Revealing the origin of ionic conduction in silver-iodide-doped silver phosphate glass
सिल्वर-आयोडाइड-डोप्ड सिल्वर फॉस्फेट ग्लास पर टाइम-डोमेन टेराहर्ट्ज़ स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन प्रकट करता है कि आयनिक चालन केवल तभी अल्प-दूरी के विसरणात्मक परिवहन (short-range dispersive transport) में क्रॉसओवर से उभरता है जब उच्च वाहक घनत्व और बॉन्ड-बेंडिंग ध्रुवीकरण को केवल बंधित ध्रुवीकरण (bound polarization) के बजाय एक पर्याप्त रूप से मृदु ग्लास मैट्रिक्स के भीतर समाहित किया गया हो।
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हमारे फोन और कारों को शक्ति देने वाली बैटरियां एक सरल लेकिन महत्वपूर्ण तकनीक पर निर्भर करती हैं: आवेशित कणों, जिन्हें आयन कहा जाता है, को एक स्थान से दूसरे स्थान पर ले जाना। आज हम जो तरल बैटरियां उपयोग करते हैं, उनमें ये आयन एक तरल के माध्यम से आसानी से बहते हैं, ठीक वैसे ही जैसे पानी में तैरने वाले तैराक। हालांकि, अगली पीढ़ी की बैटरियों का लक्ष्य उस तरल को एक ठोस सामग्री से बदलना है। यह परिवर्तन ऐसे उपकरणों का वादा करता है जो अधिक सुरक्षित, अधिक स्थिर और अधिक ऊर्जा धारण करने में सक्षम होंगे। पेच यह है कि आयनों के लिए ठोस पदार्थों के माध्यम से आगे बढ़ना कठिन होता है। तरल में, रास्ता खुला होता है; ठोस में, आयनों को परमाणुओं के एक कठोर, भीड़भाड़ वाले नेटवर्क के बीच से रास्ता बनाना पड़ता है। दशकों से, वैज्ञानिक यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि इन आयनों को सामग्री को तोड़े बिना ठोस के माध्यम से स्वतंत्र रूप से कैसे चलाया जाए। प्रचलित विचार अक्सर यह रहा है कि यदि आप किसी ठोस में पर्याप्त संख्या में चलते हुए आयन जोड़ दें, तो वे स्वाभाविक रूप से बहने का कोई रास्ता खोज लेंगे। लेकिन यह दृष्टिकोण ठोस सामग्री को एक निष्क्रिय, अपरिवर्तनीय पिंजरे के रूप में देखता है, इस तथ्य को नजरअंदाज करते हुए कि पिंजरे को आयनों को गुजरने देने के लिए हिलने या नरम होने की आवश्यकता हो सकती है।
इलिनोइस विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं के एक दल ने सिल्वर फॉस्फेट और सिल्वर आयोडाइड से बने एक विशिष्ट प्रकार के कांच का उपयोग करके इस विचार का परीक्षण करने का निर्णय लिया। यह सामग्री ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स के अध्ययन के लिए एक मॉडल सिस्टम है क्योंकि यह वैज्ञानिकों को सिल्वर आयोडाइड की मात्रा को बदलने की अनुमति देती है, जिससे यह बदला जा सकता है कि कितने गतिशील आयन मौजूद हैं और कांच की संरचना कैसे व्यवहार करती है। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि जब आयन चलने की कोशिश करते हैं तो उस क्षणिक पल में क्या होता है, एक ऐसा समय अंतराल जो मानक विद्युत परीक्षणों के लिए बहुत तेज़ है लेकिन साधारण परमाणु कंपन देखने के लिए बहुत धीमा है। इस क्षणिक क्षण को पकड़ने के लिए, उन्होंने 'टाइम-डोमेन टेराहर्ट्ज़ स्पेक्ट्रोस्कोपी' नामक तकनीक का उपयोग किया। यह विधि प्रकाश के ऐसे पल्स भेजती है जो बिजली के धीमे बहाव और परमाणुओं के तीव्र कंपन के ठीक बीच की आवृत्ति पर स्थित होती है, जिससे टीम को सामग्री के कुल विद्युत प्रतिक्रिया को होते हुए देखने का अवसर मिलता है।
