Emergent medium-range order in amorphous silicon

ऐसी सामग्रियां जिनमें कठोर, आवर्ती क्रिस्टल संरचना का अभाव होता है, वे हमारे खिड़कियों के कांच से लेकर हमारे कंप्यूटरों को शक्ति देने वाली सिलिकॉन चिप्स तक, हर जगह मौजूद हैं। इन अव्यवस्थित ठोसों में, जिन्हें अमोर्फस (amorphous) सामग्रियां कहा जाता है, परमाणु परेड में सैनिकों की तरह सीधी, लंबी पंक्तियों में नहीं सजे होते हैं। इसके बजाय, वे बिखरे हुए होते हैं, फिर भी वे पूरी तरह से यादृच्छिक (random) नहीं होते। वैज्ञानिकों को लंबे समय से पता है कि इन सामग्रियों में एक छिपी हुई व्यवस्था की परत होती है, जो एक परमाणु के निकटतम पड़ोसियों और सामग्री के विशाल, निराकार भाग के बीच स्थित होती है। यह छिपी हुई परत, जिसे 'मीडियम-रेंज ऑर्डर' (medium-range order) कहा जाता है, अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि यह निर्धारित करती है कि सामग्री कैसे व्यवहार करती है, बिजली का संचालन कैसे करती है, और दबाव के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देती है। हालाँकि, दशकों से, इस संगठन की सटीक प्रकृति एक रहस्य बनी हुई है। इसे देखना कठिन है क्योंकि परमाणुओं को देखने के लिए उपयोग किए जाने वाले उपकरण आमतौर पर इन विशिष्ट दूरियों पर चित्र को धुंधला कर देते हैं, जिससे शोधकर्ताओं के पास इस बात का धुंधला दृश्य रह जाता है कि बीच के स्तर पर हिस्से आपस में कैसे फिट होते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अमोर्फस सिलिकॉन का अध्ययन करने के लिए एक नए शक्तिशाली दृष्टिकोण का उपयोग करके उस धुंध को कुछ हद तक साफ कर दिया है, जो इन अव्यवस्थित नेटवर्कों को समझने के लिए एक आदर्श मॉडल के रूप में कार्य करता है। सामग्री को माइक्रोस्कोप से देखने के बजाय, उन्होंने एक लाख परमाणुओं वाला एक विशाल डिजिटल प्रतिरूप बनाया और देखा कि विभिन्न स्थितियों में यह कैसे व्यवहार करता है। उन्होंने सामग्री के कम-घनत्व वाले संस्करण से शुरुआत की, जहाँ परमाणु ढीले जुड़े होते हैं, और फिर इसे तब तक दबाया जब तक कि यह अविश्वसनीय रूप से घना नहीं हो गया। इस विशाल सिमुलेशन में प्रत्येक परमाणु की स्थिति को ट्रैक करके, वे उस अदृश्य वास्तुकला का मानचित्र बनाने में सक्षम रहे जिसे प्रयोग अभी तक प्राप्त नहीं कर सकते। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे परमाणु एक केंद्रीय बिंदु से दूर जाते हैं, उनके स्वयं को व्यवस्थित करने के तरीके में एक आश्चर्यजनक बदलाव आता है।

बहुत कम दूरी पर, एक केंद्रीय परमाणु के करीब, संरचना रासायनिक बंधन के नियमों द्वारा कड़ाई से शासित होती है। कम-घनत्व वाले संस्करण में, परमाणु एक 'टेट्राहेड्रोन' (tetrahedron) नामक एक तंग, चार-पक्षीय आकार बनाते हैं, जो सामान्य परिस्थितियों में सिलिकॉन के लिए सबसे स्थिर व्यवस्था है। लेकिन जैसे ही सामग्री को बहुत उच्च-घनत्व की अवस्था में संकुचित किया जाता है, ये सुव्यवस्थित आकार टूट जाते हैं। परमाणुओं को भीड़भाड़ वाले, अराजक व्यवस्थाओं में धकेला जाता है जिनमें कई अधिक पड़ोसी होते हैं, जिससे वे अपनी व्यवस्थित स्थानीय ज्यामिति खो देते हैं। लंबे समय तक वैज्ञानिकों ने माना था कि यदि स्थानीय संरचना इतनी अस्त-व्यस्त है, तो बड़ी संरचना भी समान रूप से अव्यवस्थित रहेगी। हालाँकि, नए सिमुलेशन प्रकट करते हैं कि ऐसा नहीं है। जैसे-जैसे आप केंद्रीय परमाणु से और बाहर देखते हैं, तत्काल पड़ोस के परे, एक पूरी तरह से अलग प्रकार का क्रम अचानक उभरता है।

स्थानीय स्तर पर अराजकता के बावजूद, उच्च-घनत्व वाली सामग्री में परमाणु खुद को ऐसे पैटर्न में व्यवस्थित करने लगते हैं जो एक घन के कोनों या एक अष्टफलक (octahedron) के फलकों के समान होते हैं। ये ऐसे आकार हैं जिनमें पूर्ण समरूपता (symmetry) है, फिर भी वे एक ऐसी सामग्री में दिखाई देते हैं जिसमें कोई पूर्ण समरूपता नहीं है। यह ऐसा है जैसे परमाणु, एक आदर्श स्थानीय फिट पाने में असमर्थ होने पर, थोड़े बड़े अंतर पर एक साथ मिलकर एक नए, अधिक कुशल तरीके पर सहमत हो जाते हैं। यह संक्रमण केंद्र से एक विशिष्ट दूरी पर होता है, जो एक स्विच की तरह कार्य करता है जो सामग्री को स्थानीय रासायनिक बंधों द्वारा शासित होने से बदलकर स्थान को कुशलतापूर्वक भरने की आवश्यकता द्वारा शासित होने की ओर बदल देता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह बदलाव कम-घनत्व वाली सामग्री में लगभग आठ से दस एंगस्ट्रॉम की दूरी पर होता है, लेकिन संकुचित सामग्री में, यह केवल तीन से पांच एंगस्ट्रॉम पर बहुत पहले ही हो जाता है।

