Dynamical Formation of Graphene and Graphane Nanoscrolls
आणविक गतिकी सिमुलेशन (molecular dynamics simulations) से पता चलता है कि जबकि ग्राफीन और मिश्रित ग्राफीन/ग्राफैन नैनोरिबन विशिष्ट तापमान श्रेणियों के भीतर कार्बन नैनोट्यूब के चारों ओर गतिशील रूप से नैनोस्क्रॉल बना सकते हैं, पूर्णतः हाइड्रोजनीकृत ग्राफैन नैनोरिबन केवल नैनोट्यूब को बिना स्क्रॉल किए लपेटते हैं।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जो कार्बन परमाणुओं की ऐसी परतों से बनी है जो इतनी पतली हैं कि वे अनिवार्य रूप से द्वि-आयामी (two-dimensional) हैं, फिर भी इलेक्ट्रॉनिक्स और ऊर्जा भंडारण के भविष्य को थामे रखने के लिए पर्याप्त मजबूत हैं। यह ग्राफीन का क्षेत्र है, एक ऐसा पदार्थ जिसने ग्रेफाइट की एक एकल परत के रूप में अलग किए जाने के बाद से वैज्ञानिकों को मंत्रमुग्ध कर रखा है। जबकि हम अक्सर इन सामग्रियों को सपाट मानते हैं, उन्हें लपेटा भी जा सकता है। जब उन्हें एक पूर्ण सिलेंडर के रूप में लपेटा जाता है, तो वे कार्बन नैनोट्यूब बन जाते हैं, जो अपनी मजबूती और चालकता के लिए प्रसिद्ध हैं। हालाँकि, उन्हें लपेटने का एक और तरीका भी है: एक ढीले, सर्पिल आकार में जो प्राचीन पेपिरस (papyrus) के स्क्रॉल जैसा दिखता है। इन्हें कार्बन नैनोस्क्रोल्स कहा जाता है। सीलबंद ट्यूबों के विपरीत, इन स्क्रॉल्स के सिरे खुले होते हैं, जिससे वे रेडियल रूप से फैल और सिकुड़ सकते हैं, एक ऐसी विशेषता जो उन्हें छोटी बैटरी और मैकेनिकल स्विचों में उपयोग के लिए आशाजनक बनाती है। चुनौती हमेशा यह रही है कि उन्हें विश्वसनीय रूप से कैसे बनाया जाए। एक पूर्ण सर्पिल बनाना कठिन है क्योंकि सामग्री हमेशा अपने आप मुड़ने की इच्छा नहीं रखती है, और यह नियंत्रित करना कि कितने स्तर एक-दूसरे के चारों ओर कितनी बार लिपटे हैं, शोधकर्ताओं के लिए एक निरंतर बाधा रही है।
इसे हल करने के लिए, ब्राजील के वैज्ञानिकों की एक टीम ने परमाणु स्तर पर इन सामग्रियों के व्यवहार को देखने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन की शक्ति का रुख किया। उन्होंने एक विशिष्ट विधि पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ एक कार्बन नैनोट्यूब रोलिंग प्रक्रिया शुरू करने के लिए एक ट्रिगर के रूप में कार्य करता है। शोधकर्ताओं ने यह देखना चाहा कि क्या कार्बन शीट की सतह पर हाइड्रोजन परमाणुओं को जोड़ने से इस स्व-रोलिंग (self-scrolling) क्रिया में मदद मिलेगी या बाधा आएगी। उन्होंने परीक्षण करने के लिए तीन अलग-अलग डिजिटल मॉडल बनाए। पहले मॉडल में, उन्होंने दो शुद्ध कार्बन शीट को एक नैनोट्यूब के पास रखा। दूसरे में, उन्होंने एक शुद्ध शीट को एक ऐसी शीट के साथ जोड़ा जो पूरी तरह से हाइड्रोजन परमाणुओं से ढकी थी, जिसे 'ग्राफिन' (graphane) के रूप में जाना जाता है। तीसरे मॉडल में, उन्होंने दो हाइड्रोजन-ढकी हुई शीटों को एक साथ जोड़ा। इसके बाद उन्होंने विभिन्न तापमानों पर, कमरे के तापमान से लेकर बहुत उच्च ताप तक, अपने सिमुलेशन चलाए, यह देखने के लिए कि सामग्रियां समय के साथ कैसे प्रतिक्रिया करती हैं।
