Single-crystal X-ray diffraction of BC8 carbon near terapascal pressures
यह अध्ययन टेरापास्कल दबावों के तहत पिघले हुए कार्बन से बने एकल क्रिस्टल के रूप में लंबे समय से अनुमानित BC8 कार्बन चरण की पहली प्रत्यक्ष क्रिस्टलोग्राफिक पहचान की रिपोर्ट करता है, जो हीरा के परे कार्बन संरचनाओं के संबंध में दशकों की अनिश्चितता को सुलझाता है।
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यूरेनस और नेपच्यून जैसे ग्रहों के गहरे कोर में, और शायद दूर स्थित, विलक्षण दुनियाओं के हृदय में, कार्बन ऐसी स्थितियों में मौजूद होता है जो हमारे रोजमर्रा के अनुभव को चुनौती देती हैं। वहां दबाव इतना अत्यधिक है कि इसे टेरापास्कल में मापा जाता है—एक ऐसी इकाई जो इतनी बड़ी है कि इसकी कल्पना करना कठिन है, जो समुद्र तल पर हम पर पड़ने वाले वायुमंडल के भार से लाखों गुना अधिक बल का प्रतिनिधित्व करती है। इतने भीषण भार के नीचे, कार्बन के वे परिचित रूप जिन्हें हम जानते हैं, जैसे पेंसिल में नरम ग्रेफाइट या अंगूठी में कठोर हीरा, बदलने की उम्मीद की जाती है। दशकों तक, वैज्ञानिकों ने इन चरम गहराइयों पर कार्बन को एक नई, और भी सघन संरचना में पुनर्गठित होने की भविष्यवाणी करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटरों का उपयोग किया, जिसे BC8 कहा जाता है। इस सैद्धांतिक रूप को हीरे से भी अधिक सघनता से पैक किया गया माना जाता है, फिर भी चालीस वर्षों की खोज के बावजूद, किसी ने भी इसे सीधे नहीं देखा था। प्रश्न यह बना रहा: क्या पदार्थ का यह छिपा हुआ चरण वास्तव में अस्तित्व में है, या यह केवल एक गणितीय भूत है?
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब प्रत्यक्ष क्रिस्टलोग्राफिक साक्ष्य के माध्यम से BC8 कार्बन का निर्माण करके उस प्रश्न का उत्तर दिया है। इसे खोजने के लिए, उन्होंने प्रकृति द्वारा परिस्थितियाँ प्रदान करने की प्रतीक्षा नहीं की; इसके बजाय, उन्होंने एक उच्च-शक्ति वाले लेजर का उपयोग करके प्रयोगशाला में उन्हें पुन: निर्मित किया। हीरे के एक एकल क्रिस्टल पर प्रकाश का एक संक्षिप्त, तीव्र स्पंदन (पल्स) दागकर, उन्होंने एक शॉकवेव उत्पन्न की जो सामग्री के माध्यम से यात्रा करती है, जिससे इसे 1.1 और 1.2 टेरापास्कल के बीच के दबाव तक संकुचित किया गया। यह प्रक्रिया इतनी तेज़ थी कि यह एक अरबवें सेकंड में हुई, लेकिन यह इतनी तेज़ थी कि हीरे को तरल अवस्था में पिघला सके और फिर, जैसे ही शॉकवेव कमजोर हुई, कार्बन परमाणुओं को ठंडा होने और पुनः ठोस रूप में बनने की अनुमति दे सके। शोधकर्ताओं ने एक सिंक्रोनाइज़्ड एक्स-रे पल्स को नमूने पर दागकर इस क्षणभंगुर क्षण को कैद किया, जिसने एक हाई-स्पीड कैमरा फ्लैश की तरह कार्य किया, और परमाणु संरचना को उसके स्थान पर स्थिर कर दिया।
