High-throughput Discovery of Magnetic Rare Earth Transition Metal Alloys

आधुनिक जीवन अदृश्य बलों पर चलता है। कारों को चलाने वाली इलेक्ट्रिक मोटर, पवन टरबाइन को शक्ति देने वाले जनरेटर और कंप्यूटर के भीतर के छोटे ड्राइव, ये सभी स्थायी चुंबकों (परमानेंट मैग्नेट्स) पर निर्भर हैं। ये वे सामग्रियां हैं जो उन्हें सक्रिय रखने के लिए बिजली की आवश्यकता के बिना चुंबकीय क्षेत्र बनाए रखती हैं। दशकों से, सबसे अच्छे चुंबक एक विशिष्ट धातुओं के परिवार पर निर्भर रहे हैं: दुर्लभ पृथ्वी तत्वों (रेयर अर्थ एलिमेंट्स) को आयरन या कोबाल्ट जैसी संक्रमण धातुओं के साथ मिलाकर बनाया गया है। हालांकि ये सामग्रियां अविश्वसनीय रूप से अच्छा काम करती हैं, लेकिन ये महंगी हैं और इनकी आपूर्ति श्रृंखलाएं नाजुक हैं। वैज्ञानिकों को लंबे समय से संदेह रहा है कि परमाणुओं के अन्य, बेहतर संयोजन खोजे जाने की प्रतीक्षा कर रहे हैं, लेकिन संभावित मिश्रणों की संख्या इतनी विशाल है कि प्रयोगशाला में एक-एक करके उनका परीक्षण करने में सदियां लग जाएंगी।

इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक नए प्रकार की खोज की ओर रुख किया है। बीकर में रसायन मिलाने के बजाय, वे लाखों नए क्रिस्टल संरचनाओं की कल्पना करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटरों का उपयोग करते हैं। ये संरचनाएं वे दोहराव वाले पैटर्न हैं जिनमें परमाणु खुद को व्यवस्थित करते हैं। कृत्रिम बुद्धिमत्ता (AI) का उपयोग करके इन पैटर्नों को उत्पन्न करने और फिर उन्नत भौतिकी सिमुलेशन के साथ उनका परीक्षण करने से, वैज्ञानिक प्रयोगशाला में कदम रखने से पहले ही आशाजनक उम्मीदवारों को खोज सकते हैं। यह दृष्टिकोण उन्हें ऐसी सामग्रियां खोजने की अनुमति देता है जो न केवल चुंबकीय हैं, बल्कि वास्तविक दुनिया में अस्तित्व में रहने के लिए पर्याप्त स्थिर भी हैं। लक्ष्य ऐसे चुंबक खोजना है जो वर्तमान में उपलब्ध किसी भी चीज़ से अधिक मजबूत और विश्वसनीय हों, जिससे लागत और आपूर्ति जोखिमों को कम करने के लिए अधिक सामान्य तत्वों का उपयोग किया जा सके।

उत्तरी कैरोलिना एट चार्लोट विश्वविद्यालय और वर्जीनिया विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब नए दुर्लभ-पृथ्वी चुंबकों की खोज के लिए इस उच्च-गति खोज पद्धति को लागू किया है। उन्होंने दुर्लभ पृथ्वी तत्वों के संयोजनों पर ध्यान केंद्रित किया, विशेष रूप से इट्रियम और समैरियम को आयरन, कोबाल्ट और निकल के साथ मिलाया, साथ ही स्टेबलाइजर्स के रूप में कुछ अन्य धातुओं का उपयोग किया। टीम ने एक जनरेटिव आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस मॉडल से तीन हजार से अधिक विभिन्न रासायनिक व्यंजनों के लिए क्रिस्टल संरचनाएं बनाने के लिए कहकर शुरुआत की। मॉडल ने परमाणुओं की लगभग 2,40,000 अद्वितीय व्यवस्थाएं उत्पन्न कीं। यह कोई रैंडम अनुमान नहीं था; मॉडल को ज्ञात स्थिर सामग्रियों पर प्रशिक्षित किया गया था और इसे विशिष्ट रासायनिक नियमों के अनुरूप संरचनाएं बनाने के लिए अनुकूलित किया गया था, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि परिणामी पैटर्न भौतिक रूप से व्यवहार्य हों।

एक बार जब कंप्यूटर ने ये 2,40,000 संभावनाएं उत्पन्न कर दीं, तो शोधकर्ताओं को उन्हें सबसे आशाजनक कुछ तक फ़िल्टर करना था। उन्होंने दो-चरणीय स्क्रीनिंग प्रक्रिया का उपयोग किया। सबसे पहले, उन्होंने यह जांचने के लिए एक तेज़, मशीन-लर्निंग सिमुलेशन चलाया कि कौन सी संरचनाएं स्थिर होने की संभावना रखती हैं। इस चरण ने अधिकांश उम्मीदवारों को हटा दिया, जिससे केवल कुछ हजार बचे जिन पर करीब से नज़र डालना सार्थक था। फिर, उन्होंने इन बचे हुए उम्मीदवारों को 'डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी' नामक बहुत अधिक कठोर और सटीक भौतिक गणना के अधीन किया। इस चरण ने पुष्टि की कि कौन सी संरचनाएं वास्तव में स्थिर थीं और उनकी चुंबकीय शक्ति की गणना की। परिणाम स्वरूप 300 से अधिक निम्न-ऊर्जा वाले चुंबकीय उम्मीदवारों की सूची मिली। इनमें से पांच थर्मोडायनामिक रूप से स्थिर पाए गए, जिसका अर्थ है कि वे बिना टूटे स्वाभाविक रूप से अस्तित्व में रह सकते हैं।

