One micron length scale controls kinetic stability of low energy glasses
AC नैनोकैलोरीमेट्री (nanocalorimetry) का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने पाया कि निम्न-ऊर्जा वाले इंडोमेथासिन ग्लास की गतिज स्थिरता (kinetic stability) एक एक-माइक्रोन लंबाई के पैमाने द्वारा नियंत्रित होती है, जहाँ रूपांतरण गतिकी पतली फिल्मों में सतह-प्रेरित तंत्र से मोटी नमूनों में एक विशिष्ट बल्क पथ (bulk pathway) में बदल जाती है, जो रूपांतरण प्रारंभ स्थलों के बीच की औसत दूरी को प्रकट करती है।
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
पदार्थ आमतौर पर दो परिचित अवस्थाओं में से एक में मौजूद होता है: एक ठोस, जहाँ परमाणु एक स्थान पर स्थिर होते हैं, या एक तरल, जहाँ वे स्वतंत्र रूप से बहते हैं। लेकिन एक तीसरी, पहेलीनुमा अवस्था है जिसे ग्लास (कांच जैसी अवस्था) कहा जाता है। जब कोई तरल क्रिस्टल बनाने के लिए बहुत तेज़ी से ठंडा होता है, तो उसके अणु एक अव्यवस्थित व्यवस्था में ही रुक जाते हैं, ठीक वैसे ही जैसे व्यस्त सड़क पर चलते हुए लोग अचानक बीच में ही जम गए हों। यह अवस्था वास्तव में स्थिर नहीं है; यह एक सुपरकूल्ड (अतिशीतित) तरल है जो एक अस्थायी होल्डिंग पैटर्न में फंसा हुआ है, जो धीरे-धीरे एक अधिक आरामदायक, कम-ऊर्जा वाली व्यवस्था खोजने की कोशिश कर रहा है। दशकों से, वैज्ञानिक मानते रहे हैं कि इन सामग्रियों का व्यवहार नैनोमीटर-स्तर की सूक्ष्म गतिविधियों द्वारा नियंत्रित होता है, जहाँ अणुओं के छोटे समूह एक साथ पुनर्गठित होते हैं। ये ग्लास अंततः एक अधिक स्थिर अवस्था में कैसे ढलते हैं, इसे समझना न केवल बुनियादी भौतिकी के लिए, बल्कि उन उद्योगों के लिए भी महत्वपूर्ण है जो अमोर्फस (अक्रिस्टलीय) सामग्रियों की दीर्घकालिक स्थिरता पर निर्भर करते हैं, जैसे कि फार्मास्युटिकल्स और उन्नत इलेक्ट्रॉनिक्स।
संयुक्त राज्य अमेरिका और जर्मनी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब खोजा है कि इस विश्रांति (रिलैक्सेशन) को नियंत्रित करने वाले नियम केवल सूक्ष्म आणविक समूहों के बारे में नहीं हैं। इसके बजाय, उन्होंने पाया कि एक विशिष्ट प्रकार के अत्यधिक स्थिर ग्लास के लिए, पूरी रूपांतरण प्रक्रिया एक बहुत बड़े अंतर द्वारा नियंत्रित होती है: एक माइक्रोमीटर। यह उस नैनोमीटर पैमाने से एक हजार गुना बड़ा है जिसे पहले इन सामग्रियों के प्रभाव की सीमा माना जाता था। इंडोमेथासिन नामक दवा की पतली फिल्मों का अध्ययन करके, वैज्ञानिकों ने देखा कि ग्लास को वापस बहने वाले तरल में बदलने में लगने वाला समय फिल्म की मोटाई पर निर्भर करता है, लेकिन केवल एक निश्चित बिंदु तक। एक बार जब फिल्म एक माइक्रोमीटर से अधिक मोटी हो जाती है, तो मोटाई का महत्व समाप्त हो जाता है। यह अप्रत्याशित बदलाव यह प्रकट करता है कि ग्लास सामग्री का एक समान ब्लॉक नहीं है, बल्कि एक ऐसा परिदृश्य है जो दुर्लभ, छिपे हुए स्थानों से भरा है, जहाँ रूपांतरण शुरू होता है, और ये स्थान लगभग एक माइक्रोमीटर की दूरी पर स्थित हैं।
