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Break-down of the relationship between α-relaxation and equilibration in hydrostatically compressed metallic glasses

यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि धात्विक काँचों (metallic glasses) का हाइड्रोस्टेटिक संपीड़न अद्वितीय मेटास्टेबल अवस्थाएँ उत्पन्न करता है जिन्हें गर्म करने पर सरल $\alpha$ -रिलैक्सेशन द्वारा मिटाया नहीं जा सकता है, जो यह प्रकट करता है कि दबाव-प्रेरित संरचनात्मक परिवर्तनों के लिए संतुलन तक पहुँचने हेतु मानक रिलैक्सेशन के परे एक अतिरिक्त प्रक्रिया की आवश्यकता होती है।

मूल लेखक: Antoine Cornet, Jie Shen, Alberto Ronca, Shubin Li, Nico Neuber, Maximilian Frey, Eloi Pineda, Thierry Deschamps, Christine Martinet, Sylvie Le Floch, Daniele Cangialosi, Yuriy Chushkin, Federico Zont

प्रकाशित 2026-02-10

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Antoine Cornet, Jie Shen, Alberto Ronca, Shubin Li, Nico Neuber, Maximilian Frey, Eloi Pineda, Thierry Deschamps, Christine Martinet, Sylvie Le Floch, Daniele Cangialosi, Yuriy Chushkin, Federico Zontone, Marco Cammarata, Gavin B. M. Vaughan, Marco di Michiel, Gaston Garbarino, Ralf Busch, Isabella Gallino, Celine Goujon, Murielle Legendre, Geeth Manthilake, Beatrice Ruta

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

"ज़िद्दी" ग्लास का रहस्य: दबाव सब कुछ क्यों बदल देता है

कल्पना कीजिए कि आपके पास रंगीन लेगो (LEGO) ब्रिक्स का एक बड़ा कंटेनर है। आमतौर पर, यदि आप कंटेनर को हिलाते हैं (गर्मी जोड़ते हैं), तो ब्रिक्स इधर-उधर बिखर जाते हैं, एक अनुमानित पैटर्न में व्यवस्थित होते हैं, और अंततः प्लास्टिक के एक चिकने, एकसमान 'सूप' में बदल जाते हैं। विज्ञान की दुनिया में, इस "सूप" को सुपरकूल्ड लिक्विड (supercooled liquid) कहा जाता है, और ब्रिक्स के व्यवस्थित होने की इस प्रक्रिया को $\alpha$ -रिलैक्सेशन ( $\alpha$ -relaxation) कहा जाता है।

द दशकों तक, वैज्ञानिकों का मानना था कि आप उन ब्रिक्स की व्यवस्था को चाहे किसी भी तरह से बिगाड़ दें—चाहे आप उन्हें दबाएं, हिलाएं, या उनके बिखरने के बीच में ही उन्हें जमा दें—एक बार जब आप उन्हें उस "लिक्विड सूप" की स्थिति में गर्म कर देते हैं, तो ब्रिक्स अपने अतीत को "भूल" जाते हैं और अपनी मूल, मानक व्यवस्था में वापस आ जाते हैं।

यह शोध पत्र सिद्ध करता है कि, कुछ विशिष्ट धात्विक काँच (metallic glasses) के लिए, इन ब्रिक्स की याददाश्त बहुत लंबी होती है।

प्रयोग: उच्च-दबाव का दबाव (The High-Pressure Squeeze)

शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट प्रकार का "मेटालिक ग्लास" (एक धातु जो एक व्यवस्थित क्रिस्टल जाली के बजाय एक अव्यवस्थित अवस्था में जमी हुई होती है) लिया और उसे अत्यधिक दबाव में रखा—जैसे कि गहरे समुद्र के तल पर होना, लेकिन इससे कहीं अधिक तीव्र।

उन्होंने दबाने के दो मुख्य तरीके परीक्षण किए:

"क्विक फ्रीज" (HPQG): तरल को दबाना और फिर उसे तेज़ी से ठंडा करना। इसने एक बहुत ही घना, स्थिर ग्लास बनाया।
"स्लो स्क्वीज़" (HPAG): ठोस ग्लास को तब दबाना जब वह अभी भी ठोस अवस्था में था।

आश्चर्य: "रीजुवेनेटेड" (Rejuvenated) ग्लास

आप सोच सकते हैं कि किसी चीज़ को दबाने से वह अधिक "रिलैक्स्ड" और स्थिर हो जाती है। लेकिन जब उन्होंने ठोस ग्लास को दबाया (HPAG), तो कुछ अजीब हुआ। एक अधिक संगठित संरचना बनने के बजाय, परमाणु वास्तव में कुछ तरीकों से एक-दूसरे से दूर धकेले गए।

