मानचित्र के बिना, यह जानना लगभग असंभव हो सकता है कि आप कहां हैं, बल्कि आप कहां जा रहे हैं, और यह विशेष रूप से सच है जब सामग्री गुणों की बात आती है।
दशकों से, वैज्ञानिकों ने समझा है कि जबकि थोक सामग्री कुछ निश्चित तरीकों से व्यवहार करती है, वे नियम सूक्ष्म और नैनो-पैमाने पर सामग्री के लिए टूट सकते हैं, और अक्सर आश्चर्यजनक तरीकों से।उन आश्चर्यों में से एक यह खोज थी कि, कुछ सामग्रियों के लिए, मामूली स्ट्रेन को भी लागू करने से - इलास्टिक स्ट्रेन इंजीनियरिंग के रूप में जानी जाने वाली एक अवधारणा - सामग्रियों पर नाटकीय रूप से कुछ गुणों में सुधार कर सकती है, बशर्ते वे स्ट्रेन लोचदार रहें और प्लास्टिसिटी, फ्रैक्चर से दूर न हों।, या चरण परिवर्तन।सूक्ष्म और नैनो-स्केल सामग्री विशेष रूप से लागू उपभेदों को लोचदार रूप में रखने में अच्छी होती है।
हालाँकि, कुछ भौतिक गुणों को प्राप्त करने के लिए उन लोचदार उपभेदों (या समकक्ष, अवशिष्ट तनाव) को कैसे लागू किया जाए, यह हाल तक कम स्पष्ट था।
पहले सिद्धांतों की गणना के संयोजन का उपयोग करना औरयंत्र अधिगमएमआईटी शोधकर्ताओं की एक टीम ने विशिष्ट थर्मल और इलेक्ट्रॉनिक गुणों का उत्पादन करने के लिए क्रिस्टलीय सामग्रियों को कैसे ट्यून किया जाए, इसका पहला नक्शा विकसित किया है।
न्यूक्लियर इंजीनियरिंग में बैटल एनर्जी एलायंस प्रोफेसर और सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के प्रोफेसर जू ली के नेतृत्व में टीम ने यह समझने के लिए एक रूपरेखा का वर्णन किया कि किसी सामग्री पर लोचदार तनाव को बदलने से थर्मल और जैसे गुणों को कैसे ठीक किया जा सकता है।इलेक्ट्रिकल कंडक्टीविटी.कार्य का वर्णन एक ओपन-एक्सेस पेपर में किया गया हैप्रकाशितमेंपीएनएएस.
"पहली बार, मशीन लर्निंग का उपयोग करके, हम आदर्श ताकत की पूरी छह-आयामी सीमा को चित्रित करने में सक्षम हुए हैं, जो लोचदार तनाव इंजीनियरिंग की ऊपरी सीमा है, और इन इलेक्ट्रॉनिक और फोनोनिक गुणों के लिए एक मानचित्र तैयार करते हैं।"ली कहते हैं."अब हम इस दृष्टिकोण का उपयोग कई अन्य सामग्रियों का पता लगाने के लिए कर सकते हैं। परंपरागत रूप से, लोग रसायन विज्ञान को बदलकर नई सामग्री बनाते हैं।"
"उदाहरण के लिए, एक टर्नरी मिश्र धातु के साथ, आप दो तत्वों का प्रतिशत बदल सकते हैं, इसलिए आपके पास स्वतंत्रता की दो डिग्री हैं," वह आगे कहते हैं।"हमने जो दिखाया है वह यह है कि हीरा, केवल एक तत्व के साथ, छह-घटक मिश्र धातु के बराबर है, क्योंकि आपके पास छह डिग्री लोचदार तनाव स्वतंत्रता है जिसे आप स्वतंत्र रूप से ट्यून कर सकते हैं।"
छोटे तनाव, बड़े भौतिक लाभ
कागज 1980 के दशक में रखी गई नींव पर बना है, जब शोधकर्ताओं ने पहली बार पता लगाया कि अर्धचालक सामग्रियों का प्रदर्शन दोगुना हो जाता है जब सामग्री पर एक छोटा-सिर्फ 1 प्रतिशत-लोचदार तनाव लागू किया जाता है।
जबकि उस खोज का शीघ्र ही व्यावसायीकरण कर दिया गयासेमीकंडक्टर उद्योगऔर आज लैपटॉप से लेकर सेलफोन तक हर चीज में माइक्रोचिप्स के प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए उपयोग किया जाता है, इंजीनियरिंग एमेरिटस के वन्नेवर बुश प्रोफेसर सुब्रा सुरेश कहते हैं, तनाव का वह स्तर अब हम जो हासिल कर सकते हैं उसकी तुलना में बहुत छोटा है।
2018 मेंविज्ञानपेपर, सुरेश, दाओ, और सहकर्मीप्रदर्शित किया कि 1 प्रतिशत तनावबस हिमशैल का सिरा था.
