Orientation-selective microwave heating of laser-graphitized diamond at 2.45 GHz
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि एक पारदर्शी HPHT हीरे के क्रिस्टल के भीतर एक दफन ग्रेफाइटिक संरचना का फेम्टोसेकंड-लेजर शिलालेख (inscription), 2.45 GHz पर मजबूत, अभिवति-चयनात्मक (orientation-selective) माइक्रोवेव अवशोषण को सक्षम बनाता है, जो शिलालेख संरचना के विद्युत क्षेत्र के सापेक्ष संरेखण के आधार पर ~900°C तक नियंत्रित तापन की अनुमति देता है।
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हीरा अपनी चमक और किसी भी अन्य ठोस की तुलना में गर्मी को बेहतर तरीके से संचालित करने की अपनी क्षमता के लिए प्रसिद्ध है, लेकिन यह रेडियो तरंगों के साथ परस्पर क्रिया करने के मामले में भी प्रसिद्ध रूप से जिद्दी है। यदि आप एक पूर्ण हीरा माइक्रोवेव ओवन के अंदर रखते हैं, तो कुछ नहीं होता; ऊर्जा बस उस क्रिस्टल के माध्यम से ऐसे गुजर जाती है जैसे कि वह अदृश्य हवा हो। ऐसा इसलिए है क्योंकि एक शुद्ध हीरे के परमाणु एक कठोर, गैर-सुचालक संरचना में बंधे होते हैं जो माइक्रोवेव कुकिंग के लिए उपयोग किए जाने वाले दोलनशील विद्युत क्षेत्रों (oscillating electric fields) के प्रति प्रतिक्रिया नहीं करते हैं। दशकों तक, वैज्ञानिक इस बात पर विचार करते रहे कि क्या इस अदृश्यता को तोड़ा जा सकता है, सामग्री को बदले बिना, बल्कि इसके भीतर एक छिपे हुए मार्ग को उकेरकर। प्रश्न यह था कि क्या कोई एक स्पष्ट हीरे के भीतर एक सूक्ष्म, सुचालक तार लिख सकता है और फिर उस तार का उपयोग माइक्रोवेव ऊर्जा को पकड़ने और उसे ऊष्मा में बदलने के लिए कर सकता है, जिससे प्रभावी रूप से एक पारदर्शी रत्न को एक गहरे, हीटिंग तत्व में बदला जा सके, बिना उसकी सतह को छुए।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब उस प्रश्न का उत्तर स्पष्ट "हाँ" के साथ दिया है, यह प्रदर्शित करते हुए कि एक विधि है जिससे हीरे को इस तरह माइक्रोवेव ऊर्जा को अवशोषित करने के योग्य बनाया जा सकता है जो पूरी तरह से इस बात पर निर्भर करता है कि छिपी हुई संरचना कैसे संरेखित (aligned) है। उन्होंने एक छोटा, कृत्रिम हीरा क्रिस्टल लिया, जो आकार में लगभग एक बड़े पासे (die) के बराबर था, और एक अल्ट्रा-फास्ट लेजर का उपयोग करके इसके अंदर एक सूक्ष्म पैटर्न बनाया। यह लेजर प्रक्रिया हीरे की आंतरिक संरचना को उसके कठोर, पारदर्शी रूप से एक नरम, सुचालक ग्रेफाइट रूप में बदल देती है, जिससे एक छिपे हुए तारों का नेटवर्क बन जाता है जो नग्न आंखों से अदृश्य होता है। शोधकर्ताओं ने फिर उस संशोधित क्रिस्टल को एक माइक्रोवेव कैविटी के भीतर रखा और देखा कि क्या हुआ। परिणाम आश्चर्यजनक थे: जब छिपा हुआ पैटर्न माइक्रोवेव के विद्युत क्षेत्र (electric field) के साथ संरेखित था, तो हीरा तेजी से ऊर्जा अवशोषित करने लगा और कुछ ही सेकंड में लगभग 900 डिग्री सेल्सियस तक गर्म हो गया। हालांकि, जब उन्होंने क्रिस्टल को नब्बे डिग्री घुमाया ताकि पैटर्न क्षेत्र के लंबवत (perpendicular) हो जाए, या जब उन्होंने एक अपरिवर्तित हीरे का परीक्षण किया, तो तापमान कमरे के तापमान से बहुत ऊपर नहीं बढ़ा।
इस नाटकीय अंतर की कुंजी छिपी हुई संरचना के आकार और इस बात में निहित है कि वह अदृश्य विद्युत बलों के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती है। लेजर ने केवल एक रेखा नहीं खींची थी; इसने एक केंद्रीय छड़ (rod) के चारों ओर संकेंद्रित वलयों (concentric rings) की एक श्रृंखला को उकेरा था, जिससे लगभग 1.8 मिलीमीटर गहरा एक त्रि-आयामी आकार बना। शोधकर्ताओं ने पाया कि केंद्रीय छड़ ही वास्तविक इंजन थी। क्योंकि यह छड़ अपनी चौड़ाई की तुलना में अत्यंत लंबी और पतली है, यह एक छोटे एंटीना की तरह कार्य करती है जो माइक्रोवेव ऊर्जा को आसानी से पकड़ सकती है जब यह विद्युत क्षेत्र की दिशा