इस छिपी हुई संरचना को देखने के लिए, शोधकर्ताओं ने 75 नैनोमीटर से 30 (माइक्रोमीटर) तक की मोटाई वाली इंडोमेथासिन की फिल्में बनाईं। उन्होंने इन फिल्मों को एक बहुत ठंडी सतह पर वाष्प के रूप में जमा करके बनाया, जो मानक शीतलन विधियों की तुलना में अणुओं को अधिक सघन और कुशलता से पैक करता है। यह प्रक्रिया एक "कम ऊर्जा" वाला ग्लास बनाती है, जो असाधारण रूप से स्थिर है और अपने संभावित ऊर्जा परिदृश्य में बहुत गहराई में स्थित है, जो एक सामान्य ग्लास की तुलना में बहुत नीचे है। शोधकर्ताओं ने इन फिल्मों को अत्यंत सटीकता के साथ ऊष्मा क्षमता (हीट कैपेसिटी) मापने में सक्षम सूक्ष्म, संवेदनशील सेंसरों पर रखा। उन्होंने इन नमूनों को उस तापमान से ठीक ऊपर गर्म किया जहाँ ग्लास सामान्यतः तरल में बदल जाता है और उन्हें वहीं बनाए रखा, यह देखने के लिए कि पूरी फिल्म को रूपांतरित होने में कितना समय लगता है।
परिणाम चौंकाने वाले थे। सबसे पतली फिल्मों के लिए, जो 600 नometers से कम थीं, रूपांतरण के लिए आवश्यक समय मोटाई के साथ सीधे तौर पर बढ़ा। यह व्यवहार एक सरल तंत्र का सुझाव देता है: परिवर्तन हवा के संपर्क में आने वाली सतह से शुरू हुआ और लगातार अंदर की ओर बढ़ा, जैसे समुद्र तट पर आती हुई लहर। जैसे-जैसे फिल्म मोटी होती गई, लहर को और अधिक दूरी तय करनी पड़ी, जिससे नीचे तक पहुँचने में अधिक समय लगा। यह सतह-प्रेरित विकास एक निरंतर गति से हुआ, जो लगभग 0.04 नैनोमीटर प्रति सेकंड की दर से आगे बढ़ा। हालाँकि, जैसे ही फिल्में 600 नैनोमीटर से अधिक मोटी हुईं, संबंध बदल गया। रूपांतरण का समय स्थिर होने लगा, और 1.4 से 30 (माइक्रोमीटर) के बीच की फिल्मों के लिए, रूपांतरण में लगने वाला समय फिल्म की मोटाई से पूरी तरह स्वतंत्र हो गया।
व्यवहार में यह बदलाव अधिक मोटी नमूनों में एक अलग तंत्र के प्रभावी होने का संकेत देता है। इन बड़ी फिल्मों में, रूपांतरण सामग्री के भीतर से सतह की लहर के पूरी तरह पहुँचने का इंतज़ार नहीं करता है। इसके बजाय, परिवर्तन सामग्री के भीतर कई स्थानों पर एक साथ शुरू होता है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि ये शुरुआती बिंदु, या "इनीशिएशन साइट्स" (आरंभ स्थल), लगभग एक माइक्रोमीटर की दूरी पर स्थित हैं। जब फिल्म इस दूरी से कम मोटी होती है, तो सतह की लहर किसी भी आंतरिक बिंदु द्वारा प्रक्रिया शुरू करने से पहले ही तल तक पहुँच जाती है। लेकिन एक बार जब फिल्म एक माइक्रोमीटर से अधिक मोटी हो जाती है, तो ये आंतरिक बिंदु आसपास के ग्लास में फैलना शुरू कर देते हैं, जिससे तरल की जेबें (पॉकेट्स) बनती हैं जो फैलती हैं और अंततः आपस में मिल जाती हैं। क्योंकि ये स्थान एक-दूसरे से काफी दूर हैं, इसलिए पूरे आयतन को भरने में लगने वाला समय यह इस बात पर निर्भर करता है कि वे कितनी तेजी से बढ़ते हैं, न कि फिल्म के कितना मोटा होने पर।
