Cold sintering and magnetic properties of high-entropy oxide (Mn,Fe,Co,Ni,Cu)3O4 ceramics

सामग्री विज्ञान की दुनिया में, उच्च-एन्ट्रॉपी ऑक्साइड (high-entropy oxides) के रूप में ज्ञात पदार्थों के एक वर्ग के प्रति एक बढ़ती हुई दिलचस्पी है। एक ऐसी सिरेमिक सामग्री की कल्पना करें जो एक या दो मुख्य सामग्रियों से नहीं, बल्कि कम से कम पांच अलग-अलग धातु तत्वों के एक जटिल मिश्रण से बनी है, जो सभी लगभग समान मात्रा में आपस में मिले हुए हैं। यह अराजक मिश्रण एक अद्वितीय स्थिरता पैदा करता है, जिससे सामग्री तनाव के तहत भी एक समान संरचना बनाए रखने में सक्षम होती है। इन सामग्रियों को बिजली संचालित करने, ऊर्जा संग्रहीत करने या चुंबकीय क्षेत्रों के साथ परस्पर क्रिया करने की उनकी क्षमता के लिए सराहा जाता है, जो उन्हें बेहतर बैटरी से लेकर उन्नत कंप्यूटर मेमोरी तक, सब कुछ के लिए संभावित उम्मीदवार बनाता है। हालाँकि, इन पाउडरों को ठोस, उपयोगी सिरेमिक ब्लॉकों में बदलना पारंपरिक रूप से एक कठिन कार्य रहा है। मानक विधि में पाउडर को अत्यधिक तापमान पर गर्म करना शामिल है, जो अक्सर 900 डिग्री सेल्सियस से अधिक होता है। इतने उच्च ताप पर, पांच धातुओं का नाजुक संतुलन टूट सकता है, जिससे सामग्री अपने विशेष गुणों को खो सकती है या अपनी रासायनिक संरचना को पूरी तरह से बदल सकती है। वैज्ञानिक लंबे समय से इन पाउडरों को अत्यधिक गर्मी के बिना ठोस आकारों में जोड़ने का एक तरीका खोजने की कोशिश कर रहे हैं, इस उम्मीद में कि उस अनूठी उच्च-एन्ट्रॉपी संरचना को संरक्षित किया जा सके जो उन्हें इतना मूल्यवान बनाती है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने कोल्ड सिंटरिंग प्रक्रिया (cold sintering process) नामक तकनीक का उपयोग करके एक विशिष्ट उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्रण से ठोस सिरेमिक ब्लॉक सफलतापूर्वक बनाकर इस समस्या को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। अत्यधिक गर्मी पर निर्भर रहने के बजाय, यह विधि पाउडर कणों को आपस में बांधने के लिए मध्यम तापमान और तरल की थोड़ी मात्रा के साथ तीव्र दबाव के संयोजन का उपयोग करती है। टीम ने मैंगनीज, आयरन, कोबाल्ट, निकल और कॉपर से बनी एक सिरेमिक पर ध्यान केंद्रित किया। उन्होंने महीन पाउडर को पानी, सोडियम हाइड्रॉक्साइड या अमोनियम एसीटेट जैसे विभिन्न तरल योजकों के साथ मिलाया, और फिर मिश्रण को 315 मेगापास्कल के दबाव पर एक सांचे में दबाया। जब यह सामग्री इस जबरदस्त दबाव में थी, तब उन्होंने इसे अपेक्षाकृत हल्के 250 से 300 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया और इसे 30 से 60 मिनट तक वहीं बनाए रखा। इस दृष्टिकोण ने उन्हें सैद्धांतिक अधिकतम के 74 प्रतिशत तक घनत्व वाले ठोस सिरेमिक बनाने की अनुमति दी, और यह सब तापमान को इतना कम रखते हुए किया गया कि सामग्री को टूटने से बचाया जा सके।

इस प्रयोग के परिणाम आश्चर्यजनक थे, विशेष रूप से इस बात पर कि सामग्री चुंबकीय क्षेत्र में कैसे व्यवहार करती है। जब शोधकर्ताओं ने अपनी नई सिरेमिक की चुंबकीय शक्ति का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि सामग्री न केवल इस प्रक्रिया में जीवित रही, बल्कि मूल ढीले पाउडर की तुलना में कुछ तरीकों से बेहतर भी हुई है। ठोस ब्लॉकों ने 20.0 emu/g का संतृप्ति चुंबकत्व (saturation magnetization), 9.4 emu/g का अवशेष चुंबकत्व (remanent magnetization), और 354.8 Oe का कोएर्सिविटी (coercivity) प्रदर्शित किया। ये संख्याएं दर्शाती हैं कि सामग्री चुंबकीय रूप से काफी मजबूत है और अपनी चुंबकीय अवस्था को अच्छी तरह से बनाए रखती है। महत्वपूर्ण रूप से, विश्लेषण ने दिखाया कि जटिल, पांच-धातु संरचना पूरी प्रक्रिया के दौरान बरकरार रही। शोधकर्ताओं ने देखा कि ठोस सिरेमिक के भीतर के दाने (grains) बहुत छोटे थे, जिनका औसत आकार लगभग 0.5 माइक्रोमीटर था। यह सूक्ष्म-दानेदार संरचना महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सुझाव देती है कि सामग्री एकल चुंबकीय डोमेन से बनी है, जो यह समझाता है कि इसकी चुंबकीय विशेषताएं इतनी मजबूत क्यों थीं। अध्ययन बताता है कि इस प्रक्रिया के दौरान सामग्री को एक साथ रखने वाला तंत्र संभवतः पदार्थ के पानी में घुलने और पुन: बनने के बजाय परमाणुओं की ठोस-अवस्था गति (solid-state movement) द्वारा संचालित है, जो एक सिद्धांत है जो इस निम्न-तापमान विधि के काम करने के बारे में कुछ पिछले अनुमानों को चुनौती देता है।

यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि अत्यधिक गर्मी की आवश्यकता के बिना उच्च-एट्रॉपी चुंबकीय सिरेमिक का निर्माण करना संभव है, जो आमतौर पर उनके अद्वितीय गुणों को नष्ट करने का खतरा पैदा करती है। दबाव और मध्यम तापमान का उपयोग करके, टीम ने पांच धातुओं की जटिल परमाणु व्यवस्था को सुरक्षित रखा और साथ ही एक उत्कृष्ट चुंबकीय प्रदर्शन वाला एक ठोस पिंड बनाया। निष्कर्ष बताते हैं कि यह निम्न-तापमान दृष्टिकोण कार्यात्मक चुंबकीय उपकरणों, जैसे कि डेटा स्टोरेज या ऊर्जा अनुप्रयोगों के लिए घटकों के उत्पादन के लिए एक व्यवहार्य मार्ग हो सकता है, जहाँ सामग्री के सटीक रासायनिक संतुलन को बनाए रखना आवश्यक है। यह शोध पुष्टि करता है कि उच्च-एन्ट्रॉपी संरचना केवल पाउडर का गुण नहीं है, बल्कि इसे सफलतापूर्वक एक सघन, ठोस सिरेमिक रूप में स्थानांतरित किया जा सकता है, जो इन जटिल सामग्रियों के अधिक व्यावहारिक अनुप्रयोगों के द्वार खोलता है।