In-Situ TEM Observation of Solid-State Phase Evolution in High-Entropy Alloy Nanoparticles

धातु विज्ञान (Metallurgy) को अक्सर धातुओं को एक साथ पिघलाकर अधिक मजबूत, अधिक उपयोगी सामग्रियां बनाने के विज्ञान के रूप में देखा जाता है। सदियों तक, नियम सरल था: थोड़ा सा यह मिलाओ और थोड़ा सा वह मिलाओ, और आपको एक अनुमानित परिणाम प्राप्त होगा। लेकिन पिछले दो दशकों में, वैज्ञानिकों ने एक नई श्रेणी की सामग्रियां बनाकर इस पुराने सोचने के तरीके को चुनौती देना शुरू कर दिया है, जिन्हें 'हाई-एन्ट्रॉपी अलॉय' (high-entropy alloys) कहा जाता है। एक मुख्य धातु जिसमें कुछ मिलावटें हों, इसके बजाय ये मिश्र धातु पांच या अधिक अलग-अलग धातुओं को समान मात्रा में मिलाकर बनाई जाती हैं। एक सूप के बर्तन की कल्पना करें जहाँ हर एक चम्मच में गाजर, आलू, प्याज, अजवाइन और मटर की बिल्कुल समान संख्या है, जो इतनी अच्छी तरह से आपस में मिल गए हैं कि कोई भी सब्जी हावी नहीं है। इन मिश्र धातुओं में, परमाणु इतने मिले हुए होते हैं कि वे अलग-अलग परतों या ढेलों के बजाय एक एकल, अव्यवस्थित क्रिस्टल संरचना बनाते हैं। यह अराजक व्यवस्था सामग्री को अद्वितीय गुण प्रदान करती है, जैसे कि अविश्वसनीय मजबूती और टूटने के प्रति प्रतिरोध, जो उन्हें जेट इंजनों से लेकर मेडिकल इम्प्लांट्स तक के लिए आशाजनक उम्मीदवार बनाती है। हालाँकि, जबकि वैज्ञानिक जानते हैं कि ये सामग्रियां ठंडी होने पर कैसा व्यवहार करती हैं, उन्हें गर्म होने पर क्या होता है, इसे समझने में एक बड़ा अंतर है। विशेष रूप से, शोधकर्ता जानना चाहते थे कि क्या यह अराजक मिश्रण गर्म होने पर भी मिश्रित रहता है, या क्या परमाणु अंततः खुद को व्यवस्थित करने का निर्णय लेते हैं, और यदि ऐसा होता है, तो यह छँटाई सूक्ष्म स्तर पर कैसे होती है।

इन प्रश्नों का उत्तर देने के लिए, शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक विशिष्ट हाई-एन्ट्रॉपी अलॉय के सूक्ष्म कणों पर ध्यान केंद्रित किया जिसे 'कैंटर अलॉय' (Cantor alloy) के रूप में जाना जाता है, जो लोहा, कोबाल्ट, क्रोमियम, मैंगनीज और निकल के समान भागों से बना है। उन्होंने इन धातुओं को एक साथ पिघलाकर और फिर एक विशेष तकनीक का उपयोग करके उन्हें महीन पाउडर में पीसकर इन कणों को बनाया, जो तापमान को अत्यंत कम रखता है ताकि धातु हवा के साथ प्रतिक्रिया न करे। लक्ष्य इन सूक्ष्म कणों को गर्म करते समय वास्तविक समय में बदलते हुए देखना था, जो एक कठिन प्रक्रिया है क्योंकि कण बहुत छोटे होते हैं और परिवर्तन बहुत तेजी से होते हैं। वैज्ञानिकों ने पाउडर को एक शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी (microscope) के अंदर रखा जो न केवल व्यक्तिगत परमाणुओं को देख सकता था बल्कि नमूने को देखते समय उसे गर्म भी कर सकता था। उन्होंने कणों को दो अलग-अलग तापमानों तक गर्म किया: 550 डिग्री सेल्सियस और 850 डिग्री सेल्सियस, और किसी भी संरचनात्मक या संरचनात्मक बदलाव को देखने के लिए उन्हें कुछ समय के लिए वहीं बनाए रखा।

जब शोधकर्ताओं ने पहली बार कमरे के तापमान पर कणों को देखा, तो उन्होंने एक पूरी तरह से मिश्रित, अव्यवस्थित ठोस देखा जहाँ सभी पांच धातुएं समान रूप से फैली हुई थीं, जैसा कि अपेक्षित था। हालाँकि, जैसे ही उन्होंने नमूने को 550 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया, परिवर्तन के पहले संकेत दिखाई दिए। कण समूहों की सतह पर मौजूद परमाणु हिलने लगे। विशेष रूप से, लोहा और मैंगनीज के परमाणु कण समूहों के किनारों की ओर बढ़ने लगे, जबकि अन्य तत्व केंद्र में रहे। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि इस तापमान पर, सतह के परमाणुओं के पास घूमने के लिए पर्याप्त ऊर्जा होती है, जो प्रसार (diffusion) के लिए एक तेज़ राजमार्ग की तरह कार्य करते हैं, जबकि क्रिस्टल के भीतर के परमाणु अपेक्षाकृत स्थिर रहते हैं। कण पिघले या टूटे नहीं; इसके बजाय, सतह के परमाणुओं ने बस खुद को पुनर्गठित किया, जिससे क्लस्टरों के चारों ओर लोहे और मैंगनीज से समृद्ध एक पतली परत बन गई।

