पदार्थ विज्ञान
बोरॉन आर्सेनाइड ने हीरे को गर्मी संचरण में पीछे छोड़ दिया है
एक अंतरराष्ट्रीय वैज्ञानिक दल, जिसका नेतृत्व ह्यूस्टन विश्वविद्यालय के इंजीनियरों ने किया है, ने एक लंबे समय से चली आ रही थर्मल चालकता सिद्धांत को गलत साबित कर दिया है। उनका काम सामग्री विज्ञान की सीमाओं को और आगे बढ़ाता है और आने वाले महीनों में कई संबंधित सफलताओं को प्रेरित कर सकता है। इस प्रकार, यह वैज्ञानिक समुदाय में एक बड़ा मील का पत्थर माना जाता है। यहाँ आपको जानने के लिए क्या है:
आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स में थर्मल चालकता का महत्व
इस सफलता के महत्व को समझने के लिए, यह आवश्यक है कि आप आज की प्रौद्योगिकी में थर्मल बैरियर कोटिंग की भूमिका को समझें। ये कोटिंग्स, जो आमतौर पर धातु घटकों पर लगाई जाती हैं, महत्वपूर्ण घटकों को गर्मी के संपर्क को कम करने में मदद करती हैं।
वे जो थर्मल चालकता बाधा बनाते हैं वह आज के इंजनों को अधिक टिकाऊ, कंप्यूटरों को तेज़ बनाने में मदद करता है, और कई औद्योगिक क्षेत्रों में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। इस प्रकार, इन सतहों में सुधार के लिए निरंतर अनुसंधान किया जा रहा है। जबकि सिंथेटिक सामग्रियों में कई प्रगति हुई है, कोई भी प्राकृतिक सामग्री के साथ तुलना नहीं कर सकता है।
हीरे
कई दशकों से, हीरे को सबसे अच्छा समान थर्मल चालक सामग्री माना जाता रहा है। समान सामग्री विशिष्ट होती हैं क्योंकि वे सभी क्रिस्टलोग्राफिक दिशाओं में एक समान गर्मी वितरण प्रदान करती हैं। ध्यान से, वे कई कारणों से गर्मी संचरण में उत्कृष्ट होती हैं, जिनमें उनके तंग कोवेलेंट कार्बन-कार्बन बंधन शामिल हैं।
हीरे के रूप में थर्मल कंडक्टर की सीमाएं
हीरे के थर्मल कोटिंग्स का उपयोग करने से जुड़ी कुछ समस्याएं हैं जो शोधकर्ताओं को अन्य सामग्रियों की तलाश जारी रखने का कारण बनती हैं। एक तो, वे अन्य समान सामग्रियों की तुलना में अधिक महंगे हैं। इसके अलावा, वे काम करने में मुश्किल हो सकते हैं।
इन सीमाओं के बावजूद, हीरे अभी भी तेज़ गर्मी विसर्जन के लिए उपयोग किए जाते हैं जब यह मिशन-महत्वपूर्ण होता है। हालांकि, एक बढ़ती संख्या में इंजीनियरों का मानना है कि सिंथेटिक सामग्री का उपयोग करके हीरे के प्रदर्शन को पार करना संभव है। एक सामग्री जिसने हाल के वर्षों में बढ़ती ध्यान आकर्षित की है वह बोरॉन आर्सेनाइड है।
बोरॉन आर्सेनाइड (बीएएस)
बोरॉन आर्सेनाइड (बीएएस) पहली बार 1959 में वैज्ञानिकों द्वारा बोरॉन और आर्सेनिक के संश्लेषण के बाद उभरा। इस प्रारंभिक प्रयोग को कई दशकों के लिए सुस्त कर दिया गया था जब तक कि 2000 के दशक में कंप्यूटर मॉडलिंग और सामग्री विज्ञान में प्रगति ने यह देखना संभव बना दिया कि बीएएस एक संभावित गर्मी संचालक के रूप में कैसे काम कर सकता है।
