नोवेल ग्लास सामग्री को समझने के लिए घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत लागू करना

क्या घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत है?

घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत (DFT) एक क्वांटम यांत्रिक मॉडलिंग विधि है जिसका उपयोग कई-बॉडी सिस्टमों, विशेष रूप से परमाणुओं, अणुओं और संघनित चरणों की इलेक्ट्रॉनिक संरचना की जांच के लिए किया जाता है। इसके मूल में, DFT ने जटिल कई-इलेक्ट्रोन तरंगों को इलेक्ट्रॉन घनत्व के साथ मूल चर के रूप में बदल दिया है, नाटकीय रूप से कम्प्यूटेशनल लागत को कम करते हुए उच्च सटीकता को बनाए रखा है। इस दृष्टिकोण से, होहेनबर्ग-कोहन सिद्धांत और कोहन-शाम समीकरणों में जड़ित, वैज्ञानिकों को पहले सिद्धांतों से जमीन-राज्य ऊर्जा, इलेक्ट्रॉनिक संरचनाओं और भौतिक गुणों की गणना करने की अनुमति देता है। आगे की नींव पढ़ने के लिए, देखें विकिपीडिया पर कार्यात्मक सिद्धांत]।

डीएफटी कम्प्यूटेशनल सामग्री विज्ञान का एक कार्यभार बन गया है क्योंकि यह सटीकता और व्यवहार्यता के बीच संतुलन पर हमला करता है। तरंग-आधारित विधियों के विपरीत जो सिस्टम आकार के साथ खराब पैमाने पर स्केल करते हैं, डीएफटी नियमित रूप से सैकड़ों परमाणुओं को संभाल सकता है, जिससे यह मॉडलिंग डिसऑर्डर सामग्री जैसे चश्मे के लिए आदर्श बन सकता है।

क्यों ग्लास सामग्री के लिए DFT का उपयोग करें?

ग्लास सामग्री स्वाभाविक रूप से असंगत हैं - उन्हें क्रिस्टल के लंबी दूरी के आवधिक आदेश की कमी है। यह संरचनात्मक विकार उनके प्रयोगात्मक लक्षण वर्णन को चुनौतीपूर्ण और महंगा बनाता है। डीएफटी डिसऑर्डर नेटवर्क के परमाणु सिमुलेशन को सक्षम करके एक शक्तिशाली विकल्प प्रदान करता है, जो अंतर्दृष्टि प्रदान करता है जो अकेले प्रयोगों के माध्यम से प्राप्त करना मुश्किल या असंभव है।

नैनोस्केल में परमाणु संरचना को समझना

DFT के साथ, शोधकर्ता एक सिमुलेशन बॉक्स में परमाणुओं को रखकर ग्लास के यथार्थवादी मॉडल का निर्माण कर सकते हैं और उन्हें न्यूनतम ऊर्जा विन्यास में आराम कर सकते हैं। यह प्रक्रिया शॉर्ट-एंड मध्यम-रेंज ऑर्डर को कैप्चर करती है जो प्रमुख गुणों को नियंत्रित करती है। उदाहरण के लिए, सिलिकेट ग्लास के DFT सिमुलेशन से पता चलता है कि ब्रिजिंग और गैर-ब्रडिंग ऑक्सीजन परमाणुओं का वितरण, जो सीधे चिपचिपाहट और रासायनिक स्थायित्व के साथ संबंध रखती है। व्यवस्थित रूप से अलग संरचना द्वारा, वैज्ञानिकों का नक्शा कैसे प्रत्येक तत्व ग्लास नेटवर्क को प्रभावित करता है।

इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टिकल गुण

डीएफटी गणना विस्तृत इलेक्ट्रॉनिक संरचना की जानकारी प्रदान करती है जिसमें बैंड अंतराल, राज्यों का घनत्व और ऑप्टिकल अवशोषण स्पेक्ट्रा शामिल है। फोटोनिक्स या इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए डिज़ाइन की गई उपन्यास ग्लास सामग्री के लिए, ये भविष्यवाणियां डोपेंट और संशोधक के चयन का मार्गदर्शन करती हैं। उदाहरण के लिए, डीएफटी का उपयोग इन्फ्रारेड ऑप्टिक्स के लिए chalcogenide चश्मे का पता लगाने के लिए किया गया है, जो अपवर्तक सूचकांक और पारदर्शिता खिड़कियों में प्रयोगात्मक रुझानों को सही ढंग से पुन: उत्पन्न करता है।

