Simultaneous suppression and temperature-driven crossover of particle-like and wave-like thermal transport in trigonal CsAgS
यह अध्ययन प्रकट करता है कि ट्रिगोनल CsAgS स्थानीयकृत Cs मोड्स और एक सॉफ्ट Ag-S फ्रेमवर्क के माध्यम से कण-समान (particle-like) और तरंग-समान (wave-like) दोनों परिवहन चैनलों के समवर्ती दमन द्वारा अत्यंत निम्न जालक तापीय चालकता प्राप्त करता है, जिसके परिणामस्वरूप 700 K पर 1.28 का उच्च थर्मोइलेक्ट्रिक फिगर ऑफ मेरिट () प्राप्त होता है।
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ठोस पदार्थों के माध्यम से ऊष्मा दो अलग-अलग तरीकों से चलती है, जो बिल्कुल वैसा ही है जैसे स्टेडियम से बाहर निकलने की कोशिश कर रही लोगों की भीड़। कभी-कभी, ऊष्मा व्यक्तिगत कणों के रूप में चलती है, जो एक अराजक, कण-जैसे प्रवाह में एक परमाणु से दूसरे परमाणु तक उछलती रहती है। अन्य समय में, यह एक समन्वित तरंग (वेव) के रूप में चलती है, जहाँ परमाणु एक तालबद्ध लय में एक साथ कंपन करते हुए पदार्थ के माध्यम से टनलिंग करते हैं। दशकों तक, वैज्ञानिकों को ऊष्मा के प्रवाह को रोकने की कोशिश करने में एक निराशाजनक दुविधा का सामना करना पड़ा: कण-जैसे प्रवाह को रोकने के लिए उपयोग किए जाने वाले तरीके अक्सर तरंग-जैसे प्रवाह को मजबूत कर देते हैं, और इसके विपरीत भी होता है। यह खींचतान बेहतरीन इंसुलेटर (कुचालक) खोजने में बहुत कठिन रही है, जो अंतरिक्ष यान को गर्म रखने से लेकर अपशिष्ट ऊष्मा को बिजली में बदलने वाले उपकरणों को बेहतर बनाने तक, हर चीज़ के लिए आवश्यक हैं।
भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान, नई दिल्ली के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक ऐसे पदार्थ की पहचान की है जिसने इस गतिरोध को तोड़ दिया है। एक विशिष्ट क्रिस्टल, ट्रिगोनल CsAg3S2 का अध्ययन करके, उन्होंने एक ही समय में दोनों कण-जैसे और तरंग-जैसे ऊष्मा परिवहन चैनलों को दबाने का तरीका खोज निकाला है। उनका काम, जो भौतिक प्रयोगों के बजाय विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन पर आधारित है, यह प्रकट करता है कि यह पदार्थ ऊष्मा का संचालन इतनी खराब तरह से करता है कि यह थर्मोइलेक्ट्रिक तकनीक के लिए गेम-चेंजर साबित हो सकता है। इस सफलता की कुंजी इस पदार्थ की अनूठी आंतरिक संरचना में निहित है, जो एक ढीली, 'रैटलिंग' (खटखटाने वाली) संरचना को एक सख्त, सहसंयोजक ढांचे (कोवेलेंट फ्रेमवर्क) के साथ जोड़ती है, जिससे ऊष्मा को इस तरह से फंसा लिया जाता है जो पहले असंभव लगता था।
शोधकर्ताओं ने उन रासायनिक यौगिकों के एक परिवार को देखना शुरू किया जो स्तरित (लेयर्ड) संरचनाओं के लिए जाने जाते हैं, जिनमें अक्सर भारी और हल्के परमाणुओं का मिश्रण होता है। इन सामग्रियों में, ऊष्मा आमतौर पर "रैटलर्स" (रैटलिंग करने वाले परमाणुओं) द्वारा रोकी जाती है—जो ढीले परमाणु होते हैं जो बेतहाशा कंपन करते हैं और ऊष्मा ले जाने वाले कणों को बिखेर देते हैं। हालांकि, इस रणनीति का उपयोग करने के पिछले प्रयास दोषपूर्ण थे: जबकि रैटलर्स ने कण-जैसे ऊष्मा को रोका, शेष कठोर ढांचा अभी भी ऊष्मा के प्रवाह के लिए एक महत्वपूर्ण मार्ग खुला छोड़ देता था, और तरंग-जैसे ऊष्मा अक्सर एक दुष्प्रभाव के रूप में बढ़ जाती थी। टीम ने एक विशिष्ट यौगिक, CsAg3S2 पर ध्यान केंद्रित किया, जिसे पहले एक अलग रूप में संश्लेषित किया गया था लेकिन इसे इस विशेष ट्रिगोनल आकार में कभी नहीं पढ़ा गया था। शक्तिशाली सुपरकंप्यूटरों का उपयोग करते हुए, उन्होंने इस ट्रिगोनल चरण में परमाणुओं के व्यवहार का मॉडल तैयार किया, और पहले यह सुनिश्चित किया कि संरचना स्थिर है और ऊष्मा या दबाव के तहत टूट नहीं जाएगी। उनकी गणनाओं ने पुष्टि की कि यह विशिष्ट व्यवस्था न केवल स्थिर है, बल्कि ऊर्जा की दृष्टि से भी अनुकूल है, जिसका अर्थ है कि प्रकृति के लिए इसे बनाना एक वास्तविक संभावना है।
