Metaphotonic Catalysis: Amorphous silicon metasurfaces encode photochemical activity
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि ऑल-डाइइलेक्ट्रिक अमोर्फस सिलिकॉन मेटासरफेसेस स्थिर, बहुक्रियात्मक फोटोइलेक्ट्रोड के रूप में कार्य कर सकते हैं जो रासायनिक प्रतिक्रियाशीलता को स्पेक्ट्रली एनकोड करने के लिए ट्यूनेबल रेजोनेंस का उपयोग करते हैं, जिससे बिना किसी को-कैटालिस्ट या पैसिवेशन लेयर की आवश्यकता के प्लेनर फिल्मों की तुलना में हाइड्रोजन-इवोल्यूशन गतिविधि में 11.2-गुना तक की वृद्धि प्राप्त होती है।
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कल्पना कीजिए कि आप एक मशीन को चलाने के लिए बाल्टी में सूरज की रोशनी पकड़ने की कोशिश कर रहे हैं। दशकों से, वैज्ञानिक सूर्य की ऊर्जा को सीधे तरल ईंधन, जैसे कि हाइड्रोजन में बदलने की कोशिश कर रहे हैं, जो बिना प्रदूषण के कारों को चला सके या घरों को गर्म कर सके। यह चुनौती एक छलनी से बारिश पकड़ने की कोशिश करने जैसी है: आपको एक ऐसी सामग्री की आवश्यकता है जो प्रकाश को सोख ले (अवशोषण/absorption) लेकिन साथ ही ऊर्जा को काम करने के लिए तेजी से बाहर निकलने भी दे (चार्ज ट्रांसपोर्ट/charge transport) ताकि वह नष्ट न हो जाए। आमतौर पर, यदि आप सामग्री को सारा प्रकाश पकड़ने के लिए पर्याप्त मोटा बनाते हैं, तो ऊर्जा उसके अंदर फंस जाती है और बाहर निकलने से पहले ही खत्म हो जाती है। यदि आप इसे इतना पतला बनाते हैं कि ऊर्जा बाहर निकल सके, तो यह बहुत अधिक प्रकाश को अपने पार जाने देता है। यह एक निराशाजनक संतुलन है। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने प्रकाश के लिए जाल की तरह काम करने वाली सूक्ष्म संरचनाएं बनाना शुरू कर दिया है, जो प्रकाश को मोड़ती और उछालती हैं ताकि वह अपना काम करने के लिए पर्याप्त समय तक वहीं रुक सके। यह शोध पत्र इन सूक्ष्म संरचनाओं के एक विशिष्ट प्रकार के बारे में है जो एक ऐसी सामग्री से बनी है जिसे हम सभी जानते हैं: कांच जैसा सिलिकॉन, लेकिन एक ऐसे रूप में जो पूर्ण क्रिस्टल नहीं है।
इस अध्ययन में शोधकर्ताओं ने एक "मेटासरफेस" (metasurface) बनाने का निर्णय लिया, जो अनिवार्य रूप से अमोर्फस सिलिकॉन (वही प्रकार का सिलिकॉन जिसका उपयोग सौर सेल और पुराने कंप्यूटर चिप्स में किया जाता है, लेकिन बिना किसी पूर्ण क्रिस्टलीय क्रम के) की एक अति-पतली परत है, जिसे लाखों छोटे स्तंभों (pillars) के साथ पैटर्न किया गया है। इस शीट को छोटे स्तंभों वाले एक सूक्ष्म शहर के रूप में सोचें। टीम ने केवल सिलिकॉन को ऊपर नहीं रखा; उन्होंने इसे स्तंभों के एक सटीक ग्रिड में तराशा, जिनमें से प्रत्येक लगभग 220 नैनोमीटर मोटा है (जो कि एक मानव बाल से लगभग 400 गुना पतला है)। इन स्तंभों की चौड़ाई बदलकर, वे इस संरचना को प्रकाश के विशिष्ट रंगों के साथ प्रतिध्वनित होने के लिए ट्यून कर सके। जिस तरह एक गिटार का तार एक विशिष्ट स्वर पर कंपन करता है, ये सिलिकॉन स्तंभ प्रकाश के साथ कंपन करते हैं, जिससे प्रकाश पतली परत के भीतर ही फंस जाता है।
