Microsecond-Pulsed Nanocalorimetry: A Scalable Approach for Ultrasensitive Heat Capacity Measurements

पदार्थ के ऊष्मागतिक व्यवहार (thermodynamic behavior) को समझने के लिए, वैज्ञानिक अक्सर यह मापते हैं कि तापमान में परिवर्तन के साथ कोई पदार्थ कितनी ऊष्मा संचित कर सकता है। यह गुण, जिसे ऊष्मा क्षमता (heat capacity) कहा जाता है, उस सामग्री के एक फिंगरप्रिंट की तरह कार्य करता है, जो यह प्रकट करता है कि वह कब मौलिक परिवर्तन करता है, जैसे कि ठोस से तरल में बदलना या अपने चुंबकीय क्रम (magnetic order) को बदलना। दशकों तक, इन मापों के लिए अपेक्षाकृत बड़ी मात्रा में सामग्री की आवश्यकता होती थी, जिसका वजन अक्सर मिलीग्राम में होता था, क्योंकि एक छोटे नमूने से मिलने वाला संकेत मापने वाले उपकरण के स्वयं के बैकग्राउंड शोर द्वारा आसानी से दबा दिया जाता था। हालाँकि, जैसे-जैसे पदार्थ विज्ञान नैनोस्केल की ओर बढ़ा है, जिससे केवल कुछ परमाणुओं मोटी फिल्में या कुछ नैनोमीटर चौड़ी संरचनाएं बनाई जा रही हैं, उपलब्ध नमूना द्रव्यमान घटकर नैनोग्राम रेंज में आ गया है। पारंपरिक उपकरण पदार्थ की इतनी सूक्ष्म मात्रा की मंद ऊष्मीय फुसफुसाहट (thermal whispers) को पहचानने में सक्षम नहीं हैं, जिससे हमारे अत्यंत छोटे सिस्टमों में ऊष्मा और ऊर्जा कैसे व्यवहार करती है, इसकी समझ में एक बड़ा अंतर रह गया है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस अंतर को पाट दिया है, उन्होंने एक ऐसी नई विधि विकसित की है जो इतने छोटे नमूनों की ऊष्मा क्षमता को मापने में सक्षम है जिनका वजन एक अरबवें ग्राम से भी कम है। उनका दृष्टिकोण, जो हाल ही में किए गए एक अध्ययन में वर्णित है, एक सूक्ष्म सेंसर को ऊर्जा के अविश्वसनीय रूप से संक्षिप्त विस्फोटों (bursts) के माध्यम से गर्म करने पर आधारित है, जो केवल दस लाखवें सेकंड (microsecond) तक चलते हैं। ऊष्मा को समय के इतने छोटे अंतराल तक सीमित करके, शोधकर्ता ऊष्मीय ऊर्जा को सेंसर के आर-पार बगल में फैलने से रोकते हैं, जो एक ऐसी समस्या है जो आमतौर पर माप को धुंधला कर देती है और यह सीमित कर देती है कि सेंसर कितना छोटा हो सकता है। यह तकनीक उन्हें सामग्री के एक छोटे से हिस्से के ऊष्मीय हस्ताक्षर (thermal signature) को अलग करने की अनुमति देती है, जिससे उसके आंतरिक अवस्था के बारे में स्पष्ट और तीक्ष्ण विवरण प्रकट होते हैं जो पहले अदृश्य थे। परिणाम स्वरूप, यह नैनोमटेरियल्स की ऊष्मीय दुनिया में एक शक्तिशाली नई खिड़की है, जो वैज्ञानिकों को अभूतपूर्व सटीकता के साथ अत्यंत पतली फिल्मों और द्वि-आयामी (two-dimensional) सामग्रियों के मौलिक गुणों का अध्ययन करने में सक्षम बनाती है।

