Study on the crystallographic orientation dependent electrochemical corrosion rates of platinum.

परमाणु दुनिया का अदृश्य कवच

कल्पना कीजिए कि एक ऐसी दुनिया जहाँ किसी सामग्री की मजबूती केवल इस बात पर निर्भर नहीं करती कि वह किस चीज़ से बनी है, बल्कि इस पर भी कि उसके नन्हे निर्माण खंड (building blocks) कैसे व्यवस्थित हैं। यह क्रिस्टलोग्राफी (crystallography) का क्षेत्र है, जो इस बात का अध्ययन है कि परमाणु एक दीवार में ईंटों की तरह कैसे एक के ऊपर एक रखे जाते हैं। इस सूक्ष्म शहर में, हर सतह का एक विशिष्ट "चेहरा" या ओरिएंटेशन होता है, ठीक वैसे ही जैसे एक घन (cube) का एक शीर्ष, एक पार्श्व और एक सामने का भाग होता है। कुछ सतहें परमाणुओं से इतनी घनी भरी होती हैं जैसे कि एक भीड़भाड़ वाली मेट्रो कार, जबकि अन्य अधिक खुली और विरल होती हैं, जैसे कि एक पार्क की बेंच।

अब, कल्पना कीजिए कि ये परमाणु एक संक्षारक सूप (corrosive soup) में रह रहे हैं, जैसे कि नींबू के रस का स्नान जो उन्हें मिटाने की कोशिश कर रहा है। यह इलेक्ट्रोकेमिकल जंग (electrochemical corrosion) है। दशकों से, वैज्ञानिक जानते हैं कि कुछ धातुएं दूसरों की तुलना में तेज़ी से जंग खाती हैं, लेकिन उन्होंने यह भी संदेह किया है कि यहाँ तक कि एक ही धातु, जैसे कि ईंधन सेल और गहनों में इस्तेमाल होने वाला चमकदार, महंगा प्लैटिनम, अलग-अलग गति से घुल सकता है, यह इस बात पर निर्भर करता है कि कौन सा "चेहरा" एसिड के संपर्क में है। यह कुछ ऐसा ही है जैसे लकड़ी का दरवाज़ा उस तरफ से तेज़ी से सड़ सकता है जो बारिश की ओर हो, बजाय उस तरफ के जो धूप की ओर हो। यह समझना कि कौन से परमाणु चेहरे सबसे कठिन हैं, बहुत महत्वपूर्ण है क्योंकि प्लैटिनम स्वच्छ ऊर्जा तकनीक में एक सुपरस्टार है; यदि यह बहुत तेज़ी से घुल जाता है, तो हमारे भविष्य को चलाने वाली मशीनें काम करना बंद कर सकती हैं।

परमाणु जासूसी की कहानी: सबसे पहले किसे खाया जाएगा?

इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने सूक्ष्म जासूसों की भूमिका निभाई ताकि यह पता लगाया जा सके कि प्लैटिनम क्रिस्टल के कौन से चेहरे वास्तव में सबसे मजबूत हैं। उन्होंने केवल धातु के टुकड़े को एसिड में डुबोकर इंतज़ार नहीं किया; इसके बजाय, उन्होंने "फर्स्ट-प्रिंसिपल्स कैलकुलेशन" नामक एक शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया (इसे एक अत्यंत सटीक डिजिटल माइक्रोस्कोप के रूप में समझें जो बिना वास्तव में छुए परमाणुओं के व्यवहार को देख सकता है)। उन्होंने प्लैटिनम की नौ अलग-अलग डिजिटल मॉडल बनाईं, जिनमें घने, चिकने चेहरों से लेकर ऊबड़-खाबड़, खुले चेहरों तक शामिल थे, और एक सरल प्रश्न पूछा: "यदि हम आपको अम्लीय स्नान में रखें, तो आप कितनी तेज़ी से गायब हो जाएंगे?"

शोधकर्ताओं ने पाया कि उत्तर पूरी तरह से परमाणु व्यवस्था के "व्यक्तित्व" पर निर्भर करता है। उन्होंने पाया कि प्लैटिनम (111) सतह एक परम बॉडीगार्ड है। यह सबसे घनी, सबसे स्थिर और घुलने में सबसे कठिन है। दूसरी ओर, प्लैटिनम (401) सतह सबसे कमज़ोर कड़ी है। यह एक खुला, हाई-इंडेक्स चेहरा है जिसमें बहुत सारे कोने और दरारें हैं जहाँ परमाणु कम सुरक्षित होते हैं, जिससे इसे एसिड द्वारा सबसे पहले खाया जाता है।

