Liquid-mediated mechanosynthesis of Zn-BDC coordination polymers via water- and DMF-assisted ball milling

कल्पना कीजिए कि एक ऐसी दुनिया है जहाँ सूक्ष्म, अत्यंत मजबूत संरचनाओं का निर्माण करने के लिए बुलबुले वाले बीकरों और गैलनों सॉल्वेंट से भरी किसी अस्त-व्यस्त केमिस्ट्री लैब की आवश्यकता नहीं है। इसके बजाय, कल्पना कीजिए कि आप उन्हें बस एक जार में हिलाकर बना सकते हैं। यह मैकेनोकेमिस्ट्री (mechanochemistry) का क्षेत्र है, जो विज्ञान की एक ऐसी शाखा है जो भौतिक बल—जैसे पीसना, कुचलना या हिलाना—का उपयोग करके रसायनों को प्रतिक्रिया करने के लिए करती है। इसे स्मूदी बनाने जैसा समझें: आप सामग्री को ब्लेंडर में डालते हैं और घूमने वाले ब्लेड उन्हें तब तक आपस में टकराते हैं जब तक कि वे एक नई चीज़ में विलीन न हो जाएं। विज्ञान के इस विशिष्ट कोने में, शोधकर्ता मेटल-ऑर्गेनिक मैटेरियल्स (MOMs) में रुचि रखते हैं। आप इन्हें सूक्ष्म, स्पंज जैसी पिंजरियों के रूप में देख सकते हैं जो धातु के परमाणुओं से बनी होती हैं और जिन्हें कार्बनिक "स्ट्रट्स" (struts) द्वारा जोड़ा जाता है। ये स्पंज अविश्वसनीय रूप से उपयोगी हैं क्योंकि वे कार्बन डाइऑक्साइड जैसी गैसों को पकड़ सकते हैं या हाइड्रोजन ईंधन को स्टोर कर सकते हैं। आमतौर पर, वैज्ञानिक इन स्पंजों को पानी या अन्य तरल पदार्थों में सामग्री को घोलकर और क्रिस्टल के बढ़ने का इंतजार करके बनाते हैं, लेकिन इस विधि से बहुत अधिक कचरा पैदा होता है। मैकेनोकेमिस्ट्री एक स्वच्छ, तेज़ विकल्प प्रदान करती है, लेकिन इसमें एक पेच है: कभी-कभी, केवल सामग्री को हिलाना सही आकार प्राप्त करने के लिए पर्याप्त नहीं होता है। सवाल यह है कि क्या होगा यदि आप मिश्रण में तरल की बस एक छोटी सी बूंद डाल दें? क्या यह एक जादुई गोंद की तरह काम करेगा, या यह रेसिपी को बिगाड़ देगा?

यह शोध पत्र इसी सटीक प्रश्न का अध्ययन करके गहराई में जाता है कि जिंक और BDC नामक अणु से बने एक विशिष्ट प्रकार के आणविक स्पंज को कैसे बनाया जाए। शोधकर्ताओं ने यह देखना चाहा कि विभिन्न तरल पदार्थ—विशेष रूप से पानी और DMF नामक एक रसायन—कैसे परिणाम को बदलते हैं जब वे सामग्री को पीसने के लिए बॉल मिल (एक उच्च गति वाला शेकर) का उपयोग करते हैं। उन्होंने पाया कि तरल का प्रकार एक ट्रैफिक पुलिसकर्मी की तरह कार्य करता है, जो परमाणुओं को पूरी तरह से अलग संरचनाएं बनाने के लिए निर्देशित करता है। यदि वे केवल पानी का उपयोग करते, तो परमाणु एक सरल, एक-आयामी (one-dimensional) श्रृंखला बनाते, जैसे मोतियों की एक एकल माला। यदि वे DMF का उपयोग करते, तो परमाणु एक जटिल, 2D शीट बनाने की कोशिश करते, लेकिन वे अक्सर भ्रमित हो जाते और दो अलग-अलग आकारों के मिश्रण का निर्माण करते। हालाँकि, असली सफलता तब मिली जब उन्होंने दोनों तरल पदार्थों को मिलाया। पानी और DMF के अनुपात को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, उन्होंने एक "स्वीट स्पॉट" (सही संतुलन) खोज निकाला जहाँ परमाणु भ्रमित होना बंद हो गए और उन्होंने वांछित 2D स्पंज का एक आदर्श, शुद्ध संस्करण बनाया, जिसे MOF-2 कहा जाता है। यह पत्र पुष्टि करता है कि यह "तरल की एक बूंद के साथ हिलाने" की विधि एक ऐसा पदार्थ बनाती है जो पारंपरिक, अस्त-व्यस्त तरल स्नान वाले तरीकों से बने पदार्थों की तरह ही गैस को पकड़ने में सक्षम है।