यह 2013 में नहीं था जब डेविड ब्रॉयडो, एक बोस्टन कॉलेज के भौतिक विज्ञानी, एक स्पष्ट भविष्यवाणी की जिसमें उन्होंने एक परिदृश्य का वर्णन किया जिसमें बीएएस ने हीरे की थर्मल चालकता को पार कर लिया। उन्होंने गणना का उपयोग करके दिखाया कि सामग्री कमरे के तापमान पर 2200 डब्ल्यू/एम·के की थर्मल चालकता प्राप्त करने में सक्षम थी, एक तीन-फोनॉन स्कैटरिंग दृष्टिकोण का उपयोग करके।
बोरॉन आर्सेनाइड की उच्च-शुद्धता प्राप्त करने में चुनौतियाँ
बीएएस के रूप में एक थर्मल कंडक्टर के रूप में काम करने के लिए तब से काम किया जा रहा है। हालांकि, फोनॉन स्कैटरिंग रणनीतियों में परिवर्तन और अन्य मुद्दों ने इंजीनियरों को अपने परिणामों को लगभग 1,300 डब्ल्यू/एमके तक कम देखने का कारण बना। सौभाग्य से, एक हालिया अध्ययन ने दिखाया है कि इन सीमाओं का कारण क्या था और उन्हें कैसे कम किया जा सकता है।
बोरॉन आर्सेनाइड अध्ययन
वैज्ञानिक पत्रिका में प्रकाशित कमरे के तापमान पर 2100 वाट प्रति मीटर प्रति केल्विन से अधिक बोरॉन आर्सेनाइड की थर्मल चालकता¹ अध्ययन यह दिखाता है कि इंजीनियरों ने बोरॉन आर्सेनाइड एकल क्रिस्टल में कमरे के तापमान पर 2100 डब्ल्यू/एम·के की अभूतपूर्व थर्मल चालकता कैसे प्राप्त की।
समस्या क्या थी?
जैसा कि इंजीनियरों ने नोट किया, गणित जांचता है, लेकिन प्रयोग अपेक्षाओं को पूरा नहीं कर रहे थे। यह तब था जब उन्होंने मूल घटकों और रणनीति को फिर से मूल्यांकन करने का फैसला किया ताकि यह देखा जा सके कि सुधार कहां किया जा सकता है। एक प्रमुख क्षेत्र जहां उन्होंने चालकता का नुकसान देखा वह अशुद्धियां थीं।
स्रोत – मैटेरियल्स टुडे
विशेष रूप से, आइसोट्रोपिक सामग्रियों में, गर्मी संचरण क्षमता सामग्री के क्रिस्टलोग्राफिक मार्गों का पालन करती है। एक आदर्श सेटिंग में, ये मार्ग चिकनी यात्रा प्रदान करते हैं। हालांकि, इंजीनियरों ने नोट किया कि पिछले प्रयोगों में, उपयोग किए गए क्रिस्टल में कई खामियां थीं जो वास्तव में प्रदर्शन को बाधित करती थीं। इस प्रकार, उन्होंने सबसे शुद्ध बीएएस संभव बढ़ाने के लिए निकला।
बीएएस को अशुद्धियों के बिना कैसे उगाएं
इस कार्य को पूरा करने के लिए, उन्होंने शुरू से ही प्रक्रिया को फिर से कल्पना करनी। उन्होंने अल्ट्राप्योर आर्सेनिक से शुरू किया। वहाँ से, मैं एक चार-चरण संश्लेषण से गुजरा, जिसने अशुद्धियों को और कम कर दिया।
अगला कदम एक क्वार्टज ट्यूब को पूरी तरह से साफ करना था। विशेष रूप से, इंजीनियरों ने मानक सेमीकंडक्टर क्लीनिंग प्रक्रियाओं का उपयोग किया, जिसमें एसीटोन, इथेनॉल और डीआई वाटर जैसी सामग्री का उपयोग करके कई बार अल्ट्रासोनिक क्लीनिंग शामिल थी। फिर, इसे एक ओवन में सुखाया गया, जिससे कोई अतिरिक्त नमी समाप्त हो गई।
इसके बाद, इंजीनियरों ने पारदर्शी प्रकाश का उपयोग करके थर्मल चालकता और अशुद्धियों की जांच की। उन्होंने तुरंत नोट किया कि उन्हें व्यक्तिगत क्रिस्टल में एक महत्वपूर्ण रूप से कम बिंदु दोष की सांद्रता थी जो पिछले प्रयासों की तुलना में थी।
