Symmetry-selected extreme shear compliance in a stable carbon monolayer
यह अध्ययन घनत्व कार्यात्मकता सिद्धांत (डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी) के माध्यम से यह प्रदर्शित करता है कि विशिष्ट गैर-षट्कोणीय कार्बन मोनोलेयर्स, विशेष रूप से ट्विन टी-ग्राफीन, समरूपता-सीमित परमाणु विश्रांति (सिमेट्री-कंफाइंड एटॉमिक रिलैक्सेशन) द्वारा संचालित अत्यधिक शियर अनुपालन प्रदर्शित करते हैं, जो यांत्रिक स्थिरता और एक अर्धचालक अंतराल बनाए रखते हुए शियर कठोरता में पचास गुना कमी प्राप्त करते हैं।
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हमारे दैनिक जीवन में हम जिन सबसे ठोस सामग्रियों का सामना करते हैं, वे अनुमानित व्यवहार करती हैं: यदि आप उन पर दबाव डालते हैं, तो वे विरोध करती हैं। यदि आप उन्हें मरोड़ने (twist करने) की कोशिश करते हैं, तो वे उस पर भी विरोध करती हैं। इंजीनियरों और वैज्ञानिकों को लंबे समय से पता है कि जब किसी क्रिस्टल के भीतर के परमाणु खींचे या दबाए जाते हैं, तो वे थोड़ा खिसक सकते हैं, एक ऐसी गति जो सामग्री की प्रतिक्रिया को नरम कर देती है। हालाँकि, एक मौलिक प्रश्न अनुत्तरित रह गया था: क्या यह आंतरिक खिसकाव इतना शक्तिशाली हो सकता है कि यह किसी सामग्री को एक विशिष्ट दिशा में मरोड़ने के लिए अविश्वसनीय रूप से आसान बना दे, जबकि उसे हर अन्य दिशा में चट्टान जैसा कठोर बनाए रखे? दशकों तक, इस तरह के चरम व्यवहार को बनाने का एकमात्र तरीका नन्हे, लचीले कब्जों (hinges) और पतली बीमों से कृत्रिम संरचनाएं बनाना था, जो अनिवार्य रूप से एक प्राकृतिक पदार्थ खोजने के बजाय एक यांत्रिक चाल को इंजीनियर करना था। एक ठोस, प्राकृतिक रूप से बंधे क्रिस्टल की खोज, जो बिना टूटे या निर्मित भागों पर निर्भर हुए इस चरम कोमलता को प्राप्त कर सके, एक रहस्य बनी हुई थी।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब कार्बन के एक विशिष्ट रूप की पहचान की है, जो एक परमाणु मोटी परत, 'ट्विन टी-ग्राफीन' (Twin T-graphene) है, जो बिल्कुल यही करती है। क्वांटम यांत्रिकी के नियमों पर आधारित शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, वैज्ञानिकों ने कार्बन की चार अलग-अलग प्रकार की परतों का परीक्षण किया जो एक वर्गाकार ग्रिड पैटर्न साझा करती हैं। उन्होंने पाया कि जबकि ये सामग्रियां सीधे खींचे जाने पर बहुत सख्त होती हैं, ट्विन टी-ग्राफीन मरोड़ने पर एक पूरी तरह से अलग पदार्थ की तरह व्यवहार करती है। मरोड़ने के प्रति इसका प्रतिरोध मानक ग्राफीन (प्रसिद्ध द्वि-आयामी कार्बन सामग्री) की तुलना में लगभग पचास गुना कम है, और अपने स्वयं के खिंचाव के प्रति प्रतिरोध से लगभग तीस गुना कम है। इसका अर्थ है कि जब आप इसे खींचने की कोशिश करते हैं तो यह सामग्री अविश्वसनीय रूप से कठोर होती है, फिर भी जब आप इसे 'शीयर' (shear) करने या इसकी परतों को एक-दूसरे के ऊपर से सरकाने की कोशिश करते हैं, तो यह लगभग सहजता से झुक जाती है।
