पांच आकर्षक रहस्य जिन्हें हम अभी भी नहीं समझा सकते हैं: धातु के चश्मे से लेकर अप्रत्याशित एनालॉग्स तक

बहता हुआ मिथक

किसी भी मध्ययुगीन चर्च की सना हुआ ग्लास खिड़कियों के माध्यम से देखें, और आप निश्चित रूप से एक विकृत दृश्य देखेंगे। प्रभाव ने लंबे समय से वैज्ञानिकों और गैर-वैज्ञानिकों को समान रूप से संदेह करने के लिए प्रेरित किया है कि, पर्याप्त समय दिए जाने पर, कांच एक असाधारण चिपचिपा तरल की तरह बहता है। लेकिन क्या इस दावे की कोई वैधता है?

सवाल उतना सीधा नहीं है जितना पहली नज़र में लग सकता है। सच तो यह है कि कोई भी ठीक-ठीक यह नहीं कह सकता कि कोई द्रव कब द्रव होना बंद कर देता है और गिलास बनना शुरू कर देता है। परंपरागत रूप से, भौतिकविदों का कहना है कि एक तरल एक गिलास बन गया है जब परमाणु विश्राम - परमाणु या अणु के व्यास के एक महत्वपूर्ण हिस्से को स्थानांतरित करने का समय - 100 सेकंड से अधिक लंबा होता है। यह छूट दर लगभग 10 . है¹⁰ बहते शहद की तुलना में कई गुना धीमा, और 10¹⁴ पानी की तुलना में कई गुना धीमा। लेकिन इस सीमा का चुनाव मनमाना है: यह मौलिक भौतिकी में कोई विशिष्ट परिवर्तन नहीं दर्शाता है।

फिर भी, सभी मानवीय उद्देश्यों के लिए 100 सेकंड की छूट निश्चित है। इस दर पर, सामान्य सोडा-लाइम ग्लास का एक टुकड़ा धीरे-धीरे प्रवाहित होने और अधिक ऊर्जावान रूप से अनुकूल क्रिस्टलीय सिलिकॉन डाइऑक्साइड में बदल जाता है - अन्यथा क्वार्ट्ज के रूप में जाना जाता है। यदि मध्ययुगीन चर्चों में सना हुआ ग्लास विकृत है, इसलिए, यह मूल ग्लासमेकर (आधुनिक मानकों के अनुसार) खराब तकनीक का परिणाम है। दूसरी ओर, किसी ने भी जांचने के लिए एक हजार साल का प्रयोग नहीं किया है।

"आदर्श" गिलास की तलाश में

जैसे ही एक तरल ठंडा होता है, यह या तो एक गिलास में कठोर हो सकता है, या क्रिस्टलीकृत हो सकता है। हालाँकि, वह तापमान जिस पर एक तरल का गिलास में संक्रमण निश्चित नहीं होता है। यदि एक तरल को इतनी धीमी गति से ठंडा किया जा सकता है कि वह एक क्रिस्टल नहीं बनाता है, तो तरल अंततः कम तापमान पर एक गिलास में परिवर्तित हो जाएगा, और परिणामस्वरूप एक सघन हो जाएगा। अमेरिकी रसायनज्ञ वाल्टर कौजमान 1940 के दशक के अंत में इस तथ्य को नोट किया, और इसका उपयोग उस तापमान की भविष्यवाणी करने के लिए किया जिस पर एक तरल "संतुलन में" ठंडा होने पर एक गिलास बनेगा - अर्थात, असीम रूप से धीरे-धीरे। परिणामी "आदर्श कांच", विरोधाभासी रूप से, क्रिस्टल के समान एन्ट्रापी होगा, फिर भी अनाकार, या अव्यवस्थित होने के बावजूद। अनिवार्य रूप से, एक आदर्श ग्लास वह होता है जहां अणुओं को सघनतम यादृच्छिक व्यवस्था में एक साथ पैक किया जाता है।

2014 में भौतिकविदों सहित इटली में रोम के सैपिएंज़ा विश्वविद्यालय के जियोर्जियो पेरिस (जिन्होंने भौतिकी के लिए 2021 का नोबेल पुरस्कार साझा किया, "भौतिक प्रणालियों में विकार और उतार-चढ़ाव के परस्पर क्रिया" पर अपने काम के लिए।) अनंत स्थानिक आयामों की (गणितीय रूप से आसान) सीमा में, एक आदर्श कांच के निर्माण के लिए एक सटीक चरण आरेख तैयार किया। आमतौर पर, घनत्व अलग-अलग राज्यों में अंतर करने के लिए एक ऑर्डर पैरामीटर हो सकता है, लेकिन कांच और एक तरल के मामले में, घनत्व लगभग समान होता है। इसके बजाय, शोधकर्ताओं को एक "ओवरलैप" फ़ंक्शन का सहारा लेना पड़ा, जो एक ही तापमान पर विभिन्न संभावित अनाकार विन्यास में अणुओं की स्थिति में समानता का वर्णन करता है। उन्होंने पाया कि जब तापमान कौज़मान तापमान से कम होता है, तो सिस्टम एक उच्च ओवरलैप के साथ एक अलग स्थिति में गिरने का खतरा होता है: एक गिलास चरण।

