অনিয়তাকার কঠিন পদার্থ

ঘনপদার্থবিজ্ঞান এবং পদার্থ-এর ভাষায়, অনিয়তাকার কঠিন (বা অস্ফটিক কঠিন) হলো এমন ধরনের কঠিন, যার মধ্যে দীর্ঘ-পরিসরের বিন্যাস থাকে না, যেমনটা স্ফটিকের বৈশিষ্ট্যতে দেখা যায়। "কাচ" এবং "কাচজাত কঠিন" শব্দগুলো কখনও কখনও অনিয়তাকার কঠিনের প্রতিশব্দ হিসেবে ব্যবহৃত হয়। তবে এই শব্দগুলো বিশেষভাবে সেই অনিয়তাকার পদার্থের ক্ষেত্রে ব্যবহৃত হয়, যা কাচীভূতকরণ এর মধ্য দিয়ে যায়। অনিয়তাকার কঠিন পদার্থের উদাহরণগুলির মধ্যে রয়েছে কাচ, ধাতব কাচ এবং নির্দিষ্ট ধরণের প্লাস্টিক ও পলিমার।
"Amorphous" শব্দটি গ্রিক "a" ("বিহীন") এবং "morphé" ("আকৃতি, রূপ") থেকে এসেছে।
অনিয়তাকার পদার্থের আণবিক-স্তরের কাঠামোগত ব্লক এর একটি অভ্যন্তরীণ কাঠামো থাকে, যা একই যৌগের স্ফটিক পর্যায়ের মৌলিক গঠনমূলক এককের অনুরূপ হতে পারে। তবে, স্ফটিক পদার্থের মতো এদের দীর্ঘ-পরিসরের ধারাবাহিকতা থাকে না, এবং এগুলোর গঠন একটি নির্দিষ্ট একক সসীম কোষের পুনরাবৃত্তির মাধ্যমে বর্ণনা করা সম্ভব নয়। অনিয়তাকার কঠিনের গঠন বোঝার জন্য পরিসংখ্যানিক মানদণ্ড, যেমন পরমাণু ঘনত্ব ফাংশন এবং ত্রিজাতিক বন্টন ফাংশন, বেশি কার্যকর। 
যদিও অনিয়তাকার পদার্থের দীর্ঘ-পরিসরের বিন্যাস নেই, তবে এরা ক্ষুদ্র পরিসরে কিছু নির্দিষ্ট বিন্যাস দেখায়। প্রচলিত নিয়ম অনুসারে, "স্বল্প পরিসরের বিন্যাস কেবলমাত্র" প্রতিবেশী পরমাণু স্তর পর্যন্ত প্রসারিত হয়, যা সাধারণত ১-২টি পরমাণু দূরত্ব পর্যন্ত বিস্তৃত হয়।"মাঝারি পরিসরের বিন্যাস" "স্বল্প" পরিসরের বিন্যাস কে ছাড়িয়ে ১-২ ন্যানো মিটার পর্যন্ত পৌঁছতে পারে।
তরল থেকে অনিয়তাকার কঠিনে পরিবর্তন - কাচ রূপান্তর - পদার্থবিজ্ঞানের অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ এবং অমীমাংসিত সমস্যাগুলির মধ্যে একটি হিসাবে বিবেচিত হয়।
অত্যন্ত নিম্ন তাপমাত্রায় (১-১০ কেলভিনের নিচে), অনিয়তাকার কঠিনের একটি বৃহৎ পরিবারের বিভিন্ন ধরণের নিম্ন-তাপমাত্রার বৈশিষ্ট্য রয়েছে। যদিও বিভিন্ন তাত্ত্বিক মডেল রয়েছে, তবে এখন পর্যন্ত মৌলিক পদার্থ স্তরে কাচের রূপান্তর বা কাঁচের মতো কঠিন পদার্থের নিম্ন-তাপমাত্রার বৈশিষ্ট্যসমূহ ভালভাবে বোঝা যায়নি।
