शोध सीमित सामग्री के संयोजन पर नई रोशनी डालता है

एक यात्रा सूटकेस में कई जूतों को पैक करना और आपके लिए आवश्यक सभी पैरों के लिए उन्हें अलग-अलग प्लेसमेंट में घुमाना और फ़्लिप करना व्यस्त यात्रियों द्वारा सामना की जाने वाली एक परिचित अनुकूलन समस्या है। यही समस्या इंजीनियरों से परिचित है। एक विशेष आकार की वस्तुओं की एक बड़ी संख्या को देखते हुए, उन्हें एक कंटेनर में कैसे पैक किया जा सकता है, और पैकिंग पैटर्न क्या होगा?

कॉर्नेल विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग यह दिखाने के लिए किया कि गोलाकार कंटेनर के भीतर सीमित होने पर काटे गए टेट्राहेड्रोन की एक असेंबली कैसे प्रभावित होगी। यह खोज सामग्री वैज्ञानिकों को असेंबली संरचना और परिणामी सामग्रियों के गुणों को नियंत्रित करने के नए तरीके प्रदान करती है।छवि क्रेडिट: राचेल स्काई / कॉर्नेल विश्वविद्यालय

एक सूटकेस की सामग्री के विपरीत, सूक्ष्म कणों को एक साथ कैसे पैक किया जाता है, इसका उपयोग उनके द्वारा बनाई जाने वाली सामग्री के गुणों को डिजाइन करने के लिए किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, प्रकाश और बिजली का संचार कैसे होता है। सामग्री वैज्ञानिकों ने लंबे समय से अध्ययन किया है कि सामग्री को नई क्षमताएं देने के लिए सीमित स्थानों में कणों को कैसे इकट्ठा किया जाए, लेकिन विशिष्ट आकार के कण बाधाओं के साथ कैसे बातचीत करते हैं, यह अभी भी खराब समझा जाता है।

कॉर्नेल विश्वविद्यालय में सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग विभाग द्वारा एक नया अध्ययन यह दिखाने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करता है कि काटे गए टेट्राहेड्रा (चार हेक्सागोनल और चार त्रिकोणीय चेहरों के साथ कण आकार) को एक गोलाकार कंटेनर में रखा जा सकता है। मैंने आपको दिखाया कि यह आपको कैसे प्रभावित करता है जब आप अंदर फंस जाते हैं। सर्वेक्षण परिणाम, सॉफ्ट मैटर पत्रिका में प्रकाशितसामग्री वैज्ञानिकों को असेंबली संरचना और परिणामी भौतिक गुणों को नियंत्रित करने के नए तरीके प्रदान करता है।

“चूंकि अधिकांश कण मोटे तौर पर गोलाकार होते हैं, पहले सिद्धांतकारों ने ज्यादातर गोलाकारों के साथ अपने सिमुलेशन किए, जो कम्प्यूटेशनल रूप से सबसे आसान थे। अब हम कोलाइडल कण जैसे, आदि बनाने में सक्षम हैं। उन्नत कंप्यूटिंग शक्ति के साथ, हम न केवल इन आकारों का अनुकरण कर सकते हैं, बल्कि हम और आगे जा सकते हैं और भविष्यवाणी कर सकते हैं कि अभी तक संश्लेषित नहीं किए गए नए कण क्या करेंगे। आप भी कर सकते हैं।”

एक गोलाकार कंटेनर में 10,000 कणों का अनुकरण, (ए-सी) जैसा कि बाहर से देखा जाता है और (डी-एफ) क्रॉस सेक्शन के रूप में। तीन अलग-अलग ज्यामिति पर प्रकाश डाला गया है: प्लेटोनिक टेट्राहेड्रोन (ए और डी), अंतरिक्ष-भरने वाला टेट्राहेड्रोन (बी और ई), और आर्किमिडीज टेट्राहेड्रोन (सी और एफ)। रंग योजना स्थानीय कण वातावरण से मेल खाती है। नीला उन कणों का प्रतिनिधित्व करता है जो मुख्य रूप से वर्टेक्स-टू-वर्टेक्स होते हैं, और नारंगी मुख्य रूप से वर्टेक्स-टू-एज से मेल खाती है। सफेद कण अवर्गीकृत होते हैं। सिमुलेशन से पता चलता है कि दीवारें आस-पास के कणों के व्यवहार को बदल देती हैं, जिससे शोधकर्ताओं को विभिन्न संरचनाओं को चुनिंदा रूप से इकट्ठा करने की इजाजत मिलती है।छवि क्रेडिट: राचेल स्काई / कॉर्नेल विश्वविद्यालय

