Theoretical Prediction of Superconducting 2D Hydrogenated Janus V2CSH and Nb2CSH MXenes

दो-आयामी (two-dimensional) सामग्रियां परमाणुओं की इतनी पतली परतें होती हैं जो केवल एक परमाणु जितनी मोटी होती हैं, फिर भी उनमें वे गुण होते हैं जो उसी पदार्थ के अधिक मोटे संस्करणों में नहीं होते। इनमें से, MXenes नामक एक परिवार ने अपनी बिजली संचालित करने की क्षमता और ऊर्जा संचय की अपनी संभावना के लिए महत्वपूर्ण ध्यान आकर्षित किया है। ये सामग्रियां आमतौर पर एक बड़े क्रिस्टल से परतों को अलग करके बनाई जाती हैं, जिससे पीछे एक ऐसी सतह बचती है जो अक्सर ऑक्सीजन या फ्लोरीन जैसे विभिन्न परमाणुओं से ढकी होती है। ये सतही परमाणु एक त्वचा की तरह कार्य करते हैं, जो मौलिक रूप से सामग्री के व्यवहार को बदल देते हैं। हाल ही में, वैज्ञानिक 'जेनस' (Janus) संरचना नामक एक विशिष्ट भिन्नता में रुचि लेने लगे हैं, जिसका नाम दो-मुँही रोमन देवता के नाम पर रखा गया है। इन परतों में, दोनों पक्ष एक-दूसरे से भिन्न होते हैं, जिसमें एक चेहरा एक प्रकार के परमाणु से ढका होता है और विपरीत चेहरा दूसरे प्रकार के परमाणु से। यह विषमता एक अद्वितीय आंतरिक वातावरण बनाती है जिसे नए इलेक्ट्रॉनिक प्रभाव उत्पन्न करने के लिए ट्यून किया जा सकता है, जिसमें बिना किसी प्रतिरोध के बिजली संचालित करने की सैद्धांतिक क्षमता भी शामिल है, जिसे अतिचालकता (superconductivity) कहा जाता है।

एक नए अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने यह पता लगाने का प्रयास किया कि यह जेनस डिज़ाइन हाइड्रोजन और सल्फर के मिश्रण से ढकी हुई वैनेडियम (vanadium) और नियोबियम (niobium) नामक दो विशिष्ट धातुओं के साथ कैसे काम कर सकता है। शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, टीम ने इन सामग्रियों की एकल परतों का मॉडल बनाया ताकि यह देखा जा सके कि क्या वे एकजुट रहेंगी और वे बिजली का संचालन कैसे करेंगी। उन्होंने पाया कि वैनेडियम-आधारित और नियोबियम-आधारित दोनों परतें स्थिर थीं और सामान्य परिस्थितियों में बिखरेंगी नहीं। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि अध्ययन भविष्यवाणी करता है कि दोनों सामग्रियां अतिचालक (superconductors) हो सकती हैं, जिसका अर्थ है कि वे शून्य ऊर्जा हानि के साथ विद्युत धारा प्रवाहित कर सकती हैं, लेकिन केवल अत्यंत कम तापमान पर। अध्ययन ने खुलासा किया कि जबकि दोनों सामग्रियां यह क्षमता दिखाती हैं, नियोबियम युक्त सामग्री अधिक प्रभावी अतिचालक है, जो अपने वैनेडियम समकक्ष की तुलना में उच्च तापमान पर इस अवस्था को बनाए रखने में सक्षम है।

शोधकर्ताओं ने इन दो परतों के परमाणु मॉडल का निर्माण करके शुरुआत की। प्रत्येक परत में कार्बन परमाणुओं की एक केंद्रीय परत होती है जो धातु के परमाणुओं की दो परतों के बीच सैंडविच की तरह दबी होती है। शीट के एक तरफ, धातु के परमाणु सल्फर से बंधे होते हैं, जबकि दूसरी ओर, वे हाइड्रोजन से बंधे होते हैं। यह व्यवस्था शीट के आर-पार एक स्थायी विद्युत असंतुलन पैदा करती है, जो बिल्कुल एक बैटरी की तरह है जिसके एक सकारात्मक और एक नकारात्मक पक्ष होता है, जो दो अलग-अलग चेहरों का सीधा परिणाम है। सिमुलेशन ने दिखाया कि इन परतों में परमाणु मजबूती से जुड़े हुए हैं और सिम्युलेटेड वातावरण में कमरे के तापमान तक गर्म करने पर भी सामग्रियां स्थिर रहती हैं। टीम ने चुंबकत्व (magnetism) की भी जांच की, जो अक्सर अतिचालकता में हस्तक्षेप करता है, और पाया कि किसी भी सामग्री में कोई चुंबकीय व्यवहार नहीं था, जो अतिचालक अवस्था के उभरने के लिए एक अनुकूल स्थिति है।

