Topology controlled frustrated solid state of ionic liquids without a detectable melting transition
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि मेटा-लिंक्ड पॉलीमर टोपोलॉजी आयनिक तरल पदार्थों की एक कुंठित (frustrated), व्यवस्थित ठोस अवस्था को स्थिर कर सकती है जो बिना किसी पता लगाने योग्य गलनांक संक्रमण के दीर्घ-परासी संरचनात्मक क्रम और आयनिक चालकता को बनाए रखती है, जो प्रभावी रूप से रासायनिक परिरोध (chemical confinement) के माध्यम से संरचनात्मक क्रम को गतिशील अवरोध (dynamical arrest) से अलग करती है।
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आयनों का महान नृत्य: जब व्यवस्था स्वतंत्रता से मिलती है
एक भीड़भाड़ वाले डांस फ्लोर की कल्पना करें। आमतौर पर, जब संगीत रुकता है, तो हर कोई एक ही जगह जम जाता है, एक कठोर, व्यवस्थित ग्रिड में लॉक हो जाता है ताकि वे एक-दूसरे से टकराने से बच सकें। पदार्थ विज्ञान (मटेरियल साइंस) की दुनिया में, अधिकांश ठोस इसी तरह व्यवहार करते हैं: परमाणु या अणु पूर्ण, दोहराते हुए पैटर्न में संरेखित होते हैं, लेकिन वे अपनी घूमने-फिरने की क्षमता खो देते हैं। यह बैटरी जैसी चीजों के लिए एक बड़ी समस्या है, जहाँ हमें आयनों (आवेशित कणों) की आवश्यकता होती है कि वे बिजली ले जाने के लिए स्वतंत्र रूप से इधर-उधर दौड़ सकें। यदि वे एक ठोस ग्रिड में फंस जाते हैं, तो बैटरी काम करना बंद कर देती है।
दूसरी ओर, "आयनिक लिक्विड" नामक विशेष तरल पदार्थ हैं। ये पूरी तरह से आवेशित कणों से बने होते हैं, इसलिए ये बिजली का संचालन करने में बहुत अच्छे होते हैं। लेकिन वे अव्यवस्थित और अराजक होते हैं; वे ठोस ग्रिड में जमने से इनकार करते हैं, बहुत कम तापमान पर भी तरल बने रहते हैं। वैज्ञानिकों का लंबे समय से मानना रहा है कि आपको या तो चुनना होगा: एक ठोस संरचना (जो स्थिर है लेकिन गति को रोकती है) या एक तरल अवस्था (जो चलती है लेकिन जिसमें संरचना का अभाव है)। बड़ा सवाल यह था: क्या हम प्रकृति को एक ऐसा पदार्थ बनाने के लिए चकमा दे सकते हैं जो पूर्णतः व्यवस्थित भी हो और अभी भी चलने में सक्षम भी हो? यह शोध पत्र ठीक यही करने के लिए एक चतुर तरीका तलाशता है, जो "फ्रस्ट्रेशन" (frustration) नामक एक अवधारणा का उपयोग करता है—जिसका विज्ञान में अर्थ है एक ऐसी स्थिति में सिस्टम को मजबूर करना जहाँ वह तय न कर सके कि उसे क्या करना है, जिससे वह एक अनूठी, 'फंसी हुई-पर-चलती-फिरती' अवस्था में बना रहता है।
शोध पत्र की कहानी: एक "फ्रस्ट्रेटेड" जाल में आयनों को फँसाना
इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं सत्ओशी ओकामोतो और जस्टिन लैंड्रो ने एक नया प्रयोग करने का निर्णय लिया। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के आयनिक तरल का उपयोग किया, जिसे BMIM–PF6 के नाम से जाना जाता है, और इसे एक विशेष रसायन meta-लिंक्ड बेंजामाइड से बने एक ठोस पॉलीमर (एक प्रकार का प्लास्टिक) के भीतर फँसाने की कोशिश की। उन्होंने उन्हें केवल आपस में मिलाया नहीं; बल्कि उन्होंने "फेज़-चेंज पॉलीमराइजेशन" नामक प्रक्रिया का उपयोग किया। इसे एक केक बनाने की तरह समझें जहाँ बैटर (तरल मोनोमर) केक (ठोस पॉलीमर) में बदल जाता है जबकि वह आयनिक तरल के पूल के अंदर ही बैठा होता है। जैसे-जैसे केक फूलता और सख्त होता है, वह तरल को अपने सूक्ष्म, सूक्ष्म कक्षों के भीतर कैद कर लेता है।