हिलाने वाले जार की कहानी

कल्पना कीजिए कि आप एक सूक्ष्म शहर बनाने की कोशिश कर रहे एक मास्टर बिल्डर हैं। आपके निर्माण ब्लॉक जिंक परमाणु और BDC अणु हैं। पुराने दिनों में, आप इन ब्लॉक्स को पानी के एक विशाल पूल में घोल देते और फिर उनके एक-दूसरे को खोजने और आपस में जुड़ने का इंतजार करते। लेकिन इसमें बहुत समय लगता है और यह बहुत गंदगी छोड़ देता है। इसलिए, आप एक नया दृष्टिकोण आज़माने का निर्णय लेते हैं: आप अपने ब्लॉक्स को एक भारी स्टील की गेंद के साथ एक जार में डालते हैं और उसे बहुत तेज़ी से हिलाना शुरू कर देते है। यह बॉल मिलिंग (ball milling) है। आप ब्लॉक्स को प्रतिक्रिया करने के लिए मजबूर करने के लिए शुद्ध यांत्रिक ऊर्जा का उपयोग कर रहे हैं।

शुरुआत में, आप बिना किसी तरल के सूखे ब्लॉक्स को एक साथ हिलाकर देखते हैं। कुछ नहीं होता। ब्लॉक्स एक-दूसरे से टकराकर दूर हट जाते हैं। वे आपस में चिपकने से इनकार कर देते हैं। पेपर हमें बताता है कि चाहे आप जिंक ऑक्साइड का उपयोग करें या जिंक कार्बोनेट खनिज का, और चाहे आप BDC के एसिड या साल्ट रूप का उपयोग करें, यदि आप तरल नहीं जोड़ते हैं, तो प्रतिक्रिया शुरू ही नहीं होती है। यह सूखी रेत से रेत का किला बनाने की कोशिश करने जैसा है; यह अपना आकार नहीं पकड़ पाएगा।

इसके बाद, आप निर्णय लेते हैं कि कुछ बूंदें पानी डालने हैं। अचानक, ब्लॉक्स हिलने लगते हैं! लेकिन वे वह जटिल शहर नहीं बनाते जिसे आप चाहते थे। इसके बजाय, वे एक साधारण, एक-आयामी श्रृंखला बनाते हैं। यह ऐसा है जैसे पानी ने जिंक और BDC ब्लॉक्स से कहा हो, "हे, चलो बस एक सीधी रेखा में हाथ थाम लेते हैं।" पेपर दिखाता है कि पानी के साथ, आपको [Zn(BDC)(H₂O)₂] नामक एक संरचना मिलती है, जो अनिवार्य रूप से एक ज़िगज़ैग श्रृंखला है। यह एक वैध संरचना है, लेकिन यह वह शानदार 2D स्पंज नहीं है जिसकी शोधकर्ता उम्मीद कर रहे थे।

फिर, आप एक अलग तरल आज़माते हैं: DMF (एक रासायनिक विलायक)। इस बार, ब्लॉक्स उत्साहित हो जाते हैं और एक सपाट, दो-आयामी शीट बनाने की कोशिश करने लगते हैं। यह MOF-2 संरचना है, वह "शहर" जिसे आप चाहते थे। लेकिन एक समस्या है। DMF थोड़ा अधिक उत्साही है। जबकि यह MOF-2 शीट बनाने में मदद करता है, यह गलती से एक प्रतिद्वंद्वी संरचना, एक अलग 2D परत जिसे ZnBDC-2D कहा जाता है, के निर्माण को भी बढ़ावा देता है। यह एक ही यार्ड में दो अलग-अलग निर्माण टीमों के होने जैसा है; एक आदर्श शहर बना रहा है, और दूसरी उसका थोड़ा अलग संस्करण बना रही है। परिणाम दोनों 2D संरचनाओं का एक अस्त-व्यस्त मिश्रण है। भले ही आप जार को लंबे समय तक हिलाते रहें, आप प्रतिद्वंद्वी टीम को नहीं हटा सकते; वे बस आते रहते हैं।

शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि रहस्य एक तरल या दूसरे को चुनने में नहीं था, बल्कि एक मिश्रण खोजने में था। उन्होंने पानी और DMF के अनुपात के साथ प्रयोग करना शुरू किया, जार को एक ऐसी रेसिपी की तरह माना जिसे उन्हें पूर्ण बनाना था।