यह पत्र दिखाता है कि यह चतुर डिज़ाइन प्रकाश को पकड़ने के लिए एक गेम-चेंजर है। जबकि उसी पतले सिलिकॉन की एक सपाट, बिना पैटर्न वाली शीट अपनी ऊर्जा सीमा के किनारे पर पड़ने वाले प्रकाश का 30% से कम अवशोषित करती है, यह पैटर्न वाला मेटासरफेस 80% से अधिक प्रकाश को सोख लेता है। यह एक लीक होती बाल्टी को स्पंज में बदलने जैसा है। लेकिन असली जादू केवल प्रकाश को पकड़ना नहीं है; बल्कि यह है कि इसके बाद क्या होता है। टीम ने इन संरचनाओं का पानी में परीक्षण किया यह देखने के लिए कि क्या वे रासायनिक प्रतिक्रियाओं को संचालित कर सकते हैं, विशेष रूप से हाइड्रोजन ईंधन बनाने के लिए पानी को विभाजित करना। उन्होंने पाया कि पैटर्न वाले सिलिकॉन ने न केवल अधिक प्रकाश अवशोषित किया; बल्कि यह वास्तव में उस प्रकाश का उपयोग बिजली बनाने और रासायनिक प्रतिक्रिया को चलाने के लिए करने में बहुत बेहतर हो गया।
एक विशेष सूक्ष्मदर्शी का उपयोग करते हुए जो स्थान-दर-स्थान रसायन विज्ञान का परीक्षण करने के लिए एक सूक्ष्म जांच (probe) के रूप में कार्य करता है, शोधकर्ताओं ने पाया कि रासायनिक गतिविधि ठीक वहीं सबसे मजबूत थी जहाँ प्रकाश स्तंभों द्वारा पकड़ा गया था। सिलिकॉन की ऊर्जा सीमा के पास, पैटर्न वाली सतह सपाट फिल्म की तुलना में अवशोषित फोटोन को विद्युत धारा में बदलने में दस गुना अधिक कुशल थी। यह सुझाव देता है कि प्रकाश केवल सामग्री को गर्म नहीं कर रहा है जिससे प्रतिक्रिया तेज हो सके (जो समान अध्ययनों में एक सामान्य वैकल्पिक स्पष्टीकरण है); बल्कि, प्रकाश सीधे उन आवेशित कणों (charged particles) को बना रहा है जिनकी प्रतिक्रिया के लिए आवश्यकता होती है, और संरचना उन्हें अपना काम करने के लिए सतह तक बाहर निकलने में मदद करती है।
जब उन्होंने हाइड्रोजन बनाने की क्षमता का परीक्षण किया, तो परिणाम और भी आश्चर्यजनक थे। शुद्ध सूर्य के प्रकाश जैसी स्थितियों के तहत, पैटर्न वाली सतह ने सपाट फिल्म की तुलना में 21 गुना अधिक हाइड्रोजन का उत्पादन किया। यहाँ तक कि जब उन्होंने प्रक्रिया में मदद करने के लिए एक छोटा सा विद्युत धक्का (electrical push) भी दिया, तब भी यह 15 गुना बेहतर था। टीम ने सावधानीपूर्वक जांच की कि क्या यह केवल इसलिए था क्योंकि ऊबड़-खाबड़ सतह पर प्रतिक्रिया के लिए अधिक क्षेत्र उपलब्ध था, लेकिन उस अतिरिक्त सतह क्षेत्र को ध्यान में रखने के बाद भी, पैटर्न वाला सिलिकॉन अभी भी 7.7 से 11.2 गुना अधिक प्रभावी था। यह सिद्ध करता है कि छोटे स्तंभों का आकार कुछ विशेष कर रहा है जो ऊर्जा को स्थानांतरित करने और प्रतिक्रिया करने में मदद करता है, न कि केवल अधिक स्थान प्रदान कर रहा है।
सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि ये छोटे सिलिकॉन शहर बहुत मजबूत हैं। शोधकर्ताओं ने इन्हें 10 घंटों से अधिक समय तक पानी में भिगोकर और एक लेजर चमकाकर देखा, और वे टूटते या अपने विशेष गुणों को खोते नहीं दिखे। यह सुझाव देता है कि अमोर्फस सिलिकॉन, जो एक सस्ता और प्रचुर मात्रा में उपलब्ध सामग्री है, भविष्य के सौर-ईंधन उपकरणों के निर्माण के लिए एक स्थिर और बहुमुखी मंच हो सकता है। यह शोध पत्र यह दावा नहीं करता है कि उन्होंने अभी तक एक चालू सौर-ईंधन कारखाना बना लिया है, लेकिन यह पुख्ता सबूत प्रदान करता है कि केवल सिलिकॉन को सही सूक्ष्म पैटर्न में आकार देकर, हम प्रकाश को पकड़ने और उसका उपयोग करने के बीच के सामान्य समझौतों (trade-offs) को दूर कर सकते हैं, जो धूप को ईंधन में बदलने के अधिक कुशल तरीकों का मार्ग प्रशस्त करता है।
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