किर्केंडल प्रभाव

किर्केंडल प्रभाव धातु के परमाणुओं की प्रसार दरों में अंतर के परिणामस्वरूप दो धातुओं के बीच इंटरफेस की गति है। प्रभाव को उदाहरण के लिए एक शुद्ध धातु और उस धातु से युक्त एक मिश्र धातु के बीच इंटरफेस में अघुलनशील मार्करों को रखकर देखा जा सकता है और एक ऐसे तापमान पर गर्म किया जा सकता है जहां दिए गए टाइमस्केल के लिए परमाणु प्रसार उचित हो; सीमा मार्करों के सापेक्ष आगे बढ़ेगी।

इस प्रक्रिया का नाम 1941 से 1946 तक वेन स्टेट यूनिवर्सिटी में केमिकल इंजीनियरिंग के सहायक प्रोफेसर अर्नेस्ट किर्केंडल (1914-2005) के नाम पर रखा गया था। प्रभाव की खोज का वर्णन करने वाला पेपर 1947 में प्रकाशित हुआ था।

किर्केंडल प्रभाव के महत्वपूर्ण व्यावहारिक परिणाम हैं। इनमें से एक धातु बंधन के लिए विभिन्न प्रकार के मिश्र धातु में सीमा इंटरफ़ेस पर गठित आवाजों की रोकथाम या दमन है। इन्हें किर्केंडल वॉयड्स कहा जाता है।

इतिहास

किर्केंडल प्रभाव की खोज 1947 में अर्नेस्ट किर्केंडल और एलिस स्मिगेल्स्कस द्वारा पीतल में प्रसार में किर्केंडल के चल रहे शोध के समय की गई थी। जिस पेपर में उन्होंने प्रसिद्ध प्रभाव की खोज की वह पीतल प्रसार पर उनके पत्रों की श्रृंखला में तीसरा था पहला उनका थीसिस था। उनके दूसरे पेपर ने प्रकट किया कि अल्फा-पीतल में तांबे की तुलना में जस्ता अधिक तेजी से फैलता है जिसके कारण अनुसंधान ने उनके क्रांतिकारी सिद्धांत का निर्माण किया। इस बिंदु तक प्रसारात्मक गति के लिए प्रतिस्थापन और रिंग विधियां प्रमुख विचार थे। किर्केंडल के प्रयोग ने एक रिक्ति प्रसार तंत्र का प्रमाण प्रस्तुत किया जो आज तक स्वीकृत तंत्र है। जिस समय इसे प्रस्तुत किया गया था प्रौद्योगिकी के कार्नेगी संस्थान (अब करनेगी मेलों विश्वविद्याल) में मेटल्स रिसर्च लेबोरेटरी के निदेशक रॉबर्ट फ्रैंकलिन आटा द्वारा पेपर और किर्केंडल के विचारों को प्रकाशन से अस्वीकार कर दिया गया था। मेहल ने इस नए प्रसार तंत्र के किर्केंडल के साक्ष्य को स्वीकार करने से इनकार कर दिया और छह महीने से अधिक के लिए प्रकाशन से इनकार कर दिया केवल एक सम्मेलन आयोजित होने के बाद और कई अन्य शोधकर्ताओं ने किर्केंडल के परिणामों की पुष्टि की थी ।

किर्केंडल का प्रयोग

पीतल की एक पट्टी (70% Cu, 30% Zn) को कोर के रूप में उपयोग किया गया था मोलिब्डेनम तारों को इसकी लंबाई के साथ फैलाया गया था और फिर शुद्ध तांबे की एक परत में लेपित किया गया था। मोलिब्डेनम को मार्कर पदार्थ के रूप में चुना गया था क्योंकि यह पीतल में बहुत अघुलनशील होने के कारण मार्करों के स्वयं को फैलाने के कारण किसी भी त्रुटि को समाप्त कर देता है। 56 दिनों के समय 785 डिग्री सेल्सियस पर प्रसार की अनुमति दी गई थी, जिसमें प्रयोग के समय छह बार क्रॉस-सेक्शन लिए गए थे। समय के साथ यह देखा गया कि तार के निशान एक साथ करीब चले गए क्योंकि जस्ता पीतल से और तांबे में फैल गया। अलग-अलग समय के क्रॉस सेक्शन में इंटरफ़ेस के स्थान में अंतर दिखाई दे रहा था। एक्स-रे विवर्तन द्वारा प्रसार से पदार्थ के संरचनागत परिवर्तन की पुष्टि की गई थी।