उपमा: कल्पना कीजिए कि आप एक स्पंज को दबा रहे हैं। आप उम्मीद करते हैं कि यह छोटा और अधिक सघन हो जाएगा। लेकिन कल्पना कीजिए कि यदि, उसे दबाने से, आपने वास्तव में स्पंज के आंतरिक रेशों को तोड़ दिया और उन्हें एक अधिक स्प्रिंग जैसा, अधिक "ऊर्जावान" आकार में पुनर्गठित कर दिया। स्पंज ने केवल अपना आकार ही नहीं बदला है; उसने अपना व्यक्तित्व बदल लिया है।

बड़ी खोज: एक याददाश्त जो फीकी नहीं पड़ती

यहाँ शीर्षक में वर्णित "ब्रेकडाउन" (breakdown) का उल्लेख है। आमतौर पर, ग्लास को उसके ट्रांजिशन तापमान से ऊपर गर्म करना एक "रिसेट बटन" दबाने जैसा होता है। इसका उद्देश्य यह मिटाना है कि वह सामग्री कैसे बनाई गई थी।

हालाँकि, शोधकर्ताओं ने पाया कि जब उन्होंने इन "दबे हुए" ग्लास को गर्म किया, तो रिसेट बटन काम नहीं कर सका।

यहाँ तक कि जब धातु तरल में बदल गई, तो वह सामान्य तरल में नहीं बदली। वह एक नए प्रकार के तरल में बदल गई—एक ऐसा तरल जो तेज़ बहता था और जिसकी परमाणु संरचना अलग थी। उच्च दबाव की "याददाश्त" परमाणुओं में कैद रह गई।

यह क्यों मायने रखता है? (एक "टूटा हुआ रिश्ता")

यह शोध पत्र भौतिकी के एक मौलिक नियम के "ब्रेकडाउन" की ओर संकेत करता है।

अधिकांश सामग्रियों में, $\alpha$ -रिलैक्सेशन (परमाणुओं का घूमना) और इक्विलिब्रिएशन (सामग्री का अपनी प्राकृतिक अवस्था में लौटना) के बीच एक सीधा संबंध होता है। यह कुछ ऐसा कहने जैसा है, "एक बार जब नर्तक फर्श पर स्वतंत्र रूप से घूमना शुरू कर देते हैं, तो पार्टी आधिकारिक तौर पर सामान्य हो जाती है।"

लेकिन इन संकुचित मेटालिक ग्लास में, नर्तक (परमाणु) तो घूमने लगे, लेकिन पार्टी कभी सामान्य नहीं हुई। संगीत बदल गया, फर्श का लेआउट बदल गया, और नर्तक एक पूरी तरह से अलग लय का पालन कर रहे थे।

निष्कर्ष: यहाँ एक "छिपी हुई" प्रक्रिया हो रही है। $\alpha$ -रिलैक्सेशन (गति) संरचनात्मक क्षति या दबाव के कारण हुए परिवर्तनों को ठीक करने के लिए पर्याप्त नहीं है। सामग्री को वास्तव में "रिसेट" करने के लिए एक बहुत धीमी, गहरी संरचनात्मक पुनर्गठन की आवश्यकता होती है।

हमें इसकी परवाह क्यों करनी चाहिए?

यह केवल अकादमिक जिज्ञासा नहीं है। यदि हम दबाव का उपयोग ऐसे ग्लास को "इंजीनियर" करने के लिए कर सकते हैं जिनके विशिष्ट, स्थायी गुण हों—जैसे कि अधिक कठोर, अधिक लचीला या अधिक स्थिर होना—तो हम एयरोस्पेस, इलेक्ट्रॉनिक्स या मेडिकल इम्प्लांट्स के लिए नए हाई-टेक सामग्रियां बना सकते हैं जो उनके इतिहास द्वारा "अनुकूलित" (tailor-made) की गई हों।

संक्षेप में: वैज्ञानिकों ने खोजा है कि ग्लास को दबाकर, वे इसके परमाणु ढांचे में एक "स्थायी नोट" लिख सकते हैं जिसे गर्मी भी मिटा नहीं सकती।