इस आंतरिक अंतराल के प्रमाण कई कोणों से मिलते हैं। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि सबसे मोटी फिल्मों के लिए रूपांतरण गतिकी (काइनेटिक्स) एक गणितीय पैटर्न का पालन करती है जिसका उपयोग अक्सर क्रिस्टल के निर्माण का वर्णन करने के लिए किया जाता है, जो यह सुझाव देता है कि तरल क्षेत्र अलग-अलग, बिखरे हुए बिंदुओं से बढ़ रहे हैं। इसके अलावा, समान सामग्रियों पर अन्य प्रयोगों ने पहले ही 500 नैनोमीटर से अधिक के पैमाने पर ग्लास संरचना में अनियमितताओं का संकेत दिया था। विभिन्न तापमानों और फिल्म की मोटाईओं में एक माइक्रोमीटर की दूरी की निरंतरता यह सुझाव देती है कि यह इन अत्यधिक स्थिर ग्लासों की एक मौलिक संरचनात्मक विशेषता है, न कि कोई यादृच्छिक घटना। यह संकेत देता है कि भले ही एक ग्लास पूरी तरह से समान दिखाई दे, फिर भी उसमें एक महत्वपूर्ण दूरी पर स्थित दुर्लभ, थोड़े कम स्थिर क्षेत्र मौजूद हैं, जो परिवर्तन को ट्रिगर करने के लिए सही परिस्थितियों की प्रतीक्षा कर रहे हैं।
यह खोज इस लंबे समय से चले आ रहे विचार को चुनौती देती है कि ग्लास का व्यवहार केवल नैनोमीटर-पैमाने की प्रक्रियाओं द्वारा संचालित होता है। जबकि अणुओं की प्रारंभिक गति सूक्ष्म स्तर पर होती है, इन विशेष ग्लासों की समग्र स्थिरता और रूपांतरण एक बहुत बड़े, माइक्रोमीटर-पैमाने के आर्किटेक्चर द्वारा निर्धारित होता है। शोधकर्ता प्रस्ताव देते हैं कि ये आरंभ स्थल आणविक पैकिंग में छोटी खामियां (डिफेक्ट्स) हो सकते हैं, या शायद ऐसे क्षेत्र जहाँ अणु अपने पड़ोसियों की तुलना में थोड़े अधिक गतिशील हैं। हालाँकि वे अभी तक सटीक रूप से यह नहीं बता सकते कि ये स्थल क्या हैं, लेकिन उनके अंतराल की स्पष्ट माप उन्हें इस संरचना के बारे में सोचने का एक नया तरीका प्रदान करती है। यह सुझाव देता है कि ग्लास की स्थिरता केवल इस बात पर निर्भर नहीं करती कि उसके अणु कितने कसकर पैक हैं, बल्कि इस पर भी निर्भर करती है कि कमजोर बिंदु एक-दूसरे से कितनी दूर वितरित हैं।
इस खोज के निहितार्थ केवल अध्ययन की गई दवा तक सीमित नहीं हैं। शोधकर्ताओं का मानना है कि यह एक माइक्रोमीटर का लंबाई पैमाना अत्यधिक स्थिर ग्लासों के लिए एक सामान्य विशेषता हो सकती है, चाहे उन्हें किसी भी तरह से बनाया गया हो। यदि यह सत्य है, तो इसका अर्थ है कि कई अमोर्फस सामग्रियों का स्थायित्व और शेल्फ-लाइफ इन छिपे हुए आरंभ स्थलों के बीच की दूरी से प्रभावित हो सकती है। उन सामग्रियों के लिए जो यहाँ परीक्षण की गई सामग्रियों की तुलना में और भी अधिक स्थिर हैं, यह दूरी संभावित रूप से दस माइक्रोमीटर या उससे भी अधिक हो सकती है। यह अध्ययन ग्लास के छिपे हुए भूगोल की एक नई खिड़की खोलता है, जो दिखाता है कि भले ही कोई सामग्री हर जगह एक जैसी दिखाई दे, फिर भी उसमें एक बड़े पैमाने की संरचना मौजूद है जिसकी खोज की जानी बाकी है।
अपने क्षेत्र के पेपरों की भीड़ में उलझे हुए हैं?
आपके रिसर्च कीवर्ड से मेल खाने वाले सबसे नए और अलग सोच वाले पेपरों का रोज़ाना Digest पाएँ—तकनीकी सारांश के साथ, आपकी भाषा में।