जो इस पदार्थ को विशेष बनाता है वह है इसके विभिन्न हिस्सों के बीच की परस्पर क्रिया। क्रिस्टल सिल्वर और सल्फर परमाणुओं के एक सख्त, सहसंयोजक रूप से बंधे ढांचे से बना है, जिसमें ढीले रूप से पकड़े गए सीज़ियम परमाणु समाहित हैं। सीज़ियम परमाणु 'रैटलर्स' के रूप में कार्य करते हैं, जो बेतहाशा कंपन करते हैं और एक अराजक वातावरण बनाते हैं जो ऊष्मा ले जाने वाले कणों के प्रवाह को बाधित करता है। लेकिन शोधकर्ताओं ने पाया कि सिल्वर-सल्फर ढांचा स्वयं एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। एक समान सामग्री में पाए जाने वाले कॉपर परमाणुओं को भारी सिल्वर परमाणुओं से बदलकर, उन्होंने ढांचे के भीतर के बंधनों को नरम कर दिया। इस नरमी ने ऊष्मा ले जाने वाले कंपनों की गति को धीमा कर दिया, जिससे कण-जैसे ऊष्मा परिवहन को और अधिक कुचल दिया गया। महत्वपूर्ण रूप से, भारी सिल्वर परमाणुओं ने सल्फर परमाणुओं की व्यवस्था को बाधित नहीं किया। सल्फर परमाणु हल्के बने रहते हैं और उच्च-आवृत्ति कंपनों का एक विरल, अच्छी तरह से अलग सेट बनाते हैं। यह विरलता तरंग-जैसे ऊष्मा को प्रवाह के लिए रास्ता खोजने से रोकती है, जिससे वह चैनल भी अवरुद्ध रहता है।
परिणाम इस दोहरे दमन के रूप में एक ऐसा पदार्थ है जिसमें ऊष्मा का संचालन करने की असाधारण रूप से कम क्षमता है। कमरे के तापमान पर, यह पदार्थ केवल 0.222 वॉट प्रति मीटर प्रति केल्विन की दर से ऊष्मा का संचालन करता है, जो एक ठोस क्रिस्टल के लिए उल्लेखनीय रूप से कम मान है। इससे भी अधिक आश्चर्यजनक यह है कि तापमान बढ़ने पर यह गुण कैसे व्यवहार करता है। अधिकांश सामग्रियों में, तापमान बढ़ने के साथ तापीय चालकता तेजी से गिरती है, जो एक अनुमानित पैटर्न का पालन करती है। यहाँ, गिरावट बहुत धीमी है। शोधकर्ताओं ने देखा कि जैसे-जैसे तापमान कमरे के तापमान से बढ़कर 700 केल्विन तक पहुँचा, सामग्री के माध्यम से ऊष्मा के बहने का तरीका वास्तव में बदल गया। निचले तापमान पर, ऊष्मा मुख्य रूप से कणों के रूप में चलती थी। जैसे-जैसे सामग्री गर्म हुई, तरंग-जैसे टनलिंग प्रमुख परिवहन विधि बन गई, जो 700 केल्विन पर ऊष्मा प्रवाह का लगभग 63 प्रतिशत हिस्सा लेती है। यह बदलाव, या क्रॉसओवर, इसलिए हुआ क्योंकि कण-जैसे चैनल को इतनी प्रभावी ढंग से दबा दिया गया था कि तरंग-जैसे चैनल, हालांकि पूर्ण मान में छोटा था, फिर भी प्राथमिक मार्ग बन गया।
यह खोज केवल एक ठंडी सामग्री खोजने के बारे में नहीं है; यह उन्हें बनाने के एक नए तरीके की ओर इशारा करती है। अध्ययन सुझाव देता है कि सर्वश्रेष्ठ इंसुलेटर बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को न केवल रैटलिंग परमाणुओं की तलाश करनी चाहिए, बल्कि उस सख्त ढांचे को भी सावधानीपूर्वक इंजीनियर करना चाहिए जो उन्हें थामे रखता है। उस ढांचे को नरम और भारी बनाकर, वे तरंग-जैसे प्रवाह में गलती से मदद किए बिना ऊष्मा को धीमा कर सकते हैं। जब टीम ने इस थर्मल डेटा को बिजली के प्रवाह की गणना के साथ जोड़ा, तो उन्होंने पाया कि यह एक उत्कृष्ट थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर हो सकता है। एक विशिष्ट प्रकार के इलेक्ट्रिकल डोपिंग के लिए, यह सामग्री उच्च तापमान पर 1.28 का प्रदर्शन स्कोर प्राप्त कर सकती है, जो एक ऐसा मान है जो दर्शाता है कि यह कुशलतापूर्वक ऊष्मा को बिजली में बदल सकती है। हालाँकि ये परिणाम सिमुलेशन से आए हैं और अभी तक भौतिक प्रयोगशाला में सत्यापित नहीं किए गए हैं, फिर भी ये निष्कर्ष भविष्य की सामग्रियों के लिए एक स्पष्ट ब्लूप्रिंट प्रदान करते हैं। वे दिखाते हैं कि विभिन्न प्रकार के परमाणु कंपनों के बीच सूक्ष्म नृत्य को समझकर, ठोस पदार्थों को डिज़ाइन करना संभव है जो ऊष्मा को रोक सकें, जिससे अधिक कुशल ऊर्जा प्रौद्योगिकियों के द्वार खुलते हैं।
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