मेटावेलेंट बॉन्डिंग- ठोस पदार्थों में एक नए प्रकार का रासायनिक बंधन, क्वांटम सामग्री में थर्मोइलेक्ट्रिक प्रदर्शन को अनुकूलित करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है और अपशिष्ट गर्मी को कुशलता से बिजली में परिवर्तित कर सकता है, जो देश के नए लॉन्च किए गए क्वांटम मिशन के लिए एक नई दिशा दिखा सकता है।
अपशिष्ट ताप से बिजली उत्पन्न करना हरित ऊर्जा उत्पादन के लिए एक रोमांचक संभावना रखता है। इस उद्देश्य के लिए उच्च-प्रदर्शन थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री खोजने के लिए गुणों के जादुई नुस्खा के साथ सामग्री की आवश्यकता होती है जो धातु की तरह बिजली का संचालन कर सकती है, कांच की तरह गर्म हो सकती है, और सीबेक गुणांक को अर्धचालक की तरह प्रदर्शित कर सकती है।
थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री के प्रदर्शन का मूल्यांकन विद्युत प्रतिरोधकता, सीबेक गुणांक और तापीय चालकता से संबंधित एक आयाम रहित सूचकांक के आधार पर किया जाता है जिसे zT कहा जाता है। zT जितना अधिक होगा, दक्षता उतनी ही अधिक होगी। विद्युत और तापीय चालकता, सीबेक गुणांक, आदि जैसे भौतिक स्थिरांकों के बीच विरोधाभासी अन्योन्याश्रितताओं के कारण zT को बढ़ाना अत्यंत चुनौतीपूर्ण है, इसलिए इस सूचकांक को अनुकूलित करने की आवश्यकता है।
इस चुनौतीपूर्ण लक्ष्य को हासिल करने के लिए प्रो. कनिष्क विश्वास और उनकी एकीकृत पीएच.डी. विज्ञान और प्रौद्योगिकी विभाग (डीएसटी) के एक स्वायत्त संस्थान, जेएनसीएएसआर, बेंगलुरु के छात्र आइवी मारिया ने रसायनज्ञों की किट में सबसे बड़े उपकरण- एक ठोस में रासायनिक बंधन की ओर रुख किया। उन्हें एक रासायनिक बंधन की आवश्यकता थी जिसमें धातुओं (अच्छी विद्युत चालकता के लिए) के साथ-साथ चश्मे में पाए जाने वाले (कम तापीय चालकता के लिए) दोनों बंधनों के गुण हों, जो इलेक्ट्रॉन स्थानीयकरण (सहसंयोजकता) और निरूपण (धात्विकता) के बीच ठीक ट्यूनिंग की मांग करते हैं। . इस तरह की बॉन्डिंग सहक्रिया सामग्री में एक विशिष्ट प्रकार के बॉन्डिंग के साथ पाई जाती है जिसे मेटावैलेंट बॉन्डिंग कहा जाता है। मेटावैलेंट बॉन्ड 2e से कम वाले मल्टीसेंट्रिक सॉफ्ट बॉन्ड होते हैं -रसायन विज्ञान में शास्त्रीय ऑक्टेट नियम को धता बताते हुए, बंधन परमाणुओं के बीच साझा किया गया। लेकिन, इस मोड़ पर, उन्हें एक उलटा डिजाइन समस्या का सामना करना पड़ा – बंधन/गुणों को जानने के बाद क्या वे यौगिक (ओं) की भविष्यवाणी कर सकते हैं जो उन्हें प्रदर्शित कर सकते हैं?
उत्कृष्ट विद्युत गुणों वाली सामग्रियों की उनकी खोज ने उन्हें क्वांटम सामग्रियों जैसे टोपोलॉजिकल इंसुलेटर्स की ओर आकर्षित किया — यौगिकों का एक विदेशी परिवार जो सतह राज्यों का संचालन करता है लेकिन थोक राज्यों को इन्सुलेट करता है। उन्होंने जांच के लिए TlBiSe 2 – एक प्रसिद्ध टोपोलॉजिकल इंसुलेटर को चुना । इसे चुनने के पीछे एक कारण यह था कि मेटावेलेंट बॉन्डिंग द्वारा मध्यस्थता वाली दोहरी अकेली जोड़ी-प्रेरित स्थानीय विकृति के कारण सामग्री ने जाली कतरनी दिखाई। उन्होंने डीएसटी सिंक्रोट्रॉन समर्थन कार्यक्रम के समर्थन से पेट्रा-III, डीईएसवाई, जर्मनी में किए गए सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे पेयर डिस्ट्रीब्यूशन फंक्शन प्रयोग द्वारा स्थानीय विरूपण का विश्लेषण किया है।
औसत क्रिस्टल संरचना को संरक्षित करने वाले स्थानीय विरूपण को समझने के लिए एक समानता बैठे पंक्ति/कॉलम-वार छात्रों की कक्षा है। शिक्षक के दृष्टिकोण (औसत संरचना) से, वे एक पूर्ण सीधी रेखा में बैठे प्रतीत होते हैं, लेकिन यदि हम एक छात्र के दृष्टिकोण (स्थानीय संरचना) से देखें, तो हम देखेंगे कि आगे/पीछे के छात्र ठीक आगे/पीछे नहीं हैं लेकिन थोड़ा स्थानांतरित। स्थानीय रूप से विकृत क्रिस्टल में परमाणु इस व्यवहार को दिखाते हैं जिसमें उनकी स्थिति अपेक्षा के अनुसार पूरी तरह से व्यवस्थित नहीं होती है लेकिन थोड़ी विकृत होती है।
उनका काम मौलिक अंतर्दृष्टि प्रदान करता है कि क्वांटम सामग्री में थर्मोइलेक्ट्रिक प्रदर्शन को अनुकूलित करने के लिए उपन्यास रासायनिक बंधन का उपयोग कैसे किया जा सकता है और कैसे, तर्कसंगत रासायनिक डिजाइनिंग द्वारा, क्वांटम सामग्रियों में दिलचस्प उभरते गुणों को महसूस किया जा सकता है, जिसके लिए भारत का क्वांटम मिशन काम कर रहा है। काम हाल ही में जर्नल ऑफ अमेरिकन केमिकल सोसाइटी (जेएसीएस) में प्रकाशित किया गया है।