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The effect of boron content on the structure and dielectric properties of alkali-free boroaluminosilicate glass

यह अध्ययन क्षारीय-मुक्त बोरोएल्युमिनोसिलिकेट ग्लास की संरचना और गुणों पर भिन्न B₂O₃ सामग्री (6–14 mol%) के प्रभाव की व्यवस्थित रूप से जांच करता है, जिससे यह पता चलता है कि 12 mol% B₂O₃ वाला एक संयोजन नेटवर्क संरचना को अनुकूलित करके 10 GHz पर 4.47 का न्यूनतम ढांकता हुआ स्थिरांक (डाइइलेक्ट्रिक कांस्टेंट) और 4.17×10⁻⁶/°C का तापीय प्रसार गुणांक प्राप्त करता है, जो इसे 5G/6G संचार अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनाता है।

मूल लेखक: Xian Wang, Jinlong Li, Weihong Zheng, Lincan Zhou, Ping Lu

प्रकाशित 2026-08-25

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Xian Wang, Jinlong Li, Weihong Zheng, Lincan Zhou, Ping Lu

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आधुनिक जीवन अदृश्य तरंगों पर चलता है। हमारी जेबों में रखे स्मार्टफोन से लेकर हमारी यात्राओं का मार्गदर्शन करने वाले उपग्रहों तक, पांचवीं और छठी पीढ़ी के वायरलेस नेटवर्क डेटा को उन गति से हवा में भेज रहे हैं जो कभी विज्ञान कथा (साइंस फिक्शन) हुआ करती थी। लेकिन जैसे ही ये संकेत हमारी ओर दौड़ते हैं, उन्हें एक छिपी हुई बाधा का सामना करना पड़ता है: वे सामग्रियां जो उन्हें ले जाती हैं। हमारे उपकरणों के सर्किट बोर्ड और सुरक्षात्मक आवरणों के भीतर, कांच के रेशे (ग्लास फाइबर्स) इन संकेतों के लिए राजमार्ग का कार्य करते हैं। नेटवर्क के कुशलता से काम करने के लिए, विशेष रूप से भविष्य के संचार में उपयोग की जाने वाली उच्च आवृत्तियों (फ्रीक्वेंसी) पर, इन कांच के रेशों को बिजली के प्रति असाधारण रूप से पारदर्शी होना चाहिए। यदि कांच बहुत अधिक ऊर्जा को रोक लेता है, तो यह संकेत की गति को धीमा कर देता है और उस ऊर्जा को ऊष्मा (हीट) में बदल देता है, जिससे देरी होती है और कनेक्शन टूट जाते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि बोरॉन मिलाना, जो कांच में पाया जाने वाला एक सामान्य तत्व है, इन सामग्रियों को संकेतों को गुजरने देने में बेहतर बना सकता है। हालांकि, एक मजबूत, टिकाऊ कांच और एक ऐसा कांच जो विद्युत रूप से अदृश्य हो, के बीच सटीक संतुलन बनाने के लिए आवश्यक मात्रा क्या है, यह एक रहस्य बना हुआ था।

वुहान यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने बिना किसी क्षारीय धातु (अल्कली मेटल) के विशेष कांच की एक श्रृंखला बनाकर इस पहेली को सुलझाने का प्रयास किया, जिन्हें विद्युत इन्सुलेशन को कमजोर करने के लिए जाना जाता है। उन्होंने सिलिकॉन, एल्युमीनियम और बोरॉन से बने एक विशिष्ट प्रकार के कांच पर ध्यान केंद्रित किया, जिसमें अन्य सभी चीजों को समान रखते हुए मिश्रण में बोरॉन की मात्रा को व्यवस्थित रूप से बदला। उनका लक्ष्य यह देखना था कि कांच की आंतरिक संरचना कैसे बदलती है और उन बदलावों ने ऊष्मा को संभालने और उच्च-आवृत्ति संकेतों को प्रसारित करने की इसकी क्षमता को कैसे प्रभावित किया। इस कांच के पांच अलग-अलग संस्करणों का परीक्षण करके, जिनमें कम से लेकर उच्च बोरॉन सामग्री तक शामिल थे, उन्होंने रासायनिक रेसिपी और अंतिम प्रदर्शन के बीच के संबंध को मैप किया, और उस सटीक बिंदु की तलाश की जहाँ सामग्री अगली पीढ़ी के संचार के लिए आदर्श बन जाती है।

