Order-Disorder in Fe-Si Alloys: Implications for Seismic and Transport Properties of Earth's Inner Core

हमारे पैरों के बहुत नीचे, पृथ्वी के बिल्कुल केंद्र में, मंगल के आकार का लोहे का एक ठोस गोला स्थित है। यह आंतरिक कोर अत्यधिक दबाव और गर्मी का स्थान है, जहाँ तापमान सूर्य की सतह के बराबर होता है। दशकों से, वैज्ञानिक इस छिपी हुई दुनिया की सटीक प्रकृति पर बहस कर रहे हैं। वे जानते हैं कि यह मुख्य रूप से लोहे से बना है, लेकिन उन्हें संदेह है कि इसमें सिलिकॉन जैसे हल्के तत्व भी शामिल हैं, जो ग्रह के निर्माण के दौरान इसके भीतर फंस गए थे। बड़ा सवाल यह रहा है कि ये तत्व ऐसी अत्यधिक दबाव वाली स्थितियों में खुद को कैसे व्यवस्थित करते हैं। क्या लोहा एक कसकर पैक की गई, व्यवस्थित संरचना बनाता है, या यह एक अराजक, अव्यवस्थित ढेर बन जाता है? इसका उत्तर महत्वपूर्ण है क्योंकि परमाणुओं की व्यवस्था यह निर्धारित करती है कि कोर के माध्यम से ध्वनि तरंगें कैसे यात्रा करती हैं, और वे तरंगें ही एकमात्र तरीका हैं जिससे हम पृथ्वी के भीतर "देख" सकते हैं। भूकंपीय तरंगों के कैसे उछलने और टकराने को सुनकर, भूकंपविदों ने दिशा के आधार पर गति में सूक्ष्म अंतर का पता लगाया है, जो इस बात का संकेत है कि कोर की सामग्री एकसमान नहीं है।

कारनेगी इंस्टीट्यूशन फॉर साइंस के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस पहेली को सुलझाने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया है। उन्होंने लोहे को सिलिकॉन के साथ मिलाकर, आंतरिक कोर की तीव्र गर्मी और दबाव को फिर से बनाया ताकि यह देखा जा सके कि परमाणु कैसे व्यवहार करते हैं। उनका काम यह दर्शाता है कि यह कहानी केवल दो संरचनाओं के बीच के सरल चुनाव से कहीं अधिक जटिल है। इसके बजाय, कोर का व्यवहार इस बात पर बहुत अधिक निर्भर करता है कि सिलिकॉन परमाणु एक ग्रिड में करीने से व्यवस्थित हैं या लोहे के बीच बेतरतीब ढंग से बिखरे हुए हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि आंतरिक कोर के भीषण तापमान पर, सिलिकॉन परमाणु अपनी व्यवस्थित व्यवस्था खो देते हैं और अव्यवस्थित हो जाते हैं। क्रम से अराजकता की ओर यह बदलाव धातु के भौतिक गुणों को उन तरीकों से बदल देता है जो हम सतह से देखते हैं।

वैज्ञानिकों ने लोहे-सिलिकॉन मिश्र धातुओं का एक डिजिटल मॉडल बनाया और उन्हें पृथ्वी की गहराई में पाई जाने वाली स्थितियों के अधीन किया, जहाँ दबाव 330 गीगापास्कल तक पहुँच जाता है और तापमान 6,000 केल्विन तक होता है। उन्होंने अलग-अलग परिदृश्यों का परीक्षण किया, जिसमें सिलिकॉन की मात्रा और परमाणुओं के संगठन की डिग्री को बदला गया। अपने सिमुलेशन में, उन्होंने एक स्पष्ट विभाजन पाया: कम तापमान पर, परमाणु एक विशिष्ट, व्यवस्थित पैटर्न पसंद करते हैं जिसे B2 संरचना कहा जाता है। हालांकि, जैसे ही तापमान बढ़कर आंतरिक कोर के बराबर होता है, परमाणु इस व्यवस्था से मुक्त हो जाते हैं। सिलिकॉन परमाणु लोहे के साथ बेतरतीब ढंग से मिलने लगते हैं, जिससे एक अव्यवस्थित घन (cubic) संरचना बन जाती है। यह संक्रमण केवल एक क्रमिक धुंधलापन नहीं है, बल्कि सामग्री के व्यवहार में एक स्पष्ट परिवर्तन है। टीम ने इन विभिन्न अवस्थाओं की ऊर्जा की गणना की और पाया कि आंतरिक कोर के विशिष्ट तापमान और सिलिकॉन स्तरों के लिए अव्यवस्थित संस्करण वास्तव में सबसे स्थिर अवस्था है।

