কার্কেন্ডাল প্রভাব

কার্কেন্ডাল প্রভাব হলো দুটি ধাতুর মধ্যে ইন্টারফেসের গতি যা ধাতব পরমাণুর প্রসারণের হারের পার্থক্যের কারণে ঘটে। প্রভাব লক্ষ্য করা যেতে পারে, উদাহরণস্বরূপ, একটি বিশুদ্ধ ধাতু এবং সেই ধাতু ধারণকারী একটি সংকর ধাতুর মধ্যে ইন্টারফেসে অদ্রবণীয় মার্কার স্থাপন করে এবং এমন তাপমাত্রায় গরম করে যেখানে পারমাণবিক প্রসারণ প্রদত্ত সময়কালের জন্য যুক্তিসঙ্গত হয়; সীমানা মার্কার আপেক্ষিক সরানো হবে।

এই প্রক্রিয়াটির নামকরণ করা হয়েছিল আর্নেস্ট  কার্কেন্ডাল এর নামানুসারে, যিনি ওয়েন স্টেট ইউনিভার্সিটির রাসায়নিক প্রকৌশলের সহকারী অধ্যাপক ছিলেন ১৯৪১ থেকে ১৯৪৬ সাল পর্যন্ত। প্রভাব আবিষ্কারের বর্ণনাকারী কাগজটি ১৯৪৭ সালে প্রকাশিত হয়েছিল।

কার্কেন্ডাল প্রভাবের গুরুত্বপূর্ণ ব্যবহারিক ফলাফল আছে। এর মধ্যে একটি হলো বিভিন্ন ধরণের মিশ্র থেকে ধাতু বন্ধনে সীমানা ইন্টারফেসে গঠিত শূন্যতাগুলির প্রতিরোধ বা দমন, এগুলিকে কার্কেন্ডাল শূন্যতা বলা হয়।

ইতিহাস 
১৯৪৭ সালে আর্নেস্ট কিরকেন্ডাল এবং অ্যালিস স্মিগেলস্কাস পিতলের বিস্তারের উপর কার্কেন্ডালের চলমান গবেষণার সময় কার্কেন্ডাল প্রভাব আবিষ্কার করেন। যে গবেষণাপত্রে তিনি এই প্রভাবটি আবিষ্কার করেছিলেন তা ছিল ব্রাস ডিফিউশন সম্পর্কিত তার ধারাবাহিক প্রবন্ধের তৃতীয়, প্রথমটি ছিল তার থিসিস। তার দ্বিতীয় গবেষণাপত্রে প্রকাশিত হয়েছিল যে আলফা-পিতলের মধ্যে তামার চেয়ে দস্তা দ্রুত ছড়িয়ে পড়ে, যার ফলে গবেষণাটি তার বিপ্লবী তত্ত্ব তৈরি করেছিল। এখন পর্যন্ত, প্রসারণমূলক গতির জন্য প্রতিস্থাপনমূলক এবং বলয় পদ্ধতিই প্রধান ধারণা ছিল। কার্কেন্ডালের পরীক্ষাটি একটি শূন্যস্থান বিস্তার প্রক্রিয়ার প্রমাণ তৈরি করেছিল, যা আজও স্বীকৃত প্রক্রিয়া। যখন এটি জমা দেওয়া হয়, তখন কার্নেগি ইনস্টিটিউট অফ টেকনোলজির (বর্তমানে কার্নেগি মেলন বিশ্ববিদ্যালয়) মেটালস রিসার্চ ল্যাবরেটরির পরিচালক রবার্ট ফ্র্যাঙ্কলিন মেহল কর্তৃক প্রবন্ধটি এবং কার্কেন্ডালের ধারণা প্রকাশনা থেকে প্রত্যাখ্যান করা হয়। মেহল এই নতুন বিস্তার প্রক্রিয়া সম্পর্কে কার্কেন্ডালের প্রমাণ গ্রহণ করতে অস্বীকৃতি জানান এবং ছয় মাসেরও বেশি সময় ধরে প্রকাশনা প্রত্যাখ্যান করেন, শুধুমাত্র একটি সম্মেলন অনুষ্ঠিত হওয়ার পরে এবং আরও বেশ কয়েকজন গবেষক কিরকেন্ডালের ফলাফল নিশ্চিত করার পরে তারা নতি স্বীকার করেন।

