Development and application of a machine learning potential for diamond surfaces and their sliding interfaces with silicon nitride and silica: effect of passivation, orientation and load
यह अध्ययन डायमंड (हीरा) को सिलिकॉन नाइट्राइड और सिलिका के विरुद्ध स्लाइड करने के अनुकरण हेतु एक रिएक्टिव मशीन लर्निंग पोटेंशियल विकसित करता है, जो फर्स्ट-प्रिंसिपल्स विधियों की सीमाओं से परे के स्तरों पर यह प्रकट करता है कि सतह का पैसिवेशन (passivation), ओरिएंटेशन और लोड किस प्रकार विभिन्न शियर रिजीमों (shear regimes) के माध्यम से इंटरफेशियल बॉन्डिंग और घर्षण को नियंत्रित करते हैं।
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हीरा विज्ञान के ज्ञात सबसे कठोर पदार्थ होने के लिए प्रसिद्ध है, एक ऐसा गुण जो इसे काटने वाले औजारों, सटीक बेयरिंग और कंप्यूटर कारखानों में सिलिकॉन वेफर्स को चलाने वाली नाजुक मशीनरी के लिए अमूल्य बनाता है। फिर भी, भले ही यह अडिग पदार्थ अन्य सामग्रियों के साथ रगड़ने पर घिस जाता है, और उस घिसाव की गति पूरी तरह से इस बात पर निर्भर करती है कि सतह पर क्या हो रहा है। यदि हवा शुष्क है या स्थान निर्वात (वैक्यूम) है, तो हीरे के खुले कार्बन परमाणु उस सामग्री को पकड़ने के लिए हाथ बढ़ा सकते हैं जिसके विरुद्ध वह फिसल रहा है, जिससे मजबूत रासायनिक बंधन बनते हैं जो घर्षण पैदा करते हैं और अंततः परमाणुओं को अलग कर देते हैं। हालांकि, आर्द्र हवा में, पानी के अणु टूट जाते हैं और हीरे को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन समूहों की एक सुरक्षात्मक परत से ढक देते हैं, जिससे वे बंधन बनने से रुक जाते हैं और हीरे को सुचारू रूप से फिसलने की अनुमति मिलती है। यह समझना कि यह सुरक्षा वास्तव में कैसे काम करती है, और वास्तविक दुनिया की मशीनरी के अत्यधिक दबाव में यह कैसे बनी रहती है, वैज्ञानिकों के लिए एक कठिन पहेली रही है क्योंकि ये घटनाएं बहुत तेजी से होती हैं और इनमें इतने अधिक परमाणु शामिल होते हैं कि पारंपरिक कंप्यूटर मॉडल उपयोगी समय अवधि में इनका पता नहीं लगा पाते।
इसे हल करने के लिए, बोलोग्ना विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने एक नए प्रकार का कंप्यूटर प्रोग्राम बनाया जो परमाणुओं की परस्पर क्रिया के लिए एक अत्यधिक सटीक, अति-तीव्र सिम्युलेटर की तरह कार्य करता है। मानक भौतिकी की धीमी, भारी गणनाओं का उपयोग करने के बजाय, उन्होंने कार्बन, सिलिकॉन, नाइट्रोजन, ऑक्सीजन और हाइड्रोजन एक साथ कैसे व्यवहार करते हैं, इसके हजारों विस्तृत दृश्यों (स्नैपशॉट्स) पर एक मशीन लर्निंग सिस्टम को प्रशिक्षित किया। इस सिस्टम ने उच्च-स्तरीय भौतिकी डेटा से खेल के नियमों को सीखा, जिससे यह परमाणुओं के हिलने और जुड़ने की भविष्यवाणी बहुत कम समय में करने में सक्षम हुआ। टीम ने इस नए उपकरण का उपयोग यह देखने के लिए किया कि जब हीरे की सतह एक सिलिकॉन नाइट्राइड (एक कठोर सिरेमिक सामग्री) के टुकड़े के खिलाफ फिसलती है, तो क्या होता है। उन्होंने हीरे के चार अलग-अलग क्रिस्टल फेस (चेहरों) का परीक्षण किया, जिनमें से कुछ साफ और सूखे थे, और कुछ पानी से प्राप्त सुरक्षात्मक कोटिंग से ढके हुए थे, और उन्हें हल्के स्पर्श से लेकर 23 गीगापास्कल तक के दबाव तक के बलों के साथ एक साथ दबाया गया, जो लगभग वह दबाव है जहाँ एक कठोर हीरा टिप एक नरम सतह में धंस जाती है।
