Vibrational spectroscopy identifies the bond asymmetry of hexagonal diamond
प्रथम-सिद्धांत जालक गतिकी (first-principles lattice dynamics) को रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी और विवर्तन डेटा के साथ संयोजित करते हुए, यह अध्ययन यह प्रदर्शित करके बल्क हेक्सागोनल डायमंड के संरचनात्मक विवाद को सुलझाता है कि इसके इंटरलेयर बॉन्ड इसके इंट्रालेयर बॉन्ड से लंबे हैं, जिससे एक विशिष्ट धनात्मक बॉन्ड विषमता (positive bond asymmetry) की पहचान होती है जो पिछले परस्पर विरोधी परिशोधनों का खंडन करती है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ मानव जाति द्वारा ज्ञात सबसे कठोर पदार्थ, हीरा, दो प्रकारों में आता है: एक परिचित गोल, उछलने वाला प्रकार जो हमें आभूषणों में मिलता है, और एक दुर्लभ, षटकोणीय (हेक्सागोनल) संस्करण जिसका वैज्ञानिक दशकों से पीछा कर रहे हैं। इन दो प्रकारों को कार्बन परमाणुओं की परतों को रखने के अलग-अलग तरीकों के रूप में सोचें, जैसे कि एक वर्गाकार ग्रिड या हनीकॉम्ब (मधुमक्खी के छत्ते के समान) ग्रिड के साथ मीनार बनाना। लंबे समय तक, वह षटकोणीय संस्करण एक साया बना रहा—जो मुख्य रूप से उल्कापिंडों में छोटे, बिखरे हुए कणों के रूप में पाया जाता था या प्रयोगशालाओं में अत्यधिक दबाव के तहत बनाया जाता था, जिससे इसका अध्ययन करना कठिन हो गया था। वैज्ञानिक यह जानना चाहते थे कि परमाणुओं की व्यवस्था वास्तव में कैसी थी क्योंकि इस सामग्री की मजबूती और व्यवहार पूरी तरह से इसके परमाणुओं के बीच की सूक्ष्म दूरियों पर निर्भर करता है। विशेष रूप से, वे एक सूक्ष्म खींचतान (tug-of-war) पर बहस कर रहे थे: क्या परतों को आपस में जोड़ने वाले बंधन एक ही परत के भीतर परमाणुओं को जोड़ने वाले बंधनों की तुलना में थोड़े छोटे हैं या थोड़े लंबे? इसे सही ढंग से समझना इसलिए महत्वपूर्ण है क्योंकि यदि हम इस सामग्री में महारत हासिल कर लेते हैं, तो यह सुपर-स्ट्रॉन्ग टूल्स या नए इलेक्ट्रॉनिक्स की ओर ले जा सकता है, लेकिन पहले, हमें इस सामग्री के वास्तविक स्वरूप पर सहमत होना होगा।
हाल ही में, दो अलग-अलग शोध टीमों ने इस षटकोणीय हीरे के बड़े, शुद्ध नमूने बनाए और एक्स-रे का उपयोग करके परमाणुओं की तस्वीरें लीं। लेकिन यहाँ एक मोड़ है: जब उन्होंने परमाणुओं के बीच की दूरियों को मापा, तो उन्हें पूरी तरह से विपरीत उत्तर मिले। एक टीम ने कहा कि ऊर्ध्वाधर (वर्टिकल) बंधन थोड़े छोटे थे, जबकि दूसरी ने कहा कि वे थोड़े लंबे थे। यह ऐसा था जैसे दो लोग एक ही इमारत को देख रहे हों और एक कह रहा हो कि छत दीवारों से नीची है, जबकि दूसरा जोर देकर कह रहा हो कि छत ऊँची है। यह असहमति इतनी बड़ी थी कि इसने वैज्ञानिक समुदाय को भ्रमित कर दिया कि इस सामग्री का वास्तविक स्वरूप क्या है।
यहाँ एक नया अध्ययन आता है जो एक अलग तरह के सुराग का उपयोग करने वाले जासूस की तरह काम करता है। केवल परमाणुओं की एक स्थिर तस्वीर देखने के बजाय, इस टीम ने सामग्री के "गाने" को सुना। उन्होंने कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी (vibrational spectroscopy) नामक तकनीक का उपयोग किया, जो एक कांच को थपथपाकर उसकी गूँज सुनने जैसा है। प्रत्येक अणु की विशिष्ट ध्वनियों का एक सेट होता है जो वह निकालता है, जो इस बात पर आधारित होता है कि उसके परमाणु कैसे जुड़े हुए हैं। यह सिमुलेट करने के लिए कि उन ध्वनियों को कैसा सुनाई देना चाहिए, शोधकर्ताओं ने विभिन्न परमाणु व्यवस्थाओं के लिए परीक्षण किया, जिससे यह पता चल सके कि कौन सी तस्वीर वास्तवв में वास्तविक थी।