অনিয়তাকার কঠিন হল ঘনপদার্থবিজ্ঞান-এর এমন একটি গুরুত্বপূর্ণ শাখা যার লক্ষ্য হল কাচের রূপান্তর-এর উচ্চ তাপমাত্রার আচরণ এবং পরম শূন্য-এর দিকে নিম্ন তাপমাত্রায় পদার্থগুলিকে বোঝা। ১৯৭০-এর দশক থেকে, অনিয়তাকার কঠিনের নিম্ন-তাপমাত্রার বৈশিষ্ট্যগুলি পরীক্ষামূলকভাবে বৃহৎ আকারে অধ্যয়ন করা হয়েছিল। এই সমস্ত পদার্থের ক্ষেত্রে, নির্দিষ্ট তাপ ক্ষমতা প্রায় সরলরেখায় তাপমাত্রার উপর নির্ভরশীল এবং তাপ পরিবাহিতা প্রায় দ্বিঘাত তাপমাত্রার নির্ভরতা রয়েছে। এই বৈশিষ্ট্যগুলোকে প্রচলিতভাবে অস্বাভাবিক বলা হয়, কারণ সেগুলি স্ফটিক-কঠিনের বৈশিষ্ট্য থেকে খুব আলাদা।
পর্যবেক্ষণমূলক স্তরে, এই বৈশিষ্ট্যগুলোর অনেকটাই দুই-স্তরবিশিষ্ট টানেলিং সিস্টেমের গুচ্ছের মাধ্যমে বর্ণনা করা হয়েছে। তবে, দীর্ঘ ৫০ বছরের গবেষণার পরও এই বৈশিষ্ট্যগুলির মাইক্রোস্কোপিক তত্ত্ব এখনো পাওয়া যায় নি।
উল্লেখযোগ্যভাবে, এই পদার্থগুলোর অভ্যন্তরীণ ঘর্ষণের মাত্রাবিহীন পরিমাণ প্রায় সার্বজনীন। এই পরিমাণটি মূলত একটি নির্দিষ্ট সংখ্যাসূচক ধ্রুবক পর্যন্ত ফোনন-এর তরঙ্গ দৈর্ঘ্য ও তার গড় মুক্ত পথ-এর মাত্রাবিহীন অনুপাত। যেহেতু দুই-স্তরের অবস্থা (টিএলএস) টানেলিং তত্ত্ব টিএলএসএস-এর ঘনত্বের উৎস ব্যাখ্যা করে না, তাই এই তত্ত্ব অভ্যন্তরীণ ঘর্ষণের সার্বজনীনতা ব্যাখ্যা করতে সক্ষম নয়, যা মূলত বিক্ষিপ্ত টিএলএস-এর ঘনত্বের সমানুপাতিক। অ্যান্থনি লেগেট এই গুরুত্বপূর্ণ এবং অমীমাংসিত সমস্যার তাত্ত্বিক তাৎপর্য তুলে ধরেছিলেন।
অনিয়তাকার পদার্থগুলোর মধ্যে কিছু পরিমাণ স্বল্প-পরিসরের আদেশ বা গঠন বিদ্যমান থাকে, যা মূলত পরমাণুগুলোর আন্তঃআণবিকরাসায়নিক বন্ধন- এর প্রকৃতির কারণে গঠিত হয়। অত্যন্ত ক্ষুদ্র স্ফটিক-এর ক্ষেত্রে, স্বল্প-পরিসরের গঠন পরমাণুর অপেক্ষাকৃত বড় অংশজুড়ে বিস্তৃত থাকে; তবে, স্ফটিকের পৃষ্ঠের শিথিলতা এবং আন্তঃমুখী প্রভাব পরমাণুর অবস্থানকে বিকৃত করে এবং কাঠামোগত শৃঙ্খলাকে হ্রাস করে। এমনকি সবচেয়ে উন্নত কাঠামোগত বিশ্লেষণ কৌশল, যেমন এক্স-রে ডিফ্র্যাকশন ও ট্রান্সমিশন ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপি, প্রায়শই ছোট পরিসরে অনিয়তাকার এবং স্ফটিকময় কাঠামোর মধ্যে পার্থক্য নির্ধারণে অসুবিধায় পরতে পারে।
দীর্ঘ-পরিসরের গঠনের অনুপস্থিতির কারণে, প্রচলিত স্ফটিক কাঠামো নির্ধারণের কৌশলগুলি প্রায়শই অনিয়তাকার কঠিনের কাঠামো নির্ধারণের ক্ষেত্রে অপর্যাপ্ত হয়ে। এই ধরনের পদার্থের কাঠামো বিশ্লেষণের জন্য বিভিন্ন ধরণের ইলেকট্রন, এক্স-রে, এবং গণনাভিত্তিক কৌশল ব্যবহৃত হয়। অনিয়তাকার পদার্থগুলোর ক্ষেত্রে একাধিক বিশ্লেষণ পদ্ধতি ব্যবহার করা বেশ প্রচলিত।