डीएफटी के साथ विघटनकारी संरचनाएं

ग्लास साइंस के सबसे चुनौतीपूर्ण पहलुओं में से एक एक एकल "भूमि राज्य" संरचना की कमी है। चश्मा मेटास्टेबल विन्यास की एक भीड़ पर कब्जा कर लेते हैं, और डीएफटी इस ऊर्जा परिदृश्य का पता लगाने में मदद करता है। आम दृष्टिकोणों में पिघल-गुना सिमुलेशन शामिल हैं, जहां तरल चरण तेजी से सिलिको में ठंडा हो जाते हैं, या डीएफटी शोधन के बाद अनुभवजन्य क्षमता का उपयोग करते हैं।

पिघल-कुंच और विश्राम तकनीक

एक विशिष्ट पिघल-शमन DFT अध्ययन में, एक तरल को उच्च तापमान (जैसे, 3000 K) सिलिकेट्स के लिए) पर समान रूप से विकसित किया गया है, फिर कमरे के तापमान के लिए stepwise ठंडा किया गया। परिणामस्वरूप असंगत संरचना तब पूरी तरह से DFT बलों का उपयोग करके आराम किया जाता है। यह प्रक्रिया मॉडल पेश करती है जो प्रयोगात्मक जोड़ी वितरण कार्यों और न्यूट्रॉन बिखरने वाले डेटा से मेल खाती है।

सिमुलेशन सेल आकार को संभालने

चूंकि डीएफटी कम्प्यूटेशनल गहन है, चश्मे के लिए सिमुलेशन कोशिकाएं अक्सर कुछ सौ परमाणुओं तक सीमित होती हैं। हालांकि, यह आकार आमतौर पर स्थानीय संरचनात्मक रूपांकनों जैसे कि रिंग्स, पिंजरे और समन्वय पॉलीहेड्रा पर कब्जा करने के लिए पर्याप्त होता है। लंबी दूरी के प्रभावों का अध्ययन करने के लिए, हाइब्रिड दृष्टिकोण शास्त्रीय बल क्षेत्रों या मशीन लर्निंग क्षमता के साथ डीएफटी को जोड़ती है।

नोवेल चश्मा में डीएफटी द्वारा जांच की गई कुंजी गुण

शोधकर्ता डीएफटी को ग्लास सिस्टम की एक विस्तृत श्रृंखला में लागू करते हैं, पारंपरिक सिलिकेट से उभरती हुई सामग्रियों जैसे धातु के चश्मे, ठोस-राज्य बैटरी के लिए ऑक्साइड ग्लास और ग्लास-सिरेमीक। नीचे डीएफटी के माध्यम से विश्लेषण किए गए सबसे महत्वपूर्ण गुणों में से कुछ हैं।

यांत्रिक गुण: कठोरता और लोच

तनाव-प्रशिक्षण संबंधों से लोचदार स्थिरांक की गणना करके, डीएफटी ने ग्लास मॉडल के युवा मॉड्यूलस, थोक मॉड्यूलस और कतरनी मॉड्यूलस की भविष्यवाणी की है। यह उच्च शक्ति या असामान्य लचीलेपन के साथ ग्लास डिजाइन करने के लिए महत्वपूर्ण है। उदाहरण के लिए, एल्युमिनियमिकेट ग्लास पर डीएफटी अध्ययन ने अल सामग्री को उच्च नेटवर्क कनेक्टिविटी और कठोरता में वृद्धि करने के लिए जोड़ा है।

थर्मल स्थिरता और ग्लास संक्रमण

हालांकि ग्लास संक्रमण एक गतिशील प्रक्रिया है, डीएफटी स्थिर संकेतकों जैसे कि असंगत और क्रिस्टल चरणों के बीच विन्यास ऊर्जा अंतर प्रदान कर सकता है। ये अंतर्दृष्टि क्रिस्टलीकरण के लिए थर्मोडायनामिक ड्राइविंग बल का अनुमान लगाने में मदद करती है, जो ग्लास बनाने की क्षमता के लिए महत्वपूर्ण है।

