Stability and optoelectronic properties of oligothiophene molecules confined in boron-nitride nanotubes : A many-body theoretical approach
यह अध्ययन यह प्रदर्शित करने के लिए अनेक-शरीर (many-body) सैद्धांतिक दृष्टिकोणों का उपयोग करता है कि बोरोन-नाइट्राइड नैनोट्यूब के भीतर ओलिगोथियोफीन अणुओं को समाहित करना केवल एक निष्क्रिय सुरक्षात्मक वातावरण प्रदान करने के बजाय, डाइइलेक्ट्रिक स्क्रीनिंग और संरचनात्मक विश्राम (structural relaxation) के माध्यम से उनके ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक गुणों को महत्वपूर्ण रूप से परिवर्तित करता है।
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सामग्री विज्ञान (मटेरियल साइंस) की सूक्ष्म दुनिया के भीतर, शोधकर्ता लगातार नाजुक अणुओं को उनके उपयोगी गुणों को बरकरार रखते हुए सुरक्षित रखने के तरीके खोज रहे हैं। कल्पना कीजिए कि आप एक नाजुक फूल को संरक्षित करने की कोशिश कर रहे हैं; आप इसे हवा और बारिश से बचाने के लिए कांच के केस के अंदर रख सकते हैं, लेकिन आप यह भी चाहते हैं कि आप फूल को स्पष्ट रूप से देख सकें और शायद अध्ययन करने के लिए इसके रंग को थोड़ा बदल सकें। नैनोटेक्नोलॉजी के क्षेत्र में, वैज्ञानिक बोरॉन और नाइट्रोजन से बनी छोटी, खोखली नलिकाओं का उपयोग इन जैविक अणुओं के लिए इन सुरक्षात्मक केसों के रूप में करते हैं। ये नलिकाएं अपने उत्कृष्ट इंसुलेटर (कुचालक) होने के लिए प्रसिद्ध हैं, जिसका अर्थ है कि वे बिजली का संचालन नहीं करती हैं, जिससे पता चलता है कि उन्हें अंदर जो कुछ भी है उसे बिना हस्तक्षेप किए बस वहां रहकर सुरक्षा प्रदान करना चाहिए। हालांकि, एक नया अध्ययन इस सरल दृष्टिकोण को चुनौती देता है, जो यह प्रकट करता है कि एक गैर-सुचालक ट्यूब भी इसके भीतर रखे अणुओं के व्यवहार को महत्वपूर्ण रूप से बदल सकती है, जिससे यह बदल जाता है कि वे प्रकाश को कैसे अवशोषित करते हैं और उनसे एक इलेक्ट्रॉन निकालने के लिए कितनी ऊर्जा की आवश्यकता होती है।
शोधकर्ताओं ने ओलिगोथियोफीन्स (oligothiophenes) नामक अणुओं के एक विशिष्ट परिवार पर ध्यान केंद्रित किया, जो सल्फर युक्त छल्लों की श्रृंखलाएं हैं और अक्सर जैविक इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग की जाती हैं। वे यह समझना चाहते थे कि जब इन श्रृंखलाओं को बोरॉन-नाइट्राइड नैनोट्यूब के भीतर फंसाया जाता है तो क्या होता है। इलेक्ट्रॉनों के बीच जटिल अंतःक्रियाओं को ध्यान में रखते हुए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके, टीम ने सटीक रूप से मानचित्रित किया कि ये अणु ट्यूब के भीतर कैसे फिट होते हैं और उनके इलेक्ट्रॉनिक गुणों में क्या परिवर्तन आता है। उन्होंने पाया कि फिट होना अत्यंत महत्वपूर्ण है: अणु लगभग 10 एंगस्ट्रॉम व्यास वाली ट्यूबों के साथ सबसे मजबूती से बंधते हैं, जो एक अरबवें मीटर का दसवां हिस्सा है। यदि ट्यूब बहुत संकीर्ण है, तो अणु को फिट होने में संघर्ष करना पड़ता है; यदि यह बहुत चौड़ी है, तो पकड़ ढीली हो जाती है। यह इष्टतम आकार प्रयोगशाला में प्रयोगकर्ताओं द्वारा देखे गए डेटा के साथ पूरी तरह से मेल खाता है, जहाँ ये अणु अक्सर इस विशिष्ट चौड़ाई वाली ट्यूबों के भीतर पाए जाते हैं।
