Reticulating Local Dynamics in Three-Dimensional Covalent Organic Frameworks
सिनक्रोट्रॉन एक्स-रे पेयर डिस्ट्रीब्यूशन फंक्शन विश्लेषण के साथ मशीन लर्निंग-त्वरित आणविक गतिशीलता सिमुलेशन को संयोजित करके, यह अध्ययन प्रकट करता है कि कैसे तीन-आयामी सहसंयोजक कार्बनिक ढांचों (कोवेलेंट ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क्स) में निर्माण इकाइयों की ज्यामिति और कठोरता को बदलकर स्थानीय लिंकर गतिकी और इंटर-लिंकर कपलिंग को ट्यून किया जाता है, जो अतिथि अधिशोषण (गेस्ट एडसॉर्प्शन) और यांत्रिक प्रतिक्रिया को नियंत्रित करने के लिए एक डिज़ाइन ब्लूप्रिंट स्थापित करता है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जो ईंटों और गारे से नहीं, बल्कि आपस में जुड़े हुए छोटे, कठोर ज्यामितीय आकारों से बनी है जो विशाल, छिद्रपूर्ण मचान (scaffolds) बनाते हैं। ये संरचनाएं, जिन्हें कोवेलेंट ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क्स (covalent organic frameworks) के रूप में जाना जाता है, पूरी तरह से कार्बन, नाइट्रोजन और ऑक्सीजन जैसे हल्के तत्वों से बनी होती हैं, जो मजबूत रासायनिक बंधों द्वारा एक साथ जुड़ी होती हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से इन सामग्रियों को विशिष्ट आकार और आकार देने के लिए डिजाइन करने में सक्षम रहे हैं, जिससे वे गैसों को पकड़ने, पानी को छानने या उत्प्रेरक (catalysts) के रूप में कार्य करने के लिए उत्कृष्ट उम्मीदवार बन जाते हैं। वर्षों तक, ध्यान स्थिर वास्तुकला पर रहा है: छेदों का आकार, सुरंगों का स्वरूप और ढांचे की समग्र स्थिरता। हालांकि, वास्तविक दुनिया में कोई भी सामग्री वास्तव में कभी स्थिर नहीं होती। जिस तरह एक इमारत हवा में थोड़ा डगमगाती है या एक पुल यातायात के नीचे झुकता है, ये आणविक ढांचे भी हिलते हैं, झुकते हैं और बदलते हैं। यह समझना कि इन सूक्ष्म हिस्सों की गति कैसे होती है, अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि यह गति निर्धारित करती है कि मेहमान अणु, जैसे कि गैस के अणु, कितनी आसानी से प्रवेश कर सकते हैं, यात्रा कर सकते हैं या उनके भीतर फंस सकते हैं। अब तक, इन आंतरिक हिस्सों की सटीक गति को समझना दूर से गिटार के तार के कंपन को देखने जैसा था; उपलब्ध उपकरण आपको वाद्य यंत्र का आकार तो बता सकते थे, लेकिन उसके तारों की सूक्ष्म, तीव्र गतियों को नहीं।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब तीन-आयामी कोवेलेंट ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क्स में इन छिपी हुई गतिविधियों को देखने का एक तरीका विकसित किया है। उन्होंने दो विशिष्ट सामग्रियों पर ध्यान केंद्रित किया जो अपनी रचना में लगभग समान हैं, जिनमें एक सामान्य बिल्डिंग ब्लॉक साझा है, लेकिन उन्हें जोड़ने के लिए उपयोग किए जाने वाले दूसरे ब्लॉक के आकार और कठोरता में अंतर है। एक सामग्री एक सपाट, शीट जैसी अणु का उपयोग करके बनाई गई थी जो एक कठोर, बारह-कोणीय हब (hub) के रूप में कार्य करती है। दूसरी सामग्री एक सघन, तीन-आयामी अणु का उपयोग करके बनाई गई थी जो एक छह-कोणीय हब के