Breaking Water at Graphene Defects
यह अध्ययन यह प्रदर्शित करता है कि विलायन (solvation), गैस अवस्था में अनुपस्थित दो प्रतिस्पर्धी अम्लीय और क्षारीय मार्गों को सक्षम करके, ग्राफीन सिंगल वेकेंसीज पर जल के वियोजन को गुणात्मक रूप से परिवर्तित करता है, जिससे अप्रत्याशित रूप से समृद्ध अंतरफलकीय रसायन विज्ञान का पता चलता है जिसके कार्बन कार्यात्मककरण (carbon functionalization) और नैनोफ्लुइडिक परिवहन के लिए महत्वपूर्ण निहितार्थ हैं।
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पानी एक निरंतर सक्रिय रसायन है। जहाँ भी यह किसी ठोस सतह को छूता है, यह टूट सकता है, आवेशित टुकड़ों में विभाजित होकर उस सामग्री के साथ प्रतिक्रिया कर सकता है जिसके नीचे वह स्थित है। यह प्रक्रिया, जिसे वियोजन (dissociation) कहा जाता है, धातु के जंग लगने से लेकर ईंधन कोशिकाओं (fuel cells) में स्वच्छ ऊर्जा के उत्पादन तक, हर चीज़ के पीछे का इंजन है। निर्वात (vacuum) में, पानी के अणु को तोड़ना अविश्वसनीय रूप से कठिन है, जिसके लिए ऊर्जा के एक विशाल विस्फोट की आवश्यकता होती है। हालाँकि, जब पानी किसी सतह से मिलता है, तो वह सतह एक उत्प्रेरक (catalyst) के रूप में कार्य कर सकती है, जिससे बंध (bond) को तोड़ने के लिए आवश्यक ऊर्जा कम हो जाती है। दशकों से, वैज्ञानिक समझते आए हैं कि यह सपाट धातु की सतहों या धातु के ऑक्साइडों पर कैसे काम करता है, जहाँ परमाणुओं की ज्यामिति प्रतिक्रिया का मार्गदर्शन करती है। लेकिन सामग्रियों का एक विशाल वर्ग रहस्य बना हुआ है: कार्बन की द्वि-आयामी (two-dimensional) परतें, जिन्हें ग्राफीन कहा जाता है। ये परमाणु-पतली सामग्रियां उन्नत झिल्लियों (membranes) और इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में व्यापक रूप से उपयोग की जाती हैं, फिर भी हमारे पास इस बात की स्पष्ट तस्वीर का अभाव रहा है कि जब पानी पूर्ण कार्बन शीट में किसी दोष (flaw) से टकराता है, तो वह कैसा व्यवहार करता है। विशेष रूप से, हम यह नहीं जानते थे कि क्या आसपास का तरल पानी उस प्रतिक्रिया के तरीके को बदल देता है जैसा कि खाली स्थान में तैरते हुए एक अकेले अणु के मामले में होता है।
इसे हल करने के लिए, कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं और उनके सहयोगियों ने ग्राफीन में एक विशिष्ट प्रकार के दोष की ओर अपना ध्यान केंद्रित किया जिसे 'सिंगल वेकेंसी' (single vacancy) कहा जाता है। कार्बन परमाणुओं के एक आदर्श हनीकॉम्ब पैटर्न की कल्पना करें; सिंगल वेकेंसी बस एक परमाणु की अनुपस्थिति है, जो एक छेद छोड़ देती है जहाँ तीन पड़ोसी परमाणु लटकते रह जाते हैं। यह छेद केवल एक अंतराल नहीं है; यह एक अत्यधिक प्रतिक्रियाशील स्थल है जिसमें अनपेयर्ड इलेक्ट्रॉन (unpaired electrons) होते हैं जो गुजरते हुए अणुओं को पकड़ने के लिए उत्सुक रहते हैं। टीम यह देखना चाहती थी कि जब एक पानी का अणु इस छेद से मिलता है तो क्या होता है, लेकिन उन्हें एक बड़ी बाधा का सामना करना पड़ा। प्रतिक्रिया को समझने के लिए, उन्हें न केवल एक पानी के अणु, बल्कि दोष के चारों ओर तरल पानी की एक पूरी परत का अनुकरण (simulate) करने की आवश्यकता थी, और वह भी रासायनिक बंधों के टूटने और बनने को अत्यधिक सटीकता के साथ ट्रैक करते हुए। पारंपरिक कंप्यूटर मॉडल इन सिमुलेशन को आवश्यक समय के लिए चलाने के लिए बहुत धीमे थे, और सरल मॉडल कार्बन परमाणुओं के जटिल इलेक्ट्रॉन व्यवहार का वर्णन करने में सक्षम नहीं थे।