কার্কেন্ডালের পরীক্ষা 
পিতলের একটি বার (৭০% কপার, ৩০% জিংক) একটি কোর হিসাবে ব্যবহৃত হতো, যার দৈর্ঘ্য বরাবর মলিবডেনাম তারগুলি প্রসারিত ছিল এবং তারপর খাঁটি তামার একটি স্তরে প্রলেপ দেওয়া হতো। মলিবডেনামকে মার্কার উপাদান হিসাবে বেছে নেওয়া হয়েছিল কারণ এটি পিতলের মধ্যে খুব অদ্রবণীয়, মার্কারগুলি নিজেদের বিচ্ছুরণের কারণে ত্রুটি দূর করে। ৫৬ দিন ধরে ৭৮৫ ডিগ্রি সেলসিয়াসে ডিফিউশন হতে দেওয়া হয়েছিল, পরীক্ষার পুরো সময় জুড়ে ছয় বার ক্রস-সেকশন নেওয়া হয়েছে। সময়ের সাথে সাথে, এটি দেখা গেছে যে তারের চিহ্নিতকারীগুলি একত্রে কাছাকাছি চলে গেছে কারণ দস্তা পিতল থেকে এবং তামার মধ্যে ছড়িয়ে পড়ে। ইন্টারফেসের অবস্থানের পার্থক্য বিভিন্ন সময়ের ক্রস বিভাগে দৃশ্যমান ছিল। প্রসারণ থেকে উপাদানের গঠনগত পরিবর্তন এক্স-রে বিচ্ছুরণ দ্বারা নিশ্চিত করা হয়েছিল।

ডিফিউশন মেকানিজম 
প্রাথমিক বিস্তার মডেলগুলি অনুমান করেছিল যে প্রতিস্থাপনমূলক সংকর ধাতুতে পারমাণবিক গতি একটি সরাসরি বিনিময় প্রক্রিয়ার মাধ্যমে ঘটে থাকে, যেখানে পরমাণুগুলি সংলগ্ন জালিকা স্থানে পরমাণুর সাথে অবস্থান পরিবর্তন করে স্থানান্তরিত হয়। এই ধরনের একটি প্রক্রিয়া বোঝায় যে একটি ইন্টারফেস জুড়ে দুটি ভিন্ন পদার্থের পারমাণবিক প্রবাহ অবশ্যই সমান হতে হবে, কারণ প্রতিটি পরমাণু ইন্টারফেস জুড়ে চলার ফলে অন্য একটি পরমাণু অন্য দিকে চলে যায়।

আরেকটি সম্ভাব্য প্রসারণ প্রক্রিয়া জালির শূন্যপদ জড়িত। একটি পরমাণু একটি খালি জালি সাইটে যেতে পারে, কার্যকরভাবে পরমাণু এবং শূন্যস্থান স্থান পরিবর্তন করতে পারে। যদি কোনো উপাদানে বৃহৎ আকারের প্রসারণ ঘটে, তাহলে এক দিকে পরমাণুর প্রবাহ এবং অন্য দিকে শূন্যস্থানের প্রবাহ থাকবে।