रासायनिक स्थायित्व और आयन परिवहन

जैव चिकित्सा प्रत्यारोपण या परमाणु अपशिष्ट स्थिरीकरण में इस्तेमाल चश्मे के लिए, रासायनिक स्थायित्व पैरामाउंट है। ग्लास नेटवर्क के माध्यम से पानी या आयन प्रसार के डीएफटी सिमुलेशन कमजोर साइटों की पहचान करते हैं जहां हाइड्रोलिसिस या लीचिंग होती है। इसी तरह, सोडियम आयन संचालन चश्मे के लिए (जैसे बैटरी इलेक्ट्रोलाइट्स के लिए), डीएफटी माइग्रेशन बाधाओं और परकोलेशन मार्गों को प्रकट करता है।

केस स्टडी: डीएफटी ने नोवेल ग्लास मैटेरियल्स के लिए आवेदन किया

कई हाल के अध्ययनों में ग्लास रिसर्च पर डीएफटी के प्रभाव को उजागर किया गया है।

मध्य इन्फ्रारेड फोटोनिक्स के लिए Chalcogenide चश्मा

Chalcogenide चश्मे (S, Se, Te युक्त) को उनकी अवरक्त पारदर्शिता के लिए पुरस्कृत किया जाता है। कैंब्रिज विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं द्वारा डीएफटी की गणना ने कम दोष सांद्रता के साथ नए जी-ए एस-एसई रचनाओं की भविष्यवाणी की, जिससे बेहतर संचरण हो गया। इन भविष्यवाणियों को प्रयोग से सत्यापित किया गया, जिससे डीएफटी की खोज को तेज करने में भूमिका का प्रदर्शन किया गया।

बढ़ी हुई कठोरता के साथ धातुई चश्मा

थोक धातु चश्मे (BMGs) भंगुरता से पीड़ित हैं। Zr-आधारित BMGs पर DFT सिमुलेशन से पता चला कि छोटी मात्रा में नोबल धातुओं (जैसे Pd) के अतिरिक्त शॉर्ट-रेंज ऑर्डर को बदल देता है, कतरनी बैंड गठन को दबा देता है। इसने रिकॉर्ड बेरहमी के साथ एक लचीला BMG के डिजाइन का नेतृत्व किया। ] धातु कांच की क्रूरता पर एक संबंधित DFT अध्ययन आगे विवरण प्रदान करता है।

लिथियम-आयन ग्लास इलेक्ट्रोलाइट्स का संचालन

सॉलिड स्टेट बैटरियों को उच्च आयनिक चालकता के साथ इलेक्ट्रोलाइट्स की आवश्यकता होती है। लिथियम सिलिकेट और लिथियम फास्फोरस ऑक्सीनिट्राइड (LiPON) चश्मे पर डीएफटी अध्ययनों ने पहचान की कि गैर-ब्रडिंग ऑक्सीजन के अनुपात में वृद्धि Li प्रसार को बढ़ाता है। शोधकर्ताओं ने डीएफटी का उपयोग ली हॉपिंग के लिए ऊर्जा परिदृश्य का नक्शा करने के लिए किया, जिससे कमरे के तापमान पर 1 mS/cm से अधिक की चालकता के साथ एक नई ग्लास संरचना की खोज की जा रही थी।

प्रायोगिक तरीकों के साथ डीएफटी को एकीकृत करना

सबसे शक्तिशाली दृष्टिकोण प्रयोगों के साथ डीएफटी को जोड़ती है। डीएफटी कम्प्यूटेड संरचनाओं से स्पेक्ट्रा को अलग करके स्पेक्ट्रोस्कोपिक डेटा (एनएमआर, एक्सपीएस, रमन) की व्याख्या कर सकता है। इसके विपरीत, प्रयोगात्मक डेटा डीएफटी मॉडल को मान्य करते हैं। यह तालमेल समय लेने वाले परीक्षण और आतंकवादी प्रयोगों की आवश्यकता को कम कर देता है ] और अनुरूप गुणों वाले चश्मे के तर्कसंगत डिजाइन को सक्षम बनाता है।