तीन आयामों में, या वास्तव में आयामों की किसी भी छोटी परिमित संख्या में, कांच के संक्रमण का सिद्धांत कम निश्चित है। कुछ सिद्धांतकारों ने आदर्श ग्लास अवधारणा का उपयोग करते हुए इसे थर्मोडायनामिक रूप से वर्णित करने का प्रयास किया है। दूसरों का मानना ​​​​है कि यह एक "गतिशील" प्रक्रिया है, जिसमें उत्तरोत्तर कम तापमान पर, अणुओं के अधिक से अधिक पॉकेट गिरफ्तार हो जाते हैं, जब तक कि पूरा बल्क अधिक ग्लास न हो जाए। लंबे समय से दोनों खेमों के समर्थक आमने-सामने हैं। पिछले कुछ वर्षों में, हालांकि, संघनित-पदार्थ सिद्धांतकार धान रॉयल फ्रांस में ईएसपीसीआई पेरिस में और उनके सहयोगियों ने यह दिखाने का दावा किया है कि कैसे दो दृष्टिकोणों को काफी हद तक सुलझाया जा सकता है (जे। रसायन। भौतिकी। 153 090901) "बहुत सारे प्रतिरोध [समझौते के लिए] हमने 20 साल पहले देखा था, खो गया है," वे कहते हैं।

एक बेहतर गिलास के लिए दो मार्ग

कांच के गुणों को बदलने के लिए, आपके पास दो बुनियादी विकल्प हैं: इसकी संरचना में परिवर्तन करें, या इसे संसाधित करने के तरीके को बदलें। उदाहरण के लिए, सामान्य सोडा और चूने के बजाय बोरोसिलिकेट का उपयोग करने से कांच गर्म होने पर तनाव की संभावना कम हो जाती है, यही कारण है कि बोरोसिलिकेट ग्लास का उपयोग अक्सर बेकवेयर के लिए शुद्ध सोडा चूने के स्थान पर किया जाता है। कांच को और अधिक मजबूत बनाने के लिए, इसकी बाहरी सतह को "तड़के" प्रक्रिया में इसके थोक की तुलना में अधिक तेजी से ठंडा किया जा सकता है, जैसा कि कॉर्निंग के मूल पाइरेक्स में होता है।

कॉर्निंग के अन्य नवाचारों में से एक, स्मार्टफ़ोन के लिए गोरिल्ला ग्लास, में इसके मजबूत, खरोंच-प्रतिरोधी गुणों को प्राप्त करने के लिए संरचना और प्रसंस्करण का अधिक जटिल नुस्खा है। दिल में एक क्षार-एल्युमिनोसिलिकेट सामग्री, यह अतिरिक्त रासायनिक मजबूती के लिए पिघला हुआ नमक समाधान में विसर्जित होने से पहले, एक विशेष तेजी से बुझती "संलयन खींचा" प्रक्रिया में मध्य हवा में एक शीट में उत्पादित किया जाता है।

आमतौर पर, एक गिलास जितना सघन होता है, उतना ही मजबूत होता है। हाल के वर्षों में, शोधकर्ताओं ने पता लगाया है कि भौतिक वाष्प जमाव द्वारा बहुत घना ग्लास बनाया जा सकता है, जिसमें वाष्पीकृत सामग्री एक वैक्यूम में सतह पर संघनित होती है। प्रक्रिया अणुओं को टेट्रिस के खेल की तरह एक समय में अपनी सबसे कुशल पैकिंग खोजने की अनुमति देती है।

धातु में महारत हासिल करना

1960 में पोल डुवेज़, अमेरिका के कैलिफोर्निया में कैलटेक में काम कर रहे एक बेल्जियम के संघनित पदार्थ भौतिक विज्ञानी, ठंडा रोलर्स की एक जोड़ी के बीच पिघली हुई धातुओं को तेजी से ठंडा कर रहे थे - एक तकनीक जिसे स्प्लैट क्वेंचिंग के रूप में जाना जाता है - जब उन्हें पता चला कि ठोस धातुएं कांच की हो गई हैं। तब से, धातु के चश्मे ने सामग्री वैज्ञानिकों को मंत्रमुग्ध कर दिया है, आंशिक रूप से क्योंकि वे बनाने में बहुत कठिन हैं और आंशिक रूप से उनके असामान्य गुणों के कारण।