अध्ययन से पता चला कि केवल चलते हुए सिल्वर आयनों की उच्च सांद्रता जोड़ना तेज़ परिवहन बनाने के लिए पर्याप्त नहीं है। शोधकर्ताओं ने पाया कि कांच की संरचना को गति में भाग लेने के लिए पर्याप्त लचीला होना चाहिए। जब उन्होंने सामग्री को मापा, तो उन्होंने देखा कि कांच के नेटवर्क में विशिष्ट स्थानीय संरचनाएं हैं जहाँ एक सिल्वर आयन कांच के बैकबोन (रीढ़) से जुड़ा होता है। ये संरचनाएं छोटे पेंडुलम की तरह कार्य करती हैं जो झुक सकती हैं। जिन सामग्रियों में कांच का बैकबोन सख्त होता है, वहां ये पेंडुलम बस अपनी जगह पर कंपन करते हैं, जिससे एक बंधा हुआ विद्युत संकेत उत्पन्न होता है जो सामग्री के पार आवेश के वास्तविक संचलन की ओर नहीं ले जाता। हालांकि, जब सिल्वर आयोडाइड की सही मात्रा जोड़कर कांच को पर्याप्त रूप से नरम बना दिया जाता है, तो इन स्थानीय कंपनों का स्वरूप बदल जाता है। कांच के बैकबोन का झुकने वाला मोशन सिल्वर आयनों के साथ जुड़ जाता है, जिससे उन्हें उनके स्थानों से बाहर धकेला जाता है और वे छोटी दूरियां तय करने के लिए सक्षम होते हैं।
टीम ने पाया कि एक अटके हुए, कंपन करते हुए अवस्था से एक चलते हुए, कूदते हुए अवस्था में यह संक्रमण केवल तभी होता है जब दो शर्तें एक साथ पूरी होती हैं: गतिशील आयनों का घनत्व उच्च होना चाहिए, और कांच का नेटवर्क इतना नरम होना चाहिए कि स्थानीय संरचनाएं स्वतंत्र रूप से झुक सकें। कांच के सख्त संस्करणों में, कई आयनों की उपस्थिति के बावजूद, सामग्री उस अवस्था में रहती थी जहाँ आयन कठोर संरचना द्वारा फँसे हुए थे, जो केवल बिना यात्रा किए केवल कंपन कर रहे थे। शोधकर्ताओं ने इस गति के लिए आवश्यक ऊर्जा को मापा और पाया कि यह बहुत कम, लगभग 40 मिली-इलेक्ट्रॉन वोल्ट है, जो लंबी दूरी की यात्रा के लिए आवश्यक ऊर्जा से बहुत कम है। यह निम्न ऊर्जा अवरोध इस बात की पुष्टि करता है कि जो गति उन्होंने देखी वह कांच के नरम होने से प्रेरित एक अल्प-दूरी की, स्थानीय घटना है।
ये निष्कर्ष पुराने दृष्टिकोण को चुनौती देते हैं कि एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट केवल चलते हुए आयनों के लिए एक स्थिर कंटेनर है। इसके बजाय, शोध से पता चलता है कि होस्ट सामग्री इस प्रक्रिया में एक सक्रिय भागीदार है। कांच का नेटवर्क केवल वहां बैठा नहीं रहता; इसे आयनों के हिलने-डुलने में सक्षम बनाने के लिए यांत्रिक रूप से नरम और विशिष्ट झुकने वाली गतियों के अनुकूल होना चाहिए। अध्ययन बताता है कि बेहतर ठोस बैटरियों को डिजाइन करने के लिए केवल अधिक चार्ज वाहकों को भरने से अधिक की आवश्यकता होगी। इंजीनियरों को ठोस सामग्री को इस तरह भी डिजाइन करना होगा कि उसकी आंतरिक संरचना आयनों के साथ नृत्य करने के लिए पर्याप्त लचीली हो, जिससे एक कठोर पिंजरे को एक गतिशील मार्ग में बदला जा सके। यह सुलझाते हुए कि ये कंपन और आंदोलन कैसे जुड़ते हैं, शोधकर्ताओं ने यह स्पष्ट चित्र प्रदान किया है कि ठोसों के माध्यम से बिजली कैसे बहती है, जो भविष्य की उच्च-प्रदर्शन वाली बैटरियों के निर्माण के लिए एक नया ब्लूप्रिंट प्रदान करता है।
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