Quantitative Modelling of Solvation in 2D Materials via Alchemical Decoupling and Potential Energy Surfaces
यह शोध पत्र एक उन्नत मात्रात्मक मॉडलिंग रणनीति प्रस्तुत करता है जो संभावित ऊर्जा सतहों (potential energy surfaces) को सटीक रूप से कैलिब्रेट करने के लिए एल्केमिकल डिकपलिंग और विलायक की मुक्त ऊर्जा (Gibbs free energy of solvation) का उपयोग करती है, जिससे काफी उच्च विलायक निष्कासन बाधाओं (desolvation barriers) की भविष्यवाणी करके और यह प्रकट करके कि संचित 2D सामग्री परतों के बीच अक्सर विलायक की मोनोलेयर्स बनी रहती हैं, प्रयोगात्मक परिणामों के साथ विसंगतियों को हल किया जाता है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जो इतनी पतली सामग्री की परतों से बनी है जो केवल एक परमाणु जितनी मोटी हैं। ये द्वि-आयामी (two-dimensional) सामग्रियां, जैसे कि प्रसिद्ध कार्बन शीट जिन्हें ग्राफीन कहा जाता है या इस अध्ययन में उपयोग की गई मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड की शीट, अद्वितीय गुण रखती हैं जो उनके अधिक मोटी और भारी समकक्षों के पास नहीं होते हैं। इनका उपयोग करने के लिए, वैज्ञानिकों को पहले इन परतों को एक ठोस ब्लॉक से अलग करना होता है, जिसे एक्सफोलिएशन (exfoliation) कहा जाता है। इसे करने का सबसे आम तरीका ठोस सामग्री को एक तरल में मिलाना है, इस उम्मीद में कि तरल परतों के बीच से फिसल जाएगा और उन्हें अलग कर देगा। हालांकि, इन परतों को वापस आपस में जुड़ने से रोकने के लिए उन्हें निलंबित (suspended) रखना एक निरंतर पहेली बना हुआ है। तरल इतना मजबूत होना चाहिए कि वह परतों के बीच के प्राकृतिक आकर्षण को दूर कर सके, फिर भी इतना कोमल होना चाहिए कि नाजुक परतों को नष्ट न करे। वर्षों से, शोधकर्ता इस बात की भविष्यवाणी करने के लिए संघर्ष कर रहे थे कि कौन से तरल सबसे अच्छा काम करते हैं, क्योंकि वे अक्सर परीक्षण और त्रुटि (trial and error) पर निर्भर थे क्योंकि इसमें शामिल बल अविश्वसनीय रूप से जटिल हैं और ऐसे समय-पैमानों पर होते हैं जिन्हें सीधे देखना कठिन है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन अदृश्य अंतःक्रियाओं को मॉडल करने का एक नया तरीका विकसित किया है, जो एक स्पष्ट तस्वीर पेश करता है कि क्यों कुछ तरल पदार्थ परतों को अलग रखते हैं जबकि अन्य विफल हो जाते हैं। परतों के अलग होने की पूरी प्रक्रिया को वास्तविक समय में सिम्युलेट करने के बजाय, जो कि गणनात्मक रूप से असंभव है, उन्होंने एक चतुर गणनात्मक रणनीति का उपयोग किया। उन्होंने समस्या को दो भागों में विभाजित किया: पहले, निर्वात (vacuum) में दो परतों को अलग करने के लिए आवश्यक ऊर्जा की गणना की, और दूसरे, उन परतों को तरल से घेरने के लिए आवश्यक ऊर्जा की गणना की। इन दो अलग-अलग गणनाओं को गणितीय रूप से जोड़कर, उन्होंने ऊर्जा परिदृश्य (energy landscape) का एक पूर्ण मानचित्र तैयार किया। यह मानचित्र उन छिपे हुए अवरोधों को प्रकट करता है जिन्हें परतों को पूरी तरह से अलग करने के लिए पार करना पड़ता है, जिससे पता चलता है कि यह प्रक्रिया पहले की तुलना में कहीं अधिक कठिन है।
अध्ययन ने मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड पर ध्यान केंद्रित किया, जो इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग की जाने वाली एक सामग्री है, और इसका परीक्षण चार अलग-अलग तरल पदार्थों में किया गया: डाइमिथाइलफॉर्मामाइड, डाइमिथाइल सल्फोक्साइड, आइसोप्रोपानोल और पानी। शोधकर्ताओं ने पाया कि इन चार में से तीन तरल पदार्थों के लिए, परतों को पूरी तरह से हटाने के लिए ऊर्जा अवरोध आश्चर्यजनक रूप से उच्च है। यह सुझाव देता है कि जब परतें एकत्रित या चिपकी हुई दिखाई देती हैं, तो वे वास्तव में एक-दूसरे