प्रसार तंत्र

प्रारंभिक प्रसार मॉडल ने कहा कि संस्थागत मिश्र धातुओं में परमाणु गति एक प्रत्यक्ष विनिमय तंत्र के माध्यम से होती है जिसमें परमाणु आसन्न जाली साइटों पर परमाणुओं के साथ स्थिति बदलने से पलायन करते हैं। इस तरह के एक तंत्र का तात्पर्य है कि एक अंतरफलक में दो अलग-अलग सामग्रियों के परमाणु प्रवाह समान होना चाहिए क्योंकि अंतरफलक के पार चलने वाले प्रत्येक परमाणु के कारण एक और परमाणु दूसरी दिशा में आगे बढ़ता है।

एक अन्य संभावित प्रसार तंत्र में जाली रिक्तियां सम्मिलित हैं। एक परमाणु एक खाली जाली साइट में स्थानांतरित हो सकता है प्रभावी रूप से परमाणु और रिक्ति को स्थानों को बदलने का कारण बनता है। यदि किसी पदार्थ में बड़े मापदंड पर विसरण होता है तो एक दिशा में परमाणुओं का प्रवाह होगा और दूसरी दिशा में रिक्तियों का प्रवाह होगा।

रिक्ति प्रसार में परमाणु प्रवाह का प्रदर्शन

किर्केंडल प्रभाव तब उत्पन्न होता है जब दो अलग-अलग सामग्रियों को एक दूसरे के निकट में रखा जाता है और उनके बीच प्रसार होने दिया जाता है। सामान्यतः एक दूसरे में दो सामग्रियों के प्रसार गुणांक समान नहीं होते हैं। यह केवल तभी संभव है जब रिक्ति तंत्र द्वारा प्रसार होता है; यदि इसके अतिरिक्त परमाणु एक विनिमय तंत्र द्वारा विसरित होते हैं, तो वे जोड़े में अंतरफलक को पार करेंगे, इसलिए प्रसार दर अवलोकन के विपरीत समान होगी। फ़िक के विसरण के नियम फ़िक के विसरण के पहले नियम के अनुसार उच्च प्रसार गुणांक वाली पदार्थ से परमाणुओं का प्रवाह बड़ा होगा, इसलिए उच्च प्रसार गुणांक वाली पदार्थ से परमाणुओं का शुद्ध प्रवाह होगा कम प्रसार गुणांक परमाणुओं के इस प्रवाह को संतुलित करने के लिए विपरीत दिशा में रिक्तियों का प्रवाह होगा - कम प्रसार गुणांक वाली पदार्थ से उच्च प्रसार गुणांक वाली पदार्थ में - जिसके परिणामस्वरूप पर्यावरण के सापेक्ष जाली का समग्र अनुवाद होता है। कम प्रसार स्थिरांक के साथ पदार्थ की दिशा है ।

किर्केंडल प्रभाव के लिए मैक्रोस्कोपिक प्रमाण तांबे और पीतल के बीच एक इंटरफेस पर मोलिब्डेनम मार्कर जैसे दो सामग्रियों के बीच प्रारंभिक इंटरफ़ेस पर निष्क्रिय मार्करों को रखकर संग्रह किया जा सकता है। इस स्थिति में जस्ता का प्रसार गुणांक तांबे के प्रसार गुणांक से अधिक है। चूँकि तांबे के परमाणुओं की तुलना में जस्ता परमाणु पीतल को उच्च दर पर छोड़ते हैं प्रसार बढ़ने पर पीतल क्षेत्र का आकार घट जाता है। मोलिब्डेनम मार्करों के सापेक्ष, तांबा-पीतल इंटरफ़ेस प्रयोगात्मक रूप से औसत सीमा की दर पर पीतल की ओर बढ़ता है।

