बोरॉन आर्सेनाइड ने हीट ट्रांसफर में डायमंड को पीछे छोड़ दिया

ह्यूस्टन विश्वविद्यालय के इंजीनियरों के नेतृत्व में वैज्ञानिकों की एक अंतरराष्ट्रीय टीम ने लंबे समय से मान्य तापीय चालकता के एक सिद्धांत को गलत साबित किया है। इस कार्य ने पदार्थ विज्ञान की सीमाओं को आगे बढ़ाया है और आने वाले महीनों में कई संबंधित सफलताओं का आधार बन सकता है। इसलिए वैज्ञानिक समुदाय इसे एक महत्वपूर्ण उपलब्धि मान रहा है। आइए इसके बारे में विस्तार से जानें।

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स में थर्मल कंडक्टिविटी क्यों महत्वपूर्ण है

इस उपलब्धि का महत्व समझने के लिए आधुनिक तकनीक में तापीय अवरोधक कोटिंग की भूमिका जानना आवश्यक है। आम तौर पर धातु के पुर्जों पर लगाई जाने वाली ये कोटिंग महत्वपूर्ण घटकों को अत्यधिक गर्मी से बचाती हैं।

इनसे बनने वाला तापीय अवरोध आधुनिक इंजनों को अधिक टिकाऊ और कंप्यूटरों को तेज़ बनाता है तथा अनेक औद्योगिक क्षेत्रों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। इसलिए इन सतहों को बेहतर बनाने पर लगातार शोध हो रहा है। कृत्रिम सामग्रियों में काफी प्रगति हुई है, लेकिन अब तक कोई भी प्रकृति से प्रतिस्पर्धा नहीं कर पाई थी।

डायमंड

कई दशकों से हीरे को ऊष्मा प्रवाह के लिए सर्वोत्तम समदैशिक सामग्री माना जाता रहा है। समदैशिक सामग्रियाँ सभी क्रिस्टलीय दिशाओं में ऊष्मा को समान रूप से वितरित करती हैं। मजबूत सहसंयोजक कार्बन-कार्बन बंधों सहित कई कारणों से हीरा ऊष्मा स्थानांतरण में उत्कृष्ट होता है।

डायमंड के थर्मल कंडक्टर के रूप में सीमाएँ

हीरे की तापीय कोटिंग के उपयोग से जुड़ी कुछ समस्याएँ शोधकर्ताओं को दूसरी सामग्रियों की खोज जारी रखने के लिए प्रेरित करती हैं। हीरा अन्य समदैशिक सामग्रियों की तुलना में अधिक महंगा है और इसके साथ काम करना भी कठिन हो सकता है।

इन सीमाओं के बावजूद, जहाँ तेज़ ऊष्मा अपव्यय अत्यंत आवश्यक है वहाँ हीरे का उपयोग अब भी होता है। हालांकि, अधिक से अधिक इंजीनियरों का मानना है कि संश्लेषित सामग्रियाँ हीरे के प्रदर्शन को पार कर सकती हैं। ऐसी ही एक सामग्री बोरॉन आर्सेनाइड है, जिस पर हाल में ध्यान बढ़ा है।

बोरॉन आर्सेनाइड (BAs)

बोरॉन आर्सेनाइड (BAs) पहली बार 1959 में सामने आया, जब वैज्ञानिकों ने बोरॉन और आर्सेनिक का सफलतापूर्वक संश्लेषण किया। शुरुआती प्रयोग कई दशकों तक आगे नहीं बढ़े। 2000 के दशक में कंप्यूटर मॉडलिंग और पदार्थ विज्ञान की प्रगति ने यह दिखाना संभव बनाया कि BAs संभावित ऊष्मा चालक के रूप में काम कर सकता है।

2013 में Boston College के भौतिक विज्ञानी David Broido ने एक महत्वपूर्ण पूर्वानुमान लगाया कि BAs तापीय चालकता में हीरे से बेहतर हो सकता है। उनकी गणनाओं ने दिखाया कि तीन-फोनॉन प्रकीर्णन विधि से यह सामग्री कमरे के तापमान पर 2,200 W/m·K की तापीय चालकता हासिल कर सकती है।

2015 में ह्यूस्टन विश्वविद्यालय के प्रोफेसर Zhifeng Ren ने इस अवधारणा को आगे बढ़ाया। उनकी टीम ने प्रयोगशाला में BAs क्रिस्टल उगाए और उनका परीक्षण किया। इन प्रयोगों में एकल क्रिस्टल ने कमरे के तापमान पर 1,500 W/m·K की तापीय चालकता प्राप्त की।