को छू नहीं रही होती हैं। इसके बजाय, तरल अणुओं की एक एकल, जिद्दी परत उनके बीच फंसी रहती है, जो एक स्पेसर (spacer) के रूप में कार्य करती है और परतों को फिर से जुड़ने से रोकती है। यह खोज पिछले मॉडलों का खंडन करती है जो भविष्यवाणी करते थे कि परतें आसानी से सारा तरल बाहर निकाल सकती हैं और सीधे संपर्क में आ सकती हैं। नए सिमुलेशन दिखाते हैं कि अधिकांश विलायकों (solvents) के लिए, सिस्टम उस एकल तरल परत के बरकरार रहते हुए एक स्थिर अवस्था में फंस जाता है, जो यह समझाता है कि सामग्री समाधान में क्यों बिखरी रहती है।
पानी ने सिमुलेशन में अलग व्यवहार किया। चूंकि पानी के अणु छोटे होते हैं और एक-दूसरे के साथ बहुत मजबूती से अंतःक्रिया करते हैं, इसलिए उन्हें हटाने के लिए ऊर्जा अवरोध कम था। इसने परतों को पानी को पूरी तरह से बाहर निकालने और सीधे संपर्क में आने की अनुमति दी, जिससे वह तीव्र क्लंपिंग (clumping) हुई जिसे प्रयोगकर्ता लंबे समय से देखते आए हैं। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि पानी इस सामग्री के लिए एक खराब विलायक है, और हमारा मॉडल इस बात की पुष्टि करता है कि सुरक्षात्मक तरल परत की कमी ही इसके कारण है। अन्य विलायकों के लिए, सिमुलेशन ने दिखाया कि तरल अणु परतों के बीच विशिष्ट, व्यवस्थित पैटर्न में व्यवस्थित होते हैं। कुछ मामलों में, अणु लंबवत (vertically) खड़े होते हैं, जबकि अन्य में वे सपाट (flat) लेटे होते हैं, जो परतों को अलग रखने वाला एक स्थिर ढांचा बनाते हैं। इस संरचना को तोड़ने और परतों को एक साथ लाने के लिए आवश्यक ऊर्जा इतनी अधिक है कि सामान्य परिस्थितियों में ऐसा होने की संभावना नहीं है।
यह कार्य इस बारे में वैज्ञानिकों की समझ में एक महत्वपूर्ण बदलाव प्रदान करता है कि ये सामग्रियां कैसे स्थिर रहती हैं। पिछले कंप्यूटर मॉडल सुझाव देते थे कि परतें आसानी से एक-दूसरे के पास से फिसल सकती हैं और तरल को बाहर निकाल सकती हैं, लेकिन उन मॉडलों ने गणना के दौरान परतों को अवास्तविक आकार में मुड़ने की अनुमति दी थी। इन अवास्तविक मोड़ों को रोककर और निर्वात और तरल अवस्थाओं को जोड़ने के लिए अधिक कठोर पद्धति का उपयोग करके, नया अध्ययन अलगाव के लिए बहुत उच्च अवरोध प्रकट करता है। परिणाम प्रयोगात्मक डेटा के साथ निकटता से मेल खाते हैं, जैसे कि सुखाए गए पदार्थों में परतों के बीच की मापी गई दूरी, जो अक्सर अंदर एक एकल तरल परत को फंसा हुआ दिखाती है। अध्ययन बताता है कि इन सामग्रियों को निलंबित रखने की कुंजी केवल तरल की रासायनिक प्रकृति नहीं है, बल्कि तरल अणुओं के एक सुरक्षात्मक, एकल-अणु-मोटी ढाल के रूप में व्यवस्थित होने का विशिष्ट तरीका है।
इस खोज के निहितार्थ केवल यह समझने तक सीमित नहीं हैं कि सामग्रियां क्यों एकत्र होती हैं या अलग रहती हैं। विलायक की ऊर्जा (solvation energy), या तरल इस सामग्री को घेरना कितना पसंद करता है, इसकी सटीक गणना करके, वैज्ञानिक अब बेहतर भविष्यवाणी कर सकते हैं कि कौन से तरल पदार्थ दो-आयामी सामग्रियों को संसाधित करने के लिए सबसे अच्छा काम करेंगे। यह क्षेत्र अनुमान लगाने से हटकर दो-आयामी सामग्रियों के प्रसंस्करण के लिए विलायकों के तर्कसंगत डिजाइन की ओर बढ़ता है। हालांकि अध्ययन ने मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड पर ध्यान केंद्रित किया, इस विधि को ग्राफीन या फॉस्फोरिन जैसी अन्य सामग्रियों पर लागू किया जा सकता है। निष्कर्ष बताते हैं कि अंतिम तरल परत केवल एक निष्क्रिय दर्शक नहीं है, बल्कि परतों को अलग रखने में एक सक्रिय भागीदार है, एक ऐसा विवरण जिसे पहले अनदेखा किया गया था लेकिन अब इसे उन्नत सामग्रियों की स्थिरता के लिए महत्वपूर्ण कारक के रूप में समझा गया है।
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