जांच से पता चला कि पिछले दो "चित्र" संभवतः धुंधले या भ्रामक थे। शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, नए अध्ययन ने पाया कि षटकोणीय हीरा स्वाभाविक रूप से अपने ऊर्ध्वाधर बंधनों को थोड़ा खींचना चाहता है, जिससे वे क्षैतिज बंधनों की तुलना में लगभग 24 हज़ारवें एंगस्ट्रॉम (एक ऐसी इकाई जो इतनी छोटी है कि कल्पना करना भी कठिन है) अधिक लंबे हो जाते हैं। यह खिंचाव इसलिए होता है क्योंकि परतों के जुड़ने का एक विशिष्ट तरीका है, जो बिल्कुल वैसा ही है जैसे कोई व्यक्ति अपने कंधों के ठीक नीचे अपने पैरों के साथ खड़ा हो (एक "एक्लिप्सड" स्थिति) तो उसे थोड़ा तनाव महसूस होता है, बजाय इसके कि उसके पैर आगे-पीछे हों। सिमुलेशन ने दिखाया कि यह विशिष्ट खिंचाव एक विशिष्ट "गीत" या कंपन आवृत्ति (vibrational frequency) पैदा करता है।
जब शोधकर्ताओं ने अपने सिम्युलेटेड गीतों की तुलना वास्तविक नमूनों से रिकॉर्ड किए गए वास्तविक गीतों से की, तो परिणाम स्पष्ट थे। अन्य टीमों द्वारा प्रस्तावित दो परस्पर विरोधी संरचनाएं बस उस संगीत से मेल नहीं खाती थीं। एक टीम की संरचना ने एक बहुत ही ऊँची पिच वाला गीत पेश किया, जबकि दूसरी ने बहुत कम पिच वाला और गलत लय वाला गीत पेश किया। एकमात्र संरचना जो वास्तविक दुनिया के "गीत" से मेल खाती थी, वह थी जहाँ ऊर्ध्वाधर बंधन थोड़े लंबे थे, जिसने 2003 के पुराने, कम सटीक मापों और नए कंप्यूटर मॉडलों की पुष्टि की।
अध्ययन ने एक रहस्यमय उच्च-पिच वाली नोट (high-pitched note) का भी समाधान किया जिसे एक टीम ने 1,529 cm⁻¹ पर सुना था। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि यह पूर्ण षटकोणीय हीरे की नोट नहीं थी। इसके बजाय, उन्हें संदेह है कि यह बचे हुए ग्रेफाइट या अव्यवस्थित कार्बन का एक छोटा सा हिस्सा था जो प्रयोग के दौरान खिंच गया या दब गया था, ठीक वैसे ही जैसे एक गिटार का तार जो थोड़ा बेसुरा हो।
संक्षेप में, यह शोध पत्र कंपन को सुनकर दशकों पुराने रहस्य को सुलझाता है। यह बताता है कि षटकोणीय हीरे की एक विशिष्ट, थोड़ी खिंची हुई संरचना होती है जो इसे अद्वितीय बनाती है। यह इस विचार को खारिज करता है कि बंधन छोटे हैं या सामग्री पूरी तरह से सममित (symmetrical) है। हालाँकि लेखक अपने सिमुलेशन और वास्तविक डेटा के साथ उनके मिलान के प्रति बहुत आश्वस्त हैं, फिर भी वे स्वीकार करते हैं कि "घोस्ट नोट" (ghost note) के सटीक कारण के लिए और अधिक जांच की आवश्यकता है। वे प्रस्तावित करते हैं कि भविष्य के प्रयोगों को इन निष्कर्षों की पुष्टि करने के लिए विभिन्न प्रकार के प्रकाश के साथ सामग्री को देखना चाहिए, लेकिन फिलहाल, साक्ष्य एक ऐसे षटकोणीय हीरे की ओर इशारा करते हैं जो थोड़ा खिंचा हुआ है, न कि दबा हुआ।
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