एक खोज की कहानी

संस्थान के दूसरे वर्ष में, जब हमें "विज्ञान का इतिहास" बताया गया, तो मुझे याद आया कि मैं एक छात्र की बात सुनता हूं, जो क्रूसिबल को बंद करना भूल गया और उसने एक खोज की, या एक प्रसिद्ध वैज्ञानिक जिसे उसके सिर पर एक सेब मिला, और सोचा कि यह एक परी कथा है, और आधुनिक में यह विज्ञान के लिए नहीं होता है। सिद्धांत रूप में, यदि आप शीर्ष भौतिकी पत्रिकाओं में प्रकाशनों को देखते हैं, तो आप देख सकते हैं कि ये सभी एक दिशा में लंबे समय तक खुदाई करने का परिणाम हैं। नोवोसेलोव और गेम को खोज के लिए नोबेल पुरस्कार भी नहीं मिला, जैसे कि, लेकिन "गुणों के व्यवस्थित अध्ययन" के लिए। लेकिन, फिर भी, आधुनिक विज्ञान में खोजें अभी भी होती हैं, और मैं इसके सह-लेखक होने के बारे में बात करना चाहता हूं।

शुरुआत से - भौतिकी और नैनोटेक्नोलॉजी के क्षेत्र में एक छोटा-सा भ्रमण, जिसके साथ मैं निपटता हूं, वह है सूक्ष्म और नैनोट्रिबोलॉजी। ट्राइबोलॉजी खुद एक बहुत ही सम्मानजनक उम्र का विज्ञान है, जो घर्षण और पहनने से संबंधित है। ऐसा लगता है कि इस क्षेत्र में लंबे समय से सब कुछ जाना जाता है - उसने अधिक तेल डाला, और कोई घर्षण नहीं। और यहां अध्ययन करने के लिए, वैज्ञानिक दृष्टिकोण से, कुछ खास नहीं है। लेकिन माइक्रोमिन्युट्रिएशन के विकास के साथ, ट्राइबोलॉजी को एक ट्रिपल सांस मिली। क्योंकि सूक्ष्म स्तर पर स्थूल जगत (तेल की एक बाल्टी डालने) की विधियाँ अब काम नहीं करती हैं - और इसलिए नहीं कि सब कुछ बस डूब जाएगा, क्या आप तेल जोड़ सकते हैं और बूंद से गिर सकते हैं?

समस्या यह है कि जैसे-जैसे चलती भागों का आकार घटता जाता है, सतह का योगदान बढ़ता जाता है। और सभी प्रकार के सतह प्रभाव, जो कि मैक्रो स्तर पर महत्वहीन हैं, सूक्ष्म स्तर पर हावी होने लगते हैं। विशेष रूप से, सतह तनाव। इसलिए, जब घटक कम हो जाते हैं, तो एक निश्चित सीमा के बाद, ग्रीस का उपयोग नहीं किया जा सकता है। और दृश्य पर सूखा घर्षण दिखाई देता है। उदाहरण के लिए, सिलिकॉन पर सिलिकॉन के शुष्क घर्षण का गुणांक (एमईएमएस के लिए सबसे आम सामग्री) 0.7 तक पहुंच जाता है। यानी ऐसे इंजन की शक्ति का 70% बस रोटर को चालू करने के लिए जाएगा। हमें इससे किसी तरह निपटने की जरूरत है। स्पष्ट तरीका यह है कि घटकों को कम घर्षण के साथ किसी प्रकार का कठोर लेप लगाया जाए। चूंकि हम सूक्ष्म घटकों के बारे में बात कर रहे हैं, और कोटिंग की मोटाई बहुत छोटी होनी चाहिए - आमतौर पर हम दसियों नैनोमीटर के बारे में बात कर रहे हैं, लेकिन 1-2 एनएम की मोटाई के साथ अल्ट्राथिन कोटिंग भी हैं। सिद्धांत रूप में, कोटिंग्स की एक उचित मात्रा है जो घर्षण और पहनने को कम करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है - नरम धातु, कार्बनिक स्व-उन्मुख अणु, ग्राफीन और हीरे जैसी फिल्में। बहुत सारी सामग्रियां हैं, लेकिन उन सभी में एक या एक और कमी है, और वे अभी तक किसी भी सार्वभौमिक के साथ नहीं आए हैं।

