नैनोक्रिस्टलाइन सामग्री

एक नैनोक्रिस्टलाइन (एनसी) पदार्थ केवल कुछ नैनोमीटर के क्रिस्टलीय आकार के साथ एक पॉलीक्रिस्टलाइन पदार्थ है। ये सामग्रियां बिना किसी लंबी दूरी के क्रम और पारंपरिक मोटे दाने वाली पदार्थ के बिना अनाकार पदार्थ के बीच की खाई को भरती हैं। परिभाषाएं अलग-अलग होती हैं, किन्तु नैनोक्रिस्टलाइन पदार्थ को सामान्यतः 100 एनएम से नीचे क्रिस्टलीय (ग्रेन) आकार के रूप में परिभाषित किया जाता है। 100–500 एनएम से ग्रेन के आकार को सामान्यतः अति सूक्ष्म ग्रेन्स माना जाता है।

एक्स-रे विवर्तन का उपयोग करके एनसी नमूने के ग्रेन के आकार का अनुमान लगाया जा सकता है। बहुत छोटे दाने के आकार वाली पदार्थ में, विवर्तन चोटियों को चौड़ा किया जाएगा। यह चौड़ीकरण स्केरर समीकरण (~50 एनएम तक लागू), एक पाउडर विवर्तन#आकार और तनाव विस्तारण|विलियमसन-हॉल प्लॉट, का उपयोग करके एक क्रिस्टलीय आकार से संबंधित हो सकता है। या अधिक परिष्कृत तरीके जैसे वॉरेन-एवरबैक विधि या विवर्तन पैटर्न के कंप्यूटर मॉडलिंग। क्रिस्टलीय आकार को सीधे ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके मापा जा सकता है।

संश्लेषण

नैनोक्रिस्टलाइन पदार्थ को कई तरीकों से तैयार किया जा सकता है। तरीकों को सामान्यतः पदार्थ की स्थिति के आधार पर वर्गीकृत किया जाता है, जो नैनोक्रिस्टलाइन अंतिम उत्पाद बनाने से पहले पदार्थ के संक्रमण के माध्यम से होता है।

सॉलिड-स्टेट प्रोसेसिंग

ठोस-अवस्था प्रक्रियाओं में पदार्थ को पिघलाना या वाष्पित करना शामिल नहीं होता है और सामान्यतः अपेक्षाकृत कम तापमान पर किया जाता है। ठोस अवस्था प्रक्रियाओं के उदाहरणों में एक उच्च-ऊर्जा बॉल मिल और कुछ प्रकार की गंभीर प्लास्टिक विरूपण प्रक्रियाओं का उपयोग करके यांत्रिक मिश्रधातु शामिल हैं।

तरल प्रसंस्करण

पिघल कताई जैसी प्रक्रिया का उपयोग करके तरल से तेजी से ठोसकरण द्वारा नैनोक्रिस्टलाइन धातुओं का उत्पादन किया जा सकता है। यह अक्सर एक अनाकार धातु का उत्पादन करता है, जिसे क्रिस्टलीकरण तापमान से ऊपर एनीलिंग (धातु विज्ञान) द्वारा एक नैनोक्रिस्टलाइन धातु में परिवर्तित किया जा सकता है।

वाष्प-चरण प्रसंस्करण

MOCVD जैसी वाष्प जमाव प्रक्रियाओं का उपयोग करके नैनोक्रिस्टलाइन पदार्थ की पतली फिल्मों का उत्पादन किया जा सकता है।

समाधान प्रसंस्करण

कुछ धातुओं, विशेष रूप से निकल और निकल मिश्र धातुओं को विद्युत का उपयोग करके नैनोक्रिस्टलाइन फ़ॉइल में बनाया जा सकता है।

यांत्रिक गुण

नैनोक्रिस्टलाइन पदार्थ उनके मोटे दाने वाली किस्मों के सापेक्ष असाधारण यांत्रिक गुण दिखाती है। क्योंकि नैनोक्रिस्टलाइन पदार्थ में ग्रेन की सीमाओं का आयतन अंश 30% जितना बड़ा हो सकता है, नैनोक्रिस्टलाइन पदार्थ के यांत्रिक गुण इस अनाकार ग्रेन सीमा चरण से काफी प्रभावित होते हैं। उदाहरण के लिए, लोचदार मापांक को नैनोक्रिस्टलाइन धातुओं के लिए 30% और नैनोक्रिस्टलाइन आयनिक पदार्थ के लिए 50% से अधिक कम दिखाया गया है। ऐसा इसलिए है क्योंकि अनाकार कण सीमा क्षेत्र क्रिस्टलीय ग्रेन की तुलना में कम घने होते हैं, और इस प्रकार प्रति परमाणु की मात्रा अधिक होती है, $\Omega$. अंतर-परमाणु क्षमता को मानते हुए, $U(\Omega )$, ग्रेन की सीमाओं के भीतर वैसा ही है जैसा कि थोक ग्रेन, लोचदार मापांक में होता है, $E\propto \partial ^{2}U/\partial \Omega ^{2}$, थोक ग्रेन की तुलना में ग्रेन सीमा क्षेत्रों में छोटा होगा। इस प्रकार, मिश्रण के नियम के माध्यम से, एक नैनोक्रिस्टलाइन पदार्थ के थोक क्रिस्टलीय रूप की तुलना में कम लोचदार मापांक होगा।