স্ফটিক পদার্থগুলোর মতো শক্তিশালী ব্র্যাগ বিক্ষেপণ প্রদর্শনের পরিবর্তে, অনিয়তাকার পদার্থগুলোর বিক্ষেপণ প্যাটার্ন বিস্তৃত ও বিচ্ছুরিত শিখর দ্বারা চিহ্নিত হয়। ফলে, অনিয়তাকার উপকরণগুলোর বিক্ষেপণ প্যাটার্ন থেকে বাস্তব স্থানের কাঠামোগত তথ্য বের করতে বিস্তারিত বিশ্লেষণ ও পরিপূরক প্রযুক্তির প্রয়োজন হয়। এক্স-রে ও নিউট্রন উভয় উৎস থেকেই তথ্য সংগ্রহ করা উপকারী, কারণ তাদের বিক্ষেপণ বৈশিষ্ট্য ভিন্ন এবং একে অপরকে পরিপূরক তথ্য প্রদান করে। পেয়ার ডিস্ট্রিবিউশন ফাংশন বিশ্লেষণের মাধ্যমে, নির্দিষ্ট দূরত্বে দুটি পরমাণুর উপস্থিতির সম্ভাবনা নির্ধারণ করা যায়। এছাড়া, অনিয়তাকার উপকরণগুলোর বিক্ষেপণ তথ্য ব্যবহার করে রেডিয়াল ডিস্ট্রিবিউশন ফাংশন বিশ্লেষণও করা হয়, যা একটি নির্দিষ্ট পরমাণুর চারপাশে বিভিন্ন রশ্মিগত দূরত্বে অবস্থিত পরমাণুর সংখ্যা নির্ধারণ করে। এই প্রযুক্তিগুলোর মাধ্যমে, অনিয়তাকার পদার্থের স্থানীয় গঠনের অন্তর্দৃষ্টি লাভ করা যায়।
এক্স-রে শোষণ সূক্ষ্ম-কাঠামো বিশ্লেষণহল একটি পারমাণবিক-স্কেলের পর্যবেক্ষণ প্রযুক্তি, যা দীর্ঘ-পরিসরের গঠনবিহীন উপকরণ অধ্যয়নের জন্য অত্যন্ত কার্যকর। এই পদ্ধতিতে প্রাপ্ত বর্ণালীগুলি জারণ অবস্থা, কোঅর্ডিনেশন নাম্বার (সমন্বয় সংখ্যা), এবং প্রশ্নবিদ্ধ পরমাণুর চারপাশের পরমাণুদের পরিচিতি ও তাদের পারস্পরিক দূরত্ব সম্পর্কে তথ্য প্রদান করে।
পরমাণু-স্তরের ইলেকট্রন টমোগ্রাফি কৌশলটি সাব-অ্যাংস্ট্রোম রেজোলিউশনে পৌঁছাতে সক্ষম একটি ট্রান্সমিশন ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপে পরিচালিত হয়॥ এতে বিভিন্ন কৌণিক ঝোঁক থেকে বহু দ্বি-মাত্রিক চিত্র সংগৃহীত হয় এবং এগুলো ব্যবহার করে একটি ত্রিমাত্রিক কাঠামো পুনর্গঠন করা হয়। চিত্র সংগ্রহের পর, ড্রিফট, শব্দ এবং স্ক্যান বিকৃতির মতো সমস্যাগুলি সংশোধন করার জন্য উল্লেখযোগ্য পরিমাণ প্রক্রিয়াকরণ করা হয়। উচ্চ-মানের বিশ্লেষণ ও প্রসেসিংয়ের মাধ্যমে, পরমাণু-ইলেকট্রন টমোগ্রাফির সাহায্যে অনিয়তাকার পদার্থের ত্রিমাত্রিক পুনর্গঠন সম্ভব হয়, যেখানে উপস্থিত বিভিন্ন পরমাণু প্রজাতির অবস্থান বিশদ বিবরণ দেয়।