इस सूची से, शायद, हीरे की तरह कोटिंग (डीएलसी) सबसे अधिक ज्ञात हैं। इसके अलावा, वे सूक्ष्म और स्थूल दोनों स्तरों पर समान रूप से सफलतापूर्वक लागू किए जा सकते हैं। तो, हुंडई वर्तमान में कारों के शीर्ष मॉडल पर स्थापित इंजनों में वाल्वों की सतह को कवर करने के लिए डीएलसी का उपयोग करता है। हाइड्रोडायनामिक बियरिंग की बैठने की सतहों को सख्त करने के लिए एचडीडी में डीएलसी का उपयोग करने की योजना है। आप शेविंग ब्लेड के किनारे पर कोटिंग सहित सैकड़ों अन्य वास्तविक जीवन डीएलसी एप्लिकेशन पा सकते हैं। ज्यादातर मामलों में, मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग का उपयोग डीएलसी को लागू करने के लिए किया जाता है - एक प्रसिद्ध और स्थापित विधि। लेकिन, हमेशा की तरह, बारीकियां हैं। सबसे महत्वपूर्ण बात - यह सब बहुत महंगा है। विशुद्ध रूप से तकनीकी समस्याएं भी हैं, जैसे कि उच्च स्तर का आंतरिक तनाव, आर्द्रता की संवेदनशीलता आदि। इसलिए, डीएलसी को सस्ता और बेहतर बनाने के प्रयास बंद नहीं होते हैं।

मेरे अल्मा मेटर के सहयोगियों के साथ, हम एक विकसित कर रहे हैं, हम कई वर्षों के लिए एक वैकल्पिक तकनीक कह सकते हैं - एक आयन बीम द्वारा हीरे जैसी फिल्मों का आवेदन, जिसमें ₆₀ परमाणु कार्बन सामग्री के रूप में उपयोग नहीं किया जाता है, लेकिन सी ₆₀ फुलर अणु। फुलरीन आयनित है, सब्सट्रेट पर 5 केवी और छिलके को तेज करता है। इस मामले में, अणु टूट जाते हैं, और मलबे से दिलचस्प गुणों के साथ एक अनाकार संरचना का निर्माण होता है। विवरण इस लेख में पाया जा सकता है। इस विधि के अपने फायदे हैं, विशेष रूप से, हमारी फिल्में नमी से डरती नहीं हैं, ठीक है, एक आयन बीम के उपयोग से मनमाना आकार की वस्तुओं पर कोटिंग की अनुमति मिलती है, जो मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग के मामले में कुछ मुश्किल है। हमारी फिल्मों का नुकसान उनके खुद के तनाव का एक उच्च स्तर है। फिल्म का विस्तार करना चाहता है, इससे बड़ी मात्रा में कब्जा करना। इससे अप्रिय परिणाम होते हैं - यदि आप ऐसी फिल्म को एक पतली सब्सट्रेट पर लागू करते हैं, तो सब्सट्रेट झुक सकता है। यदि सब्सट्रेट अधिक मोटा है, और फिल्म और सब्सट्रेट के बीच आसंजन पर्याप्त अच्छा नहीं है, तो फिल्म बस छील जाएगी।