इस परिणाम ने तापीय चालकता के मामले में BAs को हीरे के ठीक बाद दूसरे स्थान पर पहुँचा दिया। साथ ही इसने सामग्री पर आगे के शोध और Broido द्वारा अनुमानित कमरे के तापमान पर 2,200 W/m·K के सर्वोत्तम मान को हासिल करने के प्रयासों को प्रेरित किया।

उच्च‑शुद्धता BAs प्राप्त करने में चुनौतियाँ

तब से BAs को ऊष्मा चालक के रूप में विकसित करने पर काम जारी है। लेकिन फोनॉन प्रकीर्णन रणनीतियों में बदलाव और अन्य समस्याओं के कारण परिणाम घटकर लगभग 1,300 W/mK रह गए। हालिया अध्ययन ने इन सीमाओं के कारण और उन्हें कम करने के तरीके बताए हैं।

बोरॉन आर्सेनाइड अध्ययन

Materials Today वैज्ञानिक पत्रिका में प्रकाशित अध्ययन कमरे के तापमान पर बोरॉन आर्सेनाइड की तापीय चालकता 2,100 W प्रति मीटर प्रति केल्विन से अधिक¹ बताता है कि इंजीनियरों ने बोरॉन आर्सेनाइड के एकल क्रिस्टलों में कमरे के तापमान पर 2,100 W/m·K की अभूतपूर्व तापीय चालकता कैसे प्राप्त की।

समस्या क्या थी?

इंजीनियरों के अनुसार गणना सही थी, लेकिन प्रयोग अपेक्षाओं के अनुरूप परिणाम नहीं दे रहे थे। इसलिए उन्होंने प्रमुख घटकों और पूरी रणनीति का दोबारा मूल्यांकन किया। चालकता में कमी का एक महत्वपूर्ण कारण अशुद्धियाँ निकलीं।

स्रोत – Materials Today

समदैशिक सामग्रियों में ऊष्मा स्थानांतरण सामग्री के क्रिस्टलीय मार्गों का अनुसरण करता है। आदर्श स्थिति में ये मार्ग ऊष्मा को आसानी से आगे बढ़ने देते हैं। लेकिन पिछले प्रयोगों में इस्तेमाल किए गए क्रिस्टलों में कई दोष थे, जो प्रदर्शन को कम कर रहे थे। इसलिए इंजीनियरों ने अधिकतम शुद्ध BAs उगाने का प्रयास किया।

अशुद्धियों के बिना BAs कैसे उगाएँ?

इस लक्ष्य के लिए टीम ने पूरी प्रक्रिया को नए सिरे से तैयार किया। शुरुआत अति-शुद्ध आर्सेनिक से की गई, जिसे बाद में चार चरणों वाली संश्लेषण प्रक्रिया से गुजारा गया ताकि अशुद्धियाँ और कम हो सकें।

अगले चरण में क्वार्ट्ज नली को पूरी तरह साफ किया गया। इंजीनियरों ने सेमीकंडक्टर उद्योग की मानक सफाई प्रक्रिया अपनाई, जिसमें एसीटोन, एथेनॉल और विआयनीकृत पानी से कई बार अल्ट्रासोनिक सफाई की गई। बची हुई नमी हटाने के लिए नली को ओवन में सुखाया गया।

इसके बाद इंजीनियरों ने पारगमित प्रकाश का उपयोग करके तापीय चालकता और अशुद्धियों की जाँच की। अलग-अलग क्रिस्टलों में बिंदु-दोषों की सांद्रता पिछले प्रयासों की तुलना में काफी कम पाई गई।

शोधकर्ताओं ने BAs की तापीय चालकता कैसे मापी?