इसके बाद जो हुआ वह इस बात का स्पष्ट प्रदर्शन था कि रसायन विज्ञान कैसे आकार निर्धारित करता है। पहले दो परिदृश्यों में, जहाँ कम से कम एक शीट शुद्ध कार्बन थी, नैनोट्यूब ने शीटों को अपने चारों ओर लपेटने के लिए सफलतापूर्वक ट्रिगर किया। शीटें मुड़ने लगीं, एक-दूसरे के ऊपर चढ़ते हुए एक तंग, स्थिर सर्पिल बनाने लगीं। यह प्रक्रिया अपेक्षाकृत तेज़ी से हुई, जिसमें शुद्ध और मिश्रित शीटों ने लगभग 50 पिकोसेकंड (एक सेकंड का एक ट्रिलियनवां हिस्सा) में अपना रोल पूरा कर लिया। सिमुलेशन ने दिखाया कि भले ही एक शीट हाइड्रोजन से ढकी हो, पर परतों के बीच का आकर्षण उन्हें एक स्क्रॉल में खींचने के लिए पर्याप्त था। शोधकर्ताओं ने देखा कि जैसे ही स्क्रॉल बना, सिस्टम की कुल ऊर्जा गिर गई और फिर एक स्थिर अवस्था में सेटल हो गई, जिससे पुष्टि हुई कि सर्पिल एक स्थिर, निम्न-ऊर्जा वाला आकार था।
हालाँकि, तीसरे परिदृश्य ने एक अलग कहानी सुनाई। जब दोनों शीटें हाइड्रोजन परमाणुओं से ढकी थीं, तो परिणाम एक स्क्रॉल बनाने में विफलता थी। एक सर्पिल में मुड़ने के बजाय, हाइड्रोजन-ढकी हुई शीटों ने नैनोट्यूब के चारों ओर मजबूती से लिपटकर एक लॉक जैसी व्यवस्था बना ली, जिसने परतों को आवश्यक ओवरलैप बनाने के लिए एक-दूसरे के ऊपर फिसलने से रोक दिया। इस स्क्रॉलिंग की कमी के बावजूद, शीटों ने नैनोट्यूब की सतह को कवर करते समय निरंतर झुर्रियों और लहरदार संरचनाओं (corrugations) का प्रदर्शन किया, न कि एक पूर्ण चिकनी आवरण (sleeve) के रूप में। सतह पर मौजूद हाइड्रोजन परमाणुओं ने एक प्रकार का घर्षण पैदा किया, जो एक-दूसरे के विरुद्ध धकेलता है और स्व-रोलिंग प्रक्रिया को पूरी तरह से रोक देता है, चाहे तापमान बढ़ाया गया हो या कम किया गया हो। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह व्यवहार उनके सभी परीक्षणों में सुसंगत था, जो यह दर्शाता कि दोनों तरफ हाइड्रोजन की उपस्थिति ही निर्णायक कारक थी।
अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि जबकि ऊष्मा परमाणुओं को अधिक कंपन कराती है और प्रारंभिक रोलिंग को थोड़ा कठिन बना सकती है, इसने सफल मामलों में प्रक्रिया को रोका नहीं। उच्च तापमान पर भी, शुद्ध और मिश्रित शीटों ने अपने सर्पियल बनाने में सफलता प्राप्त की, हालांकि वहां तक पहुँचने के लिए थोड़ी अधिक ऊर्जा की आवश्यकता थी। इन सिमुलेशन का मुख्य निष्कर्ष यह है कि सतह की रासायनिक संरचना महत्वपूर्ण है। यदि आप इस विधि का उपयोग करके कार्बन नैनोस्क्रॉल बनाना चाहते हैं, तो आप यह नहीं कर सकते कि हर एक सतह जो परस्पर क्रिया में शामिल है, उस पर हाइड्रोजन की कोटिंग हो। इन विशिष्ट परमाणु अंतःक्रियाओं को समझकर, वैज्ञानिक इन अद्वितीय सामग्रियों के निर्माण के लिए आवश्यक स्थितियों को बेहतर ढंग से डिजाइन कर सकते हैं, जो कल के छोटे, उच्च-प्रदर्शन वाले उपकरणों को बनाने के नए तरीके खोल सकते हैं।
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