शोधकर्ताओं ने उच्च-स्तरीय क्वांटम मैकेनिकल डेटा पर एक नए प्रकार के आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस मॉडल को प्रशिक्षित करके इस बाधा को पार किया। इस मशीन-लर्नड पोटेंशियल ने उन्हें ऐसे सिमुलेशन चलाने की अनुमति दी जो दर्जनों पानी के अणुओं की गति को पकड़ने के लिए पर्याप्त तेज़ थे और रासायनिक बंधों के टूटने का वर्णन करने के लिए पर्याप्त सटीक थे। उन्होंने दो परिदृश्य निर्धारित किए: एक निर्वात में एक एकल पानी का अणु, और दूसरा लगभग साठ पानी के अणुओं के पूल से घिरा हुआ वही वेकेंसी। परिणामों ने एक चौंका देने वाला अंतर प्रकट किया। निर्वात में, प्रतिक्रिया एक एकल, सीधा पथ अपनाती है। पानी का अणु छेद पर हमला करता है, और एक ही समन्वित गति में, यह विभाजित हो जाता है, जिसका एक हिस्सा कार्बन से जुड़ जाता है और दूसरा हिस्सा ऑक्सीजन से जुड़ा रहता है। यह एक सीधा, एकल-चरण वाला प्रक्रम है।
हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने तरल वातावरण पेश किया, तो कहानी पूरी तरह से बदल गई। आसपास के पानी के अणु आवेशित कणों के लिए एक स्थिरीकरण बल (stabilizing force) के रूप में कार्य करते हैं, जिससे दो पूरी तरह से नए मार्ग खुल जाते हैं जो निर्वात में मौजूद नहीं होते हैं। तरल में, पानी का अणु दो अलग-अलग तरीकों से विभाजित हो सकता है। एक मार्ग में, कार्बन का छेद एक हाइड्रोजन परमाणु को पकड़ लेता है, जिससे पीछे एक ऋणात्मक रूप से आवेशित हाइड्रॉक्सिल आयन (hydroxide ion) रह जाता है जो पानी में तैरता रहता है। दूसरे मार्ग में, कार्बन ऑक्सीजन वाले हिस्से को पकड़ लेता है, जिससे एक धनात्मक रूप से आवेशित हाइड्रोनियम आयन (hydronium ion) अलग होकर बह जाता है। ये दो प्रतिस्पर्धी मार्ग निर्वात में देखे गए एकल पथ की तुलना में शुरू करने में काफी आसान हैं, जिन्हें शुरू होने के लिए कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है। तरल वातावरण अनिवार्य रूप से प्रतिक्रिया के अवरोध (barrier) को कम कर देता है क्योंकि यह अलग होते समय आवेशित टुकड़ों को स्थिर करता है।
अध्ययन ने आगे दिखाया कि पानी के विभाजित होने के ये विभिन्न तरीके ग्राफीन की सतह पर अलग-अलग रासायनिक संरचनाओं की ओर ले जाते हैं। कुछ परिणामी संरचनाएं, विशेष रूप से वे जहाँ कार्बन एक ऑक्सीजन समूह को थामे रहता है, पानी के लिए चुंबक की तरह कार्य करती हैं, और खाली छेद या मूल ग्राफीन शीट की तुलना में तरल को बहुत लंबे समय तक थामे रखती हैं। यह सुझाव देता है कि दोष सतह को जल-विकर्षक (water-repelling) से जल-आकर्षक (water-attracting) में बदल देता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि अम्लीय मार्ग (acidic pathway), जहाँ एक हाइड्रोनियम आयन मुक्त होता है, ऊष्मागतिकीय रूप से अधिक स्थिर है, जिसका अर्थ है कि ग्राफीन में ये सूक्ष्म छेद स्थानीय अम्लता के स्रोत के रूप में कार्य कर सकते हैं, जो सतह पर पानी के रासायनिक संतुलन को बदल देते हैं।
यह कार्य प्रदर्शित करता है कि तरल पानी की उपस्थिति केवल एक पृष्ठभूमि विवरण नहीं है, बल्कि द्वि-आयामी सामग्रियों पर रासायनिक प्रतिक्रिया का एक मौलिक चालक है। यह प्रकट करके कि विलायक (solvation) पानी को विभाजित करने के लिए नए, कम-ऊर्जा वाले मार्ग खोलता है, यह अध्ययन बताता है कि वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों—जैसे कि जल निस्पंदन झिल्लियों या ऊर्जा उपकरणों में—में ग्राफीन का व्यवहार केवल सामग्री का अलग से अध्ययन करके नहीं बताया जा सकता है। तरल वातावरण प्रतिक्रिया के नियमों को मौलिक रूप से फिर से लिख देता है। निष्कर्ष संकेत देते हैं कि इन दोषों को नियंत्रित करके, वैज्ञानिक ग्राफीन के साथ पानी की परस्पर क्रिया को ट्यून (tune) कर सकते हैं, जिससे संभावित रूप से विशिष्ट वेटिंग गुणों (wetting properties) या आयनों के परिवहन की बढ़ी हुई क्षमताओं वाले डिजाइन करने योग्य सामग्रियां बनाई जा सकती हैं। यह शोध रेखांकित करता है कि ठोस और तरल के इंटरफेस पर रसायन विज्ञान को वास्तव में समझने के लिए, हमें निर्वात से परे और विलायक के जटिल, स्थिर आलिंगन (embrace) के भीतर देखना होगा।
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