A Reactive Molecular Dynamics Study on the Mechanical Properties of a Recently Synthesized Amorphous Carbon Monolayer Converted into a Nanotube/Nanoscroll

कार्बन में भविष्य के निर्माण की एक अनूठी प्रतिभा है। पेंसिल के ग्रेफाइट से लेकर अंगूठी में लगे हीरे तक, यह एकल तत्व खुद को बहुत अलग व्यक्तित्व वाली संरचनाओं में व्यवस्थित कर सकता है। नैनोटेक्नोलॉजी की दुनिया में, वैज्ञानिक कार्बन परमाणुओं से बनी दो विशिष्ट आकृतियों को लेकर लंबे समय से मंत्रमुग्ध रहे हैं: नन्हे ट्यूब और सर्पिल स्क्रॉल (लूप)। इन संरचनाओं को उनकी अविश्वसनीय मजबूती और बिजली संचालित करने की क्षमता के लिए सराहा जाता है, जो उन्हें तेज़ कंप्यूटर चिप्स से लेकर अधिक कुशल सौर पैनलों तक, हर चीज़ के लिए संभावित उम्मीदवार बनाता है। हालाँकि, इन आकृतियों के सबसे उत्तम संस्करणों को दोषों के बिना बनाना अक्सर कठिन होता है। हाल ही में, शोधकर्ताओं ने एक नए प्रकार के कार्बन सामग्री को बनाने का तरीका खोजा है जो स्वाभाविक रूप से अव्यवस्थित (disordered) है, जो एक पूर्ण, दोहराव वाले पैटर्न के बजाय परमाणुओं के छल्लों से बना है जिनके आकार भिन्न होते हैं। यह सामग्री, जिसे अमोर्फस कार्बन (amorphous carbon) के रूप में जाना जाता है, आगे बढ़ने का एक अलग मार्ग प्रदान करती है। वैज्ञानिकों के सामने बड़ा सवाल यह था कि क्या यह अव्यवस्थित, अनियमित कार्बन एक ट्यूब या स्क्रॉल के रूप में लिपटे रहने पर भी एकजुट रह पाएगा, और इसकी मजबूती उन पूर्ण, व्यवस्थित संस्करणों की तुलना में कैसी होगी जिन्हें हम पहले से जानते हैं।

ब्राजील के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन नई सामग्रियों का एक विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन बनाकर इसका उत्तर देने का प्रयास किया। उन्होंने प्रयोगशाला में भौतिक ट्यूब नहीं बनाए; इसके बजाय, उन्होंने व्यक्तिगत परमाणुओं के व्यवहार को चरम स्थितियों में देखने के लिए एक शक्तिशाली डिजिटल मॉडल का उपयोग किया। उन्होंने इस नव संश्लेषित अमोर्फस कार्बन की एक सपाट शीट से शुरुआत की, जो पांच, छह, सात और आठ परमाणुओं के यादृच्छिक मिश्रित छल्लों से बनी एक सामग्री है। इस शीट से, उन्होंने आभासी रूप से दो आकृतियाँ निर्मित कीं: एक नैनोट्यूब, जो एक बेलनाकार है, और एक नैनोस्क्रॉल, जो कागज के एक खुले सिरों वाले रोल किए गए टुकड़े जैसा दिखता है। अपनी सीमाओं का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने इन डिजिटल संरचनाओं को दो प्रकार के तनाव (stress) के अधीन किया। सबसे पहले, उन्होंने उन्हें टूटने से पहले कितना खिंच सकता है, यह देखने के लिए खींचा। दूसरा, उन्होंने उन्हें गर्म किया यह देखने के लिए कि वे किस तापमान पर पिघलकर बिखर जाएंगे। अपने पूर्ण, व्यवस्थित समकक्षों के विरुद्ध इन अमोर्फस संस्करणों की तुलना करके, टीम यह समझना चाहती थी कि क्या इस सामग्री की प्राकृतिक अव्यवस्था इसे कमजोर बनाएगी या क्या यह वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों की मांगों के सामने टिक पाएगी।

सिमुलेशन के परिणामों ने यह खुलासा किया कि ये सामग्रियां खिंचने पर कैसे व्यवहार करती हैं, इसमें एक दिलचस्प अंतर था। जब पूर्ण, व्यवस्थित ट्यूबों और स्क्रॉल को खींचा गया, तो वे एक महत्वपूर्ण बिंदु तक मजबूती से टिके रहे, जिस पर वे अचानक और साफ तरीके से टूट गए। हालाँकि, अमोर्फस संस्करणों ने अलग तरह से व्यवहार किया। अंततः टूटने से पहले, वे एक अजीब, गैर-लचीले (non-elastic) चरण में प्रवेश कर गए जहाँ वे उस तरह से विकृत होने लगे जैसे पूर्ण संरचनाएं नहीं होती थीं। इस खिंचाव की प्रक्रिया के दौरान, शोधकर्ताओं ने सामग्री के भीतर कार्बन परमाणुओं की छोटी, रैखिक श्रृंखलाओं (linear chains) के निर्माण को देखा, जो इस बात का संकेत था कि दबाव के तहत इसकी आंतरिक संरचना खुद को पुनर्गठित कर रही है। मजबूती के मामले में, पूर्ण संरचनाएं अधिक मजबूत थीं। व्यवस्थित नैनोट्यूब टूटने से पहले अपनी मूल लंबाई का लगभग 48 प्रतिशत तक खिंच सकते थे, जबकि अमोर्फस ट्यूब लगभग 27 प्रतिशत पर टूट गए। इसी तरह, व्यवस्थित स्क्रॉल लगभग 34 प्रतिशत खिंचाव तक टिके रहे, जबकि अमोर्फस संस्करण लगभग 24 प्रतिशत पर विफल हो गए। यह पुष्टि करता है कि हालांकि अव्यवस्थित सामग्री अभी भी मजबूत है, लेकिन यह दोषरहित संस्करण जितनी लचीली नहीं है।