वैज्ञानिकों ने कई अत्यंत सटीक विधियों से क्रिस्टलों की तापीय चालकता मापी। टीम ने पहले समय-क्षेत्र ताप-परावर्तन (TDTR) विधि का उपयोग किया। सटीकता सुनिश्चित करने के लिए इलेक्ट्रॉन-बीम वाष्पीकरण से क्रिस्टलों पर 100 नैनोमीटर मोटी एल्यूमिनियम ट्रांसड्यूसर परत चढ़ाई गई।

इसके बाद क्रिस्टलों में बची हुई अशुद्धियों को खोजने के लिए Raman स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग किया गया। सभी आँकड़ों को मिलाकर टीम ने सामग्री की क्षमताओं और कमियों की सटीक तस्वीर तैयार की। इन निष्कर्षों से तापीय गतिकी की दिशा बदल सकती है।

रिकॉर्ड तोड़ तापीय चालकता के परिणाम

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टीम के परीक्षण ने साबित किया कि BAs हीरे के स्तर की तापीय चालकता हासिल कर सकता है। वैज्ञानिकों ने कमरे के तापमान पर 2,100 W/mK का मान दर्ज किया। Raman स्पेक्ट्रम से T−1.8 निर्भरता भी दिखाई दी, जिससे आगे के शोध और प्रदर्शन सुधार की संभावना बनी।

इंजीनियरों ने बताया कि संशोधित सैद्धांतिक गणना के आधार पर प्रक्रिया को इस तरह समायोजित किया जा सकता है कि 4–8 THz सीमा वाले फोनॉन के लिए आज प्रचलित चार-फोनॉन प्रकीर्णन के बजाय तीन-फोनॉन प्रकीर्णन इस्तेमाल हो। इस विधि से टीम ने 300 से 400 K तक तापमान निर्भरता दर्ज की।

बोरॉन आर्सेनाइड के लाभ

यह कार्य कई लाभ प्रदान करता है। इससे भविष्य के उन्नत तकनीकी उपकरण अधिक सुलभ और किफायती बन सकते हैं। हीरे महंगे और दुर्लभ हैं, जबकि BAs को आवश्यकता के अनुसार बनाया जा सकता है। इसका निर्माण और एकीकरण भी आसान है।

सेमीकंडक्टर सामग्री के रूप में बोरॉन आर्सेनाइड

एक अप्रत्याशित खोज यह रही कि BAs उत्कृष्ट सेमीकंडक्टर की तरह काम करता है। परीक्षणों में तैयार BAs ने कई महत्वपूर्ण श्रेणियों में सिलिकॉन को पीछे छोड़ दिया। यह बेहतर चालकता और आवेश-वाहक गतिशीलता, अनुकूल तापीय प्रसार तथा व्यापक बैंड गैप प्रदान करता है।

तापीय पदार्थ विज्ञान के नए युग की शुरुआत

यह कार्य दिखाता है कि बेहतर परिणामों के लिए वैज्ञानिकों को लगातार सीमाएँ आगे बढ़ानी चाहिए। दशकों तक हीरा तापीय चालकता का निर्विवाद राजा रहा। अब पूरे वैज्ञानिक समुदाय को अपने सिद्धांतों का पुनर्मूल्यांकन करना होगा, जिससे पहले असंभव मानी गई प्रगति के लिए रास्ता खुलेगा।

बोरॉन आर्सेनाइड के वास्तविक उपयोग और समयरेखा

इस कार्य के कई उपयोग हो सकते हैं। अध्ययन निर्माताओं की ताप प्रबंधन संबंधी सोच बदल सकता है। यदि सामग्री को हीरे के विकल्पों की तुलना में कम लागत और अधिक उपलब्धता के साथ लगातार संश्लेषित किया जा सके, तो अगली पीढ़ी की ताप प्रबंधन सामग्री और इलेक्ट्रॉनिक्स का रास्ता खुलेगा। कुछ संभावित उपयोग नीचे दिए गए हैं।

उच्च-शक्ति इलेक्ट्रॉनिक्स

कल्पना कीजिए कि आप गर्मी से परेशान हुए बिना पूरे दिन लैपटॉप गोद में रख सकें। ये अत्यधिक चालक तापीय अवरोधक उन्नत तकनीक और पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स के नए युग को आगे बढ़ा सकते हैं। अतिरिक्त शीतलन प्रणाली के बिना भी उपकरण तेज़ और अधिक शक्तिशाली हो सकते हैं।

इलेक्ट्रिक वाहन और पावर इलेक्ट्रॉनिक्स

BAs को ऊष्मा चालक के रूप में अपनाने से इलेक्ट्रिक वाहनों के प्रदर्शन में बड़ा सुधार हो सकता है। यह सामग्री वाहनों को हल्का और सुरक्षित बनाने में मदद कर सकती है, जिससे एक बार चार्ज करने पर अप्रत्यक्ष रूप से अधिक दूरी मिल सकती है। इससे भविष्य में इलेक्ट्रिक वाहनों की लागत भी घट सकती है।

