Optical-Phonon-Enabled Large Lattice Thermal Conductivity Anisotropy in Hexagonal Perovskites Cs$BX_3$ ($B$ = Mg, Cd; $X$ = Cl, Br, I)

ऊष्मा ठोस पदार्थों के भीतर एक निरंतर यात्री है, जो क्रिस्टल बनाने वाले सूक्ष्म, कंपन करते परमाणुओं के माध्यम से गर्म स्थानों से ठंडे क्षेत्रों की ओर चलती है। अधिकांश ठोस पदार्थों में, यह ऊष्मा सभी दिशाओं में लगभग समान रूप से चलती है, लेकिन कुछ विशेष सामग्रियों में, यह एक दिशा में ढलान वाली नदी में बहते पानी की तरह बहती है, जबकि दूसरी दिशा में यह किनारों के पार मुश्किल से टपक पाती है। यह दिशात्मक अंतर, जिसे थर्मल कंडक्टिविटी अनिसोट्रॉपी (thermal conductivity anisotropy) कहा जाता है, उन इंजीनियरों के लिए एक अत्यधिक वांछित गुण है जिन्हें इलेक्ट्रॉनिक्स में ऊष्मा का प्रबंधन करने या अपशिष्ट ऊष्मा को बिजली में बदलने की आवश्यकता होती है। दशकों से, वैज्ञानिक उन सामग्रियों में इन एक-तरफा ऊष्मा राजमार्गों की तलाश कर रहे थे जो स्वाभाविक रूप से परतदार या श्रृंखला-नुमा होती हैं, जहाँ परतों के बीच कमजोर बंधन एक बाधा के रूप में कार्य करते हैं, जिससे ऊष्मा को मजबूत परतों के भीतर ही रहने के लिए मजबूर किया जाता है। ये सामग्रियां अक्सर परमाणुओं के बीच एक विशिष्ट प्रकार के कमजोर संबंध पर निर्भर करती हैं, जो बिल्कुल वैसे ही है जैसे कागज की शीट का एक ढेर एक-दूसरे के विरुद्ध आसानी से फिसल सकता है लेकिन अलग होने के प्रति प्रतिरोध करता है।

हालाँकि, एक नया अध्ययन बताता है कि प्रकृति के पास एक अलग तरकीब है, जिसके लिए कमजोर परतों या नाजुक संरचनाओं की आवश्यकता नहीं है। शोधकर्ताओं ने खोजा है कि कुछ ठोस क्रिस्टल, जो सभी दिशाओं में यांत्रिक रूप से मजबूत और समान होते हैं, फिर भी एक विशिष्ट दिशा में आश्चर्यजनक दक्षता के साथ ऊष्मा को प्रवाहित कर सकते हैं। सीज़ियम, मैग्नीशियम या कैडमियम और क्लोरीन, ब्रोमीन या आयोडीन जैसे हैलोजन से बने क्रिस्टल के एक परिवार का परीक्षण करते हुए, टीम ने पाया कि ऊष्मा क्रिस्टल के ऊर्ध्वाधर अक्ष (vertical axis) के साथ दौड़ सकती है जबकि उसे क्षैतिज तल (horizontal plane) में रोक कर रखा जा सकता है। यह खोज इसलिए महत्वपूर्ण है क्योंकि इन क्रिस्टलों में वे कमजोर, परतदार बंधन नहीं हैं जिन्हें आमतौर पर इस तरह के व्यवहार के लिए आवश्यक माना जाता है। इसके बजाय, रहस्य इस बात में छिपा है कि परमाणु विशिष्ट गति से कैसे कंपन करते हैं, जो क्रिस्टल के उस हिस्से को जो पहले ऊष्मा के लिए एक डेड एंड (dead end) माना जाता था, एक सुपरहाइवे में बदल देता है।

शोधकर्ताओं ने इन हेक्सागोनल पेरोव्स्काइट (hexagonal perovskite) क्रिस्टल के व्यवहार को मैप करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया, विशेष रूप से यह देखने के लिए कि कमरे के तापमान पर ऊष्मा इनके माध्यम से कैसे चलती है। उन्होंने गणना की कि क्रिस्टल के माध्यम से ऊर्ध्वाधर रूप से बहने वाली ऊष्मा, क्षैतिज रूप से बहने वाली ऊष्मा की तुलना में 2.6 और 7.5 गुना अधिक तेज़ हो सकती है। कुछ मामलों में, ऊर्ध्वाधर ऊष्मा प्रवाह 6.26 वॉट प्रति मीटर प्रति केल्विन तक पहुँच जाता है, जो एक ठोस के लिए एक सम्मानजनक गति है, जबकि क्षैतिज प्रवाह 0.13 तक गिर जाता है। यह एक उल्लेखनीय अंतर है, विशेष रूप से इसलिए क्योंकि क्रिस्टल स्वयं एक दिशा में यांत्रिक रूप से कठोर और दूसरी दिशा में नरम नहीं हैं; उनकी आंतरिक कठोरता सभी दिशाओं में लगभग एक समान है। यह खोज इस पुराने विचार को चुनौती देती है कि ऊष्मा को उसी दिशा में खराब तरीके से प्रवाहित करने के लिए आपको एक ऐसी सामग्री की आवश्यकता होती है जो उस दिशा में भौतिक रूप से कमजोर हो।