परिणाम आश्चर्यजनक थे और भौतिकी के सामान्य नियमों को चुनौती दे रहे थे। जब उन्होंने एक्स-रे (जो परमाणुओं की व्यवस्था देखने के लिए एक सुपर-पावरफुल कैमरे की तरह काम करते हैं) का उपयोग करके इस फंसे हुए तरल को देखा, तो उन्हें स्पष्ट, तीखी रेखाएं दिखाई दीं। इसका मतलब था कि आयनिक तरल ने एक अत्यधिक व्यवस्थित, क्रिस्टल जैसी संरचना बना ली थी। आमतौर पर, जब कोई चीज़ इतनी व्यवस्थित होती है, तो वह एक ठोस ईंट की तरह कार्य करती है: वह हिलती-डुलती नहीं है, और यदि आप इसे गर्म करते हैं, तो यह एक विशिष्ट तापमान पर पिघल जाती है।
हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने इस सामग्री को 320°C के भीषण तापमान तक गर्म किया, तो कुछ जादुई हुआ। एक्स-रे पैटर्न तीखे और व्यवस्थित रहे, लेकिन एक मशीन जिसे कैलोरीमीटर (जो ऊष्मा परिवर्तन को मापता है) कहा जाता है, ने बिल्कुल भी पिघलने का संकेत नहीं दिया। सामग्री पिघली नहीं, भले ही यह आयनिक तरल के सामान्य क्वथनांक से कहीं अधिक गर्म थी। यह एक ऐसा ठोस था जिसने पिघलने से इनकार कर दिया। और भी आश्चर्यजनक रूप से, जब उन्होंने परीक्षण किया कि क्या 30°C के ठंडे तापमान पर बिजली प्रवाहित हो सकती है, तो वास्तव में ऐसा हुआ! आयन अभी भी घूम रहे थे, बस एक सामान्य तरल की तरह स्वतंत्र रूप से नहीं। सामग्री ने एक "फ्रस्ट्रेटेड सॉलिड स्टेट" (frustrated solid state) प्राप्त कर लिया था: यह एक क्रिस्टल की तरह व्यवस्थित था, लेकिन इसने अपनी गति को पूरी तरह से नहीं रोका था।
आकार क्यों मायने रखता है: "मेटा" बनाम "पारा" का रहस्य
यह जानने के लिए कि क्यों ऐसा हुआ, वैज्ञानिकों ने "क्या होगा अगर" का खेल खेला। उन्होंने थोड़े अलग पॉलीमर आकार के साथ वही प्रयोग करने की कोशिश की। कल्पना करें कि पॉलीमर की चेन ट्रेन की पटरियों की तरह हैं। सफल वाली चेन में "मेटा" लिंक थे, जो थोड़े मुड़े हुए या टेढ़े-मेढ़े ट्रैक की तरह हैं। असफल वाली चेन में "पारा" लिंक थे, जो बिल्कुल सीधे थे।
जब उन्होंने सीधे "पारा" ट्रैक्स का उपयोग किया, तो आयनिक तरल ने यह विशेष व्यवस्थित अवस्था नहीं बनाई; यह केवल एक सामान्य तरल या एक अस्त-व्यस्त मिश्रण की तरह व्यवहार करता। लेकिन, उनके टेढ़ेपन वाले "मेटा" ट्रैक्स ने एक प्रकार का रासायनिक "फ्रस्ट्रेशन" पैदा किया। क्योंकि ट्रैक मुड़े हुए थे, उनके अंदर का आयनिक तरल न तो एक पूर्ण, आरामदायक क्रिस्टल में बस सका, और न ही एक तरल की तरह बेतहाशा भाग सका। यह एक बीच के रास्ते में फंस गया—एक ऐसी अवस्था जहाँ ऊर्जा का परिदृश्य (energy landscape) इतना भ्रमित करने वाला था कि आयन पूरी तरह से शांत नहीं हो सके।