डार्कन के समीकरण

Main article: डार्कन के समीकरण

किर्केंडल के पेपर के प्रकाशन के कुछ ही समय बाद, एल.एस. डार्केन ने बाइनरी प्रणाली में विसरण का विश्लेषण प्रकाशित किया जैसा कि स्मिगेलस्कास और किर्केंडल ने अध्ययन किया था। मार्करों के सापेक्ष इंटरफ़ेस के संचलन से सामग्रियों के वास्तविक विसारक प्रवाह को अलग करके डार्कन ने मार्कर वेग $v$ पाया है

$v=(D_{1}-D_{2}){\frac {dN_{1}}{dx}},$

जहाँ $D_{1}$ और $D_{2}$ दो सामग्रियों के प्रसार गुणांक हैं और $N_{1}$ एक परमाणु अंश है। इस समीकरण का एक परिणाम यह है कि एक इंटरफ़ेस की गति समय के वर्गमूल के साथ रैखिक रूप से भिन्न होती है, जो वास्तव में स्मिगेलस्कास और किर्केंडल द्वारा खोजा गया प्रायोगिक संबंध है।

डार्कन ने एक दूसरा समीकरण भी विकसित किया जो एक संयुक्त रासायनिक प्रसार गुणांक को परिभाषित करता है $D$ दो इंटरफेसिंग सामग्रियों के प्रसार गुणांक के संदर्भ में:

$D=N_{1}D_{2}+N_{2}D_{1}.$

इस रासायनिक प्रसार गुणांक का उपयोग बोल्ट्जमैन-मैटानो विश्लेषण बोल्ट्जमैन-मैटानो विश्लेषण के माध्यम से किर्केंडल प्रभाव प्रसार का गणितीय विश्लेषण करने के लिए किया जा सकता है।

किर्केंडल सरंध्रता

किर्केंडल के काम से प्राप्त होने वाला एक महत्वपूर्ण विचार प्रसार के समय गठित सरंध्रता की उपस्थिति है। ये रिक्त स्थान रिक्तियों के लिए सिंक के रूप में कार्य करते हैं और जब पर्याप्त जमा हो जाते हैं तो वे पर्याप्त हो सकते हैं और संतुलन बहाल करने के प्रयास में विस्तार कर सकते हैं। सरंध्रता दो प्रजातियों की प्रसार दर में अंतर के कारण होती है।

धातुओं में छिद्रों के यांत्रिक तापीय और विद्युतीय गुणों पर प्रभाव पड़ता है और इस प्रकार उनके गठन पर नियंत्रण अधिकांशतः वांछित होता है। समीकरण

$X^{K}=(a_{1}\Delta C_{1}^{\circ }+a_{2}\Delta C_{2}^{\circ }+\dots +a_{n-1}\Delta C_{n-1}^{\circ }){\sqrt {t}}$

जहाँ $X^{K}$ एक मार्कर द्वारा तय की गई दूरी है, $a$ पदार्थ के आंतरिक विसरण द्वारा निर्धारित गुणांक है और $\Delta C^{\circ }$ घटकों के बीच एक एकाग्रता अंतर है किर्केंडल सरंध्रता को कम करने के लिए एक प्रभावी मॉडल सिद्ध हुआ है। एनीलिंग तापमान को नियंत्रित करना सरंध्रता को कम करने या समाप्त करने का एक और विधि है। किर्केंडल सरंध्रता सामान्यतः एक प्रणाली में एक निर्धारित तापमान पर होती है इसलिए छिद्रों के गठन से बचने के लिए एनीलिंग (धातु विज्ञान) को कम तापमान पर लंबे समय तक किया जा सकता है।

नैनो प्रौद्योगिकी अनुप्रयोग

बेलाटेरा स्पेन में कैटलन इंस्टीट्यूट ऑफ नैनोटेक्नोलॉजी ने नैनो-कणों में खोखले बनाने और डबल-दीवार वाले बक्से और बहु-कक्षीय ट्यूब बनाने के लिए एक रासायनिक प्रक्रिया विकसित की है। अध्ययन के परिणाम जर्नल विज्ञान (पत्रिका) में छपे हैं।