কার্কেন্ডাল প্রভাব তখন দেখা দেয় যখন দুটি স্বতন্ত্র পদার্থ একে অপরের পাশে স্থাপন করা হয় এবং তাদের মধ্যে ছড়িয়ে পড়ার অনুমতি দেওয়া হয়। সাধারণভাবে, একে অপরের মধ্যে দুটি পদার্থের প্রসারণ সহগ একই নয়। এটি কেবল তখনই সম্ভব যদি একটি শূন্যতা প্রক্রিয়া দ্বারা প্রসারণ ঘটে; যদি পরমাণুগুলি পরিবর্তে একটি বিনিময় প্রক্রিয়া দ্বারা বিচ্ছুরিত হয়, তবে তারা জোড়ায় একটি উভয় তলের পৃষ্ঠ বা ক্ষেত্র অতিক্রম করবে, তাই প্রসারণের হারগুলি অভিন্ন হবে, পর্যবেক্ষণের বিপরীতে। ফিক এর প্রসারণের ১ম সূত্র অনুসারে, উচ্চতর ডিফিউশন সহগসহ উপাদান থেকে পরমাণুর প্রবাহ বৃহত্তর হবে, তাই নিম্ন প্রসারণ সহগসহ পদার্থে উচ্চতর প্রসারণ সহগসহ উপাদান থেকে পরমাণুর একটি নেট প্রবাহ থাকবে। পরমাণুর এই প্রবাহের ভারসাম্যের জন্য, বিপরীত দিকে শূন্যস্থানের একটি প্রবাহ থাকবে - নিম্ন প্রসারণ সহগসহ উপাদান থেকে উচ্চতর প্রসারণ সহগসহ উপাদানে - এর ফলে পরিবেশের সাথে সম্পর্কিত জালিটির সামগ্রিক অনুবাদ হবে নিম্ন ডিফিউশন ধ্রুবকসহ উপাদানের দিক।

কার্কেন্ডাল প্রভাবের জন্য ম্যাক্রোস্কোপিক প্রমাণ দুটি উপাদানের মধ্যে প্রাথমিক ইন্টারফেসে জড় মার্কার স্থাপন করে সংগ্রহ করা যেতে পারে, যেমন তামা এবং পিতলের মধ্যে একটি ইন্টারফেসে মলিবডেনাম মার্কার। দস্তার প্রসারণ সহগ এই ক্ষেত্রে তামার প্রসারণ সহগ থেকে বেশি। যেহেতু দস্তার পরমাণুগুলি তামার পরমাণুর প্রবেশের চেয়ে বেশি হারে পিতলকে ছেড়ে যায়, তাই প্রসারণের অগ্রগতির সাথে পিতল অঞ্চলের আকার হ্রাস পায়। মলিবডেনাম মার্কারগুলির সাথে সম্পর্কিত, তামা-পিতলের ইন্টারফেসটি পরীক্ষামূলকভাবে পরিমাপযোগ্য হারে পিতলের দিকে চলে যায়।

ডার্কেন সমীকরণ 
কার্কেন্ডাল গবেষণাপত্র প্রকাশের অল্প সময়ের মধ্যেই, এল.এস. ডার্কেন বাইনারি সিস্টেমে বিস্তৃতির একটি বিশ্লেষণ প্রকাশ করেন অনেকটা স্মিগেলস্কাস এবং কিরকেন্ডাল দ্বারা অধ্যয়ন করা বিশ্লেষণের মতো।  মার্কারের সাপেক্ষে ইন্টারফেসের গতিবিধি থেকে উপাদানের প্রকৃত বিচ্ছুরণ প্রবাহকে আলাদা করে, ডার্কেন চিহ্নিতকারীর বেগ খুঁজে পেয়েছে  হতে   যেখানে  এবং  দুটি উপাদানের প্রসারণ সহগ, এবং  একটি পারমাণবিক ভগ্নাংশ। এই সমীকরণের একটি ফলাফল এই হলো যে একটি ইন্টারফেসের চলাচল সময়ের বর্গমূলের সাথে রৈখিকভাবে পরিবর্তিত হয়, যা স্মিগেলস্কাস এবং কিরকেন্ডাল দ্বারা আবিষ্কৃত পরীক্ষামূলক সম্পর্ক।

ডার্কেন একটি দ্বিতীয় সমীকরণও তৈরি করেছিল যা একটি সম্মিলিত রাসায়নিক প্রসারণ সহগকে সংজ্ঞায়িত করে থেকে  দুটি ইন্টারফেসিং উপাদানের প্রসারণ সহগগুলির পরিপ্রেক্ষিতে:  এই রাসায়নিক প্রসারণ সহগটি বোল্টজম্যান-মাটানো পদ্ধতির মাধ্যমে গাণিতিকভাবে কার্কেন্ডাল প্রভাব বিস্তারকে বিশ্লেষণ করতে ব্যবহার করা যেতে পারে।