इस व्यवहार का रहस्य ट्विन टी-ग्राफीन शीट की अनूठी वास्तुकला में निहित है। परमाणुओं की एक सपाट परत के विपरीत, यह सामग्री लहरदार (corrugated) है, जिसका अर्थ है कि इसमें एक लहरदार, तीन-परत वाली संरचना है। जब एक मरोड़ने वाला बल लगाया जाता है, तो परमाणु अपने रासायनिक बंधों को नहीं खींचते या अपने कोणों को महत्वपूर्ण रूप से नहीं बदलते, जिसमें सामान्यतः बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इसके बजाय, शीट की दो बाहरी परतें मध्य परत में छोटे बंधों द्वारा बनाए गए केंद्रीय अक्ष के चारों ओर विपरीत दिशाओं में घूमती हैं। एक तौलिए को विपरीत दिशाओं में मरोड़ते हुए हाथों की कल्पना करें; तौलिया आसानी से इसलिए मरोड़ता है क्योंकि कपड़ा केंद्र के चारों ओर घूमता है, न कि इसलिए कि उसके धागे खुद खिंच रहे हैं। इस कार्बन शीट में, परमाणु कठोर ब्लॉकों की तरह कार्य करते हैं जो इन केंद्रीय बंधों के चारोंं ओर केवल घूमते (pivot) हैं। यह आंतरिक घूर्णन (pivoting) लगभग पूरी मरोड़ने वाली ऊर्जा को सोख लेता है, जिससे सामग्री का अन्य गुणों के प्रति मजबूत और स्थिर रहते हुए भी शीयर के प्रति "नरम" प्रतिक्रिया बनी रहती है।
शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि यह कोमलता कमजोरी या दोष का संकेत नहीं है जिससे सामग्री टूट जाए। उन्होंने उच्च तापमान और बड़े विरूपण (deformations) सहित विभिन्न स्थितियों के तहत सामग्री की स्थिरता का परीक्षण किया, और पाया कि मरोड़ने की यह प्रक्रिया कायम रहती है। कार्बन बंध बरकरार रहते हैं, और सामग्री ढहती या किसी अन्य पदार्थ में नहीं बदलती है। कमरे के तापमान तक गर्म करने पर भी, शीट अपनी संरचना बनाए रखती है, और मरोड़ने की गति बिना बंधों के टूटे काम करती रहती है। इसके अलावा, सामग्री एक अर्धचालक (semiconductor) बनी रहती है, जिसका अर्थ है कि यह नियंत्रित तरीके से बिजली का संचालन कर सकती है, जो संभावित इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है। अध्ययन ने इस विचार को भी खारिज कर दिया कि यह व्यवहार सामग्री के पतला होने या किसी विशिष्ट मोटाई के कारण है; समान मोटाई वाली अन्य कार्बन शीटों ने यह चरम कोमलता नहीं दिखाई, जिससे यह सिद्ध होता है कि परमाणुओं की विशिष्ट व्यवस्था ही महत्वपूर्ण है।
यह खोज सामग्री की मजबूती की सीमाओं के बारे में वैज्ञानिकों की सोच को बदल देती है। यह प्रदर्शित करती है कि एक ठोस क्रिस्टल, जो मजबूत रासायनिक बंधों से जुड़ा होता है, स्वाभाविक रूप से अलग हिस्सों या कब्जों के निर्माण के बिना, एक एकल कोमल गति को अलग कर सकता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह व्यवहार परमाणु व्यवस्था की समरूपता (symmetry) द्वारा निर्धारित होता है, जो एक ज्यामितीय नियम है जो परमाणुओं को एक विशिष्ट पैटर्न में हिलने की अनुमति देता है जो मरोड़ने के प्रतिरोध को समाप्त कर देता है। यह खोज बताती है कि समान आंतरिक समरूपता वाले अन्य पदार्थों में भी ये चरम गुण हो सकते हैं, जो ऐसी सामग्रियां डिजाइन करने के लिए एक नया मार्ग प्रदान करते हैं जो वहां सख्त हों जहां उन्हें जरूरत है और वहां लचीली हों जहां उन्हें जरूरत है। यह कार्य खोजने या बनाने के लिए एक स्पष्ट ब्लूप्रिंट प्रदान करता है कि सामग्रियां विशिष्ट प्रकार के तनाव को कैसे अवशोषित कर सकती हैं जबकि वे अन्य बलों के विरुद्ध कठोर बनी रहती हैं, एक ऐसी क्षमता जो पहले केवल जटिल इंजीनियरिंग के माध्यम से ही संभव थी।
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