मिनट चांदी के क्यूब्स को धनायनित सोने के साथ उपचार किया गया था जिसके कारण कमरे के तापमान पर चांदी के परमाणुओं से इलेक्ट्रॉनों की हानि हुई थी जो इलेक्ट्रोलाइटिक समाधान द्वारा उठाए गए थे। इलेक्ट्रॉनों की प्राप्ति ने धनायनित सोने को धात्विक सोने में बदल दिया जो बाद में चांदी के घन की सतह से जुड़ गया। यह आवरण अंतर्निहित चांदी की सुरक्षा करता है जो अनकोटेड भागों की प्रतिक्रिया को सीमित करता है। अंत में सतह पर केवल एक छेद रहता है जिसके माध्यम से प्रतिक्रिया घन में प्रवेश करती है। एक द्वितीयक प्रभाव तब होता है जब घन के अंदर से चांदी के परमाणु छेद के माध्यम से सतह पर सोने की ओर पलायन करना प्रारंभ कर देते हैं जिससे घन के अंदर एक शून्य बन जाता है।

प्रक्रिया में अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला होगी। रासायनिक वातावरण में छोटे परिवर्तन कमरे के तापमान पर प्रतिक्रिया और प्रसार को नियंत्रित करने की अनुमति देंगे, गैल्वेनिक प्रतिस्थापन और किर्केंडल प्रभाव के माध्यम से विविध पॉलीमेटैलिक खोखले नैनोकणों के निर्माण की अनुमति देंगे।

1972 में, आरसीए कॉर्पोरेशन के सी. डब्ल्यू होर्स्टिंग ने एक पेपर प्रकाशित किया जिसमें अर्धचालक उपकरणों की विश्वसनीयता (सांख्यिकी) पर परीक्षण के परिणामों की सूचना दी गई थी जिसमें गोल्ड प्लेटेड पोस्ट के लिए अल्युमीनियम तारों के बंधुआ अल्ट्रासोनिक वेल्डिंग का उपयोग करके कनेक्शन बनाए गए थे। उनके पेपर ने तार का जोड़ विधि में किर्केंडल प्रभाव के महत्व को प्रदर्शित किया किंतु यह भी दिखाया कि वायर बॉन्ड में अवक्षेपण (रसायन विज्ञान) की दर में उपस्थित किसी भी अशुद्धियों का महत्वपूर्ण योगदान है। हॉर्स्टिंग प्रभाव (हॉर्स्टिंग वॉयड्स) के नाम से जाने जाने वाले इस प्रभाव वाले दो महत्वपूर्ण संदूषक एक अधातु तत्त्व और क्लोरीन हैं। किर्केंडल रिक्तियाँ और हॉस्टिंग रिक्तियाँ दोनों वायर बॉन्ड फ्रैक्चर के ज्ञात कारण हैं, चूँकि ऐतिहासिक रूप से यह कारण अधिकांशतः पांच अलग-अलग सोना-एल्यूमीनियम इंटरमेटेलिक्स में से एक के बैंगनी रंग की उपस्थिति के साथ अस्पष्ट होता है जिसे सामान्यतः बैंगनी प्लेग और कम अधिकांशतः सफेद प्लेग कहा जाता है।

यह भी देखें

• विद्युत प्रवासन

बाहरी संबंध

• Aloke Paul, Tomi Laurila, Vesa Vuorinen and Sergiy Divinski, Thermodynamics, Diffusion and the Kirkendall effect in Solids, Springer, Heidelberg, Germany, 2014.
• Kirkendall Effect: Dramatic History of Discovery and Developments by L.N. Paritskaya Archived 2016-03-14 at the Wayback Machine
• Interdiffusion and Kirkendall Effect in Cu-Sn Alloys Archived 2018-05-17 at the Wayback Machine
• Visual demonstration of the Kirkendall effect