Highly organized smectic-like packing in vapor-deposited glasses of a liquid crystal
तरल क्रिस्टल इट्रैकोनाज़ोल (itraconazole) के वाष्प-निक्षेपित (vapor-deposited) कांच अत्यधिक व्यवस्थित, ट्यूनेबल स्मेक्टिक-समान संरचनाएं प्रदर्शित करते हैं जो संरचनात्मक क्रम में तापीय रूप से एनिल (annealed) फिल्मों से बेहतर होती हैं, जो सतह-वर्धित आणविक गति और सबस्ट्रेट एंकरिंग से स्वतंत्र अभिविन्यास द्वारा संचालित एक घटना है।
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कल्पना कीजिए कि आप एक ऐसा घर बनाने की कोशिश कर रहे हैं जहाँ हर ईंट को पूरी तरह से संरेखित (aligned) होना चाहिए ताकि बिजली सुचारू रूप से बह सके, या जहाँ प्रकाश को एक विशिष्ट दिशा में सतहों से टकराना चाहिए ताकि एक उज्ज्वल, स्पष्ट छवि बन सके। आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, इन उपकरणों को बनाने में उपयोग की जाने वाली सामग्रियां अक्सर सूक्ष्म अणुओं से बनी होती हैं। यदि ये अणु अव्यवस्थित हैं, तो उपकरण खराब काम करता है। यदि वे करीने से पंक्तिबद्ध हैं, तो उपकरण बहुत बेहतर काम करता है। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि कुछ अणु स्वाभाविक रूप से परतों में व्यवस्थित होना चाहते हैं, बिल्कुल कागज की शीट की तरह, जब वे तरल अवस्था में होते हैं। इसे 'लिक्विड क्रिस्टल स्टेट' कहा जाता है। आमतौर पर, इन अणुओं को एक बार ठोस में जमने के बाद एक व्यवस्थित, परतदार व्यवस्था में बनाए रखने के लिए, शोधकर्ता उन्हें तब तक गर्म करते हैं जब तक वे बहने न लगें, फिर उन्हें संरेखित करते हैं, और फिर उन्हें तेजी से ठंडा करते हैं। हालाँकि, इस पारंपरिक विधि की सीमाएँ हैं; अंतिम व्यवस्था अक्सर इस बात के बीच का एक समझौता होती है कि अणु कैसे व्यवहार करना चाहते हैं और वह सतह जिस पर वे टिके हुए हैं, उन्हें कैसे व्यवहार करने के लिए मजबूर करती है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन आणविक परतों को व्यवस्थित करने का एक अलग तरीका खोजा है जो इन सीमाओं को दरकिनार कर देता है। 'फिजिकल वेपर डिपोजिशन' (physical vapor deposition) नामक तकनीक का उपयोग करके, जो इस तरह है जैसे हवा में जल वाष्प के जमने पर एक स्नोफ्लेक (हिमपात का कण) बनता है, वे ऐसे ठोस फिल्म बना सके जहाँ अणु पहले की तुलना में कहीं अधिक पूर्णता से व्यवस्थित थे। उन्होंने चिकित्सा में उपयोग किए जाने वाले एक विशिष्ट अणु का अध्ययन किया, जिसे इट्रैकोनाजोल (itraconazole) के रूप में जाना जाता है, जिसमें इन स्तरित संरचनाओं को बनाने की स्वाभाविक प्रवृत्ति होती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि सतह पर अणुओं को जमा करने के दौरान तापमान को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, वे न केवल इन अत्यधिक व्यवस्थित परतों को बना सकते थे, बल्कि उनके बीच की दूरी को भी ट्यून (बदल) कर सकते थे। सबसे आश्चर्यजनक रूप से, उन्होंने पाया कि यह विधि पारंपरिक विधि की तुलना में अधिक पूर्ण रूप से संरेखित ठोस बना सकती है, भले ही पारंपरिक विधि को व्यवस्थित होने के लिए एक पूरा सप्ताह दिया गया हो।
शोधकर्ताओं ने पहले इट्रैकोनाजोल अणुओं को एक वैक्यूम चैंबर में वाष्प (vapor) में बदलकर शुरुआत की। फिर उन्होंने इस वाष्प को सिलिकॉन सतह पर बैठने दिया, ठीक वैसे ही जैसे मेज पर धूल जमती है, लेकिन इसमें अणुओं के पहुँचने की गति और मेज कितनी गर्म थी, इस पर सटीक नियंत्रण था। मुख्य चर (variable) सतह का तापमान था, जिसे उन्होंने पदार्थ के ठोस कांच से तरल में बदलने के बिंदु से थोड़ा नीचे से लेकर थोड़ा ऊपर तक समायोजित किया। जब उन्होंने अणुओं को ऐसी सतह पर जमा किया जो तरल अवस्था के करीब पर्याप्त गर्म थी, तो अणुओं के पास इतनी ऊर्जा थी कि वे उतरते समय अपनी सबसे आरामदायक, व्यवस्थित स्थिति खोजने के लिए घूम सकें। उन्होंने स्वाभाविक रूप से सपाट, स्टैक्ड परतें बनाईं, जिसमें लंबे अणु सतह के लंबवत (perpendicular) सीधे खड़े थे।
