सबसे छोटी परमाणु घड़ी - कार्बन सेल में नाइट्रोजन

यह नाइट्रोजन फुलरीन के अणु जैसा दिखता है। 60 कार्बन परमाणुओं द्वारा गठित कार्बन सेल के अंदर नाइट्रोजन परमाणु

अमेरिकी सेना द्वारा विकसित आधुनिक जीपीएस भौगोलिक प्रणाली वाहनों, गैजेट्स और उनके मालिकों को समय और स्थान पर नेविगेट करने की अनुमति देती है। सिस्टम डेटा को enviable सटीकता के साथ प्रसारित करता है - लगभग 1 सिग्नल प्रति 100 नैनोसेकंड। ये संकेत सटीक नेविगेशन के लिए आवश्यक हैं। रेडियो तरंगों के प्रसार की गति को जानने के बाद, आप कई मीटर की त्रुटि के साथ अपने स्वयं के स्थान की गणना कर सकते हैं।

लेकिन जियोलोकेशन सिस्टम (जीपीएस, ग्लोनास और अन्य) समय के साथ सभी समस्याओं को हल नहीं कर सकते हैं। तथ्य यह है कि इस तरह की प्रणाली के उपग्रह परमाणु घड़ियों द्वारा स्वयं "समय" जानते हैं, जो बहुत सटीक हैं। फिर भी, संकेत स्वयं विफल हो सकता है - घुसपैठियों या प्राकृतिक कारकों (एक सौर तूफान या इमारतों से रेडियो सिग्नल का एक सरल प्रतिबिंब) के प्रभाव के कारण। लेकिन क्या होगा अगर एक परमाणु घड़ी एक जीपीएस रिसीवर में एम्बेडेड है?

यह विचार नहीं है, लेकिन एक वास्तविक परियोजना है, जिसका विवरण आधिकारिक प्रकाशन शारीरिक समीक्षा पत्र में प्रकाशित किया गया है। अध्ययन के लेखकों के अनुसार, ऐसी मोबाइल परमाणु घड़ियां वास्तव में संभव हैं। वैज्ञानिकों को भी जल्द ही एक समान "तंत्र" बनाने की उम्मीद है।

किसी भी परमाणु घड़ी का हृदय और कार्यात्मक केंद्र खाली हवा के साथ एक कंटेनर और वाष्पशील धातु का "बादल" होता है, आमतौर पर सीज़ियम। परमाणु एक निश्चित आवृत्ति के साथ प्रतिध्वनित होते हैं, जो उपकरणों की सहायता से तय होता है। इसी समय, सीज़ियम परमाणु, कंपन और अन्य कारकों पर, जो बहुत संवेदनशील होते हैं, उदाहरण के लिए, घड़ी पर शारीरिक प्रभाव के लिए "उदासीन" होते हैं। ऐसी प्रणालियों के आयाम बहुत अलग हैं। लेकिन पहले से ही एक परमाणु घड़ी है, जिसका आकार एक छोटे सूटकेस के आकार से अधिक नहीं है।

और 2004 में, नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड्स एंड टेक्नोलॉजी के वैज्ञानिकों द्वारा विकसित और भी लघु प्रणाली दिखाई दी। वे परमाणु घड़ियों के आकार में एक चिप के आयामों में कमी हासिल करने में सक्षम थे। इस तरह के सिस्टम का उपयोग विज्ञान और प्रौद्योगिकी के कई क्षेत्रों में किया जाता है, जिसमें सैन्य मामलों और पानी के नीचे के नेविगेशन शामिल हैं। लेकिन, दुर्भाग्य से, लघुकरण मूल्य को बहुत प्रभावित करता है। परमाणु घड़ी जितनी छोटी होती है, उतनी ही महंगी होती है। तथ्य यह है कि ऐसी प्रणालियों का उत्पादन करना बेहद मुश्किल है।

सामान्य तौर पर, कोई भी लैपटॉप या फोन में इस प्रकार की परमाणु घड़ी की उपस्थिति की उम्मीद नहीं कर सकता है। यहां तक ​​कि अगर वे दिखाई देते हैं, तो डिवाइस बहुत महंगे होंगे। और यह संभावना नहीं है कि दसियों हज़ार डॉलर के एक जोड़े की कीमत पर, फोन लोकप्रिय होगा, और यह ठीक मांग है कि आपूर्ति उत्पन्न करता है, और प्रौद्योगिकी जनता के पास जाती है। जब तक ऐसी प्रणालियों के उत्पादन की लागत को कम करना संभव है, तब तक लघु परमाणु घड़ियां विशेषज्ञों के एक संकीर्ण दायरे की नियति बनी रहेंगी। शायद सैन्य ऐसी प्रणालियों, शायद नासा और अन्य अंतरिक्ष एजेंसियों के लिए भुगतान करने में सक्षम होगा। लेकिन "लोगों के लिए" निकास नहीं होगा।

