्वि-आयामी सामग्री में दर्ज किए गए सबसे चरम परिवर्तनों में से एक है। उच्च-क्रम की अंतःक्रियाओं को शामिल करने ने अनिवार्य रूप से एक सुपरहाइवे को एक ट्रैफिक जाम में बदल दिया।
इस पतन का कारण इस सपाट शीट में परमाणुओं का विशिष्ट व्यवहार है। एक द्वि-आयामी सामग्री में, एक विशेष प्रकार का कंपन होता है जिसे फ्लेक्सरल मोड (flexural mode) कहा जाता है, जहाँ पूरी शीट एक ड्रम की खाल की तरह ऊपर-नीचे झुकती है। उन सरल गणनाओं में जिन्होंने चार-परमाणु टकरावों की अनदेखी की थी, ये झुकने वाले कंपन बहुत लंबे समय तक जीवित रहते थे और अधिकांश ऊष्मा का संचार करते थे। वे ऊर्जा के प्राथमिक वाहक थे। लेकिन नई, अधिक विस्तृत गणनाओं ने दिखाया कि जब चार परमाणु परस्पर क्रिया करते हैं, तो वे विशेष रूप से इन झुकने वाले कंपनों के लिए भारी प्रतिरोध पैदा करते हैं। चार-परमाणु टकराव झुकने वाली तरंगों को इतनी आक्रामक तरीके से बिखेर देते हैं कि उनका जीवनकाल छोटा हो जाता है, और वे प्रभावी ढंग से ऊष्मा ले जाने में सक्षम नहीं होते हैं।
यह खोज स्पष्ट करती है कि यह सामग्री अपेक्षा के अनुरूप इतनी अलग व्यवहार क्यों करती है। झुकने वाले कंपन, जो कभी ऊष्मा के प्रमुख वाहक थे, इतने व्यापक रूप से बाधित हो जाते हैं कि ऊष्मा ले जाने की जिम्मेदारी शीट के भीतर चलने वाले अन्य प्रकार के कंपनों पर स्थानांतरित हो जाती है। ये अन्य कंपन स्वाभाविक रूप से लंबी दूरी तक ऊष्मा ले जाने में कम कुशल होते हैं। फलस्वरूप, सामग्री की ऊष्मा संचालित करने की समग्र क्षमता तेजी से गिर जाती है। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि तापमान बढ़ने के साथ यह दमन और भी मजबूत हो जाता है। जबकि सरल मॉडल ने सामग्री के गर्म होने पर ऊष्मा संचालन में एक धीमी गिरावट की भविष्यवाणी की थी, अधिक पूर्ण मॉडल ने बहुत तीव्र गिरावट दिखाई, जो यह संकेत देती है कि परमाणु अधिक तीव्रता से कंपन करने के साथ चार-परमाणु अंतःक्रियाएं और अधिक प्रभावी होती जाती हैं।
यह अध्ययन पुष्टि करता है कि कुछ अति-पतली सामग्रियों के लिए, इन दुर्लभ, चार-परमाणु अंतःक्रियाओं की अनदेखी करने से यह अनुमान बहुत अधिक बढ़ जाता है कि वे कितनी अच्छी तरह ऊष्मा का संचालन करती हैं। बेरीलिन के मामले में, यह अंतर केवल एक छोटा सा सुधार नहीं है, बल्कि ऊष्मा के संचरण के तरीके में एक मौलिक पुनर्गठन है। यह सामग्री केवल खराब ऊष्मा संचालन नहीं करती है; यह इन जटिल, उच्च-क्रम के परमाणु टकरावों द्वारा नियंत्रित तरीके से ऊष्मा के प्रवाह का सक्रिय रूप से विरोध करती है। यह निष्कर्ष बताता है कि बेरीलिन एक अनूठी प्रणाली है जहाँ ये दुर्लभ अंतःक्रियाएं तापीय परिवहन के नियमों को निर्धारित करती हैं। भविष्य के नैनो-उपकरणों को डिजाइन करने वाले इंजीनियरों और वैज्ञानिकों के लिए, इसका अर्थ यह है कि सरल मॉडलों के आधार पर यह मानना कि कोई सामग्री ऊष्मा का अच्छा संचालन करेगी, एक खतरनाक गलती हो सकती है। इन परमाणु परतों का वास्तविक व्यवहार अधिक जटिल वास्तविकता द्वारा शासित होता है, जहाँ चार परमाणुओं की सूक्ष्म, सामूहिक अंतःक्रियाएं ऊष्मा के प्रवाह को लगभग पूरी तरह से रोक सकती है।
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