जो इस खोज को उल्लेखनीय बनाता था, वह था प्राप्त की गई व्यवस्था की डिग्री। जब शोधकर्ताओं ने इन नई फिल्मों की तुलना पुरानी विधि से की—जहाँ एक तरल को ठंडा किया जाता है और फिर अणुओं को पुनर्व्यवस्थित होने देने के लिए गर्म किया जाता है—तो वेपर-डिपोजिटेड फिल्में कहीं अधिक श्रेष्ठ थीं। पारंपरिक विधि ने एक ऐसा पदार्थ बनाया जहाँ परतें कुछ हद तक अव्यवस्थित थीं, जिसमें कुछ अणु सपाट लेटे हुए थे और कुछ खड़े थे, जिससे एक भ्रमित संरचना बन रही थी। इसके विपरीत, वेपर-डिपोजिटेड फिल्मों ने पूरी मोटाई में एक समान, क्रिस्टल जैसी संरेखण दिखाई। सभी अणु एक ही दिशा में खड़े थे, जिससे परतों का एक आदर्श ढेर बन रहा था। यह तब भी हुआ जब वेपर-डिपोजिटेड फिल्में कुछ घंटों में बनाई गईं, जबकि पारंपरिक नमूनों को व्यवस्थित होने के लिए सात दिन दिए गए थे।
शोधकर्ताओं ने यह भी खोजा कि वे इन आणविक परतों के बीच की दूरी को केवल डिपोजिशन के दौरान सतह के तापमान को बदलकर बदल सकते हैं। जब उन्होंने अणुओं को थोड़ी ठंडी सतह पर जमा किया, तो परतें अधिक सघन हो गईं, जिससे उनके बीच की दूरी सोलह प्रतिशत तक कम हो गई। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका अर्थ है कि वैज्ञानिक अब अणु की रासायनिक संरचना को बदले बिना विशिष्ट आंतरिक अंतराल (spacing) के साथ सामग्रियां डिजाइन कर सकते हैं। यह बिल्कुल वैसा ही है जैसे कि एक नई सीढ़ी बनाने के बजाय, केवल यह बदलकर कि आप उस पर कैसे चढ़ते हैं, सीढ़ी के डंडों की ऊंचाई को समायोजित करना।
शायद सबसे आश्चर्यजनक खोज यह थी कि जिस सतह पर अणु गिरे, उससे कोई फर्क नहीं पड़ा। पारंपरिक विधि में, सामग्री अक्सर एक अव्यवस्थित व्यवस्था में फंस जाती है क्योंकि वह नीचे की सतह और ऊपर की सतह दोनों की प्राथमिकताओं को संतुष्ट करने की कोशिश करती है, जो अक्सर विपरीत होती हैं। निचली सतह चाहती है कि अणु सपाट लेट जाएं, जबकि ऊपरी सतह चाहती है कि वे सीधे खड़े हों। शोधकर्ताओं ने पाया कि वेपर डिपोजिशन के साथ, बढ़ते हुए फिल्म की बिल्कुल ऊपरी सतह पर अणु इतने गतिशील थे कि वे नीचे की सतह को पूरी तरह से अनदेखा कर सकते थे। वे बस अपनी पसंद के अनुसार ऊपर व्यवस्थित हुए, और इस पूर्ण व्यवस्था को जैसे-जैसे और परतें जोड़ी गईं, वहीं लॉक कर दिया गया। इसका मतलब है कि अंतिम संरचना अणुओं की अपनी प्रकृति और जिस तापमान पर वे गिर रहे हैं, उससे निर्धारित होती है, न कि उनके नीचे मौजूद सामग्री से।
यह कार्य उन्नत इलेक्ट्रॉनिक्स और प्रकाश-आधारित उपकरणों के लिए उन्नत सामग्रियां बनाने का एक नया मार्ग सुझाता है। वेपर डिपोजिशन का उपयोग करके, इंजीनियर ऐसी ठोस फिल्में बना सकते हैं जो मानक हीटिंग विधियों से पहले की तुलना में कहीं अधिक चिकनी, समान और व्यवस्थित हैं। वे ऐसी सामग्रियां तैयार कर सकते हैं जहाँ अणु बिजली या प्रकाश को एक विशिष्ट दिशा में ले जाने के लिए पूरी तरह से संरेखित होते हैं, और वे विनिर्माण प्रक्रिया के दौरान केवल तापमान को समायोजित करके इन सामग्रियों की आंतरिक संरचना को सूक्ष्म रूप से ट्यून कर सकते हैं। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि अणुओं को एक नियंत्रित वातावरण में परत-दर-परत खुद को बनाने देने से, हम उस स्तर की व्यवस्था प्राप्त कर सकते हैं जो प्रकृति, या पारंपरिक विनिर्माण, आमतौर पर प्रदान नहीं कर पाता है। यह अधिक कुशल सौर सेल, चमकीली स्क्रीन और तेज़ कंप्यूटर बनाने के द्वार खोलता है, जो आणविक स्तर पर पूरी तरह से व्यवस्थित सामग्रियों से बने होंगे।
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