जब वैज्ञानिकों ने इन परतों के माध्यम से बिजली के प्रवाह की जांच की, तो उन्होंने पाया कि दोनों सामग्रियां धातुओं की तरह कार्य करती हैं, जिनमें इलेक्ट्रॉन स्वतंत्र रूप से बहते हैं। बिजली का प्रवाह मुख्य रूप से धातु के परमाणुओं की परिक्रमा करने वाले इलेक्ट्रॉनों द्वारा संचालित होता है। हालांकि, दोनों सामग्रियां एक जैसी नहीं हैं। नियोबियम वाली शीट में वैनेडियम की तुलना में परमाणुओं के बीच थोड़ी अधिक दूरी है, एक ऐसा अंतर जो यह बदल देता है कि इलेक्ट्रॉन और कंपन करने वाले परमाणु एक-दूसरे के साथ कैसे अंतःक्रिया करते हैं। यही अंतःक्रिया इन सामग्रियों में अतिचालकता की कुंजी है। एक सामग्री के अतिचालक बनने के लिए, इलेक्ट्रॉनों को जोड़े बनाने चाहिए और परमाणुओं के जालक (lattice) से टकराए बिना उनके माध्यम से गुजरना चाहिए। यह युग्मन परमाणुओं के स्वयं के कंपनों द्वारा सुगम बनाया जाता है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि इलेक्ट्रॉन इन कंपनों के साथ कितनी मजबूती से जुड़ते हैं और पाया कि नियोबियम शीट का वैनेडियम शीट की तुलना में अधिक मजबूत संबंध है।

यह मजबूत संबंध उस उच्च तापमान की ओर ले जाता है जिस पर सामग्री के अतिचालक होने की भविष्यवाणी की जाती है। अध्ययन भविष्यवाणी करता है कि वैनेडियम-आधारित शीट 2.36 केल्विन के तापमान पर अतिचालक बन जाएगी, जो परम शून्य (absolute zero) के ठीक ऊपर है। हालांकि, नियोबियम-आधारित शीट के 5.27 केल्विन पर अतिचालक होने की भविष्यवाणी की गई है। हालांकि ये तापमान अविश्वसनीय रूप से ठंडे हैं, लेकिन तथ्य यह है कि नियोबियम संस्करण उच्च तापमान पर काम करता है, यह महत्वपूर्ण है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस प्रभाव का मुख्य चालक धातु और सल्फर परमाणुओं के निम्न-ऊर्जा कंपन हैं। ये भारी परमाणु धीरे कंपन करते हैं, और यही विशिष्ट गतियाँ सामग्री के अतिचालक बनने की क्षमता में लगभग 77 प्रतिशत योगदान देती हैं। हल्के हाइड्रोजन और कार्बन परमाणु इस प्रक्रिया में बहुत छोटी भूमिका निभाते हैं।

निष्कर्ष बताते हैं कि एक ही जेनस संरचना के भीतर एक धातु को दूसरी धातु से बदलकर, वैज्ञानिक इन सामग्रियों के अतिचालक गुणों को सूक्ष्मता से नियंत्रित (fine-tune) कर सकते हैं। अध्ययन इस विचार को खारिज करता है कि दोनों सामग्रियां केवल इसलिए समान व्यवहार करेंगी क्योंकि वे एक ही आकार और सतही परमाणुओं को साझा करती हैं; इसके बजाय, धातु का विशिष्ट चयन अतिचालक प्रभाव की शक्ति को निर्धारित करता है। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि सामग्रियां यांत्रिक रूप से मजबूत हैं, जिसका अर्थ है कि वे सख्त हैं और खिंचाव के प्रति प्रतिरोधी हैं, जो उनके किसी भी भविष्य के व्यावहारिक उपयोग के लिए महत्वपूर्ण है। हालांकि ये परिणाम वर्तमान में कंप्यूटर सिमुलेशन पर आधारित हैं और अभी तक प्रयोगशाला में निर्मित नहीं किए गए हैं, लेकिन गणनाएं एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करती हैं कि यदि इन सामग्रियों का संश्लेषण किया जाता है तो क्या उम्मीद की जाए। यह कार्य रेखांकित करता है कि नियोबियम-आधारित जेनस MXene भविष्य के निम्न-तापमान अनुप्रयोगों के लिए एक विशेष रूप से आशाजनक उम्मीदवार है, जो अनुकूलित विद्युत गुणों वाली दो-आयामी क्वांटम सामग्रियों को डिजाइन करने का एक नया मार्ग प्रदान करता है।