शोधकर्ताओं ने 1,500 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान पर एक प्लैटिनम क्रूसिबल (क्रूसिबल) में सिलिकॉन, एल्युमीनियम और बोरॉन ऑक्साइड के कच्चे पाउडर को पिघलाकर शुरुआत की। यह सुनिश्चित करने के लिए कि कांच शुद्ध और बुलबुलों से मुक्त हो, उन्होंने थोड़ी मात्रा में टिन ऑक्साइड मिलाया और आंतरिक तनाव को रोकने के लिए शीतलन प्रक्रिया (कूलिंग प्रोसेस) को सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया। एक बार जब कांच ठोस ब्लॉकों के रूप में ठंडा हो गया, तो उन्होंने इसे परीक्षणों की एक श्रृंखला से गुजरने के लिए मजबूर किया। उन्होंने यह पुष्टि करने के लिए कि सामग्री वास्तव में कांच है न कि एक क्रिस्टल, एक्स-रे विवर्तन (डिफ्रैक्शन) का उपयोग किया, और उन्होंने परमाणु संरचना के भीतर झांकने के लिए रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी और न्यूक्लियर मैग्नेटिक रेजोनेंस का उपयोग किया। इन उपकरणों ने उन्हें यह गिनने की अनुमति दी कि कितने परमाणु विशिष्ट आकारों में व्यवस्थित थे, जैसे कि चार-पक्षीय टेट्राहेड्रोन बनाम चपटे त्रिकोण, क्योंकि इन परमाणु समूहों का आकार निर्धारित करता है कि कांच कैसा व्यवहार करेगा।

जैसे-जैसे उन्होंने बोरॉन की मात्रा 6 प्रतिशत से बढ़ाकर 14 प्रतिशत की, कांच की आंतरिक वास्तुकला एक अनुमानित लेकिन जटिल तरीके से बदल गई। निचले स्तरों पर, बोरॉन परमाणु सिलिकॉन और एल्युमीनियम परमाणुओं के साथ जुड़कर एक घनी, त्रि-आयामी नेटवर्क बनाने में मदद करते थे। हालांकि, जैसे-जैसे बोरॉन बढ़ा, मिश्रण में उपलब्ध ऑक्सीजन की कमी हो गई। इस कमी ने कुछ बोरॉन और एल्युमीनियम परमाणुओं को मजबूर किया कि वे अपनी आकृति को स्थिर, चार-पक्षीय संरचनाओं से बदलकर ढीले, तीन-पक्षीय या छह-पक्षीय रूपों में बदल लें। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह संरचनात्मक बदलाव एक सीधी रेखा नहीं था; इसके बजाय, एक विशिष्ट टिपिंग पॉइंट (निर्णायक बिंदु) था। जब बोरॉन की मात्रा 12 प्रतिशत तक पहुँच गई, तो कांच ने अपनी सबसे सघन और स्थिर व्यवस्था प्राप्त की, जिसमें उन मजबूत, चार-पक्षीय संबंधों की संख्या सबसे अधिक थी।

यह संरचनात्मक शिखर सीधे तौर पर बेहतर प्रदर्शन में परिवर्तित हुआ। 12 प्रतिशत बोरॉन वाले कांच में तापीय विस्तार (थर्मल एक्सपेंशन) सबसे कम था, जिसका अर्थ है कि गर्म या ठंडा होने पर यह सबसे कम फैलेगा और सिकुड़ेगा, जो इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में दरारें रोकने के लिए एक महत्वपूर्ण गुण है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि इस विशिष्ट संरचना ने 10 गीगाहर्ट्ज़ पर सबसे कम डाइइलेक्ट्रिक स्थिरांक दिखाया, जो मिलीमीटर-वेव संचार के लिए एक महत्वपूर्ण आवृत्ति है। सरल शब्दों में, इस कांच के संस्करण ने विद्युत संकेतों को न्यूनतम देरी और ऊर्जा हानि के साथ गुजरने दिया। शोधकर्ताओं ने यह भी मापा कि पिघलने पर कांच कैसे बहता है, यह पाते हुए कि इस 12 प्रतिशत मिश्रण ने एक ऐसा श्यानता (विस्कोसिटी) बनाए रखा जो निर्माण के दौरान स्थिर रहने के लिए पर्याप्त उच्च था, लेकिन टूटने के बिना महीन रेशों में खींचे जाने के लिए पर्याप्त कम था।