तकनीकी सारांश: हाइड्रोस्टैटिक रूप से संपीड़ित धात्विक कांच में $\alpha$ -रिलैक्सेशन और इक्विलिब्रिएशन के बीच संबंध का विश्लेषण

1. समस्या

अमूर्त पदार्थों (amorphous materials) के अध्ययन में, एक मौलिक प्रतिमान यह है कि किसी भी ऊष्मीय-यांत्रिक उपचार (जो एक ग्लास को मेटास्टेबल अवस्था में रखता है) की "स्मृति" को पदार्थ को सुपरकूल्ड लिक्विड चरण में गर्म करके मिटाया जा सकता है। यह सामान्यतः माना जाता है कि यह विलोपन—साम्यावस्था (equilibrium) तरल अवस्था में वापसी—प्राथमिक संरचनात्मक रिलैक्सेशन प्रक्रिया द्वारा नियंत्रित होता है, जिसे $\alpha$ -रिलैक्सेशन के रूप में जाना जाता है।

जबकि यह धारणा थर्मल रूप से उपचारित कांच के लिए सही है, अत्यधिक यांत्रिक बाधाओं के तहत इसकी वैधता अज्ञात है। विशेष रूप से, यह स्पष्ट नहीं है कि क्या उच्च-दबाव एनीलिंग (HPA) एक ऐसी अवस्था बनाता है जिसे केवल इसे ग्लास ट्रांजिशन तापमान ( $T_g$ ) से ऊपर परिवेशी दबाव पर वापस गर्म करके "रीसेट" किया जा सकता है।

2. कार्यप्रणाली

शोधकर्ताओं ने एक बहु-मोडल प्रयोगात्मक दृष्टिकोण का उपयोग करके $\text{Pt}_{42.5}\text{Cu}_{27}\text{Ni}_{19.5}\text{P}_{21}$ श्रृंखला के धात्विक कांचों की जांच की:

नमूना तैयारी: उन्होंने 5 और 10 GPa पर दो संपीड़न प्रोटोकॉल के बीच अंतर किया:
- हाई-प्रेशर क्वेंच्ड ग्लासेस (HPQGs): सुपरकूल्ड लिक्विड चरण ( $T_{comp} > T_g(P)$ ) से संपीड़ित और ठंडा किया गया।
- हाई-प्रेशर एनील्ड ग्लासेस (HPAGs): ग्लास अवस्था में संपीड़ित किया गया ( $T_{comp} < T_g(P)$ )।
ऊष्मागतिकी (Thermodynamics): माप के दौरान समयपूर्व रिलैक्सेशन को रोकने के लिए अल्ट्रा-फास्ट हीटिंग रेट्स (1000 K/s तक) का उपयोग करके एन्थैल्पी रिकवरी, $T_g$ , और फिक्टिव तापमान ( $T_f$ ) को मापने के लिए फ्लैश डिफरेंशियल स्कैनिंग कैलोरीमेट्री (FDSC) का उपयोग किया गया।
संरचना: स्थैतिक संरचना कारक $S(q)$ , मीडियम-रेंज ऑर्डर (MRO), और परमाणु क्लस्टर कनेक्टिविटी (जैसे कि इकोसाहेड्रल बनाम P-सेंटर्ड क्लस्टर) की जांच करने के लिए सिनक्रोट्रॉन एक्स-रे डिफ्रेक्शन (XRD) और पेयर डिस्ट्रीब्यूशन फंक्शन (PDF) विश्लेषण का उपयोग किया गया।
गतिशीलता (Dynamics): यह निर्धारित करने के लिए कि क्या प्रणाली साम्यावस्था (equilibrium) तक पहुँच गई है, सुपरकूल्ड लिक्विड चरण में इंटरमीडिएट स्कैटरिंग फंक्शन (ISF) और संरचनात्मक रिलैक्सेशन समय ( $\tau_\alpha$ ) को मापने के लिए एक्स-रे फोटॉन कोरिलेशन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPCS) का उपयोग किया गया।