इसे देखने के लिए, कल्पना करें कि प्लैटिनम के परमाणु एक मंच पर नर्तक हैं। (111) के नर्तक एक हाथ पकड़कर एक तंग, अटूट घेरे में हैं, जिससे "एसिड राक्षसों" के लिए एक को अलग करना बहुत कठिन हो जाता है। (404) के नर्तक दूर-दूर खड़े होकर हाथ हिला रहे हैं, जिससे एसिड के लिए उन्हें एक-एक करके मंच से झपट लेना आसान हो जाता है। अध्ययन ने जंग लगने की दर को सबसे धीमी (बेहतर) से सबसे तेज़ (खराब) के क्रम में इस प्रकार रखा: (111) < (221) < (211) < (110) < (100) < (210) < (321) < (311) < (401)। सरल शब्दों में, (111) चेहरा जंग प्रतिरोध का चैंपियन है, जबकि (401) चेहरा सबसे अधिक संवेदनशील है।

लेकिन कहानी केवल परमाणुओं को घुलते हुए देखने पर समाप्त नहीं होती। शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि ये सतहें हाइड्रोजन के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती हैं, जो एक गैस है जो जंग की प्रक्रिया के दौरान बुलबुलों के रूप में ऊपर आती है। उन्होंने पाया कि (111) सतह हाइड्रोजन को खुद से चिपकने देने और फिर उसे छोड़ने (एक प्रक्रिया जिसे हाइड्रोजन इवोल्यूशन रिएक्शन कहा जाता है) में भी सबसे खराब है। पता चलता है कि जो सतहें हाइड्रोजन को पकड़कर रखने में अच्छी हैं (जैसे कि (100) और (311) चेहरे), वे तेज़ी से घुल जाती हैं। यह एक ऐसे नृत्य की तरह है जहाँ साथी जो बहुत कसकर पकड़ते हैं, वे अंततः लड़खड़ाकर गिर जाते हैं। अध्ययन बताता है कि जिन सतहों में सबसे स्थिर परमाणु संरचना और हाइड्रोजन के साथ "बिल्कुल सही" मात्रा में संपर्क होता है, वे ही सबसे लंबे समय तक जीवित रहती हैं।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि उनका डिजिटल जासूसी कार्य केवल एक कल्पना नहीं था, टीम वास्तविक दुनिया में गई। उन्होंने असली प्लैटिनम का एक टुकड़ा लिया, उसे पॉलिश किया, और एक मिनट के लिए उसे नमकीन, अम्लीय घोल में डुबो दिया। फिर, उन्होंने दो उच्च-तकनीकी उपकरणों का उपयोग किया: एक क्रिस्टल चेहरों को मैप करने के लिए (EBSD) और दूसरा एसिड के काम करने के बाद पीछे छूटे हुए सूक्ष्म टीलों और घाटियों को मापने के लिए (AFM)। परिणाम उनके कंप्यूटर अनुमानों के साथ बिल्कुल मेल खाते थे। असली धातु पर (111) के दाने (grains) ऊंचे और गर्वित बने रहे, एसिड द्वारा लगभग अछूते। हालाँकि, (100) और (110) के दानों को काफी घिसा हुआ पाया गया, जैसे कि उन्हें चबाया गया हो।

पेपर निष्कर्ष निकालता है कि प्लैटिनम का जंग प्रतिरोध कोई यादृच्छिक दुर्घटना नहीं है; यह सीधे तौर पर इस बात का परिणाम है कि परमाणुओं को कैसे व्यवस्थित किया गया है। यदि आप एक ऐसा प्लैटिनम इलेक्ट्रोड बनाना चाहते हैं जो ईंधन सेल में लंबे समय तक चले, तो आपको इसे इस तरह से इंजीनियर करना चाहिए कि कठिन, (111) चेहरे ही एसिड की ओर हों। यह अध्ययन वैज्ञानिकों के लिए एक नया "मानचित्र" प्रदान करता है, जो उन्हें दिखाता है कि कौन से परमाणु चेहरे सबसे मजबूत हैं, जिससे उन्हें स्वच्छ ऊर्जा क्रांति के लिए बेहतर, लंबे समय तक चलने वाली सामग्रियां डिजाइन करने में मदद मिलती है। जबकि कंप्यूटर सिमुलेशन ने विस्तृत रैंकिंग दी, वास्तविक दुनिया के प्रयोगों ने पुष्टि की कि परमाणु नृत्य के नियम रसायन विज्ञान की इस अस्त-व्यस्त, गीली दुनिया में भी सच साबित होते हैं।