Morphology Engineering of Mixed Ionic Electronic Conductors through Aqueous Phase Separation
यह शोध पत्र यह प्रदर्शित करता है कि pH-प्रेरित जलीय चरण पृथक्करण (aqueous phase separation) के माध्यम से PEDOT:PSS:PEB फिल्मों की आंतरिक आकृति विज्ञान (internal morphology) को इंजीनियर करके एक छिद्रपूर्ण नेटवर्क बनाया जा सकता है जो ऑर्गेनिक इलेक्ट्रोकेमिकल ट्रांजिस्टर में गेन-स्पीड ट्रेड-ऑफ (gain-speed trade-off) को दूर करता है, जिससे मोटे चैनलों में भी अत्यंत कम वोल्टेज पर उच्च ट्रांसकंडक्टेंस और तीव्र प्रतिक्रिया समय सक्षम होता है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ आपके शरीर के अपने विद्युत संकेत सीधे एक कंप्यूटर से बात कर सकें। यह विज्ञान कथा नहीं है; यह 'बायोइलेक्ट्रॉनिक्स' नामक एक क्षेत्र का लक्ष्य है। इसे साकार करने के लिए, वैज्ञानिक "मिश्रित आयनिक-इलेक्ट्रॉनिक कंडक्टरों" (mixed ionic–electronic conductors) नामक विशेष सामग्रियों का उपयोग करते हैं। इन सामग्रियों को दो लेन वाले व्यस्त राजमार्गों के रूप में सोचें। एक लेन इलेक्ट्रॉनों (वह बिजली जो हमारे गैजेट्स को शक्ति देती है) को ले जाती है, और दूसरी लेन आयनों (पानी में तैरते आवेशित कण, जैसे आपके आँसू या रक्त में नमक) को ले जाती है। किसी उपकरण के बेहतर ढंग से काम करने के लिए, इसे एक ही समय में दोनों लेन को सुचारू रूप से बहने देना आवश्यक है।
इस कहानी का मुख्य पात्र PEDOT:PSS नामक एक सामग्री है। यह एक सुपर-कंडक्टिव प्लास्टिक की तरह है जिसे पानी बहुत पसंद है। वैज्ञानिक इसका उपयोग ऑर्गेनिक इलेक्ट्रोकेमिकल ट्रांजिस्टर (OECTs) बनाने के लिए करते हैं, जो छोटे स्विच हैं जो कमजोर जैविक संकेतों, जैसे कि दिल की धड़कन या तंत्रिका आवेग (nerve impulse) को एक मजबूत विद्युत संकेत में बदल सकते हैं जिसे कंप्यूटर पढ़ सके। हालाँकि, इसमें एक पेचीदा समस्या है: यदि आप सामग्री को अधिक सिग्नल रखने के लिए बहुत मोटा बनाते हैं, तो आयन ठोस प्लास्टिक के माध्यम से यात्रा करने की कोशिश में फंस जाते हैं, जिससे सब कुछ धीमा हो जाता है। यह एक भीड़ भरे कमरे के माध्यम से मैराथन दौड़ने जैसा है; जितने अधिक लोग (आयन) होंगे, आप उतनी ही धीमी गति से बढ़ पाएंगे। यह एक निराशाजनक समझौता पैदा करता है: या तो आपके पास एक तेज़ उपकरण होगा या एक शक्तिशाली उपकरण, लेकिन आमतौर पर दोनों नहीं।
सीकी वांग और उनके सहयोगियों का यह शोध पत्र ठीक इसी समस्या पर प्रहार करता है। उन्होंने पूछा: "क्या होगा यदि हम एक ऐसा राजमार्ग बना सकें जो एक ठोस ब्लॉक नहीं, बल्कि एक स्पंज हो?" सामग्री को एक घने, ठोस दीवार के बजाय, उन्होंने पानी और pH स्तरों का उपयोग करके एक चतुर तकनीक के माध्यम से छिद्रों से भरी फिल्म बनाई। उन्होंने अपने कंडक्टिव प्लास्टिक को PEI नामक एक अन्य घटक के साथ मिलाया और इसे एक अम्लीय स्नान (acidic bath) में डाल दिया। इसके कारण मिश्रण एक छिद्रपूर्ण, स्पंज जैसी संरचना में विभाजित हो गया। परिणाम क्या रहा? एक मोटी फिल्म (100 माइक्रोमीटर से अधिक मोटी) जिसमें आयन आसानी से दौड़ सकते हैं क्योंकि उनके पास यात्रा करने के लिए सुरंगों का एक नेटवर्क है, जबकि बिजली अभी भी ठोस हिस्सों के माध्यम से सुचारू रूप से बहती है।
टीम ने पाया कि रेसिपी में बदलाव करके—विशेष रूप से PSS नामक दूसरे घटक की तुलना में दोगुना PEI का उपयोग करके—उन्होंने एक "सुपर-स्पंज" बनाया जो गर्म करने के बाद भी अपना आकार बनाए रखता है। इस विशिष्ट मिश्रण ने उपकरण को एक विशाल सिग्नल बूस्ट (30 mS का ट्रांसकंडक्टेंस) प्राप्त करने और अविश्वसनीय रूप से तेज़ी से (केवल 13 मिलीसेकंड में) प्रतिक्रिया करने की अनुमति दी, और वह भी बहुत कम वोल्टेज (0.05 V) का उपयोग करके। लेखकों का सुझाव है कि यह इसलिए काम करता है क्योंकि स्पंज जैसी संरचना इलेक्ट्रोलाइट को सामग्री के भीतर गहराई तक सोखने देती है, जिससे फिल्म का पूरा आयतन एक सक्रिय स्विच बन जाता है, न कि केवल इसकी सतह।
महत्वपूर्ण रूप से, शोध पत्र यह तर्क देता है कि सामग्री को केवल छिद्रपूर्ण बनाना पर्याप्त नहीं है; छिद्रों का आपस में जुड़ा होना चाहिए, और विद्युत पथ अटूट रहने चाहिए। उन्होंने दिखाया कि एक अलग मिश्रण (1:1 अनुपात) ने ऐसे छिद्र बनाए जो गर्म करने पर ढह गए, जिससे प्रदर्शन खराब हो गया, जबकि उनके 1:2 मिश्रण ने खुद को खुला और जुड़ा हुआ बनाए रखा। यह सिद्ध करता है कि सामग्री के अंदर का आकार उतना ही महत्वपूर्ण है जितना कि वह किस चीज़ से बनी है। इस आंतरिक वास्तुकला (internal architecture) में महारत हासिल करके, शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि हम अंततः बिना किसी सामान्य गति सीमा के, मोटे, शक्तिशाली और तेज़ बायो-इलेक्ट्रॉनिक उपकरण बना सकते हैं, जो मानव शरीर के सौम्य और गीले वातावरण के साथ काम करने वाले बेहतर सेंसर और ब्रेन-कंप्यूटर इंटरफेस के द्वार खोलते हैं।
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