ফ্লাকচুয়েশন ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপি হল আরেকটি ট্রান্সমিশন ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপি ভিত্তিক প্রযুক্তি, যা অনিয়তাকার পদার্থগুলোর মধ্যম-পরিসরের গঠনের প্রতি সংবেদনশীল। বিভিন্ন ধরনের মধ্যম-পরিসরের গঠনের কারণে সৃষ্ট কাঠামোগত ওঠানামা এই পদ্ধতিতে সনাক্ত করা যায়। ফ্লাকচুয়েশন ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপি পরীক্ষাগুলো প্রচলিত পদ্ধতি অথবা স্ক্যানিং ট্রান্সমিশন ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপ মোডে সম্পাদন করা যায়।
অনিয়তাকার পদার্থের কাঠামো বিশ্লেষণের জন্য পরীক্ষামূলক পদ্ধতির সাথে একত্রিত করে সিমুলেশন এবং মডেলিং প্রযুক্তি ব্যবহৃত হয়। সাধারণত ব্যবহৃত গণনামূলক প্রযুক্তিগুলোর মধ্যে রয়েছে ঘনত্ব কার্যকরী তত্ত্ব, আণবিক গতিবিদ্যা, এবং রিভার্স মন্টে কার্লো পদ্ধতি।
অনিয়তাকার পর্যায়গুলো থিন ফিল্ম- এর গুরুত্বপূর্ণ অংশ। পাতলা ফিল্ম হলো কঠিন পদার্থের এমন স্তর, যার পুরুত্ব কয়েক ন্যানোমিটার থেকে কয়েক মাইক্রোমিটার পর্যন্ত হতে পারে এবং এগুলো একটি সাবস্ট্রেটের উপর জমা করা হয়। তথাকথিত কাঠাম গত জোন মডেলগুলি তৈরি করা হয়েছিল পাতলা ফিল্মের মাইক্রোস্ট্রাকচারকে সমগোত্রীয় তাপমাত্রা ("T") এর একটি ফাংশন হিসাবে, যা জমা তাপমাত্রা ও গলে যাওয়া তাপমাত্রার অনুপাতের। এই মডেল অনুযায়ী, অনিয়তাকার পর্যায়ের গঠনের জন্য একটি গুরুত্বপূর্ণ শর্ত হলো "T" অবশ্যই ০.৩ এর কম হতে হবে। অর্থাৎ, জমা তাপমাত্রা অবশ্যই গলনাংকের ৩০% এর নিচে থাকতে হবে।
অনিয়তাকার ধাতব স্তরগুলি অতিপরিবাহিতা আবিষ্কারের ক্ষেত্রে গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে, যা বাকেল এবং হিলশ দ্বারা তৈরি অনিয়তাকার ধাতুতে প্রথম পর্যবেক্ষণ করা হয়। অনিয়তাকার ধাতুগুলোর অতিপরিবাহিতা, বিশেষ করে পাতলা ধাতব ফিল্মগুলোর, ফোনন-নিয়ন্ত্রিত কুপার পেয়ার-এর মাধ্যমে ঘটে বলে এখন বোঝা যায়। কাঠামোগত বিশৃঙ্খলার ভূমিকা শক্তিশালী-সংযোজিত এলিয়াশবার্গ অতিপরিবাহিতা তত্ত্ব অনুযায়ী যুক্তিসঙ্গতভাবে ব্যাখ্যা করা যায়।
অনিয়তাকার কঠিন পদার্থগুলি সাধারণত স্ফটিক পদার্থের তুলনায় তাপ বাহকদের উচ্চ স্থানীয়করণ প্রদর্শন করে, যার ফলে তাপ পরিবাহিতা কম হয়। তাপ সুরক্ষার সামগ্রী, যেমন তাপ প্রতিবন্ধক আবরণ এবং নিরোধক, সাধারণত অত্যন্ত নিম্ন তাপ পরিবাহিতার পদার্থের উপর নির্ভর করে।