3. मुख्य परिणाम

प्रति-सहज स्थिरता (HPAGs): HPQGs के विपरीत, जो अधिक स्थिर और रिलैक्स्ड हो जाते हैं, HPAGs स्ट्रक्चरल रिजुवेनेशन (structural rejuvenation) प्रदर्शित करते हैं। संपीड़ित होने के बावजूद, वे संदर्भ ग्लास की तुलना में उच्च फिक्टिव तापमान ( $T_f$ ) और कम थर्मल स्थिरता दिखाते हैं।
असामान्य संरचनात्मक विस्तार: गर्म करने पर, HPAGs सघन होने से पहले अपने पहले समन्वय कोशों (coordination shells) का एक आश्चर्यजनक संरचनात्मक विस्तार (लग $\sim 9$ Å तक) प्रदर्शित करते हैं। यह संक्रमण के दौरान संरचनात्मक क्रम में कमी (पहले शार्प डिफ्रेक्शन पीक के बढ़े हुए FWHM) के साथ होता है, जो हाइपर-क्वेंच्ड कांचों के विपरीत है जो गर्म होने पर व्यवस्थित होते हैं।
क्लस्टर पुनर्गठन: संरचनात्मक परिवर्तन परमाणु रूपांकनों (motifs) के पुनर्वितरण से जुड़े हैं। जबकि 'एज़-कास्ट' (as-cast) कांच 2- और 3-परमाणु कनेक्शन मोड (जो इकोसाहेड्रल और P-सेंटर्ड क्लस्टर से जुड़े हैं) को प्राथमिकता देते हैं, HPAGs दबाव-मुक्ति/हीटिंग प्रक्रिया के दौरान इन मोड में कमी और 4-परमाणु कनेक्शन मोड (ऑक्टाहेड्रोन के निर्माण का सुझाव देते हुए) में वृद्धि दिखाते हैं।
$\alpha$ -रिलैक्सेशन/इक्विलिब्रिएशन लिंक का टूटना: सबसे महत्वपूर्ण रूप से, जब HPAGs को परिवेशी दबाव पर $T_g$ से ऊपर गर्म किया जाता है, तो वे मूलतः शुद्ध सुपरकूल्ड लिक्विड में वापस नहीं लौटते। इसके बजाय, वे एक नई, विशिष्ट तरल अवस्था में परिवर्तित हो जाते हैं जो तेज़ गतिशीलता (कम $\tau_\alpha$ ) और अलग संरचनात्मक हस्ताक्षरों द्वारा चिह्नित होती है। XPCS ने पुष्टि की कि ये नई गतिकी स्थिर (stationary) है, जिसका अर्थ है कि प्रणाली मूल तरल के सापेक्ष एक स्थिर, गैर-साम्यावस्था अवस्था में है।

4. मुख्य योगदान

अपरिवर्तनीयता (Irreversibility) की खोज: यह अध्ययन सिद्ध करता है कि उच्च-दबाव एनीलिंग सामग्री के संभावित ऊर्जा परिदृश्य (potential energy landscape) में एक स्थायी परिवर्तन प्रेरित कर सकती है जिसे सरल थर्मल साइक्लिंग द्वारा मिटाया नहीं जा सकता है।
एक नए तंत्र की पहचान: लेखक प्रस्तावित करते हैं कि इन प्रणालियों में पूर्ण संरचनात्मक रिकवरी को सुगम बनाने के लिए $\alpha$ -रिलैक्सेशन एकमात्र प्रक्रिया नहीं है। पूर्ण रिकवरी के लिए एक अतिरिक्त, धीमी प्रक्रिया मौजूद होनी चाहिए।
पॉलीएमोरफिक निहितार्थ: परिणाम एक लंबाई-स्केल-निर्भर डेविट्रिफिकेशन प्रक्रिया या एक दबाव-प्रेरित ग्लास-ग्लास ट्रांजिशन की संभावना का सुझाव देते हैं जो नई मेटास्टेबल तरल अवस्थाएँ बनाता है।

5. महत्व

यह कार्य ग्लास भौतिकी के एक आधारभूत सिद्धांत को चुनौती देता है: यह विचार कि सुपरकूल्ड लिक्विड एक अद्वितीय साम्यावस्था अवस्था है जो पिछले सभी इतिहास को मिटा देती है। यह प्रदर्शित करके कि दबाव का उपयोग अनुकूलित गुणों वाले नए, स्थिर, गैर-साम्यावस्था तरल और ग्लास अवस्थाओं को "इंजीनियर" करने के लिए किया जा सकता है, यह शोध चरम स्थितियों के माध्यम से सामग्री डिजाइन (materials design via extreme conditions) के लिए नए मार्ग खोलता है। यह यह भी रेखांकित करता है कि साम्यावस्था को परिभाषित करने के लिए सूक्ष्म जांच (जैसे XPous और XRD) का उपयोग करना आवश्यक है, क्योंकि मैक्रोस्कोपिक माप दबाव के तहत विकेंद्रित प्रणालियों की जटिलता को पकड़ने में विफल हो सकते हैं।