नैनोक्रिस्टलाइन धातु

नैनोक्रिस्टलाइन धातुओं की असाधारण उपज शक्ति ग्रेन की सीमा को मजबूत करने के कारण होती है, क्योंकि अव्यवस्था की गति को अवरुद्ध करने के लिए ग्रेन की सीमाएं बेहद प्रभावी होती हैं। उपज तब होती है जब एक ग्रेन की सीमा पर अव्यवस्था ढेर के कारण तनाव आसन्न ग्रेन में विस्थापन की पर्ची को सक्रिय करने के लिए पर्याप्त हो जाता है। जैसे-जैसे दानों का आकार घटता जाता है, यह गंभीर तनाव बढ़ता जाता है, और इन भौतिकी को अनुभवजन्य रूप से हॉल-पेच संबंध द्वारा ग्रहण किया जाता है,

$\sigma _{y}=\sigma _{0}+Kd^{-1/2},$

कहाँ $\sigma _{y}$ उपज तनाव है, $\sigma _{0}$ एक पदार्थ-विशिष्ट स्थिरांक है जो अन्य सभी सुदृढ़ीकरण तंत्रों के प्रभावों के लिए जिम्मेदार है, $K$ एक पदार्थ-विशिष्ट स्थिरांक है जो ग्रेन के आकार को मजबूत करने के लिए धातु की प्रतिक्रिया के परिमाण का वर्णन करता है, और $d$ औसत ग्रेन का आकार है। इसके अतिरिक्त, क्योंकि नैनोक्रिस्टलाइन ग्रेन एक महत्वपूर्ण संख्या में अव्यवस्थाओं को समाहित करने के लिए बहुत छोटा है, नैनोक्रिस्टलाइन धातु नगण्य मात्रा में तनाव-सख्त हो जाती है,और इस प्रकार नैनोक्रिस्टलाइन पदार्थ को पूर्ण प्लास्टिसिटी के साथ व्यवहार करने के लिए माना जा सकता है।

जैसे-जैसे दाने का आकार घटता जाता है, एक महत्वपूर्ण दाने का आकार पहुँच जाता है, जिस पर अंतर-कणीय विकृति, यानी ग्रेन की सीमा खिसकना, इंट्राग्रेनुलर अव्यवस्था गति की तुलना में अधिक ऊर्जावान रूप से अनुकूल हो जाती है। इस महत्वपूर्ण ग्रेन के आकार के नीचे, जिसे अक्सर "रिवर्स" या "उलटा" हॉल-पेट शासन के रूप में संदर्भित किया जाता है, ग्रेन के आकार में कोई और कमी पदार्थ को कमजोर कर देती है क्योंकि ग्रेन सीमा क्षेत्र में वृद्धि से ग्रेन की सीमा फिसलने में वृद्धि होती है। चेंड्रॉस और आर्गिबे ने चिपचिपा प्रवाह के रूप में ग्रेन की सीमा फिसलने का मॉडल तैयार किया और इस शासन में पदार्थ की उपज शक्ति को भौतिक गुणों के रूप में संबंधित किया

$\tau ={\bigg (}L{\frac {\rho _{L}}{M}}{\bigg )}{\bigg (}1-{\frac {T}{T_{m}}}{\bigg )}f_{g},$

कहाँ $L$ संलयन की तापीय धारिता है, $\rho _{L}/M$ अनाकार चरण में परमाणु मात्रा है, $T_{m}$ पिघलने का तापमान है, और $f_{g}$ द्वारा दिए गए ग्रेन बनाम ग्रेन की सीमाओं में पदार्थ का आयतन अंश है $f_{g}=(1-\delta /d)^{3}$, कहाँ $\delta$ ग्रेन सीमा मोटाई है और सामान्यतः 1 एनएम के क्रम में है। हॉल-पेट संबंध के साथ इस रेखा के प्रतिच्छेदन द्वारा धातु की अधिकतम शक्ति दी जाती है, जो सामान्यतः एक दाने के आकार के आसपास होती है $d$ = बीसीसी और एफसीसी धातुओं के लिए 10 एनएम।