इस स्थिति से बाहर निकलने के लिए परमाणु घड़ियों के निर्माण का एक वैकल्पिक विकल्प हो सकता है, 2008 में ऑक्सफोर्ड विश्वविद्यालय से एंड्रयू ब्रिग्स और अर्शंग अर्दवान द्वारा प्रस्तावित किया गया था। वैज्ञानिकों ने वैक्यूम और धातु की जोड़ी के बारे में भूल जाने का प्रस्ताव दिया, और कार्बन सेल में केवल एक नाइट्रोजन परमाणु को बंद कर दिया। यह सेल एंडोहेड्रल फुलरीन है। एंडोहेड्रल फुलरीन , सेल में फुलरीन अणु होते हैं जिनमें से एक या अधिक परमाणु या अणु संलग्न होते हैं।

सबसे उपयुक्त फुलरीन प्रयोगकर्ताओं में से एक N @ C _{60 है} । यह 60 कार्बन परमाणुओं के एक सेल के अंदर एक नाइट्रोजन परमाणु है। यह संरचना सॉकर बॉल की तरह है। नाइट्रोजन परमाणु, वास्तव में, इस कोशिका में स्वतंत्र रूप से चलता है, इसके गुणों को बनाए रखता है। वैसे, वैज्ञानिकों ने हीलियम और नियॉन के साथ समान संरचनाएं बनाई हैं। लेकिन, जैसा कि यह निकला, यह अपने "सेल" में नाइट्रोजन परमाणु था जो लघु परमाणु घड़ियों को बनाने के लिए आदर्श है।

यहां एक दिलचस्प बारीकियों है - एन @ सी ₆₀ एक अणु है जो मौजूद नहीं होना चाहिए, क्योंकि नाइट्रोजन परमाणु की प्रतिक्रियाशीलता बहुत अधिक है। इस प्रकार की एक जटिल संरचना बनाने के लिए विशेष परिस्थितियों की आवश्यकता होती है, जिसे चरम कहा जा सकता है। तथ्य यह है कि नाइट्रोजन संरचना को कार्बन संरचना में धकेलना लगभग उसी तरह है जैसे नल से पानी को ऊपर की ओर प्रवाहित करना। हम इस तरह की प्रतिक्रिया की थर्मोडायनामिक विशेषताओं के बारे में बात कर रहे हैं। लेकिन जैसे ही संरचना का निर्माण होता है, यह तुरंत स्थिर हो जाता है, क्योंकि कार्बन अलग हो जाता है और नाइट्रोजन परमाणु को स्थिर करता है। इस प्रकार, परिणामी उत्पाद को बिना किसी समस्या के संग्रहीत किया जा सकता है।

ऑक्सफोर्ड विश्वविद्यालय की प्रयोगशाला में, उन्होंने नाइट्रोजन फुलरीन बनाने का एक तरीका पाया, यदि बड़े पैमाने पर नहीं, तो जल्दी से पर्याप्त। वे आयन आरोपण नामक एक विधि का उपयोग करते हैं। फुलरीन को एक वैक्यूम टैंक में वाष्पीकरण तापमान तक गरम किया जाता है, जिसके बाद उन्हें एक सब्सट्रेट पर जमा किया जाता है। C ₆₀ की एक पतली फिल्म _{बनाई गई है} । जबकि यह फिल्म बढ़ती है, यह नाइट्रोजन परमाणुओं के साथ बमबारी करती है। उनमें से कुछ फिल्म में फंस जाते हैं, वांछित संरचना बनाते हैं। सच है, उत्पादकता बहुत कम है: "नाइट्रोजन फुलरीन" का अणु प्रति 10,000 मामलों में 1 बार बनता है।



प्रक्रिया पूरी होने के बाद, एन @ सी ₆₀ आवंटित करना आवश्यक है। समस्या यह है कि C ₆₀ और N @ C ₆₀ के रासायनिक गुण लगभग समान हैं। हालांकि, अभी भी मतभेद हैं। यह, सबसे पहले, आणविक भार, और दूसरी बात, ध्रुवीकरण है। ये दो अंतर उच्च दबाव तरल क्रोमैटोग्राफी (एचपीएलसी) नामक एक विधि का उपयोग करके नाइट्रोजन फुलरीन को निकालना संभव बनाते हैं।