2018 के एक अध्ययन के हिस्से के रूप में, सुरेश और उनके सहयोगियों ने पहली बार प्रदर्शित किया कि हीरे की नैनोसुइयां 9 प्रतिशत तक लोचदार तनाव का सामना कर सकती हैं और फिर भी अपनी मूल स्थिति में लौट सकती हैं।बाद में, कई समूहों ने स्वतंत्र रूप से पुष्टि की कि सूक्ष्म हीरा वास्तव में प्रत्यावर्ती रूप से तनाव में लगभग 7 प्रतिशत तक विकृत हो सकता है।
सुरेश कहते हैं, "एक बार जब हमने दिखाया कि हम नैनोस्केल हीरे को मोड़ सकते हैं और 9 या 10 प्रतिशत के क्रम पर तनाव पैदा कर सकते हैं, तो सवाल यह था कि आप इसके साथ क्या करते हैं।""यह पता चला है कि हीरा एक बहुत अच्छा अर्धचालक पदार्थ है ... और हमारा एक सवाल यह था कि, अगर हम यांत्रिक रूप से हीरे को तनाव दे सकते हैं, तो क्या हम बैंड गैप को 5.6 इलेक्ट्रॉन-वोल्ट से घटाकर दो या तीन कर सकते हैं? या क्या हम यह सब प्राप्त कर सकते हैंशून्य तक नीचे जाने का रास्ता, जहां यह धातु की तरह आचरण करना शुरू कर देता है?"
उन सवालों का जवाब देने के लिए, टीम ने सबसे पहले मशीन लर्निंग की ओर रुख किया ताकि इस बात की अधिक सटीक तस्वीर प्राप्त की जा सके कि तनाव ने भौतिक गुणों को कैसे बदल दिया।
"तनाव एक बड़ी जगह है," ली बताते हैं।"आपके पास तन्य तनाव हो सकता है, आपके पास कई दिशाओं में कतरनी तनाव हो सकता है, इसलिए यह एक छह-आयामी स्थान है, और फोनन बैंड त्रि-आयामी है, इसलिए कुल मिलाकर नौ ट्यून करने योग्य पैरामीटर हैं। इसलिए, हम मशीन लर्निंग का उपयोग कर रहे हैं, पहली बार, इलेक्ट्रॉनिक और ध्वन्यात्मक गुणों को नेविगेट करने और सीमाओं की पहचान करने के लिए एक संपूर्ण मानचित्र बनाने के लिए।"
उस मानचित्र के साथ, टीम ने बाद में प्रदर्शित किया कि हीरे के अर्धचालक गुणों को नाटकीय रूप से बदलने के लिए तनाव का उपयोग कैसे किया जा सकता है।
"हीरा इलेक्ट्रॉनिक सामग्रियों के माउंट एवरेस्ट की तरह है," ली कहते हैं, "क्योंकि इसमें बहुत कुछ हैउच्च तापीय चालकता, बहुत उच्च ढांकता हुआ टूटने की ताकत, एक बहुत बड़ी वाहक गतिशीलता।हमने जो दिखाया है वह यह है कि हम माउंट एवरेस्ट को नियंत्रित रूप से कुचल सकते हैं ... इसलिए हम दिखाते हैं कि स्ट्रेन इंजीनियरिंग द्वारा आप हीरे की तापीय चालकता को या तो दो गुना सुधार सकते हैं, या इसे 20 गुना अधिक खराब कर सकते हैं।'
नया नक्शा, नये अनुप्रयोग