ग्रेन की सीमाओं के एक बड़े मात्रा अंश से जुड़ी बड़ी मात्रा में इंटरफैसिअल ऊर्जा के कारण, नैनोक्रिस्टलाइन धातुएं ऊष्मीय रूप से अस्थिर होती हैं। निम्न-पिघलने वाली धातुओं (अर्थात अल्युमीनियम, विश्वास करना और लेड) के नैनोक्रिस्टलाइन नमूनों में, परिवेश के तापमान के संपर्क में आने के 24 घंटों के बाद नमूनों के दाने का आकार 10 से 20 एनएम तक दोगुना देखा गया।यद्यपि उच्च गलनांक वाली पदार्थ कमरे के तापमान पर अधिक स्थिर होती है, नैनोक्रिस्टलाइन फीडस्टॉक को एक मैक्रोस्कोपिक घटक में समेकित करने के लिए अक्सर पदार्थ को विस्तारित अवधि के लिए ऊंचे तापमान पर उजागर करने की आवश्यकता होती है, जिसके परिणामस्वरूप नैनोक्रिस्टलाइन माइक्रोस्ट्रक्चर का मोटा होना होगा। इस प्रकार, तापीय रूप सूक्ष्म रूप से स्थिर नैनोक्रिस्टलाइन मिश्र धातु मिश्र धातु काफी इंजीनियरिंग रुचि के हैं। प्रयोगों से पता चला है कि पारंपरिक माइक्रोस्ट्रक्चरल स्थिरीकरण तकनीक जैसे कि विलेय पृथक्करण के माध्यम से ग्रेन की सीमा तय करना या विलेय सांद्रता में वृद्धि कुछ मिश्र धातु प्रणालियों में सफल साबित हुई है, जैसे कि Pd-Zr और Ni-W।

नैनोक्रिस्टलाइन सिरेमिक

जबकि मिट्टी के पात्र के यांत्रिक व्यवहार में अक्सर दोष होते हैं, यानी ग्रेन के आकार के बजाय सरंध्रता, उच्च घनत्व वाले सिरेमिक नमूनों में ग्रेन के आकार की मजबूती भी देखी जाती है। इसके अतिरिक्त, नैनोक्रिस्टलाइन सिरेमिक्स को बल्क सिरेमिक्स की तुलना में अधिक तेजी से सिंटर करने के लिए दिखाया गया है, जिससे उच्च घनत्व और बेहतर यांत्रिक गुण होते हैं,हालांकि उच्च दबावों और ऊंचे तापमानों के लिए विस्तारित एक्सपोजर को पूर्ण घनत्व के हिस्से को सिंटर करने के लिए आवश्यक नैनोस्ट्रक्चर के मोटे होने का परिणाम हो सकता है।

नैनोक्रिस्टलाइन पदार्थ से जुड़ी ग्रेन की सीमाओं का बड़ा मात्रा अंश सिरेमिक सिस्टम में दिलचस्प व्यवहार का कारण बनता है, जैसे अन्यथा भंगुर सिरेमिक में सुपरप्लास्टी ग्रेन बाउंड्री का बड़ा वॉल्यूम अंश कोबल रेंगना के माध्यम से परमाणुओं के एक महत्वपूर्ण विसारक प्रवाह की अनुमति देता है, जो नैनोक्रिस्टलाइन धातुओं में ग्रेन बाउंड्री स्लाइडिंग विरूपण तंत्र के अनुरूप है। क्योंकि विसारक रेंगना दर के रूप में $d^{-3}$ और रेखीय रूप से ग्रेन बाउंड्री डिफ्यूसिविटी के साथ, ग्रेन के आकार को 10 माइक्रोन से 10 एनएम तक रिफाइन करने से विसरणीय रेंगने की दर में परिमाण के लगभग 11 ऑर्डर बढ़ सकते हैं। यह सुपरप्लास्टिक सिरेमिक घटकों के प्रसंस्करण के लिए अमूल्य साबित हो सकता है, क्योंकि पदार्थ को बनाने के बाद अतिरिक्त थर्मल उपचार के माध्यम से एक पारंपरिक, मोटे ग्रेन वाली पदार्थ में परिवर्तित किया जा सकता है।

प्रसंस्करण

जबकि फ़ॉइल, पाउडर और तारों के रूप में नैनोक्रिस्टलाइन फीडस्टॉक्स का संश्लेषण अपेक्षाकृत सीधा है, नैनोक्रिस्टलाइन फीडस्टॉक्स की प्रवृत्ति ऊंचे तापमान के विस्तारित जोखिम पर मोटे होने का मतलब है कि इन फीडस्टॉक्स को बल्क में समेकित करने के लिए कम तापमान और तेजी से घनत्व तकनीक आवश्यक है। अवयव। इस संबंध में कई तरह की तकनीकें क्षमता दिखाती हैं, जैसे स्पार्क प्लाज्मा सिंटरिंग या अल्ट्रासोनिक योगात्मक निर्माण, हालांकि व्यावसायिक स्तर पर थोक नैनोक्रिस्टलाइन घटकों का संश्लेषण अस्थिर रहता है।

यह भी देखें

• नैनोक्रिस्टल
• नैनोकण
• क्वांटम डॉट

संदर्भ

• A. Inoue; K. Hashimoto, eds. (2001). Amorphous and nanocrystalline materials : preparation, properties, and applications. Berlin: Springer. ISBN 3540672710.