सबसे रोमांचक खोज उनके द्वारा खोजे गए चुंबकों की ताकत थी। सबसे अच्छे उम्मीदवार आयरन (लोहा) से समृद्ध थे, जो चुंबकीय शक्ति का मुख्य हिस्सा प्रदान करता है। एक विशिष्ट संयोजन, जिसमें समैरियम और आयरन शामिल था, ने लगभग 1.8 टेस्ला की सैचुरेशन मैग्नेटाइजेशन प्राप्त की। यह इस बात का माप है कि सामग्री पूरी तरह से चुंबकित होने पर चुंबकीय क्षेत्र कितना मजबूत होता है। तुलना के लिए, यह कई वर्तमान व्यावसायिक चुंबकों की तुलना में काफी अधिक है। एक अन्य शीर्ष प्रदर्शन करने वाला मिश्रण, इट्रियम, आयरन और टाइटेनियम का मिश्रण, भी लगभग 1.8 टेस्ला तक पहुंचा। शोधकर्ताओं ने पाया कि चुंबक की ताकत इस बात पर बहुत अधिक निर्भर करती थी कि क्रिस्टल संरचना में कितने आयरन परमाणु भरे गए हैं। वे क्रिस्टल लैटिस में जितना अधिक आयरन फिट कर सकते थे, चुंबक उतना ही मजबूत होता गया।

अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि इन नए चुंबकों को कैसे बनाया जाता है। अधिकांश सफल टर्नरी कंपाउंड्स (तीन अलग-अलग प्रकार की धातुओं वाले यौगिक) पूरी तरह से नई आकृतियाँ नहीं थे। इसके बजाय, वे ज्ञात बाइनरी संरचनाओं के रूपांतरण थे जहाँ एक प्रकार के परमाणु को दूसरे के स्थान पर बहुत विशिष्ट तरीके से बदला गया था। शोधकर्ताओं ने पाया कि नए धातु, जैसे मैंगनीज या टाइटेनियम, मूल परमाणुओं के बैठने के स्थानों को विभाजित करके क्रिस्टल में फिट होते हैं। यह प्रक्रिया, जिसे 'वाइकोफ साइट स्प्लिटिंग' (Wyckoff site splitting) कहा जाता है, ने नए परमाणुओं को चुंबकीय संरेखण को नष्ट किए बिना संरचना को स्थिर करने की अनुमति दी। विश्लेषण से पता चला कि मैंगनीज इन प्रतिस्थापनों के लिए एक विशेष रूप से अच्छा विकल्प था क्योंकि इसने अपने चुंबकीय दिशा को आयरन के परमाणुओं के साथ संरेखित किया, जिससे समग्र शक्ति में वृद्धि हुई। इसके विपरीत, क्रोमियम ने विपरीत दिशा में संरेखण किया, जिससे चुंबक कमजोर हो गया। यह भविष्य के प्रयोगों के लिए एक स्पष्ट मार्गदर्शिका प्रदान करता है: यदि आप एक मजबूत चुंबक चाहते हैं, तो उन डोपेंट्स (दोषक तत्वों) को चुनें जो आयरन के साथ सहमत हों।

हालांकि कंप्यूटर ने इन 300 उम्मीदवारों को खोजा, शोधकर्ताओं ने नोट किया कि खोज संरचनाओं के आकार द्वारा सीमित थी जिन्हें आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस उत्पन्न कर सकता था। मॉडल को 20 से अधिक परमाणुओं वाले क्रिस्टल बनाने से प्रतिबंधित किया गया था। टीम का सुझाव है कि यदि वे इस खोज को 20 से अधिक परमाणुओं वाले बड़े क्रिस्टल तक विस्तारित कर सकते हैं, तो वे 1.8 टेस्ला से अधिक मैग्नेटाइजेशन वाले और भी अधिक आयरन-समृद्ध संरचनाएं पा सकते हैं। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि यह जनरेटिव दृष्टिकोण सामग्रियों के विज्ञान के जटिल परिदृश्य में नेविगेट करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है। यह अतीत की धीमी, परीक्षण-और-त्रुटि (ट्रायल-एंड-एरर) विधियों से आगे बढ़कर, उन सामग्रियों की खोज के लिए एक व्यवस्थित मार्ग प्रदान करता है जो एक दिन इलेक्ट्रिक वाहनों और हरित ऊर्जा प्रौद्योगिकियों की अगली पीढ़ी को शक्ति दे सकती हैं। आगे का रास्ता स्पष्ट है: मॉडल को बड़े संरचनाओं को संभालने के लिए परिष्कृत करें और इन अनुमानित उम्मीदवारों का प्रयोगशाला में परीक्षण करें कि क्या उन्हें वास्तविक बनाया जा सकता है।