Hydrogen-Bond Density Drives the Order-Disorder Phase Transition from Orientational to Vibrational in Polyalcohol Plastic Crystals
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि नियोपेंटेन-व्युत्पन्न प्लास्टिक क्रिस्टल में हाइड्रोजन-बॉन्ड घनत्व बढ़ाने से उनके क्रम-अव्यवस्था (order-disorder) चरण संक्रमण का प्रमुख तंत्र अभिविन्यास अव्यवस्था (orientational disordering) से बदलकर मजबूत जाली कंपन (lattice vibrations) हो जाता है, जो थर्मल ऊर्जा भंडारण और शीतलन अनुप्रयोगों के लिए उनके कैलोरिक प्रतिक्रियाओं की दबाव संवेदनशीलता और परिमाण को अनुकूलित करने हेतु एक आणविक डिजाइन रणनीति प्रदान करता है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ हम अपने घरों को ठंडा कर सकें या ऊर्जा का भंडारण कर सकें, और इसके लिए उन जहरीली गैसों और भारी मशीनों की आवश्यकता न हो जो हमारे वर्तमान रेफ्रिजरेटर और एयर कंडीशनर को संचालित करती हैं। वैज्ञानिक ऐसे ठोस पदार्थों की तलाश कर रहे हैं जो यह काम कर सकें, ऐसे पदार्थ जो दबाव परिवर्तन के जवाब में गर्मी को अवशोषित और मुक्त कर सकें, एक ऐसी प्रक्रिया जिसे 'बैरोकैलोरिक प्रभाव' (barocaloric effect) कहा जाता है। दशकों से, शोधकर्ता 'प्लास्टिक क्रिस्टल' नामक पदार्थों के एक विशेष वर्ग की खोज कर रहे हैं। ये ठोस पदार्थ दिखने में बर्फ जैसे होते हैं लेकिन एक विशिष्ट तरीके से तरल की तरह व्यवहार करते हैं: उनके अणु एक कठोर संरचना बनाए रखते हुए भी अपने स्थान पर स्वतंत्र रूप से घूम सकते हैं। जब इन पदार्थों को दबाया या गर्म किया जाता है, तो वे एक अचानक बदलाव, एक 'फेज ट्रांजिशन' (phase transition) से गुजरते हैं, जहाँ वे एक कठोर, व्यवस्थित अवस्था से एक अराजक, घूमने वाली अवस्था में चले जाते हैं। यह उछाल भारी मात्रा में ऊष्मा उत्सर्जित या अवशोषित करता है, जो इन पदार्थों को हरित शीतलन तकनीक (green cooling technology) के लिए प्रमुख उम्मीदवार बनाता है। हालाँकि, एक बड़ा सवाल लंबे समय से बना हुआ था: इस बदलाव के दौरान सामग्री के भीतर वास्तव में क्या होता है? क्या ऊष्मा का परिवर्तन अणुओं के बेतहाशा घूमने के कारण होता है, या यह कुछ और है?
शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक सरल हाइड्रोकार्बन संरचना से प्राप्त तीन संबंधित रसायनों के परिवार का अध्ययन करके इसका उत्तर देने का प्रयास किया। उन्होंने तीन विशिष्ट अणुओं पर ध्यान केंद्रित किया: नियोपेंटिल ग्लाइकोल (neopentyl glycol), पेंटाग्लिसरीन (pentaglycerine), और पेंटाएरिथ्रिटोल (pentaerythritol)। हालांकि उनकी मूल आकृति समान है, लेकिन वे इस बात में भिन्न हैं कि उनसे कितने हाइड्रॉक्सिल समूह (hydroxyl groups)—जो ऑक्सीजन और हाइड्रोजन परमाणुओं के समूह हैं—जुड़े हुए हैं। पहले में दो, दूसरे में तीन, और तीसरे में चार समूह हैं। ये समूह महत्वपूर्ण हैं क्योंकि वे छोटे चुंबक की तरह कार्य करते हैं, जिससे अणु हाइड्रोजन बंधों के माध्यम से एक-दूसरे से जुड़ सकते हैं। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि इन चिपचिपे बंधों को बढ़ाने से सामग्री के व्यवहार में, उसकी व्यवस्थित अवस्था से अव्यवस्थित, घूमने वाली अवस्था में बदलने के दौरान, क्या परिवर्तन आता है। ऐसा करने के लिए, उन्होंने परमाणुओं की गति को देखने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया, और अपने डिजिटल मॉडल को तापमान और दबाव के वास्तविक माप के साथ सत्यापित किया। उन्होंने मध्यवर्ती यौगिक की सटीक परमाणु व्यवस्था को स्पष्ट करने के लिए नए एक्स-रे प्रयोग भी किए, जिससे उसकी संरचना के बारे में एक लंबे समय से चली आ रही धारणा को सुधारा जा सका।
परिणामों ने एक आश्चर्यजनक और पूर्ण उलटफेर को प्रकट किया कि ये सामग्रियां ऊष्मा कैसे उत्पन्न करती हैं। सबसे कम बंधों वाले अणु के लिए, ऊष्मा परिवर्तन लगभग पूरी तरह से अणुओं के नियंत्रण से बाहर घूमने के कारण था, जिसे 'ओरिएंटेशनल डिसऑर्डर' (orientational disorder) कहा जाता है। यह वही था जिसकी वैज्ञानिक अपेक्षा कर रहे थे। हालाँकि, जैसे ही शोधकर्ताओं ने सबसे अधिक बंधों वाले अणु की ओर बढ़ाया, कहानी पूरी तरह से बदल गई। सबसे अधिक बंधों वाली सामग्री में, अणुओं का घूमना एक गौण कारक बन गया। इसके बजाय, ऊष्मा परिवर्तन पूरे क्रिस्टल लैटिस (crystal lattice) के कंपन, यानी परमाणुओं के सामूहिक हिलने और थरथराने के कारण था। मध्यवर्ती अणु बिल्कुल संतुलन में था, जहाँ घूमने, आकार बदलने और कंपन करने की प्रक्रियाओं ने ऊष्मा परिवर्तन में समान रूप से योगदान दिया। इसका अर्थ यह है कि केवल अणु में अधिक हाइड्रॉक्सिल समूह जोड़कर, शोधकर्ता सामग्री को घूमने के बजाय कंपन पर निर्भर रहने के लिए ट्यून (tune) कर सकते थे।
यह खोज महत्वपूर्ण है क्योंकि ये दोनों तंत्र दबाव के प्रति बहुत अलग तरह से प्रतिक्रिया करते हैं। घूमने वाला तंत्र दबाव के प्रति अत्यधिक संवेदनशील है; दबाव लागू करने पर यह नाटकीय रूप से बदल जाता है। कंपन वाला तंत्र, हालांकि, उल्लेखनीय रूप से स्थिर है। इसे इस बात से अधिक फर्क नहीं पड़ता कि दबाव कितना है। यह निष्कर्ष बताता है कि वैज्ञानिक अब एक विशिष्ट प्रकार के व्यवहार को लक्षित करके बेहतर शीतलन सामग्रियां डिजाइन कर सकते हैं। यदि उन्हें ऐसी सामग्री चाहिए जो दबाव के प्रति मजबूती से प्रतिक्रिया दे, तो वे कम बंधों वाला डिज़ाइन चुन सकते हैं। यदि उन्हें ऐसी सामग्री चाहिए जो दबने पर भी विश्वसनीय रूप से कार्य करे, तो वे कंपन वाले व्यवहार को लॉक करने के लिए अधिक बंधों वाला डिज़ाइन चुन सकते हैं। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि हाइड्रोजन बंधों का घनत्व ही वह मुख्य स्विच है जो यह नियंत्रित करता है कि कोई सामग्री घूमने से ठंडी होती है या कंपन से, जो अगली पीढ़ी के सॉलिड-स्टेट कूलिंग उपकरणों को इंजीनियर करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है।
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