बीएएस की थर्मल चालकता को कैसे मापा जाता है
वैज्ञानिकों ने कई सटीक विधियों का उपयोग करके क्रिस्टल की थर्मल चालकता का परीक्षण किया। टीम ने पहले समय-डोमेन थर्मोरिफ्लेक्टेंस (टीडीटीआर) विधि का उपयोग करके थर्मल चालकता को रिकॉर्ड किया। इस परीक्षण में, इंजीनियरों ने सटीकता सुनिश्चित करने के लिए एक 100-नैनोमीटर अल ट्रांसड्यूसर परत के साथ क्रिस्टल को लेपित किया।
इसके बाद, समूह ने क्रिस्टल में शेष अशुद्धियों का पता लगाने के लिए रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग किया। उन्होंने तब डेटा को मिलाकर सामग्री की क्षमताओं और कमजोरियों का एक सटीक अवलोकन प्राप्त किया। जो उन्होंने पाया वह आगे की गर्मी गतिविधि को बदल देगा।
रिकॉर्ड-तोड़ थर्मल चालकता परिणाम
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| सामग्री | थर्मल चालकता (डब्ल्यू/एम·के) | नोट्स |
|---|---|---|
| हीरा | 2200 | पिछले रिकॉर्ड धारक आइसोट्रोपिक सामग्री के लिए |
| बोरॉन आर्सेनाइड (बीएएस) | 2100 | कमरे के तापमान पर नई सत्यापित चालकता |
| सिलिकॉन | 150 | मानक सेमीकंडक्टर सामग्री |
टीम के परीक्षण ने साबित किया कि बीएएस हीरे के स्तर की थर्मल चालकता प्राप्त करने में सक्षम थे। विशेष रूप से, वैज्ञानिकों ने 2,100 डब्ल्यू/एमके को कमरे के तापमान पर दर्ज किया। विशेष रूप से, रमन स्पेक्ट्रा ने इंजीनियरों को टी−1.8 निर्भरता का अवलोकन करने की अनुमति दी, जो आगे के शोध और प्रदर्शन में सुधार के लिए दरवाजा खोलता है।
इंजीनियरों ने नोट किया कि एक संशोधित सैद्धांतिक गणना उन्हें प्रक्रिया को ट्यून करने में सक्षम बनाएगी, जो 4–8 थ्ज़ रेंज में फोनॉन के लिए एक तीन-फोनॉन स्कैटरिंग का उपयोग करने के बजाय एक चार-फोनॉन स्कैटरिंग का उपयोग करती है। इस दृष्टिकोण का उपयोग करके, टीम ने 300 से 400 के तक तापमान निर्भरता रिकॉर्ड करने में सफलता प्राप्त की।
बोरॉन आर्सेनाइड लाभ
यह काम बाजार में कई लाभ लाता है। एक तो, यह कल के उच्च-प्रौद्योगिकी उपकरणों को अधिक सुलभ और सस्ता बनाने का दरवाजा खोलता है। हीरे महंगे और दुर्लभ हैं, जबकि बीएएस को मांग पर बनाया जा सकता है। इसके अलावा, वे निर्माण और एकीकरण में आसान हैं।
बोरॉन आर्सेनाइड एक सेमीकंडक्टर सामग्री के रूप में
एक अप्रत्याशित खोज यह थी कि बीएएस एक उत्कृष्ट सेमीकंडक्टर के रूप में कार्य करता है। परीक्षणों ने खुलासा किया कि उन्होंने जो बीएएस बनाया था वह कई प्रमुख श्रेणियों में सिलिकॉन से बेहतर प्रदर्शन करता है। विशेष रूप से, वे बेहतर चालकता, वाहक गतिशीलता, थर्मल विस्तार और एक व्यापक बैंड गैप का समर्थन करते हैं।
थर्मल सामग्री विज्ञान में एक नए युग को प्रेरित करना