एक बार अंदर जाने के बाद, अणु एक जगह स्थिर नहीं रहते। अध्ययन से पता चलता है कि ट्यूब की लंबाई के साथ एक अणु को खिसकाने के लिए आवश्यक ऊर्जा अविश्वसनीय रूप से कम है, जो कमरे के तापमान पर मौजूद तापीय ऊर्जा से भी बहुत कम है। इसका अर्थ है कि अणु स्वतंत्र रूप से घूम सकते हैं, जैसे धागे में पिरोए गए मोती, आगे-पीछे फिसल सकते हैं। यह स्वतंत्रता उन्हें स्वाभाविक रूप से सिर-से-पूंछ (head-to-tail) के क्रम में व्यवस्थित होने की अनुमति देती है, जिससे लंबी, एक-आयामी श्रृंखलाएं बनती हैं। यह गति महत्वपूर्ण है क्योंकि यह समझाती है कि ये अणु बाहरी बलों की आवश्यकता के बिना ट्यूब के भीतर खुद को कैसे व्यवस्थित करते हैं। शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि जब एक खुले सिरे वाली ट्यूब में एक अणु प्रवेश करता है, तो यह प्रक्रिया सुचारू होती है और इसमें किसी ऊर्जा अवरोध की आवश्यकता नहीं होती, जिससे पता चलता है कि प्रकृति निर्माण के दौरान इन अणुओं को आसानी से ट्यूबों में पैक कर सकती है।
सबसे आश्चर्यजनक खोज यह है कि ट्यूब अणु के इलेक्ट्रॉनिक व्यक्तित्व को कैसे बदल देता है। जबकि बोरॉन-नाइट्राइड ट्यूब अपने स्वयं के इलेक्ट्रॉनों को अणु के साथ मिश्रित नहीं करता है, यह विद्युत आवेशों को स्क्रीन (shield) करने वाले एक शक्तिशाली कवच के रूप में कार्य करता है। जब अणु में एक इलेक्ट्रॉन जोड़ा जाता है या हटाया जाता है, तो ट्यूब अपने आंतरिक आवेशों को पुनर्व्यवस्थित करके उस परिवर्तन को स्थिर करने के लिए प्रतिक्रिया करता है। यह स्क्रीनिंग प्रभाव इतना मजबूत है कि यह इलेक्ट्रॉन को हटाने के लिए आवश्यक ऊर्जा अंतराल को एक इलेक्ट्रॉन वोल्ट तक कम कर देता है, जो नैनोस्केल भौतिकी की दुनिया में एक विशाल बदलाव है। प्रकाश अवशोषण गुणों के लिए, प्रभाव छोटा है लेकिन फिर भी महत्वपूर्ण है, जो अणु द्वारा अवशोषित प्रकाश के रंग को स्पेक्ट्रम के लाल छोर की ओर लगभग 250 मिलीइलेक्ट्रॉन वोल्ट तक स्थानांतरित कर देता है। यह बदलाव ट्यूब के भीतर फिट होने के लिए अणु के चपटा होने, इलेक्ट्रॉनिक अवस्थाओं के मामूली मिश्रण और ट्यूब की दीवारों के प्रमुख स्क्रीनिंग प्रभाव का संयोजन है।
अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि क्या होता है जब दो अणु एक श्रृंखला में एक-दूसरे के बगल में स्थित होते हैं। जब वे करीब होते हैं, तो उनकी उत्तेजित अवस्थाएं (excited states) परस्पर क्रिया करती हैं, जिससे ऊर्जा स्तर दो अलग-अलग शिखरों में विभाजित हो जाते हैं: एक जो चमकीला और दृश्यमान है, और दूसरा जो गहरा और अदृश्य है। यह विभाजन, जिसे लगभग 75 मिलीइलेक्ट्रॉन वोल्ट मापा गया है, यह सुझाव देता है कि जब ट्यूब के भीतर इन अणुओं की लंबी श्रृंखलाएं बनती हैं, तो वे सामूहिक व्यवहार प्रदर्शित कर सकती हैं जहाँ पूरी श्रृंखला व्यक्तिगत भागों के संग्रह के बजाय एक एकल इकाई के रूप में कार्य करती है। हालांकि, शोधकर्ता चेतावनी देते हैं कि ट्यूब स्वयं इन अंतःक्रियाओं को कम करता है, जिसका अर्थ है कि प्रभाव कुछ पिछले सिद्धांतों की तुलना में उतना चरम नहीं है। अंततः, यह कार्य स्पष्ट करता है कि बोरॉन-नाइट्राइड नैनोट्यूब केवल निष्क्रिय सुरक्षात्मक आवरण नहीं हैं; वे सक्रिय भागीदार हैं जो अपने भीतर समाहित अणुओं के इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टिकल परिदृश्य को नया आकार देते हैं, एक ऐसा निष्कर्ष जो प्रयोगात्मक डेटा को समझाने में मदद करता है और भविष्य के नैनोमटेरियल्स के डिजाइन का मार्गदर्शन करता है।
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