में होती है। जब क्षेत्र छड़ के लंबे अक्ष (long axis) पर दबाव डालता है, तो विद्युत आवेश सिरों की ओर दौड़ते हैं, जिससे एक मजबूत आंतरिक धारा उत्पन्न होती है जो ऊष्मा पैदा करती है। लेकिन यदि छड़ को तिरछा कर दिया जाए, तो विद्युत क्षेत्र प्रभावी ढंग से लंबाई के साथ आवेशों को नहीं धकेल पाता, और छड़ ठंडी रहती है। आसपास के वलय, जो बहुत छोटे और चौड़े हैं, हीटिंग में बहुत योगदान नहीं देते हैं, वे मुख्य रूप से एक पृष्ठभूमि के रूप में कार्य करते हैं जो केंद्रीय छड़ के प्रदर्शन में हस्तक्षेप नहीं करते हैं।
यह व्यवहार रसायन विज्ञान का रहस्य नहीं बल्कि ज्यामिति का मामला है। शोधकर्ताओं ने समझाया कि छिपे हुए तार की ऊर्जा अवशोषित करने की क्षमता भौतिकी के एक सरल नियम द्वारा शासित होती है जो इस बात से संबंधित है कि पतली वस्तुओं के चारों ओर विद्युत क्षेत्र कैसे व्यवहार करता है। जब तार सही ढंग से संरेखित होता है, तो क्षेत्र गहराई तक इसमें प्रवेश करता है, जिससे सुचालक ग्रेफाइट ऊर्जा को ऊष्मा के रूप में नष्ट (dissipate) कर पाता है। जब यह गलत संरेखित होता है, तो तार प्रभावी रूप से स्वयं को क्षेत्र से ढंक लेता है, जिससे ऊर्जा के प्रवेश करने में बाधा आती है। टीम ने एक सेंसर के साथ हीरे के तापमान को मापकर इसकी पुष्टि की जो इन्फ्रारेड प्रकाश को पढ़ता है, और देखा कि जैसे-जैसे उन्होंने शक्ति बढ़ाई, तापमान में एक सहज वृद्धि हुई, जिसके बाद एक अचानक, तीव्र उछाल आया। उस बिंदु पर, हीरे की सतह खुरदरी होने लगी और ऑक्सीकरण होने लगा, जो इस बात का संकेत था कि आंतरिक हीटिंग इतनी तीव्र हो गई थी कि उसने सामग्री के सतही रसायन को बदल दिया।
अध्ययन ने कई अन्य संभावनाओं को भी खारिज कर दिया जो इस हीटिंग को समझा सकती थीं। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह प्रभाव हीरे के कारण नहीं था, क्योंकि अपरिवर्तित क्रिस्टल ठंडे रहे। यह केवल लेजर क्षति का परिणाम भी नहीं था, क्योंकि पैटर्न का ओरिएंटेशन (अभिविन्यास) निर्णायक कारक था। इसके अलावा, उन्होंने निर्धारित किया कि हीटिंग पूरे क्रिस्टल की धीमी, समान गर्माहट नहीं थी; इसके बजाय, ऊष्मा छोटे, दबे हुए ग्रेफाइट ट्रैक्स में उत्पन्न हुई और फिर बाहर की ओर प्रवाहित हुई। चूंकि हीरा ऊष्मा का इतना कुशल चालक है, इसलिए पूरे क्रिस्टल ने तुरंत गर्मी महसूस की जैसे ही छिपे हुए ट्रैक्स ने ऊर्जा को अवशोषित करना शुरू किया, जिससे एक समान तापमान वृद्धि हुई जिसने इस तथ्य को ढक दिया कि ऊष्मा एक सूक्ष्म आयतन (volume) में जन्म ले रही थी।
यह कार्य पारदर्शी सामग्रियों के भीतर ऊर्जा को नियंत्रित करने के बारे में सोचने का एक नया तरीका खोलता है। एक क्रिस्टल के भीतर विशिष्ट आकार लिखने के लिए लेजर का उपयोग करके, वैज्ञानिक अब यह तय कर सकते हैं कि केवल माइक्रोवेव क्षेत्र का उपयोग करके ऊष्मा कब और कहाँ उत्पन्न की जाए। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि लेजर-लिखित ग्रेफाइट की विशिष्ट चालकता इस कार्य के लिए लगभग पूर्ण थी, जो उस बिंदु पर स्थित थी जहाँ सामग्री सबसे कुशलता से ऊर्जा को अवशोषित करती है। हालांकि यह प्रयोग विनाशकारी था—तीव्र ऊष्मा ने अंततः क्रिस्टल की सतह को नुकसान पहुँचाया—लेकिन अंतर्निहित सिद्धांत मजबूत है। यह सुझाव देता है कि भविष्य में, इंजीनियर ऐसे पारदर्शी सामग्रियां डिजाइन कर सकते हैं जो सामान्य परिस्थितियों में ठंडी रहती हैं लेकिन उन्हें केवल उन्हें घुमाकर या माइक्रोवेव क्षेत्र की दिशा बदलकर तेजी से और सटीक रूप से गर्म होने के लिए स्विच किया जा सकता है। ऊर्जा के प्रति अदृश्य रहने वाली सामग्री के भीतर दिशात्मक नियंत्रण के साथ ऊष्मा को नियंत्रित करने की यह क्षमता, सूक्ष्म स्तर पर सामग्रियों के सटीक हेरफेर की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है।
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