यह समझने के लिए कि यह कैसे होता है, हमें क्रिस्टल के भीतर परमाणुओं के सूक्ष्म कंपनों को देखना होगा। अधिकांश सामग्रियों में, ऊष्मा ध्वनि जैसी तरंगों द्वारा ले जाई जाती है जिन्हें एकोस्टिक फोनोन (acoustic phonons) कहा जाता है, जो तेजी से और कुशलता से चलती हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि इन क्रिस्टलों में, ये ध्वनि तरंगें क्षैतिज की तुलना में ऊर्ध्वाधर रूप से अधिक तेजी से चलती हैं, लेकिन केवल इन ध्वनियों के आधार पर ऊष्मा प्रवाह के बड़े अंतर को समझाने के लिए पर्याप्त नहीं हैं। असली आश्चर्य एक अलग प्रकार के कंपन से आया: ऑप्टिकल फोनोन (optical phonons)। ये उच्च-आवृत्ति वाले कंपन हैं जहाँ परमाणु एक-दूसरे के विरुद्ध चलते हैं, जिन्हें अक्सर बहुत अधिक ऊष्मा ले जाने के लिए बहुत सुस्त माना जाता है। अध्ययन से पता चला कि इन क्रिस्टलों में, इन ऑप्टिकल कंपनों की एक विशिष्ट श्रेणी ऊष्मा के लिए एक अत्यधिक कुशल परिवहन चैनल के रूप में कार्य करती है, लेकिन केवल ऊर्ध्वाधर दिशा में।

ये विशेष कंपन परमाणुओं की पूरी श्रृंखला को शामिल करते हैं जो एक स्तंभ की तरह जुड़े हुए हैं, जो एक समन्वित तरीके से चलते हैं जिससे वे क्रिस्टल संरचना में ऊपर-नीचे तेजी से जा सकते हैं। इसी समय, बड़े सीज़ियम परमाणुओं से जुड़े अन्य कंपन क्षैतिज प्रवाह पर एक ब्रेक की तरह कार्य करते हैं। ये सीज़ियम परमाणु अपने पिंजरों के भीतर ढीले होकर झूमते (rattle) हैं, जिससे बहुत अधिक घर्षण पैदा होता है जो ऊष्मा को बिखेर देता है और उसे बगल में जाने से रोकता है। परिणाम स्वरूप, एक ऐसा क्रिस्टल प्राप्त होता है जो यांत्रिक रूप से ठोस और समान है, फिर भी तापीय रूप से चयनात्मक है। ऊर्ध्वाधर चैनल ऑप्टिकल कंपनों को ऊष्मा ले जाने के लिए खुले रहते हैं, जबकि क्षैतिज पथ झूमते हुए सीज़ियम परमाणुओं द्वारा अवरुद्ध कर दिए जाते हैं।

टीम ने इन क्रिस्टलों के कई रूपांतरों का परीक्षण किया, यह देखने के लिए कि विशिष्ट परमाणुओं के उपयोग से ऊष्मा प्रवाह कैसे बदलता है। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे परमाणु भारी होते गए और रासायनिक बंधन कमजोर होते गए, समग्र ऊष्मा प्रवाह धीमा हो गया, लेकिन दिशात्मक अंतर मजबूत बना रहा। क्रिस्टल के सबसे हल्के संस्करण में, ऊर्ध्वाधर ऊष्मा प्रवाह क्षैतिज प्रवाह से लगभग आठ गुना तेज़ था। सबसे भारी संस्करण में, अंतर अभी भी ढाई गुना से अधिक था। यह निरंतरता बताती है कि यह तंत्र सुदृढ़ है और केवल किसी एक विशिष्ट रासायनिक संयोजन का संयोग नहीं है। शोधकर्ताओं ने यह भी पुष्टि की कि क्रिस्टल स्थिर हैं और इन्हें प्रयोगशाला में बनाया जा सकता है, क्योंकि इस विशिष्ट संरचना को बनाने के लिए आवश्यक ऊर्जा इन सामग्रियों के सबसे स्थिर रूपों के बहुत करीब है।

यह कार्य बिना नाजुक, परतदार संरचनाओं पर निर्भर किए सामग्री डिजाइन करने के लिए एक नया मार्ग खोलता है। केवल इस बात पर ध्यान केंद्रित करके कि सामग्री कितनी सख्त है, बल्कि इस पर कि परमाणु विशिष्ट पैटर्न में कैसे कंपन करते हैं, वैज्ञानिक अब ठोस पदार्थों की एक बहुत व्यापक श्रेणी में ऊष्मा राजमार्गों की तलाश कर सकते हैं। इन क्रिस्टलों में परमाणुओं की फेस-शेयरिंग (face-sharing) श्रृंखलाएं ऊष्मा को एक दिशा में निर्देशित करने और दूसरी दिशा में रोकने के लिए एक प्राकृतिक ढांचा प्रदान करती हैं। यह खोज बताती है कि थर्मल प्रबंधन का भविष्य केवल सामग्री की पतली परतों को एक के ऊपर एक रखने में नहीं है, बल्कि सटीक, एक-तरफा तापीय पथ बनाने के लिए मजबूत, त्रि-आयामी क्रिस्टल के आंतरिक कंपनों को इंजीनियर करने में है।