इस नई तकनीक का मूल आधार यह है कि यह समय और ऊष्मा का प्रबंधन कैसे करती है। पारंपरिक तरीके जो सूक्ष्म चिप्स पर ऊष्मा को मापते हैं, अक्सर मिलीसेकंड (millisecond) तक चलने वाले हीटिंग पल्स का उपयोग करते हैं। मानव मानकों के अनुसार तेज़ होने के बावजूद, ऊष्मा की दुनिया में एक मिलीसेकंड एक अनंत काल के समान है। उस समय के दौरान, ऊष्मा सेंसर के केंद्र से किनारों की ओर फैल जाती है, जिससे प्रभावी रूप से माप धुंधला हो जाता है और शोधकर्ताओं को इच्छित क्षेत्र से बड़े क्षेत्र का विश्लेषण करने के लिए मजबूर होना पड़ता है। यह पार्श्व प्रसार (lateral spreading) का अर्थ है कि एक साफ सिग्नल प्राप्त करने के लिए, सेंसर को अपेक्षाकृत बड़ा होना चाहिए, जिसके कारण एक बड़े नमूने की आवश्यकता होती है। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि हीटिंग पल्स को माइक्रोसेकंड स्केल पर—विशेष रूप से लगभग 50 माइक्रोसेकंड तक—छोटा करके, वे ऊष्मा को वहीं स्थिर (freeze) कर सकते हैं। इस संक्षिप्त क्षण में, ऊष्मा उस स्थान से दूर जाने का समय नहीं पाती जहाँ उसे उत्पन्न किया गया था। यह नियंत्रण ऊष्मा को छोटे से सेंसिंग क्षेत्र में समान बनाए रखता है, जिससे वे अपने सेंसर को एक मानव बाल की चौड़ाई के बराबर, मात्र 30 माइक्रोमीटर के वर्ग तक सिकोड़ने में सक्षम होते हैं।

इस विचार का परीक्षण करने के लिए, टीम ने सिलिकॉन नाइट्राइड की एक पतली, स्वतंत्र झिल्ली (freestanding membrane) का उपयोग करके कस्टम सेंसर बनाए, जो एक ऊष्मीय विसंवाहक (insulator) के रूप में कार्य करती है। इस झिल्ली पर, उन्होंने धातु की एक छोटी पट्टी जमा की जो हीटर और थर्मामीटर दोनों के रूप में कार्य करती है। उन्होंने इन सेंसरों के तीन अलग-अलग संस्करण तैयार किए: एक एक वर्ग मिलीमीटर के क्षेत्र को कवर करने वाली बड़ी, घुमावदार आकृति वाला, और दो सीधे, संकीर्ण स्ट्रिप्स वाले जिनका क्षेत्र 50 x 50 माइक्रोमीटर और 30 x 30 माइक्रोमीटर था। इसके बाद उन्होंने इन झिल्लियों के पीछे कोबाल्ट ऑक्साइड, जो एक चुंबकीय सामग्री है, के नमूने रखे। शोधकर्ताओं ने कोबाल्ट ऑक्साइड को इसलिए चुना क्योंकि यह एक विशिष्ट तापमान पर एक ज्ञात चुंबकीय संक्रमण (magnetic transition) से गुजरता है, जो यह देखने के लिए एक विश्वसनीय परीक्षण मामला है कि क्या उनकी नई विधि इस परिवर्तन को स्पष्ट रूप से पहचान सकती है।