साधारण क्रिस्टलीय धातुओं में निहित अनाज की कोई भी सीमा नहीं होने के कारण, धातु के गिलास आसानी से नहीं पहनते हैं, यही वजह है कि नासा ने अपने अंतरिक्ष रोबोट में यहां देखे गए स्नेहक-मुक्त गियरबॉक्स में उपयोग के लिए उनका परीक्षण किया है। ये ग्लास गतिज ऊर्जा के अवशोषण का भी विरोध करते हैं - उदाहरण के लिए, सामग्री से बनी एक गेंद अजीब तरह से लंबे समय तक उछलेगी। धातु के चश्मे में उत्कृष्ट नरम चुंबकीय गुण होते हैं, जो उन्हें अत्यधिक कुशल ट्रांसफार्मर के लिए आकर्षक बनाते हैं, और प्लास्टिक जैसे जटिल आकार में निर्मित किए जा सकते हैं।

बहुत सी धातुएं केवल लुभावनी रूप से तेज़ शीतलन दरों पर - अरबों डिग्री प्रति सेकंड या उससे अधिक पर केवल कांच की हो जाएंगी (यदि वे ऐसा करती हैं)। इस कारण से, शोधकर्ता आमतौर पर ऐसे मिश्र धातुओं की तलाश करते हैं जो अधिक आसानी से संक्रमण करते हैं, आमतौर पर परीक्षण और त्रुटि से। हालांकि, पिछले कुछ वर्षों में, सेंट लुइस में वाशिंगटन विश्वविद्यालय में केन केल्टन, अमेरिका और उनके सहयोगियों ने सुझाव दिया है कि एक तरल धातु के कतरनी चिपचिपाहट और थर्मल विस्तार को मापकर संभावित ग्लास संक्रमण तापमान की भविष्यवाणी करना संभव है (एक्टा मेटर। 172 1) केल्टन और उनकी टीम दौड़ी अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन पर अनुसंधान परियोजना, उस तापमान का अध्ययन करने के लिए जिस पर एक धातु वास्तव में कांच की हो जाती है, और पाया कि संक्रमण प्रक्रिया शुरू होती है जबकि धातु अभी भी तरल है। यह मापकर कि तरल कितना चिपचिपा है, शोधकर्ता अब यह निर्धारित कर सकते हैं कि एक गिलास बनेगा या नहीं और इसके कुछ गुण क्या होंगे। क्या भविष्यवाणी आम हो जानी चाहिए, इसलिए व्यावसायिक उपकरणों में धातु के गिलास भी हो सकते हैं। वास्तव में, यूएस टेक कंपनी ऐप्पल ने स्मार्टफोन कवर पर धातु के गिलास के उपयोग के लिए लंबे समय से पेटेंट रखा है, लेकिन इसे कभी भी अभ्यास में नहीं लाया है - शायद धातु के गिलास को खोजने में कठिनाई के कारण जो आर्थिक रूप से व्यवहार्य है।

चरण-परिवर्तन सामग्री का भविष्य

चश्मे और क्रिस्टल के यांत्रिक गुण भिन्न हो सकते हैं, लेकिन आमतौर पर उनके ऑप्टिकल और इलेक्ट्रॉनिक गुण काफी समान होते हैं। उदाहरण के लिए, अप्रशिक्षित आंखों के लिए, सामान्य सिलिकॉन-डाइऑक्साइड ग्लास लगभग क्वार्ट्ज के समान दिखता है, इसका क्रिस्टलीय समकक्ष। लेकिन कुछ सामग्री - विशेष रूप से चाकोजेनाइड्स, जिसमें आवर्त सारणी के ऑक्सीजन समूह के तत्व शामिल हैं - में ऑप्टिकल और इलेक्ट्रॉनिक गुण होते हैं जो उनके कांच और क्रिस्टलीय राज्यों में स्पष्ट रूप से भिन्न होते हैं। यदि ये सामग्रियां "खराब" ग्लास फॉर्मर्स भी होती हैं (अर्थात, मामूली रूप से गर्म होने पर क्रिस्टलीकृत हो जाती हैं) तो वे तथाकथित चरण-परिवर्तन सामग्री के रूप में काम करती हैं।