अध्ययन ने खुलासा किया कि केवल अधिक बोरॉन जोड़ने से हमेशा बेहतर परिणाम नहीं मिलते हैं। एक बार जब बोरॉन की मात्रा 12 प्रतिशत से अधिक हो गई, तो कांच अपनी संरचनात्मक कसावट खोने लगा। अतिरिक्त बोरॉन परमाणु अब मजबूत चार-पक्षीय आकार नहीं बना सके और इसके बजाय वापस चपटे, कम स्थिर रूपों में बदल गए। इस परिवर्तन ने कांच को गर्मी के साथ फैलने के प्रति थोड़ा अधिक संवेदनशील और संकेतों को प्रसारित करने में थोड़ा कम कुशल बना दिया। टीम ने निष्कर्ष निकाला कि इष्टतम संरचना वह नहीं थी जिसमें सबसे अधिक बोरॉन था, बल्कि वह थी जहाँ बोरॉन और एल्युमीनियम परमाणु सबसे घने संभव नेटवर्क को बनाने के लिए पूर्ण सामंजस्य में काम करते थे। यह निष्कर्ष निर्माताओं को अगली पीढ़ी के कांच के रेशों का उत्पादन करने के लिए एक स्पष्ट ब्लूप्रिंट प्रदान करता है, यह सुनिश्चित करता है कि हमारे भविष्य के संचार नेटवर्क के अदृश्य राजमार्ग यथासंभव तेज़ और विश्वसनीय हों।

तकनीकी सारांश: क्षारीय-मुक्त बोरोएल्युमिनोसिलिकेट ग्लास की संरचना और परावैद्युत गुणों पर बोरॉन सामग्री का प्रभाव

समस्या विवरण
5G और 6G मिलीमीटर-तरंग संचार प्रौद्योगिकियों की तीव्र प्रगति के लिए ऐसे ग्लास फाइबर सबस्ट्रेट्स की मांग है जिनमें कम परावैद्युत स्थिरांक ( $\varepsilon_r$ ) और कम परावैद्युत हानि ( $\tan\delta$ ) हो, ताकि सिग्नल विलंब और ऊर्जा अपव्यय को न्यूनतम किया जा सके। यद्यपि क्षारीय-मुक्त बोरोएल्युमिनोसिलिकेट ग्लास अपने इन्सुलेशन और स्थायित्व के कारण आशाजनक उम्मीदवार हैं, एक महत्वपूर्ण चुनौती बनी हुई है: प्रसंस्करण क्षमता (कम पिघलने और फाइबर बनाने वाले तापमान) और उच्च-आवृत्ति परावैद्युत प्रदर्शन के बीच संतुलन बनाना। पिछले शोधों ने मुक्त ऑक्सीजन के लिए "B-Al समन्वय प्रतिस्पर्धा" (B-Al coordination competition) के संदर्भ में, निश्चित क्षारीय-मृत्त ऑक्साइड (RO) सामग्री के तहत $B_2O_3$ सामग्री की स्वतंत्र भूमिका को व्यवस्थित रूप से स्पष्ट नहीं किया है।