কার্কেন্ডালের পোরোসিটি 
কার্কেন্ডালের কাজ থেকে উদ্ভূত একটি গুরুত্বপূর্ণ বিবেচনা হলো এটি প্রসারণের সময় গঠিত ছিদ্রের উপস্থিতি রয়েছে। এই শূন্যস্থানগুলি শূন্যপদগুলির জন্য সিঙ্ক হিসাবে কাজ করে এবং যখন পর্যাপ্ত পরিমাণে জমা হয়, তখন ভারসাম্য পুনরুদ্ধার করার প্রয়াসে তারা যথেষ্ট এবং প্রসারিত হতে পারে। দুটি প্রজাতির প্রসারণের হারের পার্থক্যের কারণে পোরোসিটি ঘটে থাকে।

ধাতুগুলির ছিদ্রগুলির যান্ত্রিক, তাপীয় এবং বৈদ্যুতিক বৈশিষ্ট্যগুলির জন্য প্রসারিত হয় এবং এইভাবে তাদের গঠনের উপর নিয়ন্ত্রণ প্রায়শই কাঙ্ক্ষিত হয়। সমীকরণ  যেখানে  একটি মার্কার দ্বারা সরানো দূরত্ব,  উপাদানের অন্তর্নিহিত ভিন্নতা দ্বারা নির্ধারিত একটি সহগ, এবং  উপাদানগুলির মধ্যে একটি ঘনত্বের পার্থক্য, কার্কেন্ডাল পোরোসিটি প্রশমিত করার জন্য একটি কার্যকর মডেল হিসাবে প্রমাণিত হয়েছে। অ্যানিলিং তাপমাত্রা নিয়ন্ত্রণ করা পোরোসিটি হ্রাস বা নির্মূল করার আরেকটি পদ্ধতি। কার্কেন্ডাল পোরোসিটি সাধারণত একটি সিস্টেমে একটি নির্দিষ্ট তাপমাত্রায় ঘটে, তাই ছিদ্র গঠন এড়াতে আরও বেশি সময়ের জন্য কম তাপমাত্রায় অ্যানিলিং করা যেতে পারে।

উদাহরণ 
১৯৭২ সালে, আরসিএ কর্পোরেশনের সিডব্লিউ হর্স্টিং একটি গবেষণাপত্র প্রকাশ করেছিল যা সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইসগুলির নির্ভরযোগ্যতার উপর পরীক্ষার ফলাফলের প্রতিবেদন রিপোর্টও করেছিল যেখানে স্বর্ণের ধাতুপট্টাবৃত পোস্টের সাথে আল্ট্রাসোনালি বন্ধনে অ্যালুমিনিয়ামের তারগুলি ব্যবহার করে সংযোগ তৈরি করা হয়েছিল। তার কাগজটি তারের বন্ধন প্রযুক্তিতে কার্কেন্ডাল প্রভাবের গুরুত্ব প্রদর্শন করেছে, তবে তারের বন্ধনে যে হারে বৃষ্টিপাত ঘটেছে তাতে উপস্থিত যে কোনও অমেধ্যের উল্লেখযোগ্য অবদানও দেখিয়েছে। দুটি গুরুত্বপূর্ণ দূষক  যেগুলির এই প্রভাব রয়েছে তা হর্স্টিং ইফেক্ট নামে পরিচিত সেগুলো ফ্লোরিন এবং ক্লোরিন। কার্কেন্ডাল শূন্যস্থান এবং হর্স্টিং শূন্যস্থান উভয়ই ওয়্যার-বন্ড ফ্র্যাকচারের কারণ হিসেবে পরিচিত, যদিও ঐতিহাসিকভাবে এই কারণটি প্রায়ই পাঁচটি ভিন্ন স্বর্ণ-অ্যালুমিনিয়াম অন্ত:ধাতুর মধ্যে একটির বেগুনি রঙের চেহারার সাথে বিভ্রান্ত হয়, যা সাধারণত "বেগুনি প্লেগ" নামে পরিচিত এবং কম প্রায়ই "সাদা প্লেগ" নামে পরিচিত।

তথ্যসূত্র 

ধাতুবিদ্যা
রসায়ন