यह खोज भूभौतिकी की एक लंबे समय से चली आ रही पहेली को सुलझाने में मदद करती है। वर्षों से, पूरी तरह से व्यवस्थित लोहे की संरचना पर आधारित मॉडल भूकंपों द्वारा मापी गई भूकंपीय तरंगों की गति से मेल खाने में विफल रहे। विशेष रूप से, लोहे-सिलिकॉन का व्यवस्थित संस्करण बहुत सख्त था और शियर तरंगों (कंपन की एक प्रकार की गति) को बहुत तेज़ी से प्रसारित करता था। नए सिमुलेशन दिखाते हैं कि जब मिश्र धातु अव्यवस्थित हो जाती है, तो यह नरम और धीमी हो जाती है। अव्यवस्थित लोहा-सिलिकॉन मिश्र धातु 3.73 किलोमीटर प्रति सेकंड की शियर तरंग गति उत्पन्न करती है, जो पृथ्वी के आंतरिक कोर में देखे गए मानों के लगभग सटीक रूप से मेल खाती है। इसके अलावा, अव्यवस्थित संरचना व्यवस्थित संस्करण की तुलना में कठोरता में दिशात्मक भिन्नता का बहुत उच्च स्तर प्रदर्शित करती है। इसका अर्थ यह है कि यदि कोर में इस अव्यवस्थित सामग्री के क्षेत्र मौजूद हैं, तो यह कोर को अलग-अलग कोणों से देखने पर भूकंपविदों द्वारा पता लगाए गए तरंगों की गति में मामूली अंतरों की व्याख्या आसानी से कर सकता है।

यह अध्ययन इस बात पर भी प्रकाश डालता है कि कोर के माध्यम से ऊष्मा कैसे चलती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि परमाणुओं की अव्यवस्थित, अराजक व्यवस्था ऊष्मा के प्रवाह के लिए एक बाधा के रूप में कार्य करती है। जबकि मिश्र धातु का व्यवस्थित संस्करण ऊष्मा का बहुत कुशलता से संचालन करता है, अव्यवस्थित संस्करण लगभग 7 प्रतिशत कम प्रभावी ढंग से ऊष्मा का संचालन करता है। यह अंतर महत्वपूर्ण है क्योंकि कोर के ठंडा होने की दर पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र को संचालित करती है। यदि कोर में इस अव्यवस्थित सामग्री के पॉकेट (पॉकेट/कोशिकाएं) मौजूद हैं, तो यह शीतलन प्रक्रिया को धीमा कर देगा और हमारे ग्रह की रक्षा करने वाले चुंबकीय इंजन की गतिशीलता को बदल देगा। टीम ने यह भी नोट किया कि जब दोनों अवस्थाएं सह-अस्तित्व में होती हैं, तो अव्यवस्थित चरण व्यवस्थित चरण की तुलना में थोड़ा कम घना होता है। घनत्व का यह अंतर बताता है कि आंतरिक कोर के निर्माण के दौरान, हल्का, सिलिकॉन-समृद्ध अव्यवस्थित पदार्थ उथले स्तरों की ओर तैर गया होगा, जबकि भारी, सिलिकॉन-विहीन व्यवस्थित पदार्थ गहराई में डूब गया होगा, जिससे ठोस गोले के भीतर एक स्तरित संरचना बन गई।