हमारे पास आंतरिक तनाव की भरपाई के लिए कुछ नरम के साथ डीएलसी के ठोस द्रव्यमान को पतला करने का विचार था। और, चूंकि फुलरीन का उपयोग मुख्य सामग्री के रूप में किया गया था, इसलिए इसे जोड़ा गया था। यह पता चला कि अगर, आयन बीम के समानांतर, एक आणविक किरण को सब्सट्रेट पर निर्देशित किया जाता है, तो परिणाम एक प्रकार का नैनो-समग्र है जिसमें फुलरीन के अणुओं को ठोस अनाकार कार्बन से घिरा हुआ है। जैसी कि उम्मीद थी, ऐसी फिल्म में तनाव का स्तर काफी कम था। सामान्यतया, हमें कोई तनाव नहीं मिला। बेशक, फिल्म की कठोरता भी कम हो गई - अगर आयन बीम से जमा की गई फिल्म में 50-60 GPa की विशेषता थी, तो नैनो-कम्पोजिट में 25-30 GPa दिखाया गया। लेकिन यह अभी भी काफी है - उदाहरण के लिए, एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन की कठोरता ~ 10 GPa है। हुर्रे, समस्या हल हो गई है। यहाँ, कठोरता को मापने की प्रक्रिया में, जिस खोज के बारे में मैंने शुरुआत में ही बात की थी, वह खत्म हो गई।

लेकिन, इस बिंदु पर जाने से पहले, एक और विषयांतर किया जाना चाहिए। बात करते हैं कि फिल्मों की कठोरता को कैसे मापा जाता है। सिद्धांत रूप में, विधि समान है - हम एक अंशांकित हीरे पिरामिड लेते हैं और इसे एक निश्चित प्रयास के साथ सतह में दबाते हैं। सामग्री को नरम, गहरा पिरामिड दबाया जाएगा। हम प्रिंट के आकार को मापते हैं - हमें कठोरता मिलती है। यह सब आसान है जब आपको रेल की कठोरता को मापने की आवश्यकता होती है। और यह मुश्किल हो जाता है जब 100 एनएम की मोटाई वाली फिल्मों की बात आती है। इन उद्देश्यों के लिए, एक नैनोइंडेंटेशन विधि, गहराई संवेदन इंडेंटेशन विकसित किया गया है। लब्बोलुआब यह है कि हम धीरे-धीरे पिरामिड (इंडेंटर) पर लोड बढ़ाते हैं और एक ही समय में प्रवेश गहराई को ठीक करते हैं। लोडिंग और अनलोडिंग का रैखिक कानून आमतौर पर उपयोग किया जाता है। खैर, एक विशेष पिरामिड की आवश्यकता है। हमारे मामले में, यह एक त्रिकोणीय पिरामिड है जिसमें 100 एनएम का टिप व्यास है।

उदाहरण के लिए, "एक नियंत्रित छेदने" के परिणामस्वरूप, एक नरम फुलरीन फिल्म की, हमें यह वक्र मिलता है:

यहां, एक्स अक्ष इंडेंटेटर (नैनोमीटर में) की प्रवेश गहराई है, वाई इंडेंटेटर पर लागू बल है। लाल तीर लोड की दिशा को इंगित करता है, हरा - उतराई। प्रवेश की गहराई कठोरता पर निर्भर करती है। सामग्री को नरम कर देता है, एक ही लोड पर इंडेंटर गहरा होता है। इस मामले में, लोच (यंग मापांक) की गणना लोड वक्र के झुकाव के कोण से की जा सकती है। संपर्क बिंदु पर प्लास्टिक विरूपण के परिणामस्वरूप लोड और अनलोड घटता नहीं है। यदि हम एक परमाणु बल माइक्रोस्कोप का उपयोग करके फिंगरप्रिंट की जांच करते हैं, तो हमें यह चित्र मिलता है:

बाएं - शीर्ष दृश्य, दाएं - लाल और हरे रंग की रेखाओं के साथ अनुभाग। यह स्पष्ट रूप से देखा जाता है कि इंडेंट एक ट्राइएड्रल पिरामिड है :)। रबर जैसे लोचदार सामग्री के मामले में, लोड वक्र अनलोडिंग वक्र के साथ मेल खाएगा, क्योंकि इस मामले में केवल लोचदार विरूपण होता है, एक निश्चित सीमा तक, निश्चित रूप से, अच्छी तरह से, सतह पर कोई छाप नहीं होगी। मामला जब अनलोडिंग वक्र लोड वक्र की तुलना में अधिक होगा, सिद्धांत रूप में, संभव नहीं है।

खैर, एक बार, इस तरह के "असंभव" वक्र को प्रयोगात्मक रूप से दर्ज किया गया था (चित्रा डी):