डेटा केंद्र

डेटा केंद्र इस तकनीक का लाभ पाने वाले शुरुआती क्षेत्रों में हो सकते हैं। AI बाज़ार के रिकॉर्ड विस्तार के कारण इन विशाल प्रणालियों की माँग बहुत अधिक है। इसलिए यह तकनीक AI क्षेत्र की क्षमता, प्रदर्शन और संचालन लागत पर सीधा प्रभाव डालेगी।

बोरॉन आर्सेनाइड की समयरेखा

उपभोक्ता अगले 7–10 वर्षों में इस प्रकार की तापीय कोटिंग अपने इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में देख सकते हैं। सैन्य और अन्य विशिष्ट उच्च-तकनीकी उपयोगों को यह सामग्री पाँच वर्ष या उससे कम समय में उपलब्ध हो सकती है। कम निर्माण लागत और बेहतर उपलब्धता से एकीकरण का समय काफी घट सकता है।

बोरॉन आर्सेनाइड के शोधकर्ता

कमरे के तापमान पर बोरॉन आर्सेनाइड की तापीय चालकता 2,100 W प्रति मीटर प्रति केल्विन से अधिक अध्ययन में University of California, Santa Barbara, Boston College और University of Houston सहित कई प्रतिष्ठित संस्थानों ने सहयोग किया।

शोधपत्र में प्रोफेसर Zhifeng Ren के साथ Bolin Liao, Ange Benise Niyikiza, Zeyu Xiang, Fanghao Zhang, Fengjiao Pan, Chunhua Li, Matthew Delmont, David Broido और Ying Peng को योगदानकर्ता बताया गया है।

BAs सामग्रियों के लिए भविष्य के शोध की दिशाएँ

इस महत्वपूर्ण उपलब्धि तक पहुँचने में कई वर्ष लगे, इसलिए टीम से BAs की तापीय चालकता में आगे सुधार जारी रखने की उम्मीद है। भविष्य में वह ऐसी अन्य सामग्रियों का भी अध्ययन करेगी जो समान या बेहतर परिणाम दे सकती हैं।

ग्रेफाइट निर्माण में निवेश

कई कंपनियाँ तापीय चालक कोटिंग बनाती हैं। ये कंपनियाँ आज के उच्च-तकनीकी, परिवहन और औद्योगिक क्षेत्रों के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण हैं। निम्न कंपनी अपने अग्रणी प्रयासों और उत्पादों के कारण बाज़ार में प्रमुख रही है।

Graphjet Technology

Graphjet Technology(GTI ) की स्थापना 2019 में हुई थी। मलेशिया की यह ग्रेफाइट निर्माता कंपनी इलेक्ट्रिक वाहन बाज़ार, इलेक्ट्रॉनिक्स और संचार प्रणालियों के लिए एनोड सामग्री और अन्य महत्वपूर्ण पदार्थ उपलब्ध कराती है।

कंपनी कई कारणों से बाज़ार में अग्रणी रही है और अपने अनूठे टिकाऊ दृष्टिकोण को आगे बढ़ाने के लिए MIT, University of Manchester तथा कई अन्य संस्थानों के साथ रणनीतिक सहयोग करती है।

Graphjet Technology स्थिरता पर विशेष ध्यान देने के कारण अपने प्रतिस्पर्धियों से अलग है। यह दुनिया की पहली निर्माता कंपनी है जिसने पुनर्चक्रित पाम-कर्नेल खोल जैसे कृषि अपशिष्ट को बैटरी-ग्रेड ग्रेफाइट में बदलने की औद्योगिक स्तर की प्रक्रिया विकसित की है।

कंपनी का मलेशियाई संयंत्र उच्च-शुद्धता वाला कृत्रिम ग्रेफाइट, एकल-परत ग्राफीन और अन्य आवश्यक सामग्री बनाता है। यह हर वर्ष 9,000 मीट्रिक टन कचरे को 3,000 मीट्रिक टन ग्रेफाइट में बदल सकता है। प्रति किलोग्राम ग्रेफाइट केवल 2.95 किलोग्राम CO₂ उत्सर्जन के कारण यह विकल्पों से 83% अधिक स्वच्छ है।

ये सभी कारक Graphjet Technology की ओर निवेशकों का ध्यान बढ़ा रहे हैं। नवोन्मेषी और टिकाऊ विनिर्माण कंपनी में निवेश चाहने वालों को Graphjet के शेयरों पर और शोध करना चाहिए।