शोधकर्ताओं ने एक और संस्करण का भी परीक्षण किया जहाँ पॉलीमर स्वयं एक पूर्ण क्रिस्टल नहीं था (वह अमोर्फस या अस्त-व्यस्त था)। इसके बावजूद, उसके अंदर का आयनिक तरल एक व्यवस्थित संरचना बनाने में सफल रहा। इससे पता चलता है कि रहस्य केवल प्लास्टिक के क्रिस्टल आकार में नहीं था, बल्कि रासायनिक लिंक्स की विशिष्ट "किंक्ड" (kinked) टोपोलॉजी में था। पॉलीमर का मुड़ा हुआ आकार एक सांचे की तरह कार्य करता है जो आयनों को एक अनूठी, फ्रस्ट्रेटेड व्यवस्था में मजबूर करता है।
इसका क्या अर्थ है (और क्या नहीं है)
यह शोध पत्र कुछ सामान्य स्पष्टीकरणों को स्पष्ट रूप से खारिज करता है। उन्होंने सिद्ध किया कि यह केवल एक साधारण मिश्रण नहीं था जहाँ कुछ तरल ठोस टुकड़ों के बीच की दरारों में फंसा हुआ था; यदि वे विशेष बेकिंग प्रक्रिया के बिना दोनों सामग्रियों को मिला देते, तो यह जादू नहीं होता। उन्होंने यह भी दिखाया कि यह एक "ग्लास" (एक जमा हुआ तरल जो कभी क्रिस्टलीकृत नहीं होता) नहीं था, क्योंकि एक्स-रे ने स्पष्ट, तीखी व्यवस्था दिखाई, न कि एक धुंधला बिखराव। और यह निश्चित रूप से एक सामान्य क्रिस्टल भी नहीं था, क्योंकि सामान्य क्रिस्टल गर्म करने पर पिघल जाते हैं, और यह नहीं पिघला।
इसके बजाय, लेखक सुझाव देते हैं कि पॉलीमर एक "फ्रस्ट्रेशन-डोमिनेटेड एनर्जी लैंडस्केप" बनाता है। कल्पना करें कि एक गेंद एक ऐसे पहाड़ से नीचे लुढ़क रही है जिसमें हजारों छोटे, भ्रमित करने वाले घाटियाँ हैं। गेंद (आयनिक तरल) पूरी तरह से नीचे (एक पूर्ण क्रिस्टल) तक नहीं पहुँच सकती, लेकिन वह ऊपर (एक तरल) पर भी नहीं रह सकती। वह एक ऐसी घाटी में फंस जाती है जहाँ वह थोड़ा हिल-डुल सकती है लेकिन बाहर नहीं निकल सकती। यह सामग्री को उसकी दीर्घकालिक व्यवस्था (तीखी एक्स-रे रेखाएं) बनाए रखने में मदद करता है, जबकि अभी भी आयनों को बिजली का संचालन करने के लिए पर्याप्त रूप से कूदने-फांदने की अनुमति देता है।
यह अध्ययन पुष्टि करता है कि यह अवस्था वास्तविक है और 320°C तक स्थिर है, जिसमें आयनिक तरल लगभग 10 wt% है। 30°C पर मापी गई चालकता 3.7 × 10⁻⁵ S cm⁻¹ थी। हालांकि यह एक शुद्ध तरल की तुलना में कम है, लेकिन यह उस ठोस पॉलीमर की तुलना में काफी अधिक है जिसमें कोई आयन नहीं होता। शोधकर्ता नोट करते हैं कि हालांकि वे आयनों के सटीक सूक्ष्म मार्ग (चाहे वे व्यवस्थित ब्लॉकों के माध्यम से कूदते हैं या किनारों के साथ फिसलते हैं) को नहीं जानते हैं, लेकिन वे आश्वस्त हैं कि यह इस सीमित, फ्रस्ट्रेटेड वातावरण के भीतर होता है।
यह कार्य यह दावा नहीं करता है कि इसने अभी तक सभी बैटरी समस्याओं को हल कर दिया है, लेकिन यह एक नया डिज़ाइन सिद्धांत प्रदान करता है: एक पॉलीमर की आकृति और टोपोलॉजी को नियंत्रित करके, हम ऐसे पदार्थ बना सकते हैं जो ठोस और चालक दोनों हों, जो इस पुराने नियम को तोड़ते हैं कि आपको व्यवस्था और गति में से किसी एक को चुनना होगा। यह एक शहर बनाने के तरीके को खोजने जैसा है जहाँ सड़कें पूरी तरह से ग्रिड में व्यवस्थित हैं, लेकिन कारें ट्रैफिक में फंसे बिना इधर-उधर चल सकती हैं।
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