जब तापमान बढ़ाकर 850 डिग्री सेल्सियस कर दिया गया, तो कहानी काफी बदल गई। इस उच्च ताप पर, परमाणुओं ने बहुत अधिक स्वतंत्र रूप से घूमने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त कर ली, और सामग्री दो अलग-अलग क्षेत्रों में विभाजित होने लगी। कभी एकसमान मिश्रण अब अलग हो गया, जिसमें कुछ क्षेत्र निकल और कोबाल्ट से समृद्ध हो गए, जबकि अन्य क्षेत्र क्रोमियम और मैंगनीज से समृद्ध हो गए। लोहा परमाणु एक पुल की तरह कार्य करते प्रतीत हुए, दोनों क्षेत्रों में मौजूद रहे लेकिन अलगाव को बढ़ावा देने में मदद की। शोधकर्ताओं ने देखा कि कण समूहों के भीतर के छोटे व्यक्तिगत क्रिस्टल एक साथ जुड़ने लगे, बड़े होने लगे और अपने गर्दन वाले हिस्सों (necks) पर फ्यूज होने लगे। जैसे-जैसे वे फ्यूज हुए, रासायनिक छँटाई तेज हो गई, जिससे एक स्पष्ट विभाजन हुआ जहाँ कण का एक हिस्सा धातुओं के एक सेट द्वारा और दूसरा हिस्सा दूसरे सेट द्वारा प्रधान था। यह अलगाव यादृच्छिक (random) नहीं था; यह उच्च ताप के साथ परमाणुओं द्वारा एक अधिक स्थिर, निम्न-ऊर्जा व्यवस्था खोजने का सीधा परिणाम था, जो यह सिद्ध करता है कि "अव्यवस्थित" अवस्था हमेशा स्थायी नहीं होती जब सामग्री को उच्च तापमान तक धकेला जाता है।

यह समझने के लिए कि परमाणु किस तरह से हिले, शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर सिमुलेशन भी चलाए जिन्होंने समान हीटिंग स्थितियों के तहत परमाणुओं के व्यवहार का मॉडल बनाया। इन सिमुलेशन ने पुष्टि की कि लोहे और मैंगनीज की गति इन परिवर्तनों का प्राथमिक चालक थी। कंप्यूटर मॉडल ने दिखाया कि लोहे के परमाणुओं में अंदर की ओर बढ़ने और एक कोर बनाने की प्रबल प्रवृत्ति होती है, जबकि मैंगनीज के परमाणुओं को बाहर धकेल दिया जाता है। यह गति परमाणुओं की मौलिक ऊर्जा द्वारा संचालित होती है, जो विशिष्ट पैटर्न में पुनर्गठित होकर अपनी कुल ऊर्जा को न्यूनतम करने की तलाश में रहते हैं। सिमुलेशन वास्तविक दुनिया के अवलोकनों से पूरी तरह मेल खा गए, जिससे पता चला कि निकल-कोबाल्ट समृद्ध और क्रोमियम-मैंगनीज समृद्ध क्षेत्रों में विभाजन एक स्वाभाविक परिणाम था क्योंकि परमाणु उच्च ताप पर अपने लिए सबसे आरामदायक, स्थिर स्थिति खोजने की कोशिश कर रहे थे।

अध्ययन ने खुलासा किया कि हालांकि हाई-एन्ट्रॉपी अलॉय अपनी मिश्रित और अव्यवस्थित रहने की क्षमता के लिए प्रसिद्ध हैं, लेकिन इस स्थिरता की सीमाएं हैं। जब 850 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया जाता है, तो अलॉय नैनोकण एक एकल, एकसमान सूप के रूप में नहीं रहते हैं। इसके बजाय, वे एक रूपांतरण से गुजरते हैं जहाँ परमाणु खुद को दो अलग-अलग रासायनिक परिवारों में व्यवस्थित कर लेते हैं, जो सतह की गति और कुछ तत्वों के एक साथ समूह बनाने की प्राकृतिक प्रवृत्ति द्वारा संचालित होता है। यह खोज महत्वपूर्ण है क्योंकि यह दिखाती है कि नैनोस्केल पर इन सामग्रियों का व्यवहार उनके बल्क (bulk) समकक्षों से भिन्न हो सकता है, और इन परिवर्तनों की गति इस बात से अत्यधिक प्रभावित होती है कि परमाणु सतह के कितने करीब हैं। वास्तविक समय में इन रूपांतरणों को देखकर, शोधकर्ताओं ने एक स्पष्ट चित्र प्रदान किया कि कैसे जटिल धातु मिश्रण ताप के तहत विकसित होते हैं, जिससे इन उन्नत सामग्रियों की स्थिरता को नियंत्रित करने वाले बलों की गहरी समझ मिलती है।