यह खोज क्षेत्र के कई लंबे समय से चले आ रहे रहस्यों को जोड़ती है। अव्यवस्थित सामग्रियों की एक सबसे प्रसिद्ध विशेषता एक्स-रे के प्रकीर्णन (scattering) में एक विशिष्ट उभार है, जिसे 'फर्स्ट शार्प डिफ्रेक्शन पीक' (first sharp diffraction peak) के रूप में जाना जाता है। वर्षों से, वैज्ञानिक इस बात पर बहस करते रहे हैं कि सामग्री में किस भौतिक संरचना के कारण यह उभार उत्पन्न होता है। नया अध्ययन दिखाता है कि यह पीक एक यादृच्छिक आर्टिफैक्ट नहीं है, बल्कि टोपोलॉजिकल रिंग्स (topological rings)—परमाणुओं के बंद लूप जो सामग्री के कंकालेट का निर्माण करते हैं—के बीच की दूरी का एक सीधा फिंगरप्रिंट है। कम-घनत्व वाले सिलिकॉन में, ये रिंग्स इस तरह से फैली होती हैं जो एक विशिष्ट लय बनाती हैं, और यही लय डिफ्रेक्शन पीक उत्पन्न करती है। जब सामग्री को दबाया जाता है, तो रिंग्स ढह जाती हैं और पुनर्गठित हो जाती हैं, जिससे उनकी रिक्ति बदल जाती है और पीक खिसक जाता है या गायब हो जाता है। यह सिद्ध करता है कि प्रयोगों में देखा जाने गया डिफ्रेक्शन पैटर्न इन परमाणु लूपों के वास्तविक-स्थान (real-space) संगठन का एक सीधा मानचित्र है।

शोधकर्ताओं ने यह भी खोजा कि इन रिंग्स की व्यवस्था यादृच्छिक नहीं है बल्कि एक 'क्वासी-पीरियडिक' (quasi-periodic) पैटर्न का पालन करती है, जिसका अर्थ है कि वे एक नियमित अंतराल के साथ दोहराते हैं जो एक पूर्ण क्रिस्टल तो नहीं है लेकिन एक यादृच्छिक मणियों के ढेर से कहीं अधिक व्यवस्थित है। यही संगठन इस बात की अनुमति देता है कि सामग्री अपनी अखंडता बनाए रखे, भले ही वह इतनी घनी हो कि स्थानीय आकार विकृत हो जाएं। अध्ययन सुझाव देता है कि यह घटना केवल सिलिकॉन तक सीमित नहीं है बल्कि कई नेटवर्क ग्लास के लिए एक मौलिक नियम होने की संभावना है। मुख्य अंतर्दृष्टि यह है कि मीडियम-रेंज ऑर्डर केवल स्थानीय संरचना का अवशेष नहीं है; यह एक नया, उभरता हुआ गुण है जो तब उत्पन्न होता है जब सामग्री खुद को यथासंभव सघन रूप से पैक करने की कोशिश करती है। परमाणु एक अधिक कुशल वैश्विक व्यवस्था प्राप्त करने के लिए अपनी स्थानीय पूर्णता का त्याग करते हैं, जिससे एक छिपा हुआ क्रम बनता है जो केवल तभी दृश्यमान होता है जब आप पीछे हटकर बड़े चित्र को देखते हैं।

इन उन्नत सिमुलेशन का उपयोग करके, टीम ने एक एकीकृत दृष्टिकोण प्रदान किया है कि अव्यवस्थित सामग्रियां कैसे निर्मित होती हैं। उन्होंने दिखाया कि प्रयोगों में देखे गए अजीब लक्षण, जैसे कि डिफ्रेक्शन पैटर्न में विशिष्ट शिखर और परमाणुओं की असामान्य रिक्ति, एक ही सिक्के के विभिन्न पहलू हैं। वे सभी एक ऐसी सामग्री के प्रकटीकरण हैं जो स्थानीय रसायन विज्ञान के सख्त नियमों और स्थान को कुशलतापूर्वक भरने के दबाव के बीच संतुलन बनाने की कोशिश कर रही है। यह समझ क्षेत्र को अव्यवस्थित सामग्रियों को केवल बिना किसी संरचना वाले "जमे हुए तरल पदार्थों" के विचार से आगे ले जाती है। इसके बजाय, वे जटिल प्रणालियाँ हैं जिनमें एक परिष्कृत, बहु-स्तरीय वास्तुकला होती है जहाँ स्थानीय अराजकता एक छोटी दूरी पर एक आश्चर्यजनक, उभरती हुई समरूपता को जगह देती है। यह नया दृष्टिकोण वैज्ञानिकों को बेहतर सामग्रियां डिजाइन करने में मदद कर सकता है जिनके गुणों को अनुकूलित किया जा सके, यह जानते हुए कि परमाणुओं के बीच छिपे हुए क्रम को ठीक से कैसे नियंत्रित किया जाए।