कार्यप्रणाली
इस अध्ययन में क्षारीय-मुक्त बोरोएल्युमिनोसिलिकेट ग्लास (SiO $_2$ -Al $_2$ O $_3$ -B $_2$ O $_3$ -RO) की संरचना और गुणों पर $B_2O_3$ सामग्री (6 से 14 मोल% के बीच) के प्रभाव का व्यवस्थित रूप से अध्ययन किया गया। पाँच ग्लास नमूने (BS1–BS5) तैयार किए गए जहाँ $B_2O_3$ /SiO $_2$ अनुपात को SiO $_2$ की तुलना में $B_2O_3$ को बढ़ाकर व्यवस्थित रूप से परिवर्तित किया गया, जबकि Al $_2$ O $_3$ , RO (CaO, MgO, SrO), और Y $_2$ O $_3$ की मात्रा को स्थिर रखा गया। पिघलने के दौरान बोरॉन वाष्पीकरण को कम करने के लिए, ग्लास संरचना में 0.6 मोल% $Y_2O_3$ शामिल किया गया, जहाँ $Y^{3+}$ आयन स्थिर यट्रियम बोरेट प्रजातियों (जैसे, YBO $_3$ ) का निर्माण करते हैं ताकि बोरॉन को स्थिर किया जा सके।

अध्ययन में बहु-आयामी लक्षण वर्णन दृष्टिकोण का उपयोग किया गया:

संरचनात्मक विश्लेषण: एक्स-रे विवर्तन (XRD) ने नमूनों की अमोर्फस प्रकृति की पुष्टि की। रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी ने सिलोक्सेन ( $Q^n$ ) प्रजातियों के विकास का विश्लेषण किया। मैजिक-एंगल स्पिनिंग न्यूक्लियर मैग्नेटिक रेजोनेंस (MAS-NMR) ने $^{11}$ B और $^{27}$ Al के समन्वय अवस्थाओं ([BO $_3$ ] बनाम [BO $_4$ ]) और एल्युमीनियम ([AlO $_4$ ], [AlO $_5$ ], [AlO $_6$ ]) को मात्रात्मक रूप से निर्धारित किया।
तापीय गुण: थर्मल डायलेट्री और डिफरेंशियल स्कैनिंग कैलोरीमेट्री (DSC) ने तापीय प्रसार गुणांक (CTE), ग्लास ट्रांज़िशन तापमान ( $T_g$ ), क्रिस्टलीकरण पीक ( $T_p$ ), और तापीय स्थिरता ( $\Delta T$ ) को मापा।
परावैद्युत गुण: परावैद्युत स्थिरांक और लॉस टेंगेंट को निर्धारित करने के लिए कैविटी परटर्बेशन विधि का उपयोग करके 1 MHz और 10 GHz पर माप किए गए।
श्यानता (Viscosity): 1200–1600 °C के बीच उच्च-तापमान श्यानता को मापा गया और अरहेनियस समीकरण के आधार पर फिट किया गया ताकि पिघलने ( $T_m$ ) और फाइबर बनाने वाले ( $T_f$ ) तापमान प्राप्त किए जा सकें।

मुख्य परिणाम
अध्ययन ने $B_2O_3$ सामग्री और ग्लास गुणों के बीच एक गैर-मोनोटोनिक संबंध का खुलासा किया, जो $B^{3+}$ और $Al^{3+}$ के बीच मुक्त ऑक्सीजन के लिए प्रतिस्पर्धा द्वारा संचालित है:

नेटवर्क संरचना का विकास: जैसे-जैसे $B_2O_3$ की मात्रा 6 से 12 मोल% तक बढ़ी, टेट्राहेड्रल इकाइयों ([BO $_4$ ] और [AlO $_4$ ]) का अंश बढ़ा, जो 12 मोल% (नमूना BS4) पर अधिकतम तक पहुँच गया। 14 मोल% (नमूना BS5) पर, मुक्त ऑक्सीजन अपर्याप्त हो गई, जिससे [BO $_4$ ] का [BO $_3$ ] में और [AlO $_4$ ] का उच्च-समन्वय [AlO $_5$ ]/[AlO $_6$ ] इकाइयों में रूपांतरण हुआ। रमन स्पेक्ट्रा ने नेटवर्क पॉलीमराइजेशन में समग्र वृद्धि (उच्च $Q^3$ अंश) का संकेत दिया, लेकिन इस समन्वय प्रतिस्पर्धा के कारण $Q^4$ अंशों में जटिल भिन्नता देखी गई।
तापीय गुण: जैसे-जैसे कठोर [SiO $_4$ ] नेटवर्क को कम कठोर बोरेट नेटवर्क द्वारा प्रतिस्थापित किया गया, ग्लास ट्रांज़िशन तापमान ( $T_g$ ) 738 °C से घटकर 708 °C हो गया। CTE ने 12 मोल% $B_2O_3$ (BS4) पर $4.17 \times 10^{-6}$ /°C का न्यूनतम मान प्रदर्शित किया, जो टेट्राहेड्रल नेटवर्क की चरम सघनता के अनुरूप है।
परावैद्युत प्रदर्शन: 10 GHz पर, परावैद्युत स्थिरांक नमूना BS4 (12 मोल% $B_2O_3$ ) के लिए 4.47 के न्यूनतम स्तर पर पहुँचा। यह सुधार $Si^{4+}$ की तुलना में $B^{3+}$ की निम्न ध्रुवीकरण क्षमता और [BO $_4$ ] इकाइयों के माध्यम से एक सघन, अत्यधिक जुड़े हुए 3D नेटवर्क के निर्माण के कारण है। परावैद्युत हानि भी इसी प्रवृत्ति का पालन करती है, जो सघन नेटवर्क में वाहक प्रवासन (carrier migration) के दमन के कारण BS4 पर न्यूनतम है।
श्यानता और प्रसंस्करण क्षमता: $B_2O_3$ सामग्री बढ़ने के साथ उच्च-तापमान श्यानता आम तौर पर कम होती गई, जिसका कारण प्लेनर [BO $_3$ ] इकाइयों का समावेश और यूटेक्टिक निर्माण है। हालांकि, ग्लास पिघलने का तापमान ( $T_m$ ) और फाइबर बनाने वाला तापमान ( $T_f$ ) समान गैर-मोनोटोनिक रुझान प्रदर्शित करते हैं, जिसमें नमूना BS4 अपेक्षाकृत उच्च श्यान प्रवाह सक्रियण ऊर्जा और मध्यम फाइबर-बनाने वाला तापमान ( $T_f \approx 1436$ °C) प्रदर्शित करता है, जो तरलता और संरचनात्मक स्थिरता के बीच संतुलन को दर्शाता है।

महत्व और दावे
यह पत्र 5G/6G संचार के लिए उपयुक्त निम्न-परावैद्युत ग्लास फाइबर विकसित करने के लिए एक सैद्धांतिक और प्रयोगात्मक आधार प्रदान करने का दावा करता है। प्राथमिक योगदान एक इष्टतम संरचना (12 मोल% $B_2O_3$ ) की पहचान करना है जो गुणों का एक बेहतर संतुलन प्राप्त करती है:

निम्न परावैद्युत स्थिरांक: 10 GHz पर 4.47।
निम्न CTE: $4.17 \times 10^{-6}$ /°C।
उच्च क्रिस्टलीकरण प्रतिरोध: उन्नत $\Delta T$ ।
मध्यम प्रसंस्करण क्षमता: उपयुक्त फाइबर-बनाने वाला तापमान।

लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि इष्टतम प्रदर्शन केवल $B_2O_3$ सामग्री को अधिकतम करके प्राप्त नहीं होता है, बल्कि [BO $_4$ ]/[BO $_3$ ] और [AlO $_4$ ]/([AlO $_5$ ] + [AlO $_6$ ]) अनुपातों को अधिकतम करने के लिए $B_2O_3$ /SiO $_2$ अनुपात को ट्यून करके प्राप्त किया जाता है। यह विशिष्ट संरचना (BS4) एक सघन नेटवर्क संरचना प्रदान करती है जो ध्रुवीकरण और तापीय प्रसार को न्यूनतम करती है और साथ ही औद्योगिक फाइबर ड्राइंग के लिए पर्याप्त श्यानता बनाए रखती है, जो प्रसंस्करण क्षमता और उच्च-आवृत्ति परावैद्युत प्रदर्शन के बीच संतुलन बनाने की केंद्रीय चुनौती का समाधान करती है।

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