आगे बढ़ते हुए, निष्कर्षों का उपयोग कई विदेशी सामग्री गुणों का पता लगाने के लिए किया जा सकता है, ली कहते हैं, नाटकीय रूप से कम तापीय चालकता से लेकर अतिचालकता तक।
"प्रयोगात्मक रूप से, ये गुण पहले से ही नैनोसुइयों और यहां तक कि माइक्रोब्रिज के साथ पहुंच योग्य हैं," वे कहते हैं।"और हमने विदेशी गुण देखे हैं, जैसे हीरे की (तापीय चालकता) को केवल कुछ सौ वाट प्रति मीटर-केल्विन तक कम करना। हाल ही में, लोगों ने दिखाया है कि आप हाइड्राइड के साथ कमरे के तापमान के सुपरकंडक्टर्स का उत्पादन कर सकते हैं यदि आप उन्हें कुछ सौ गीगापास्कल तक निचोड़ते हैं, इसलिए नक्शा मिलने के बाद हमें हर तरह का विदेशी व्यवहार मिल गया है।"
परिणाम अगली पीढ़ी के कंप्यूटर चिप्स के डिज़ाइन को भी प्रभावित कर सकते हैं जो आज के प्रोसेसर, साथ ही क्वांटम सेंसर और संचार उपकरणों की तुलना में बहुत तेज़ और कूलर चलने में सक्षम हैं।जैसे-जैसे सेमीकंडक्टर विनिर्माण उद्योग सघन और सघन वास्तुकला की ओर बढ़ता है, सुरेश कहते हैं कि किसी सामग्री की तापीय चालकता को समायोजित करने की क्षमता गर्मी अपव्यय के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण होगी।
जबकि पेपर भविष्य की पीढ़ियों के माइक्रोचिप्स के डिजाइन की जानकारी दे सकता है, ली की लैब में पोस्टडॉक और पेपर के पहले लेखक झे शि का कहना है कि उन चिप्स को औसत लैपटॉप या सेलफोन में अपना रास्ता बनाने से पहले और अधिक काम की आवश्यकता होगी।
"हम जानते हैं कि 1 प्रतिशत तनाव आपके सीपीयू की घड़ी की गति में परिमाण में वृद्धि का आदेश दे सकता है," शी कहते हैं।"इसे यथार्थवादी बनाने के लिए विनिर्माण और उपकरण संबंधी बहुत सारी समस्याएं हैं जिन्हें हल करने की आवश्यकता है, लेकिन मुझे लगता है कि यह निश्चित रूप से एक शानदार शुरुआत है। यह एक रोमांचक शुरुआत है जिससे प्रौद्योगिकी में महत्वपूर्ण प्रगति हो सकती है।"
अधिक जानकारी:झे शि एट अल, फोनन स्थिरता सीमा और जाली तापीय चालकता की गहरी लोचदार तनाव इंजीनियरिंग,राष्ट्रीय विज्ञान अकादमी की कार्यवाही(2024)।डीओआई: 10.1073/पीएनएएस.2313840121
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उद्धरण:इलास्टिक स्ट्रेन इंजीनियरिंग के लिए पहला संपूर्ण मानचित्र (2024, 29 मार्च)29 मार्च 2024 को पुनः प्राप्तhttps://techxplore.com/news/2024-03-elastic-strain.html से
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