यह काम यह प्रदर्शित करता है कि वैज्ञानिकों को लगातार सीमाओं को आगे बढ़ाने की आवश्यकता है ताकि वे अपने परिणामों में उत्कृष्टता प्राप्त कर सकें। दशकों से, हीरे थर्मल चालकता के अविवादित राजा रहे हैं। अब, पूरे वैज्ञानिक समुदाय को अपने सिद्धांतों को फिर से मूल्यांकन करना होगा, जो पहले असंभव माने जाने वाले नए प्रगति के लिए जगह बनाता है।
बोरॉन आर्सेनाइड वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोग और समय सारिणी
इस काम के कई अनुप्रयोग हैं। एक तो, यह अध्ययन निर्माताओं को गर्मी प्रबंधन के बारे में सोचने के तरीके को बदल देगा। यदि यह सामग्री लगातार हीरे के विकल्पों की तुलना में कम लागत और अधिक उपलब्धता के साथ संश्लेषित की जा सकती है, तो यह अगली पीढ़ी के गर्मी प्रबंधन सामग्री और इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए दरवाजा खोलता है।
उच्च-शक्ति वाले इलेक्ट्रॉनिक्स
एक ऐसी कल्पना करें कि आपका लैपटॉप पूरे दिन आपकी गोद में है और कोई गर्मी विसर्जन नहीं है। इन अत्यधिक चालक थर्मल बाधाओं का एकीकरण तेज़ और अधिक शक्तिशाली उपकरणों के साथ एक नए युग में पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स को चलाने में मदद कर सकता है जिन्हें अतिरिक्त शीतलन प्रणाली के समर्थन की आवश्यकता नहीं है।
इलेक्ट्रिक वाहन (ईवी) और पावर इलेक्ट्रॉनिक्स
ईवी बाजार बीएएस को थर्मल कंडक्टर के रूप में एकीकरण के कारण प्रदर्शन में महत्वपूर्ण सुधार देख सकता है। ये सामग्री निर्माताओं को अपने वाहनों को हल्का और सुरक्षित बनाने में सक्षम बना सकती हैं। इस प्रकार, वे एक ही चार्ज से अधिक माइलेज प्राप्त कर सकते हैं। इसके अलावा, यह रणनीति ईवी के लिए भविष्य में लागत को कम कर सकती है।
डेटा सेंटर
डेटा सेंटर इस प्रौद्योगिकी के लाभों का पहला अनुभव करेंगे। ये विशाल पारिस्थितिकी तंत्र एआई बाजार के रिकॉर्ड विस्तार के कारण उच्च मांग में हैं। इस प्रकार, यह प्रौद्योगिकी एआई क्षेत्र पर सीधा प्रभाव डालेगी, जिसमें इसकी क्षमताओं, प्रदर्शन और आगे बढ़ने वाले ओवरहेड शामिल हैं।
बोरॉन आर्सेनाइड समय सारिणी
नागरिक अपने इलेक्ट्रॉनिक्स में इस प्रकार के गर्मी कोटिंग का उपयोग करने के लिए 7-10 वर्षों के भीतर देख सकते हैं। हालांकि, सैन्य और अन्य विशेष उच्च-प्रौद्योगिकी उपयोग के मामले इस सामग्री तक 5 वर्षों के भीतर या उससे कम समय में पहुंच प्राप्त कर सकते हैं। यह तथ्य कि यह निर्माण करने के लिए बहुत कम लागत आती है और अधिक सुलभ है, एकीकरण समय को काफी कम करने में मदद करेगा।
बोरॉन आर्सेनाइड शोधकर्ता
कमरे के तापमान पर 2100 वाट प्रति मीटर प्रति केल्विन से अधिक बोरॉन आर्सेनाइड की थर्मल चालकता अध्ययन एक संयुक्त प्रयास था जिसने कई प्रतिष्ठित संस्थानों से शोध को जोड़ा, जिनमें कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सांता बारबरा, बोस्टन कॉलेज और ह्यूस्टन विश्वविद्यालय शामिल हैं।
विशेष रूप से, पत्र में प्रोफेसर झिफेंग रेन, बोलिन लियाओ, एंजे बेनिस नियिकिज़ा, ज़ेयू शियांग, फैंगहाओ झांग, फेंगजियाओ पैन, चुन्हुआ ली, मैथ्यू डेलमोंट, डेविड ब्रॉयडो और यिंग पेंग को योगदानकर्ता के रूप में सूचीबद्ध किया गया है।