আজকাল, অপটিক্যাল আবরণ তৈরির ক্ষেত্রে TiO, SiO, TaO ইত্যাদির অনিয়তাকার পর্যায় ব্যবহৃত হয়। গ্যাস পৃথকীকরণের জন্য পাতলা অনিয়তাকার ফিল্ম-ত্রর ব্যবহার নিয়ে প্রচুর গবেষণা চলছে। প্রযুক্তিগতভাবে সর্বাধিক গুরুত্বপূর্ণ পাতলা অনিয়তাকার ফিল্মটি সম্ভবত মেটাল-অক্সাইড সেমিকন্ডাক্টর ফিল্ড-ইফেক্ট ট্রানজিস্টর (মসফেট) এর পরিবাহী চ্যানেলের উপরে থাকা কয়েক ন্যানোমিটার পুরু SiO স্তরে আইসোলেটর বা বিচ্ছিন্নকারী হিসাবে কাজ করে॥ এছাড়াও, হাইড্রোজেনযুক্ত অনিয়তাকার সিলিকন (Si:H) পাতলা ফিল্ম সৌর কোষের জন্য অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।
ফার্মাসিউটিক্যাল শিল্পে, কিছু অনিয়তাকার ওষুধের জৈবউপলব্ধতা তাদের স্ফটিক সংস্করণের তুলনায় বেশি দেখা গেছে, যা মূলত অনিয়তাকার অবস্থার উচ্চ দ্রবণীয়তার কারণে ঘটে। তবে, নির্দিষ্ট কিছু যৌগ অবক্ষেপণ প্রক্রিয়ার মাধ্যমে তাদের অনিয়তাকার অবস্থায় "ইন ভিভো সুপারস্যাচুরেশন" অবস্থায় পরিবর্তিত হতে পারে, যা পারস্পরিক জৈবউপলব্ধতা কমাতে পারে যদি একসাথে প্রয়োগ করা হয়। GDC-0810 ASDs নিয়ে করা গবেষণাগুলোতে দেখা গেছে যে, এর ক্ষুদ্র-কাঠামো, ভৌত বৈশিষ্ট্য এবং দ্রবণ প্রক্রিয়ার মধ্যে শক্তিশালী আন্তঃসম্পর্ক বিদ্যমান।
মাটির মধ্যে থাকা অনিয়তাকার পদার্থ আয়তন ঘনত্ব, সংঘটন স্থায়িত্ব, প্লাস্টিসিটি এবং জলধারণ ক্ষমতাকে শক্তিশালীভাবে প্রভাবিত করে। এর নিম্ন বাল্ক ঘনত্ব এবং উচ্চ ফাঁকা অনুপাত মূলত কাচের কণা এবং অন্যান্য ছিদ্রযুক্ত খনিজ উপাদানগুলির সংকুচিত না হওয়ার কারণে ঘটে। অ্যান্ডিসল মাটিতে সর্বাধিক পরিমাণে অনিয়তাকার পদার্থ থাকে।
অনিয়তাকার পর্যায়গুলি পাতলা-ফিল্ম বৃদ্ধির অধ্যয়নের জন্য বিশেষ আগ্রহের একটি ঘটনা ছিল। বহুস্ফটিক স্তর বৃদ্ধির পূর্বে একটি অনিয়তাকার স্তর ব্যবহৃত হয়, যার পুরুত্ব সাধারণত কয়েক ন্যানোমিটার মাত্র হয়। এর সবচেয়ে বেশি অধ্যয়নকৃত উদাহরণ হলো পাতলা বহুস্ফটিক সিলিকন স্তরগুলির অভিমুখী নয় এমন অণুর বিন্যাস।
ওয়েজ-আকৃতির ট্রান্সমিশন ইলেকট্রন মাইক্রোস্কপি পর্যবেক্ষণে দেখা যায় যে, অনিয়তাকার স্তরের নির্দিষ্ট এক পুরুত্ব অতিক্রম করার পরই বহুস্ফটিক স্তর বৃদ্ধি পেতে শুরু করে। এই পুরুত্ব নির্ধারিত হয় আবরণ স্থাপনের তাপমাত্রা, পটভূমি চাপ এবং অন্যান্য প্রক্রিয়াগত পরামিতি দ্বারা। এই ঘটনাটি অস্টওয়াল্ডের পর্যায় পরিবর্তনের নিয়মের মাধ্যমে ব্যাখ্যা করা হয়, যা পর্যায়গুলির গঠনের সেই সময়ের পূর্বাভাস দেয় যখন ঘনীভবন সময় বৃদ্ধির করলে ক্রমবর্ধমান স্থিতিশীলতার দিকে এগিয়ে যাবে।