परिणामों ने पुष्टि की कि माइक्रोसेकंड-पल्स विधि बिल्कुल उसी तरह काम करती है जैसा कि इरादा था। जब शोधकर्ताओं ने अपने तीव्र पल्स के साथ सेंसरों को गर्म किया, तो छोटे से सेंसिंग क्षेत्र में तापमान उल्लेखनीय रूप से समान रहा। इसके विपरीत, जब उन्होंने पुरानी तकनीकों के विशिष्ट, धीमे मिलीसेकंड पल्स का उपयोग किया, तो सेंसर के आर-पार तापमान काफी भिन्न रहा, जिससे एक ग्रेडिएंट (ढाल) बन गया जिसने माप को विकृत कर दिया। माइक्रोसेकंड पल्स का उपयोग करके, टीम कोबाल्ट ऑक्साइड के चुंबकीय संक्रमण को उस तीक्ष्णता के साथ कैप्चर करने में सक्षम थी जो पुरानी विधियों के साथ असंभव थी। वह संक्रमण, जो धीमी तकनीक के डेटा में एक व्यापक, धुंधले उभार (hump) के रूप में दिखाई देता था, नए डेटा में एक स्पष्ट, संकीर्ण शिखर (peak) के रूप में उभरा। यह तीक्ष्णता इंगित करती है कि माप ऊष्मा के प्रसार द्वारा धुंधला नहीं किया जा रहा था, बल्कि यह छोटे नमूने के वास्तविक, अंतर्निहित व्यवहार को कैप्चर कर रहा था।

अध्ययन ने यह भी प्रदर्शित किया कि यह तकनीक भौतिक मास्क (physical masks) की आवश्यकता के बिना काम कर सकती है, जो यह सीमित करे कि नमूने को कहाँ रखा जाए। पिछली तकनीकों में, शोधकर्ताओं को अक्सर एक शैडो मास्क (shadow mask) का उपयोग करना पड़ता था ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि नमूना केवल सेंसर के सक्रिय भाग को ही कवर करे, जो एक कठिन और अनिश्चित चरण था। चूंकि माइक्रोसेकंड पल्स ऊष्मा को बहुत कसकर सीमित करते हैं, इसलिए माप का प्रभावी क्षेत्र पल्स की अवधि द्वारा ही परिभाषित होता है, न कि नमूने की भौतिक सीमाओं द्वारा। इसका अर्थ है कि शोधकर्ता कोबाल्ट ऑक्साइड की फिल्म को सीधे सेंसर पर जमा कर सकते थे बिना इस बात की चिंता किए कि यह माप क्षेत्र से बाहर फैल जाएगी। यह तकनीक समान सामग्रियों पर पिछले अध्ययनों की तुलना में लगभग एक हजार गुना द्रव्यमान कम करके, केवल कुछ नैनोग्राम वजन वाले नमूने की ऊष्मा क्षमता का पता लगाने के लिए पर्याप्त संवेदनशील सिद्ध हुई।

इस कार्य के निहितार्थ केवल कोबाल्ट ऑक्साइड के मापन तक ही सीमित नहीं हैं। इतने छोटे पैमाने पर ये माप करने की क्षमता उन विविध सामग्रियों के अध्ययन का द्वार खोलती है जो पहले विश्लेषण के लिए बहुत छोटी थीं। यह तकनीक बाहरी उद्दीपनों (external stimuli) के अनुकूल है, जिसका अर्थ है कि वैज्ञानिक ऊष्मा क्षमता को मापते समय चुंबकीय या विद्युत क्षेत्र लागू कर सकते हैं, जिससे वे इन सामग्रियों को वास्तविक समय में प्रतिक्रिया देते हुए देख सकते हैं। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि यह तकनीक विशेष रूप से द्वि-आयामी सामग्रियों और अन्य नैनोस्ट्रक्चर के अध्ययन के लिए उपयुक्त है जहाँ सतह के प्रभाव (surface effects) हावी होते हैं। उच्च स्थानिक और ऊष्मीय रिज़ॉल्यूशन के साथ ऊष्मा क्षमता को मापने का एक तरीका प्रदान करके, यह नया दृष्टिकोण अगली पीढ़ी की नैनोमटेरियल्स के ऊष्मागतिक गुणों की खोज के लिए एक मजबूत मंच प्रदान करता है, जो कभी शोर भरे, अस्पष्ट सिग्नल को सामग्री के आंतरिक जीवन की एक स्पष्ट और विस्तृत तस्वीर में बदल देता है।