रूप में कार्य करती है। केवल इस एक घटक को बदलकर, शोधकर्ताओं ने दो अलग-अलग आंतरिक ज्यामिति वाले फ्रेमवर्क बनाए। इसके भीतर क्या होता है, इसका अवलोकन करने के लिए, उन्होंने दो शक्तिशाली तकनीकों को मिलाया। पहले, उन्होंने एक विशाल कण त्वरक (particle accelerator) से उच्च-ऊर्जा एक्स-रे का उपयोग किया ताकि सामग्री के प्रत्येक परमाणु के बीच की दूरी को मापा जा सके, जिससे स्थानीय संरचना का एक विस्तृत मानचित्र तैयार हुआ। दूसरा, उन्होंने मशीन लर्निंग द्वारा निर्देशित उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया ताकि यह देखा जा सके कि ये परमाणु समय के साथ कैसे चलते हैं। इस संयोजन ने उन्हें अणुओं के कठोर, फ्यूज्ड कोर की गति को उनसे जुड़े हुए डैंगलिंग रिंग्स (dangling rings) की फड़फड़ाने वाली गति से अलग करने की अनुमति दी।
शोधकर्ताओं ने पाया कि अणुओं के कठोर कोर लगभग बिल्कुल नहीं हिले, जो एक इमारत के केंद्रीय स्तंभों की तरह लगभग स्थिर रहे। हालांकि, कोर से लटके हुए रिंग्स काफी स्वतंत्रता के साथ झूमते और झुकते थे। उस सामग्री में जिसमें सपाट, शीट जैसा हब था, दो अलग-अलग प्रकार के बिल्डिंग ब्लॉक्स पर मौजूद डैंगलिंग रिंग्स एक-दूसरे से बहुत अलग तरह से हिले। सपाट हब वाले रिंग कुछ हद तक प्रतिबंधित थे, जबकि दूसरे ब्लॉक के रिंग व्यापक रूप से झूमते थे। इसने भागों के बीच एक बेमेल स्थिति पैदा कर दी। लेकिन जब शोधकर्ताओं ने सपाट हब को सघन, तीन-आयामी हब से बदल दिया, तो व्यवहार एक आश्चर्यजनक तरीके से बदल गया। नए हब पर रिंग बहुत अधिक स्वतंत्र रूप से झूमने लगे, और अधिक महत्वपूर्ण बात यह है कि दोनों बिल्डिंग ब्लॉक्स की गति सिंक्रोनाइज़ (एक साथ) हो गई। स्वतंत्र रूप से हिलने के बजाय, पड़ोसी हिस्से समन्वयित होकर हिलने लगे, और एक सह-संबंधित (correlated) तरीके से एक साथ चलने लगे।
इस समन्वय का छिद्रों (pores) पर सीधा प्रभाव पड़ा, जो वे खाली स्थान हैं जहाँ अणु यात्रा करते हैं। पहले सामग्री में, छिद्र एकसमान थे, लेकिन हिलने वाले हिस्सों के बीच समन्वय की कमी के कारण छिद्रों की दीवारें कुछ हद तक असंबद्ध तरीके से हिलीं। दूसरी सामग्री में, बिल्डिंग ब्लॉक्स की सिंक्रोनाइज़्ड गति का अर्थ था कि छिद्रों की दीवारें एक साथ हिलीं। इस बढ़ी हुई गति के बावजूद, छिद्रों का आकार और आकृति उल्लेखनीय रूप से स्थिर रही, जो गति के दौरान विकृत या ध्वस्त नहीं हुई। यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि किसी सामग्री की गति न केवल एक एकल अणु का गुण है, बल्कि इस बात का परिणाम है कि वह अणु अपने पड़ोसियों के साथ कैसे अंतःक्रिया करता है। एक विशिष्ट साथी को चुनने के माध्यम से, वैज्ञानिक अब पूरे फ्रेमवर्क के लचीलेपन और बदलाव को नियंत्रित कर सकते हैं। यह अंतर्दृष्टि उन सामग्रियों को डिजाइन करने के लिए एक नया ब्लूप्रिंट प्रदान करती है जिन्हें व्यावहारिक उपयोग के लिए आवश्यक संरचनात्मक अखंडता खोए बिना, स्थानीय रूप से कठोर बनाया जा सकता है या आने वाले अणुओं के अनुकूल होने के लिए स्थानीय रूप से गतिशील बनाया जा सकता है।
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