• जब उन्होंने बहुत अधिक पानी का उपयोग किया (जिंक:BDC:DMF:पानी के लिए 1:1:2:8 का अनुपात), तो पानी जीत गया, और उन्हें फिर से वही सरल श्रृंखला मिली।
• जब उन्होंने पानी को थोड़ा कम किया (अनुपात 1:1:2:3), तो उन्हें दोनों 2D संरचनाओं का एक अस्त-व्यस्त मिश्रण मिला।
• लेकिन जब उन्होंने 1:1:2:2 (जिंक:BDC:DMF:पानी) का जादुई अनुपात प्राप्त किया, तो अराजकता समाप्त हो गई। पानी और DMF एक पूरी तरह से समन्वित डांस टीम की तरह मिलकर काम करते हैं। पानी ने प्रतिक्रिया शुरू करने में मदद की, और DMF ने ब्लॉक्स को सही आकार में निर्देशित किया, जिससे प्रतिद्वंद्वी संरचना दब गई।

इस विशिष्ट अनुपात पर 30 मिनट तक हिलाने के बाद, उन्हें MOF-2 का एक शुद्ध नमूना मिला। कोई अस्त-व्यस्त मिश्रण नहीं, कोई साधारण श्रृंखला नहीं, बस एकदम सही 2D फ्रेमवर्क। पेपर सूक्ष्मदर्शी के नीचे पाउडर को देखकर इसकी पुष्टि करता है और लगभग 0.25 से 2 माइक्रोमीटर आकार के अनियमित क्रिस्टल देखता है।

क्या यह सफल रहा? गैस परीक्षण

संरचना बनाना एक बात है, लेकिन क्या यह वास्तव में एक स्पंज के रूप में काम करता है? यह जानने के लिए, शोधकर्ताओं ने परीक्षण किया कि उनका "हिलाकर बनाया गया" MOF-2 गैस के अणुओं को कितनी अच्छी तरह पकड़ सकता है। उन्होंने अपने "हिलाए गए" नमूने की तुलना पारंपरिक तरीके (तरल में घोलकर) से बने नमूने से की।

उन्होंने नमूनों को एक मशीन में रखा और मापा कि वे -196°C (77 K) पर कितना नाइट्रोजन (N₂) और -78°C (195 K) पर कितनी कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂) रख सकते हैं। परिणाम प्रभावशाली थे। हिलाए गए नमूने ने प्रति ग्राम लगभग 60 cm³ नाइट्रोजन और प्रति ग्राम 70 cm³ कार्बन डाइऑक्साइड को पकड़ा। ये संख्याएँ पारंपरिक नमूने के लगभग समान थीं।

उन्होंने सतह क्षेत्र (surface area) की भी गणना की—यानी सूक्ष्म छिद्रों के भीतर कुल स्थान। हिलाए गए नमूने का सतह क्षेत्र लगभग 225.9 m²/g (BET पद्धति का उपयोग करते हुए) और 249.7 m²/g (Langmuir पद्धति का उपयोग करते हुए) था। पारंपरिक नमूना बहुत करीब था, जो 216.2 m²/g और 238.5 m²/g था। यह साबित करता है कि "तरल की एक बूंद के साथ हिलाने" की विधि न केवल एक ऐसी संरचना बनाती है जो दिखने में सही है; बल्कि यह एक ऐसी संरचना बनाती है जो पुराने, अस्त-व्यस्त तरीके की तरह ही उतना ही अच्छा काम करती है।

निष्कर्ष

यह शोध पत्र दिखाता है कि आणविक स्पंज बनाने की दुनिया में, आप जो तरल जोड़ते हैं वह केवल एक सहायक नहीं है; वह निर्देशक है। यह तय करता है कि परमाणु एक सरल श्रृंखला बनाएंगे, एक अस्त-व्यस्त मिश्रण बनाएंगे, या एक पूर्ण, जटिल शीट बनाएंगे। पानी और DMF के मिश्रण को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा तरीका खोजा जिससे वे ठीक वही बना सकें जो वे चाहते थे, बिना पारंपरिक तरीकों के कचरे के। यह एक याद दिलाता है कि कभी-कभी, कुछ भी पूर्ण बनाने का रहस्य केवल सामग्री के बारे में नहीं होता, बल्कि उस तरल की सूक्ष्म मात्रा के बारे में होता है जो उन्हें आपस में तालमेल बिठाने में मदद करती है।