सिमुलेशन से पता चला कि फिसलने वाली सतहों का व्यवहार दो अलग श्रेणियों में आता है, जो इस बात से निर्धारित होता है कि हीरा सुरक्षित है या नहीं और उस पर कितना दबाव डाला जा रहा है। जब हीरे की सतह हाइड्रोजन और ऑक्सीजन समूहों की सुरक्षात्मक परत से ढकी होती है, या जब वह हीरे का एक विशिष्ट प्रकार का फेस होता है जो स्वाभाविक रूप से कम प्रतिक्रियाशील होता है, तो दोनों सामग्रियां कम से मध्यम दबाव पर रासायनिक रूप से अलग रहती हैं। इस अवस्था में, हीरा और सिरेमिक एक पूरी तरह से चिकने तल पर दो कठोर ब्लॉकों की तरह एक-दूसरे के पास से फिसलते हैं, जिससे उनके बीच लगभग कोई रासायनिक बंधन नहीं बनता। घर्षण कम होता है, और घिसाव न्यूनतम होता है क्योंकि परमाणुओं को पकड़ बनाने का मौका ही नहीं मिलता। हालांकि, जैसे-जैसे दबाव बढ़ता है, बल इतना शक्तिशाली हो जाता है कि वह इस सुरक्षात्मक कवच को तोड़ देता है। बहुत उच्च भार पर, हाइड्रोजन और ऑक्सीजन समूहों को एक तरफ हटा दिया जाता है या स्थानांतरित कर दिया जाता है, जिससे हीरे के कार्बन परमाणु सिरेमिक के सिलिकॉन और नाइट्रोजन के साथ मजबूत रासायनिक पुल बनाने की अनुमति देते हैं।
एक बार जब ये रासायनिक पुल बन जाते हैं, तो फिसलने की प्रकृति पूरी तरह बदल जाती है। दोनों सतहों के एक-दूसरे के पास से फिसलने के बजाय, उनके बीच का बंधन स्वयं सिरेमिक सामग्री से भी अधिक मजबूत हो जाता है। इसके बाद घर्षण इंटरफेस (संपर्क सतह) पर नहीं होता, बल्कि यह नरम सिरेमिक परत में चला जाता है, जो तनाव के तहत एक गाढ़े पेस्ट की तरह बहने और विकृत होने लगती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि साफ, असुरक्षित हीरे के चेहरों के लिए, यह मजबूत बंधन कम दबाव पर भी लगभग तुरंत हो जाता है, जिससे घर्षण एक उच्च, निरंतर स्तर पर पहुंच जाता है जो इस बात पर निर्भर करता है कि सिरेमिक कितनी आसानी से बह सकता है। सुरक्षित सतहों के लिए, घर्षण तब तक कम रहता है जब तक कि दबाव उस महत्वपूर्ण बिंदु तक नहीं पहुँच जाता जहाँ सुरक्षा विफल हो जाती है, जिसके बाद घर्षण असुरक्षित सतहों के समान उच्च स्तर तक बढ़ जाता है।
अध्ययन ने यह भी दिखाया कि सभी हीरे के चेहरे समान रूप से असुरक्षित नहीं हैं। परमाणुओं की एक विशिष्ट व्यवस्था, जिसे पांडे-पुनर्गठित (Pandey-reconstructed) फेस कहा जाता है, स्वाभाविक रूप से अन्य चेहरों की तुलना में बॉन्डिंग के प्रति अधिक प्रतिरोधी है, जो बिना पानी-व्युत्पन्न कोटिंग के भी उच्च दबाव तक सुरक्षित रहती है। इसके विपरीत, दूसरा फेस C(110) ओरिएंटेशन, अत्यधिक प्रतिक्रियाशील है और आसानी से बंधन बनाता है, जिससे अधिक घिसाव होता है। टीम ने इंटरफेस पर बनने वाले रासायनिक बंधों की संख्या और उत्पन्न होने वाले घर्षण के बीच एक सीधा संबंध खोजा: जब तक बंधन विरल (कम) हैं, घर्षण कनेक्शनों की संख्या के साथ लगातार बढ़ता है, लेकिन एक बार जब इंटरफेस पूरी तरह से बॉन्ड हो जाता है, तो घर्षण का स्तर स्थिर हो जाता है क्योंकि कमजोरी अब सिरेमिक सामग्री की ओर स्थानांतरित हो जाती है। यह कार्य इस बात की एक स्पष्ट, मात्रात्मक तस्वीर प्रदान करता है कि पर्यावरणीय स्थितियां और सतह की रसायन विज्ञान कैसे हीरे के घिसाव को नियंत्रित करती है, यह समझाता है कि क्यों ये सामग्रियां शुष्क निर्वात की तुलना में आर्द्र हवा में बहुत अलग प्रदर्शन करती हैं, और पुराने तरीकों की सीमाओं के बिना जटिल औद्योगिक अनुप्रयोगों में घिसाव का अनुकरण करने और भविष्यवाणी करने का एक शक्तिशाली नया तरीका प्रदान करती है।
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