पारंपरिक क्रोमैटोग्राफी में, विभिन्न रासायनिक विशेषताओं वाले पदार्थ एक दूसरे से अलग होते हैं, उदाहरण के लिए, विशेष पेपर के तंतुओं के माध्यम से। उच्च दबाव क्रोमैटोग्राफी के मामले में, सिद्धांत समान है, लेकिन पदार्थ दबाव में "विभाजक" के माध्यम से संचालित होता है। नाइट्रोजन फुलरिन के पृथक्करण के मामले में, C @ ₆₀ को N @ C ₆₀ से अलग करने के लिए कई बार ऑपरेशन करना होगा।

तो क्या परमाणु घड़ी के बारे में? इस मामले में, एक जनरेटर का उपयोग किया जाता है जो एक रेडियो सिग्नल का उत्सर्जन करता है जिसकी आवृत्ति नाइट्रोजन द्वारा रेडियो सिग्नल अवशोषण के करीब है। यह संकेत एंटीना के माध्यम से टैंक में प्रेषित होता है, जहां नाइट्रोजन फुलरीन के अणु स्थित होते हैं। यह एक पाउडर या एक समाधान हो सकता है। यदि थरथरानवाला सही ढंग से ट्यून किया गया है, तो रेडियो सिग्नल अवशोषित हो जाता है। यदि नहीं, तो संकेत समाधान / पाउडर से गुजरता है। प्रतिक्रिया के साथ एक विशेष ट्यूनिंग सिस्टम का उपयोग करते हुए, वैज्ञानिकों ने आवश्यक संकेतकों को संकेत का स्वत: समायोजन प्राप्त किया है। इन सभी का उपयोग परमाणु घड़ियों को बनाने के लिए किया जा सकता है।

अब वैज्ञानिकों के सामने मुख्य कार्य फुलरीन अणु के आधार पर एक लघु चिप बनाना है। ऐसी प्रणाली ऑप्टिकल तत्वों से रहित होगी जो आमतौर पर परमाणु घड़ियों में उपयोग की जाती हैं। एक वैक्यूम भी आवश्यक नहीं है। ऐसी प्रणालियाँ लघु और ऊर्जा कुशल होंगी। वे आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक समय पर नज़र रखने वाले उपकरणों में इस्तेमाल होने वाले क्रिस्टल ऑसिलेटर्स को बदलने में भी सक्षम होंगे।


फ्लास्क में फुलरीन का समाधान

इस तकनीक के रचनाकारों के अनुसार, इसका उपयोग करने के कई तरीके हैं। इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, सैन्य, वैज्ञानिकों, डॉक्टरों के निर्माता - पोर्टेबल अल्ट्रास्पाइस घड़ियों की आवश्यकता हर किसी को होती है। जीपीएस प्रणाली के लिए, इसके संकेत को घर के अंदर भी पकड़ा जा सकता है। यह इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस के अंदर परमाणु घड़ियों के प्लेसमेंट से ही होगा, रिसीवर। जीपीएस सिग्नल को बाहर निकालना बहुत मुश्किल होगा - अब यह करना काफी सरल है। भले ही उपग्रह नेटवर्क आंशिक रूप से क्षतिग्रस्त हो (कुछ उपग्रह विफल), एक एकीकृत परमाणु घड़ी के साथ पृथ्वी पर जीपीएस रिसीवर काम करेंगे।

इसके अलावा, वाहनों, सीमा शुल्क, डाक सेवाओं के लिए लघु जियोलोकेशन सिस्टम बनाना संभव होगा। सुरंगों के माध्यम से ऐसे सिस्टम के पारित होने के दौरान भी पार्सल और उपकरण को बिना किसी समस्या के ट्रैक किया जा सकता है।

बेशक, एक वाणिज्यिक प्रणाली का निर्माण अभी भी एक लंबा रास्ता तय करना है - वैज्ञानिकों को अपने आविष्कार के साथ ब्याज कंपनियों की आवश्यकता है। वैसे, नाइट्रोजन फुलरीन की कीमत कुछ भी नहीं है - $ 266 मिलियन प्रति पदार्थ पदार्थ। एंडोहेड्रल फुलरीन, वास्तव में, पृथ्वी पर सबसे महंगा पदार्थ बन गया है, केवल एंटीमैटर के लिए दूसरा (जो, किसी भी महत्वपूर्ण मात्रा में, अभी तक स्थापित नहीं किया जा सकता है)। कुछ अनुमानों के अनुसार, 1 ग्राम एंटीमैटर की कीमत 48 ट्रिलियन डॉलर होगी। लेकिन इस मामले में एंटीमैटर के भंडारण का एक व्यावहारिक तरीका पाया जाता है।