परिणामी चित्र वे धुंधले, बिखरे हुए पैटर्न नहीं थे जिनकी ऐसी अराजक घटना से अपेक्षा की जा सकती है। इसके बजाय, एक्स-रे ने स्पष्ट, विशिष्ट धब्बे उत्पन्न किए, बिल्कुल वैसे ही जैसे प्रकाश के कटे हुए रत्न से टकराने पर स्पष्ट प्रतिबिंब दिखाई देते हैं। ये धब्बे एक क्रिस्टल के हस्ताक्षर हैं, और उनके बीच के कोणों और दूरियों को मापकर, वैज्ञानिक कार्बन परमाणुओं की सटीक व्यवस्था का मानचित्र बना सके। उन्हें जो पैटर्न मिला वह BC8 संरचना की अनुमानित ज्यामिति से पूरी तरह मेल खाता था। यह एक महत्वपूर्ण सफलता थी क्योंकि पिछले प्रयोग केवल व्यापक, धुंधले संकेतों के आधार पर संरचना का अनुमान लगाने में ही सक्षम थे, या वे किसी नए चरण को देखने में विफल रहे थे। इस अध्ययन में, शोधकर्ता यह सिद्ध करने में सक्षम रहे कि कार्बन वास्तव में BC8 के एक एकल, सुसंगत क्रिस्टल में परिवर्तित हो गया था, न कि हीरे के रूप में ही रहा या एक अव्यवस्थित तरल में बदल गया।
प्रयोग ने यह भी खुलासा किया कि यह रूपांतरण कैसे होता है, इसके बारे में कुछ महत्वपूर्ण। यह पाया गया कि कार्बन को केवल दबाव के साथ दबाना ही उसे BC8 आकार में मजबूर करने के लिए पर्याप्त नहीं है; सामग्री को एक विशिष्ट तरीके से गर्म और फिर ठंडा भी किया जाना चाहिए। हीरे को पहले पिघलना पड़ा, जिससे परमाणुओं को अपनी नई, अधिक सघन स्थितियों को खोजने के लिए घूमने की स्वतंत्रता मिली, इससे पहले कि वे वापस ठोस रूप में लॉक हो जाएं। इस निष्कर्ष ने समझाया कि क्यों BC8 बनाने के पिछले प्रयास विफल रहे थे; वे प्रयोग अक्सर पूरे समय कार्बन को ठोस रखते थे, जिससे वह अपने हीरे के रूप में ही फंसा रह जाता था। कार्बन को तरल अवस्था के माध्यम से निर्देशित करके, शोधकर्ताओं ने उस मार्ग को खोल दिया जिसका उपयोग प्रकृति संभवतः ग्रहों के गहरे आंतरिक भाग में करती है।
इस नव-अवलोकित BC8 कार्बन का घनत्व लगभग 7.19 ग्राम प्रति घन सेंटीमीटर मापा गया, जो इस उच्च-दबाव चरण के सैद्धांतिक भविष्यवाणियों के अनुरूप है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि क्रिस्टल संरचना में मामूली विरूपण (डिस्टॉर्शन) थे, जो संभवतः इस क्षणिक प्रयोग के दौरान अत्यधिक गर्मी और असमान दबाव के कारण थे, लेकिन सामग्री की मूल पहचान निर्विवाद थी। यह खोज केवल एक लंबे समय से चली आ रही थ्योरी की पुष्टि नहीं करती है; यह कार्बन-समृद्ध ग्रहों की संरचना को समझने के लिए एक ठोस बेंचमार्क प्रदान करती है और सबसे चरम स्थितियों में सामग्रियों के व्यवहार के बारे में हमारे ज्ञान में सुधार करती है। यह भविष्य के अध्ययन के द्वार भी खोलती है, यह सुझाव देते हुए कि यदि वैज्ञानिक इस सामग्री को पकड़ने और थामने में सक्षम हो जाते हैं, तो वे एक दिन इसके अद्वितीय गुणों का अध्ययन कर पाएंगे, जैसे कि क्या यह हीरे से भी अधिक कठोर है या यह बिजली का संचालन कैसे करता है। फिलहाल, कार्बन के BC8 चरण को खोजने की दशकों लंबी खोज कंप्यूटर सिमुलेशन के क्षेत्र से निकलकर प्रयोगशाला की वास्तविकता में आ गई है।
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