हम में से अधिकांश ने कभी न कभी चरण-परिवर्तन सामग्री को संभाला होगा: वे पुन: लिखने योग्य डीवीडी और अन्य ऑप्टिकल डिस्क के डेटा-भंडारण माध्यम हैं। इनमें से किसी एक को उपयुक्त ड्राइव में डालें, और एक लेजर कांच और क्रिस्टलीय अवस्था के बीच डिस्क पर किसी भी बिट को स्विच कर सकता है, जो बाइनरी शून्य या एक का प्रतिनिधित्व करता है। आज, ऑप्टिकल डिस्क को बड़े पैमाने पर इलेक्ट्रॉनिक "फ्लैश" मेमोरी द्वारा प्रतिस्थापित किया गया है, जिसमें अधिक भंडारण घनत्व होता है और कोई हिलता हुआ भाग नहीं होता है। फोटोनिक एकीकृत ऑप्टिकल सर्किट में कभी-कभी चाल्कोजनाइड ग्लास का भी उपयोग किया जाता है, जैसा कि यहां चित्रित किया गया है। चरण-परिवर्तन सामग्री ने डेटा भंडारण में अनुप्रयोगों को खोजना जारी रखा है यूएस टेक कंपनी इंटेल, और इसका "ऑप्टेन" मेमोरी का ब्रांड, जो तेजी से एक्सेस करने के लिए अभी तक गैर-वाष्पशील है (बिजली बंद होने पर इसे मिटाया नहीं जाता है)। हालाँकि, यह एप्लिकेशन आला बना हुआ है।

अधिक लाभदायक, ठोस-राज्य सिद्धांतकार कहते हैं आरडब्ल्यूटीएच आचेन यूनिवर्सिटी, जर्मनी में मथायस वुटिग, यह पूछना है कि चरण-परिवर्तन संपत्ति कहां से आती है। चार साल पहले, उन्होंने और अन्य लोगों ने इसकी उत्पत्ति की व्याख्या करने के लिए एक नए प्रकार के रासायनिक बंधन, "मेटावैलेंट" बंधन का प्रस्ताव रखा। वुटिग के अनुसार, मेटावैलेंट बॉन्डिंग कुछ इलेक्ट्रॉन डेलोकलाइज़ेशन प्रदान करता है, जैसे कि धात्विक बंधन में, लेकिन एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन-साझाकरण चरित्र के साथ, जैसा कि सहसंयोजक बंधन में होता है। चरण-परिवर्तन, परिणाम सहित अद्वितीय गुण (अभिभाषक। मेटर। 30 1803777) इस क्षेत्र में हर कोई पाठ्यपुस्तकों में एक नए प्रकार की बॉन्डिंग नहीं जोड़ना चाहता है, लेकिन वुटिग का मानना ​​​​है कि हलवा में सबूत होगा। "अब सवाल यह है कि क्या [मेटावैलेंट बॉन्डिंग] में भविष्य कहनेवाला शक्ति है," वे कहते हैं। "और हम आश्वस्त हैं कि यह है।"

ग्लास जहां आप कम से कम इसकी उम्मीद करते हैं

संगीत समारोहों के प्रशंसक इस घटना को पहचान लेंगे: आप धीरे-धीरे हजारों अन्य लोगों के साथ एक प्रदर्शन छोड़ने की कोशिश कर रहे हैं, जब अचानक भीड़ रुक जाती है, और आप आगे नहीं बढ़ सकते। पिघले हुए सिलिका को ठंडा करने में एक अणु की तरह, आपकी गति अचानक रुक जाती है - आप और आपके साथी त्यौहार एक गिलास में बदल गए हैं। या एक गिलास एनालॉग, कम से कम।

अन्य ग्लास एनालॉग्स में चींटी कॉलोनियां, स्लाइड के बीच फंसी जैविक कोशिकाएं और कोलाइड्स शामिल हैं, जैसे शेविंग फोम (ऊपर की छवि देखें)। विशेष रूप से कोलोइड्स, आकार में माइक्रोन तक के कणों के साथ, कांच संक्रमण के सिद्धांतों के परीक्षण के लिए सुविधाजनक प्रणाली हैं, क्योंकि उनकी गतिशीलता वास्तव में एक माइक्रोस्कोप के माध्यम से देखी जा सकती है। हालांकि, इससे भी अधिक आश्चर्य की बात यह है कि कुछ कंप्यूटर एल्गोरिदम में कांच के व्यवहार की शुरुआत होती है। उदाहरण के लिए, यदि एक एल्गोरिथ्म को बड़ी संख्या में चर के साथ किसी समस्या के उत्तरोत्तर बेहतर समाधान की तलाश करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, तो यह जटिलता से अभिभूत हो सकता है और इष्टतम समाधान मिलने से पहले रुक सकता है। हालांकि, चश्मे के मौलिक अध्ययन के लिए डिजाइन किए गए सांख्यिकीय तरीकों को उधार लेकर, ऐसे एल्गोरिदम में सुधार किया जा सकता है, और बेहतर समाधान मिल सकते हैं।