शायद सबसे आश्चर्यजनक खोज यह थी कि अमोर्फस सामग्री के लिए वस्तु का आकार पूर्ण वाली सामग्री की तुलना में कम मायने रखता था। व्यवस्थित संरचनाओं के लिए, ट्यूब या स्क्रॉल होना इस बात में बड़ा अंतर पैदा करता था कि वे तनाव के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करते हैं, जो यह सुझाव देता है कि आकृति की ज्यामिति उनके व्यवहार में एक प्रमुख भूमिका निभाती है। हालाँकि, अमोल्फस संस्करणों के लिए, ट्यूब और स्क्रॉल लगभग एक जैसा व्यवहार करते थे। परमाणुओं की आंतरिक अव्यवस्था ने आकृति के प्रभाव को कम कर दिया, जिससे यह स्पष्ट हुआ कि विकार (disorder) ही उनके व्यवहार का मुख्य कारक था। यह सुझाव देता है कि जब कार्बन परमाणु यादृच्छिक रूप से व्यवस्थित होते हैं, तो उन्हें लिपटने का विशिष्ट तरीका, उनके अव्यवस्थित होने के तथ्य की तुलना में कम महत्वपूर्ण हो जाता है।

अध्ययन ने यह भी देखा कि ये संरचनाएं तीव्र गर्मी में कितनी जीवित रह सकती हैं। शोधकर्ताओं ने डिजिटल मॉडलों को कमरे के तापमान से लेकर 10,000 केल्विन तक गर्म किया, जो सूर्य की सतह से भी कहीं अधिक गर्म तापमान है। उन्होंने यह देखने के लिए निगरानी की कि ठोस संरचनाएं कब अपना आकार खो देती हैं और गैस जैसी अवस्था में बदल जाती हैं। व्यवस्थित नैनोट्यूब सबसे अधिक ताप-प्रतिरोधी सिद्ध हुए, जो पिघलने से पहले 6,300 केल्विन तक जीवित रहे। अमोर्फस नैनोट्यूब थोड़े कम स्थिर थे, जो 5,500 केल्विन पर पिघल गए। स्क्रॉल, व्यवस्थित और अव्यवस्थित दोनों ही, ट्यूबों की तुलना में कम स्थिर थे, जो क्रमशः 5,900 केल्विन और 5,100 केल्विन पर पिघले। यह इंगित करता है कि हालांकि अमोर्फस संरचनाएं अपने पूर्ण समकक्षों की तुलना में थोड़ी कम ताप-प्रतिरोधी हैं, फिर भी वे उल्लेखनीय तापीय स्थिरता रखती हैं, जो उन तापमानों को सहने में सक्षम हैं जो अन्य अधिकांश सामग्रियों को नष्ट कर सकते हैं।

अंततः, यह कार्य एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है कि कैसे एक नया, अव्यवस्थित कार्बन रूप उपयोगी नैनोसंरचनाओं के रूप में व्यवहार करता है। सिमुलेशन दिखाते हैं कि हालांकि ये अमोर्फस ट्यूब और स्क्रॉल पूर्ण संस्करणों की तरह पूरी तरह से मजबूत या ताप-प्रतिरोधी नहीं हैं, फिर भी वे अविश्वसनीय रूप से सुदृढ़ हैं। तथ्य यह है कि सामग्री में मौजूद अव्यवस्था आकार की प्रासंगिकता को कम कर देती है, जो वास्तव में विनिर्माण के लिए एक लाभ हो सकता है, क्योंकि यह बिना किसी पूर्ण परमाणु व्यवस्था को बनाए रखे, इन सामग्रियों के उत्पादन के तरीके में अधिक लचीलापन प्रदान कर सकता है। अनुसंधान पुष्टि करता है कि यह हाल ही में संश्लेषित कार्बन भविष्य की प्रौद्योगिकियों के लिए एक व्यवहार्य उम्मीदवार है, जो मजबूती और स्थिरता का एक ऐसा संतुलन प्रदान करता है जो मौजूदा कार्बन-आधारित नैनोमटेरियल्स के परिवार का पूरक हो सकता है।