Networks of triblock ellipses: from kagome order to disordered porous networks

तरल में निलंबित सूक्ष्म कणों की दुनिया में, जिन्हें कोलाइड्स कहा जाता है, चीजें आपस में कैसे जुड़ती हैं, यह काफी हद तक उनके आकार और उनकी चिपचिपाहट (stickiness) के स्थान पर निर्भर करता है। कल्पना कीजिए कि लोगों की एक भीड़ एक कतार बनाने की कोशिश कर रही है; यदि हर कोई पूरी तरह से गोल है और सभी के प्रति समान रूप से मिलनसार है, तो वे स्वाभाविक रूप से बिना किसी अंतराल के, जितना संभव हो सके उतना सघन रूप से एक साथ जुड़ जाएंगे। हालाँकि, यदि आप उन्हें एक विशिष्ट नियम दे दें—जैसे, वे केवल अपने दोनों ओर खड़े दो विशिष्ट लोगों का हाथ पकड़ सकते हैं, और वे गोलों के बजाय लंबे अंडाकार आकार के हैं—तो परिणाम बिल्कुल अलग होगा। एक ठोस ब्लॉक बनने के बजाय, वे खुद को बीच में छेद वाले खुले, छिद्रपूर्ण नेटवर्क में व्यवस्थित करने के लिए मजबूर हो जाते हैं। वैज्ञानिक इन खुली संरचनाओं में लंबे समय से रुचि रखते रहे हैं क्योंकि उनके अद्वितीय आकार यह नियंत्रित कर सकते हैं कि प्रकाश कैसे गुजरता है या तरल पदार्थ कैसे प्रवाहित होता है, जो उन्नत सामग्रियां बनाने के लिए महत्वपूर्ण गुण हैं। ऐसी संरचना का एक प्रसिद्ध उदाहरण 'कागोमे लैटिस' (kagome lattice) है, जो एक बुनी हुई टोकरी जैसा पैटर्न है जो अत्यधिक व्यवस्थित होने के साथ-साथ खाली स्थान से भी भरा होता है।

वियना के तकनीकी विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने हाल ही में यह पता लगाया कि इन चिपचिपे कणों के आकार को गोलों से बदलकर लंबे अंडाकार दीर्घवृत्त (ellipses) में बदलने से उनके नेटवर्क बनाने के तरीके में क्या बदलाव आता है। उन्होंने कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके हजारों इन अंडाकार कणों को देखा, जिनमें से प्रत्येक के विपरीत सिरों पर दो चिपचिपे बिंदु थे, और उन्हें तापमान और सांद्रता की विभिन्न स्थितियों के तहत एकत्रित होते हुए देखा। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या आकार में परिवर्तन केवल उन्हीं पैटर्नों को अलग तरह से प्रकट करेगा, या क्या यह मौलिक रूप से उन नियमों को बदल देगा कि कण एक-दूसरे को कैसे ढूंढते हैं और आपस में जुड़कर स्थिर होते हैं। उन्होंने पाया कि हालांकि कणों ने अभी भी सुंदर, व्यवस्थित कागोमे लैटिस बनाया, लेकिन जिस मार्ग से वे वहां पहुंचे, वह आश्चर्यजनक रूप से सीधा था। अपने गोल समकक्षों के विपरीत, जो आमतौर पर पहले लंबी श्रृंखलाएं बनाते हैं और फिर उन्हें अंतिम पैटर्न में पुनर्गठित करते हैं, ये अंडाकार कण सीधे तैयार संरचना की ओर बढ़ गए।

टीम ने देखा कि तापमान और कणों के घनत्व को समायोजित करके, वे सिस्टम को या तो एक पूर्णतः व्यवस्थित क्रिस्टल या एक अव्यवस्थित नेटवर्क में ट्यून कर सकते थे। जब स्थितियां बिल्कुल सही थीं, तो कणों ने एक नियमित ग्रिड बनाया जहाँ प्रत्येक छेद छह कणों का एक पूर्ण लूप था। जैसे-जैसे उन्होंने वातावरण को अधिक भीड़भाड़ वाला या ठंडा बनाया, यह व्यवस्था टूटने लगी। पूर्ण लूप विकृत होने लगे, जिससे पांच या सात भुजाओं वाले छेद बनने लगे, और अंततः, नेटवर्क विभिन्न आकारों के एक अराजक मिश्रण में बदल गया। इस अराजकता को समझने के लिए, शोधकर्ताओं ने कनेक्शनों को मैप करने का एक नया तरीका विकसित किया। केवल यह गिनने के बजाय कि कितने कण एक-दूसरे को छू रहे हैं, उन्होंने ठीक से ट्रैक किया कि कौन से चिपचिपे बिंदु जुड़े हुए थे। इसने उन्हें यह देखने की अनुमति दी कि अंडाकार कणों में एक अनूठी लचीलापन था; वे गोल कणों की तुलना में अपने कनेक्शनों को अधिक आसानी से मोड़ सकते थे, जो उन्हें श्रृंखला बनाने के मध्यवर्ती चरण को छोड़कर सीधे जटिल लैटिस बनाने में मदद करता प्रतीत हुआ।

अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि ये नेटवर्क किस तरह से टूटते हैं, यह यादृच्छिक (random) नहीं है। जैसे-जैसे व्यवस्था गायब होती है, नेटवर्क में छेद केवल बड़े नहीं होते; उनका चरित्र बदल जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि नेटवर्क में सात-भुजाओं वाले छेदों की तुलना में पांच-भुजाओं वाले छेदों के प्रति एक प्राथमिकता विकसित हुई, एक विशिष्ट असंतुलन जिसे अन्य प्रकार के चिपचिपे कणों में भी देखा गया था, लेकिन अब इन अंडाकार आकारों में इसकी पुष्टि हुई। यह बदलाव बताता है कि अंडाकार आकार कणों को कुछ प्रकार के दोष (defects) बनाने में आसान बनाता है जबकि अन्य को कठिन बनाता है। टीम ने कुछ अजीब, सीढ़ीनुमा संरचनाओं को भी बनते देखा, जो कागोमे पैटर्न के प्रभुत्व के लिए प्रतिस्पर्धा कर रही थीं, हालांकि वे अभी तक यह साबित नहीं कर सके कि कौन सी संरचना अधिक स्थिर है।

सबसे महत्वपूर्ण खोज शायद यह थी कि कणों ने शून्य से कैसे संयोजन (assembly) किया। गोल कणों के सिमुलेशन में, वैज्ञानिकों ने पहले एक दो-चरणीय प्रक्रिया देखी थी: कण पहले लंबी, धागे जैसी श्रृंखलाओं में गुच्छे बना लेते थे, और केवल बाद में ये श्रृंखलाएं अनियंत्रित होकर अंतिम लैटिस में पुनर्गठित होती थीं। हालाँकि, अंडाकार कणों ने ऐसा नहीं किया। जब शोधकर्ताओं ने संयोजन को ट्रिगर करने के लिए तापमान कम किया, तो कणों ने लंबी श्रृंखलाओं के चरण से गुजरे बिना तुरंत व्यवस्थित लूप बनाए। यह सुझाव देता है कि कणों का लंबा आकार एक अलग प्रकार की स्वतंत्रता प्रदान करता है, जिससे वे लैटिस में अपनी सही स्थिति को बहुत अधिक सीधे तौर पर पा सकते हैं। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि कम तापमान पर, इन नई संरचनाओं के नाभिक (nuclei) अधिक खुरदरे और शाखित हो गए, जो पांच-भुजाओं वाले दोषों से भरे हुए थे, जो यह दर्शाता है कि संयोजन की गति पूर्ण सहजता (smoothness) की कीमत पर आई थी।

यह कार्य इस बात का एक स्पष्ट उदाहरण प्रदान करता है कि कैसे ज्यामिति में एक सरल परिवर्तन—एक गोले को दीर्घवृत्त में खींचना—स्वयं-संयोजन (self-assembly) के नियमों को फिर से लिख सकता है। यह दिखाता है कि कोई सामग्री बनने के लिए जिस पथ का अनुसरण करती है, वह उसके अंतिम आकार जितना ही महत्वपूर्ण है। चिपचिपे बिंदुओं के बीच कनेक्शन को मैप करने की एक नई विधि पेश करके, शोधकर्ताओं ने खुद को इन नेटवर्कों के भीतर देखने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण दिया, जिससे वे साधारण बंधों (bonds) और जटिल लूपों के बीच अंतर कर सके जो पहले मानक विश्लेषण में अदृश्य थे। हालांकि अध्ययन पूरी तरह से कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से किया गया था, लेकिन निष्कर्ष इन जटिल सामग्रियों के निर्माण पर आकार के प्रभाव के बारे में एक सम्मोहक परिकल्पना प्रदान करते हैं। परिणाम बताते हैं कि विशिष्ट आकारों और चिपचिपे बिंदुओं वाले कणों को डिजाइन करके, वैज्ञानिक सटीक रूप से नियंत्रित सरंध्रता (porosity) और व्यवस्था वाले सामग्रियां बनाने के लिए मार्गदर्शन कर सकते हैं, जो उन तरीकों से फिल्टर करने, संवेदन करने या प्रकाश का संचालन करने के नए द्वार खोलता है जो वर्तमान में असंभव हैं।