उदाहरण के लिए, परमाणु अपशिष्ट के लिए विकिरण प्रतिरोधी चश्मे के विकास में, डीएफटी का उपयोग सैकड़ों संशोधक संयोजनों को स्क्रीन करने के लिए किया गया था, और केवल शीर्ष उम्मीदवारों को संश्लेषित और परीक्षण किया गया था। इस दृष्टिकोण ने कई महीनों तक विकास समय में कटौती की।

चश्मे के लिए डीएफटी की चुनौतियां और सीमाएं

अपनी शक्ति के बावजूद, डीएफटी में चश्मे पर लागू होने पर सीमाएं हैं। मानक कार्यात्मक (जैसे, एलडीए, जीजीए) बैंड के अंतराल को कम कर सकते हैं या वैन डेर वाल इंटरैक्शन के लिए खाते में विफल हो सकते हैं, जो कुछ ग्लास सिस्टम में महत्वपूर्ण हो सकते हैं। हाइब्रिड कार्यात्मक या डीएफटी + यू जैसी अधिक उन्नत कार्यात्मकताएं उपलब्ध हैं लेकिन अधिक कम्प्यूटेशनल संसाधनों की मांग कर रही हैं।

एक अन्य चुनौती सिमुलेशन कोशिकाओं का परिमित आकार है, जो वास्तविक चश्मे में मौजूद संरचनात्मक विषमता को नहीं पकड़ सकता है। इसके अतिरिक्त, डीएफटी एक जमीन-राज्य विधि है, इसलिए तापमान-निर्भर गुणों का अध्ययन करना (जैसे, चिपचिपाहट) को आणविक गतिशीलता या मोंटे कार्लो तकनीकों के साथ युग्मन की आवश्यकता होती है।

भविष्य निर्देश

ग्लास साइंस में डीएफटी का भविष्य उज्ज्वल है, जो एल्गोरिदम और कंप्यूटिंग हार्डवेयर में अग्रिमों द्वारा संचालित है। डीएफटी डेटा पर प्रशिक्षित मशीन लर्निंग पोटेंशियल अब निकट-DFT सटीकता के साथ लाखों परमाणुओं के अनुकरण की अनुमति देते हैं। यह वास्तविक उपकरणों के लिए प्रासंगिक लंबाई पैमाने पर संरचनात्मक विश्राम, फ्रैक्चर और आयन परिवहन के अध्ययन को सक्षम करेगा।

इसके अलावा, ] का विकास उच्च-थ्रूपुट स्क्रीनिंग के लिए स्वचालित डीएफटी वर्कफ़्लोज़ को उपन्यास ग्लास रचनाओं की खोज में तेजी लाने के लिए तैयार किया गया है। रोबोटिक्स और स्वचालित प्रयोगों के साथ संयुक्त, डीएफटी संचालित ग्लास डिजाइन औद्योगिक आर एंडैम्प में नियमित हो सकता है; डी।

निष्कर्ष

घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत ने परमाणु पैमाने की अंतर्दृष्टि प्रदान करके उपन्यास ग्लास सामग्री की हमारी समझ को बदल दिया है जो प्रयोगात्मक प्रयासों को पूरक और मार्गदर्शन प्रदान करता है। परमाणु व्यवस्था और इलेक्ट्रॉनिक गुणों की भविष्यवाणी से ऊर्जा, प्रकाशिकी और बायोमेडिसिन के लिए उच्च प्रदर्शन चश्मे की खोज को तेज करने के लिए, डीएफटी आधुनिक सामग्री विज्ञान में एक अनिवार्य उपकरण है। चूंकि कम्प्यूटेशनल तरीकों का विकास जारी रखा जाता है, डीएफटी और प्रयोग के बीच तालमेल भी भविष्य की तकनीकी चुनौतियों को पूरा करने के लिए तैयार गुणों के साथ अधिक परिष्कृत ग्लास सामग्री को अनलॉक करेगा।

डाइविंग गहरे में रुचि रखने वालों के लिए, सामग्री आज का लेख अनाकार ठोस पदार्थों के ab initio मॉडलिंग पर तकनीकों और अनुप्रयोगों की एक व्यापक समीक्षा प्रदान करता है। शोधकर्ताओं ने अपने स्वयं के ग्लास सिस्टम के लिए DFT लागू करने की तलाश में ओपन सोर्स कोड जैसे क्वांटम ESPRESSO, VASP, या CP2K के साथ शुरू हो सकते हैं।