इन कणों के आकार सीमित परिस्थितियों में कैसे इकट्ठा होते हैं, इस बारे में ज्ञान में अंतर को भरने के लिए, अध्ययन के वरिष्ठ लेखक और सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के सहायक प्रोफेसर स्काई और जूलिया डेशमुचडसे ने गोलाकार कंटेनर प्रस्तावित किए। हमने टेट्राहेड्रल कण असेंबली का अनुकरण किया प्रत्येक में कम से कम 4 कणों से लेकर 10,000 कण तक होते हैं। प्रत्येक सिमुलेशन में, कंटेनर को कणों की क्रमादेशित संख्या के साथ जितना संभव हो उतना छोटा किया जाता है।

“यह सिमुलेशन नकल करता है कि कैसे कोलाइडल सामग्री का उत्पादन बूंदों में कणों को रखकर किया जाता है जो वाष्पित होने पर सिकुड़ते हैं,” डीशेमुचडसे ने कहा।

इन कणों को विभिन्न तरीकों से जोड़ा जा सकता है, लेकिन इनके दो अलग-अलग रूप हैं। समीपवर्ती षट्कोणीय फलकों के साथ संरेखण, या त्रिभुजाकार फलकों से सटे षट्कोणीय फलकों के साथ विपरीत संरेखण। प्रत्येक आकृति एक समग्र संरचना को संचालित करती है जो कंटेनर की सीमाओं को अलग तरह से फिट करती है।

“यदि आपके पास ये गैर-गठबंधन अनाज हैं, तो आप बहुत अच्छी तरह से सपाट परतें बना सकते हैं, और आप उन्हें असीम रूप से ढेर कर सकते हैं, बहुत अच्छे क्रिस्टल बना सकते हैं।” गठबंधन होने पर, संरचनाएं घुमावदार रूपांकनों का निर्माण करती हैं जो गोलाकार खोल में बेहतर फिट होती हैं। कणों की संख्या कम होने पर संरेखित रूपांकनों का पक्ष लिया जाता है, क्योंकि छोटे कंटेनरों में अधिक वक्रता होती है। “

यह खोज सामग्री वैज्ञानिकों को कण प्रणालियों में बड़े क्रिस्टल विकसित करने का एक तरीका प्रदान करती है जो सामान्य रूप से आदेशित संरचनाओं में इकट्ठा नहीं होते हैं। सुव्यवस्थित क्रिस्टल प्राप्त करने के अन्य तरीकों में तकनीक शामिल हैं जैसे कि विशिष्ट दिशाओं में विवश कणों वाली सामग्री को ‘सीडिंग’ करना जो संबंधित संरचना को संचालित करते हैं, लेकिन इस तरह के तरीकों से नए प्रकार के कणों का निर्माण करने की आवश्यकता होती है, जो प्रयोगात्मक प्राप्ति के लिए इतना आसान नहीं है। . इन प्रणालियों। इसके विपरीत, फ्लैट सबस्ट्रेट्स पर क्रिस्टल बनाना अक्सर आदर्श होता है, और यह अध्ययन दिखाता है कि यह तकनीक परिणामी संरचनाओं को कैसे लाभ पहुंचा सकती है।

स्काई ने कहा, “कोलाइडल क्रिस्टल छोटे और दोषपूर्ण होते हैं, लेकिन अधिकांश अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी होने के लिए उन्हें काफी बड़ा और दोष मुक्त होना चाहिए।” “विचार यह है कि कंटेनरों और दीवारों के सही विकल्प के साथ, हम ऐसे क्रिस्टल बना सकते हैं जो अन्य तरीकों की तुलना में बहुत बड़े और उच्च गुणवत्ता वाले हों।”

स्काई का कहना है कि प्लास्मोनिक्स और फोटोनिक्स जैसे क्षेत्रों में, इस असेंबली तकनीक का इस्तेमाल एक ही कणों को दो अलग-अलग तरीकों से उन्मुख करने के लिए किया जा सकता है, जिससे इंजीनियरों को चुने हुए असेंबली गठन के आधार पर विभिन्न प्रतिक्रियाओं के साथ डिवाइस बनाने की इजाजत मिलती है। मैंने जोड़ा कि आप कर सकते हैं।

चटनी: कर्नेल विश्वविद्यालय