महत्वपूर्ण बात यह है कि शोधकर्ताओं ने यह नहीं पाया कि पूरा आंतरिक कोर इस अव्यवस्थित सामग्री से बना है। उनके गणना संबंधी सुझाव बताते हैं कि कोर के अधिकांश भाग के लिए सबसे स्थिर अवस्था अभी भी व्यवस्थित, कसकर पैक की गई संरचना ही है। हालांकि, उन्होंने उन व्यापक स्थितियों की पहचान की है जहाँ अव्यवस्थित घन चरण व्यवस्थित चरण के साथ रह सकता है। यह सह-अस्तित्व एक "मिसिबिलिटी गैप" (miscibility gap) बनाता है, एक ऐसा क्षेत्र जहाँ दोनों प्रकार की संरचनाएं एक साथ रह सकती हैं। इस अव्यवस्थित सामग्री की थोड़ी सी मात्रा भी भूकंपीय संकेतों और तापीय गुणों को बदलने के लिए पर्याप्त हो सकती है ताकि वे जो हम देखते हैं उससे मेल खा सकें। निष्कर्ष इस विचार को चुनौती देते हैं कि आंतरिक कोर लोहे का एक सरल, एकसमान ब्लॉक है। इसके बजाय, यह एक ऐसा गतिशील वातावरण प्रतीत होता है जहाँ रासायनिक क्रम और अव्यवस्था पृथ्वी के गहरे रहस्यों को आकार देने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।

यह कार्य भौतिक प्रयोगों के बजाय उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन पर निर्भर करता है, क्योंकि प्रयोगशाला में आंतरिक कोर की स्थितियों को फिर से बनाना वर्तमान में असंभव है। शोधकर्ताओं ने 'फर्स्ट-प्रिंसिपल्स मॉलिक्यूलर डायनेमिक्स' नामक पद्धति का उपयोग किया, जो परमाणुओं के व्यवहार की गणना भौतिकी के मौलिक नियमों के आधार पर करती है, बिना किसी मध्यवर्ती चरणों का अनुमान लगाए। उन्होंने अपने परिणामों को सत्यापित करने के लिए यह जांचा कि परमाणुओं के क्रम और तापमान में बदलाव करने पर सिस्टम की ऊर्जा कैसे बदलती है। विभिन्न सिलिकॉन सांद्रता में उनके डेटा की निरंतरता उन्हें विश्वास दिलाती है कि आंतरिक कोर का उनका चित्र सटीक है। हालांकि वे अभी यह साबित नहीं कर सकते कि वास्तविक पृथ्वी में अव्यवस्थित चरण मौजूद है, लेकिन तथ्य यह है कि उनका सिम्युलेटेड पदार्थ भूकंपीय और तापीय अवलोकनों के साथ इतनी बारीकी से मेल खाता है, यह इसे हमारे पैरों के नीचे क्या है, इसका एक सम्मोहक उम्मीदवार बनाता है।

यह शोध न केवल लोहे की हमारी समझ को परिष्कृत करता है; यह पृथ्वी के केंद्र से आने वाले संकेतों की व्याख्या करने का एक नया तरीका भी प्रदान करता है। यह दिखाकर कि परमाणुओं की व्यवस्था ध्वनि की गति और ऊष्मा के प्रवाह को कैसे बदल सकती है, यह अध्ययन कोर की संरचना और सतह पर एकत्र किए गए डेटा के बीच एक लुप्त कड़ी प्रदान करता है। यह सुझाव देता है कि आंतरिक कोर एक स्थिर, जमी हुई गेंद नहीं है, बल्कि एक ऐसी जगह है जहाँ गर्मी, दबाव और रासायनिक मिश्रण के बीच का परस्पर प्रभाव एक जटिल, स्तरित वास्तविकता बनाता है। वैज्ञानिकों के लिए अगला कदम भूकंपीय डेटा में इस विकार (disorder) के अधिक प्रमाण खोजना होगा और यह देखना होगा कि क्या सल्फर या ऑक्सीजन जैसे अन्य हल्के तत्व भी इसी तरह व्यवहार करते हैं। फिलहाल, यह विचार कि परमाणुओं का एक अराजक मिश्रण पृथ्वी के केंद्र को समझने की कुंजी हो सकता है, हमारे ग्रह के छिपे हुए हृदय के लिए एक शक्तिशाली नया दृष्टिकोण है।