विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी मंत्रालय
भरोसेमंद थर्मोइलेक्ट्रिक इस्तेमाल वाले क्रिस्टलीय ठोस में अल्ट्रा-लो थर्मल कंडक्टिविटी से उनके स्थानीय संरचनात्मक विरूपण की खोज की गई
हाल के एक अध्ययन में, भारतीय वैज्ञानिकों ने भरोसेमंद थर्मोइलेक्ट्रिक इस्तेमाल वाले एक क्रिस्टलीय ठोस सिल्वर एंटीमनी सेलेनाइड  में अल्ट्रा-लो थर्मल कंडक्टिविटी की उत्पत्ति का पता लगाया है।
उन्होंने इस तथ्य की खोज की है कि सिल्वर एंटीमनी सेलेनाइड  ने औसत संरचना को बरकरार रखते हुए, स्थानीय संरचना को विकृत कर दिया है, जो अल्ट्रा-लो थर्मल कंडक्टिविटी के रूप में सामने आया। यह काम ताप परिचालन की मौलिकता को समझने के लिए सामग्री की स्थानीय संरचना की जांच के महत्व पर जोर देता है।
ताप परिचालन पदार्थ के मूलभूत गुणों में से एक है, और सेमीकंडक्टर इलेक्ट्रॉनिक्स, थर्मोइलेक्ट्रिक्स और थर्मल बैरियर कोटिंग जैसे कई रूपों में इसका इस्तेमाल किया जाता है। ऊष्मा एक माध्यम के गर्म सिरे से ठंडे सिरे तक तब तक फैलती है जब तक कि वे थर्मोडायनामिक संतुलन में न हों। क्रिस्टलीय पदार्थों में, जहां परमाणु आवर्ती और क्रमबद्ध तरीके से बारीकी से व्यवस्थित हैं, ताप मुख्य रूप से चालन द्वारा गुजरता है। वे परमाणुओं की घनिष्ठ व्यवस्था के कारण अत्यधिक ताप संवाहक होते हैं जो सुगम ऊष्मा परिचालन की सुविधा प्रदान करते हैं। ऊष्मा का चालन तब होता है, जब आसपास के परमाणु कंपन करते हैं और ऊष्मा को स्थानांतरित करते हैं। जिस दर पर ऊष्मा एक गर्म सिरे से ठंडे सिरे तक स्थानांतरित हो सकती है, उसे तापीय चालकता कहा जाता है, और अक्सर इस तापीय चालकता का निरपेक्ष मान विभिन्न उद्योगों में किसी सामग्री की प्रयोज्यता को निर्धारित करता है। बहुत अधिक तापीय चालकता वाली सामग्री का व्यापक रूप से सेमीकंडक्टर इलेक्ट्रॉनिक्स में हीट सिंक के रूप में या हीट रेडिएटर्स के रूप में उपयोग किया जाता है, जबकि अल्ट्रा-लो थर्मल कंडक्टिव सामग्री गर्मी इन्सुलेशन के इस्तेमाल या थर्मोइलेक्ट्रिक्स में उपयोगी होती है। इसलिए सामग्री के ताप परिवहन का अध्ययन करना और उसे समझना मौलिक और व्यावहारिक दोनों दृष्टि से अत्यंत महत्वपूर्ण है।
भारत सरकार के विज्ञान और प्रौद्योगिकी विभाग के एक स्वायत्त संस्थान - जवाहरलाल नेहरू सेंटर फॉर एडवांस्ड साइंटिफिक रिसर्च , बैंगलोर के प्रो. कनिष्क बिस्वास और उनके छात्र डॉ. मोइनक दत्ता ने 'अंगवेन्ते केमी' में प्रकाशित अपने हाल के पेपर में सिल्वर एंटीमनी सेलेनाइड  में अल्ट्रा-लो तापीय चालकता की मौलिकता की खोज की है।
जबकि, क्रिस्टलीय सामग्री अत्यधिक ताप संवाहक होती हैं, वहीं सिल्वर एंटीमनी सेलेनाइड  इससे भिन्न है और कांच जैसी सामग्री की तरह तापीय चालकता प्रदर्शित करती है। तापीय चालकता में इस तरह की विसंगति के परीक्षण के लिए, उन्होंने सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे पेयर डिस्ट्रीब्यूशन फंक्शन  विश्लेषण नामक तकनीक का उपयोग करके क्रिस्टल के स्थानीय रूप से समन्वित वातावरण में परमाणुओं की क्रमबद्धता का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि विश्लेषण के माध्यम से, तथाकथित आवर्त सारणी में क्रमबद्ध किया गया और क्रिस्टलीय सिल्वर एंटीमनी सेलेनाइड  वास्तव में स्थानीय स्तर पर इतना क्रमबद्ध नहीं है। धनायन एंटीमनी को अपनी आदर्श स्थिति से दूर-केंद्रित पाया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप अन्य रूप में पूर्ण व्यवस्थित क्रमबद्धता विकृत हो जाती है। यह स्थानीय रूप से समरूपता को तोड़ता है, जिसके परिणामस्वरूप कम तापीय चालकता होती है।
आवर्त सारणी में क्रमबद्ध क्रिस्टल के रूप में, सिल्वर एंटीमनी सेलेनाइड के प्रारंभिक प्रभाव के बारे में बताते हुए, प्रो. कनिष्क बिस्वास ने कहा कि एंटीमनी की विकृति केवल कुछ एंगस्ट्रॉम तक ही सीमित है और छह अलग-अलग स्थितियों में एंटीमनी विरूपण की समान संभावना है, जो अक्सर ध्रुवीय विपरीत दिशा में होती हैं। उन्होंने बताया, "इसलिए, जब बड़ी संख्या में परमाणुओं के लिए देखा जाता है, तो छह स्थितियां औसत दिखती हैं जैसे कि एंटीमनी वास्तव में अपनी आदर्श स्थिति में होता है। इस प्रकार, सिल्वर एंटीमनी सेलेनाइड की ऐसी विकृत स्थानीय संरचना, औसत संरचना को बरकरार रखते हुए, अति-निम्न तापीय चालकता उत्पन्न होती है।”
विज्ञान और प्रौद्योगिकी विभाग के सिंक्रोट्रॉन एक्सेस प्रोग्राम द्वारा समर्थित भारत-डीईएसवाई  सहयोग के तहत किया गया सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे पीडीएफ प्रयोग यह स्थापित करता है कि सामग्री के अधिकांश मौलिक भौतिक गुणों का पता उनकी स्थानीय संरचना से लगाया जा सकता है, जिसे केवल तभी समझा जा सकता है जब इसे परमाणु के पैमाने में गहराई से देखा जाए।
प्रकाशन लिंक: एम. दत्ता, एम. वी. डी. प्रसाद, जे. पांडे, ए. सोनी, यू. वी. वाघमारे और के. बिस्वास। लोकल सिमेट्री ब्रेकिंग सरपासेस द थर्मल कंडक्टिविटी इन क्रिस्टलाइन सॉलि़ड,, एंग्यू. केम. इंट. ईडी., 2022, https://doi.org/10.1002/anie.202200071
अधिक जानकारी के लिए प्रो. कनिष्क बिस्वास  से संपर्क किया जा सकता है।
चित्र 1: वैश्विक तौर पर क्रमबद्ध क्रिस्टलाइन सिल्वर एंटीमनी सेलेनाइड में स्थानीय रूप से विकृत एंटीमनी/ सिल्वर होता है, जिसके परिणामस्वरूप कांच जैसी तापीय चालकता होती है।