सबसे पहले, मैंने अभी फैसला किया है कि यह डिवाइस में किसी प्रकार का गड़बड़ था। फिर मैंने फिर से जाँच की। पुन: निर्मित। मुझे विश्वास नहीं हुआ। तब वह समझने लगा। जैसा कि यह पता चला है, यह घटना नैनो-कंपोजिट की विशेषता है जिसमें फुलरीन के अणुओं और ठोस अनाकार कार्बन का मिश्रण होता है। परीक्षण के दौरान लोड और अनलोड के साथ गति के आधार पर, वक्र अपना आकार बदलता है। जब हम जल्दी से दबाते हैं, तो हमें एक कठिन फिल्म (ए) के लिए एक सामान्य तस्वीर मिलती है। हम धीरे-धीरे दबाते हैं - हमें "जो नहीं हो सकता है" मिलता है। जाहिर है, कम फटने वाली गति पर, फिल्म में कुछ अतिरिक्त ड्राइविंग बल उत्पन्न होता है, जो इंडेंट को पीछे धकेलता है। लेकिन कौन सा?

एक विस्तृत विश्लेषण से पता चला है कि "विसंगति" इंडेंटेशन के मामले में, प्रिंट के बजाय, कई किलोमीटर ऊंचे नैनोमीटर (ए, बी) की एक पहाड़ी बनती है:

एक विस्तृत विश्लेषण से पता चला है कि "पहाड़ियों" की ऊंचाई विनिर्माण प्रक्रिया (एस) में आयनिक और आणविक बीम के अनुपात पर निर्भर करती है।

स्पष्ट रूप से, लोड के तहत, सामग्री सूज जाती है, जो निशान के बजाय इंडेंटेटर के निष्कासन और पहाड़ियों के गठन की ओर जाता है। तो किस वजह से? आयन और आणविक बीम के संयुक्त उपयोग के साथ, फुलरीन अणुओं का बहुलककरण होता है। सामान्य स्थिति में, वे कमजोर वैन डेर वाल्स बांड द्वारा जुड़े हुए हैं। हालांकि, अगर वे अच्छी तरह से "किक" कर रहे हैं, तो दो पड़ोसी अणुओं के बीच एक बहुत मजबूत सहसंयोजक बंधन बनता है। ये दो प्रकार के बंधन, ताकत के अलावा, लंबाई में भिन्न होते हैं। सहसंयोजक बंधन छोटा होता है और पॉलिमराइज़ किए गए अणु पैक किए जाते हैं। जब छेद किया जाता है, तो संपर्क के बिंदु पर बहुलक परिसरों को विकृत किया जाता है, और सहसंयोजक बंधन नष्ट हो जाते हैं। नतीजतन, घने पैक किए गए अणु एक-दूसरे से दूर चले जाते हैं, जिससे वॉल्यूम में वृद्धि होती है, प्रिंट भरने और एक पहाड़ी का निर्माण होता है। यह प्रभाव केवल धीमी गति के साथ क्यों मनाया जाता है? हम मानते हैं कि सतह पर अपवित्र अणुओं का बाहर निकलना एक प्रसार प्रक्रिया है, और तेजी से खरोज के साथ वे बस पर्याप्त समय नहीं देते हैं।

"स्व-चिकित्सा" सतहों के अलावा, ऐसी नैनो-मिश्रित फिल्में एक और दिलचस्प संपत्ति दिखाती हैं - गतिशील कठोरता। प्रभाव भार की स्थिति में फिल्म बहुत कठिन होती है, जबकि स्थिर या धीरे-धीरे बढ़ने वाले भार के मामले में अपेक्षाकृत नरम और व्यवहार्य होती है। इसकी आवश्यकता क्यों है - हमें अभी तक पता नहीं चला है, जबकि हवा में "नैनो-रोबोट के लिए नैनो-बॉडी कवच" जैसे विचार पहने जाते हैं। कोई विचार?

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इस लेख में अधिक विस्तृत विवरण पाया जा सकता है। वह विज्ञान-केंद्र पर है: http://pubs.acs.org.sci-hub.org/doi/abs/10.1021/nl500321g ।

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