बीएएस सामग्री के लिए भविष्य के शोध दिशा
यह मील का पत्थर हासिल करने में जो वर्षों का काम लगा, यह उम्मीद की जाती है कि टीम बीएएस की थर्मल चालकता में सुधार करने के अपने सफर पर जारी रहेगी। भविष्य में, वे उन सामग्रियों का उपयोग करने की भी खोज करेंगे जो तुलनात्मक या बेहतर परिणाम प्रदान कर सकती हैं।
ग्राफाइट निर्माण में निवेश
थर्मल चालक कोटिंग्स का उत्पादन करने वाली कई फर्में हैं। ये कंपनियां आज के उच्च-प्रौद्योगिकी, परिवहन और औद्योगिक क्षेत्रों के लिए महत्वपूर्ण हैं। यह एक ऐसी फर्म है जो अपने अग्रणी प्रयासों और उत्पादों के कारण बाजार में महत्वपूर्ण रही है।
ग्राफजेट टेक्नोलॉजी
ग्राफजेट टेक्नोलॉजी (GTI ) 2019 में लॉन्च हुई। यह मलेशियाई ग्राफाइट निर्माता आज के ईवी बाजार, इलेक्ट्रॉनिक्स और संचार प्रणालियों के लिए एनोड सामग्री और अन्य महत्वपूर्ण सामग्री प्रदान करता है।
कंपनी बाजार में कई कारणों से एक पioneer है। एक तो, कंपनी स्थायित्व के बारे में है। यह दुनिया का पहला निर्माता है जिसने एक औद्योगिक-स्तर की प्रक्रिया बनाई है जो कृषि अपशिष्ट को रिसाइकल पाम कर्नेल शेल में परिवर्तित करती है जो बैटरी-ग्रेड ग्राफाइट में परिवर्तित हो जाती है।
कंपनी की मलेशियाई सुविधा उच्च-शुद्धता वाले कृत्रिम ग्राफाइट, एकल-परत ग्राफीन और अन्य आवश्यक सामग्री प्रदान करती है। प्रभावशाली रूप से, सुविधा प्रति वर्ष 9,000 मीट्रिक टन अपशिष्ट को 3,000 मीट्रिक टन ग्राफाइट में परिवर्तित कर सकती है। इसके अलावा, यह केवल 2.95 किग्रा सीओ 2 प्रति किग्रा ग्राफाइट का उत्पादन करता है, जो इसे विकल्पों की तुलना में 83% साफ बनाता है।
इन सभी कारकों ने निवेशकों का ध्यान ग्राफजेट टेक्नोलॉजी की ओर आकर्षित किया है। जो निवेशक एक नवाचारी और स्थायी निर्माण शेयर में रुचि रखते हैं, उन्हें ग्राफजेट शेयरों में और अधिक शोध करना चाहिए।
ग्राफजेट टेक्नोलॉजी (जीटीआई) स्टॉक नवीनतम समाचार और प्रदर्शन
बोरॉन आर्सेनाइड अध्ययन | निष्कर्ष
बीएएस का उपयोग एक कम लागत वाली थर्मल चालकता के रूप में एक सफलता है जिसने वर्षों के वैज्ञानिक सिद्धांत को उलट दिया है। इन रिपोर्टों का जवाब देते हुए, इंजीनियरों ने कहा कि सिद्धांत पूरी तरह से गलत नहीं थे – उन्हें केवल वास्तविक दुनिया के परीक्षण से मेल खाने के लिए कुछ समायोजन की आवश्यकता है।
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संदर्भ
1. नियिकिज़ा, ए. बी, शियांग, ज़., झांग, एफ., पैन, एफ., ली, सी, डेलमोंट, एम., ब्रॉयडो, डी, पेंग, वाई, लियाओ, बी, और रेन, ज़. (2025)। कमरे के तापमान पर 2100 वाट प्रति मीटर प्रति केल्विन से अधिक बोरॉन आर्सेनाइड की थर्मल चालकता। मैटेरियल्स टुडे, 90, 11-14. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.09.021
