Large Pore-mediated deformability and mechano-molecular gating in MFI zeolites
यह अध्ययन प्रकट करता है कि शुद्ध-सिलिका MFI जिओलाइट्स Si-O-Si हिंज रोटेशन द्वारा संचालित प्रतिवर्ती चैनल दीर्घवृत्ताकारता (elliptization) के माध्यम से अप्रत्याशित बड़े पैमाने की लोच प्रदर्शित करते हैं, जो चक्रीय संपीड़न के तहत कठोर अणुओं को बनाए रखते हुए लचीले अणुओं को चुनिously बाहर निकालने के लिए एक मेकनो-गेटिंग तंत्र को सक्षम बनाता है।
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अधिकांश लोग सिरेमिक को ऐसे पदार्थों के रूप में देखते हैं जो टूटकर बिखर जाते हैं। एक कॉफी मग, एक ईंट, या कांच का एक टुकड़ा टूट जाएगा जैसे ही उसे बहुत ज़ोर से मोड़ा या दबाया जाएगा। यह भंगुरता (brittleness) सिलिकॉन-ऑक्सीजन बंधों का एक मौलिक गुण है, जो इन सामग्रियों को एक साथ जोड़ने वाले रासायनिक गोंद के रूप में कार्य करते हैं। फिर भी, प्रकृति ने ज़ियोलाइट्स (zeolites) की सूक्ष्म दुनिया के भीतर एक अलग प्रकार का सिरेमिक बनाया है। ये क्रिस्टल उन्हीं सिलिकॉन और ऑक्सीजन से बने हैं, लेकिन एक कठोर, मधुमक्खी के छत्ते जैसी संरचना में व्यवस्थित हैं जो छोटे टनल (सुरांगों) से भरी हुई है, जो इतनी छोटी हैं कि केवल व्यक्तिगत अणु ही उनके अंदर फिट हो सकते हैं। दशकों से, वैज्ञानिकों ने इन सामग्रियों का उपयोग रसायनों को छानने और औद्योगिक प्रतिक्रियाओं को तेज करने के लिए किया है, लेकिन उन्होंने हमेशा यह माना है कि ये क्रिस्टल भी एक कॉफी मग की तरह ही नाजुक होते हैं। प्रश्न यह बना हुआ था: क्या एक ऐसी सामग्री, जो कांच जैसे समान भंगुर बंधों से बनी है, वास्तव में बिना टूटे मुड़ सकती है?
त्सिंहुआ विश्वविद्यालय और ओरडोस प्रयोगशाला के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस असंभव व्यवहार को वास्तविक समय में होते हुए देखा है। उन्होंने शुद्ध-सिलिका ज़ियोलाइट, जिसे MFI के रूप में जाना जाता है, के एक एकल, सूक्ष्म क्रिस्टल को एक शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के भीतर लिया। टूटने के बजाय, क्रिस्टल अपनी मूल लंबाई के लगभग आधे हिस्से तक मुड़ गया और दब गया, और दबाव हटने पर वापस अपने मूल आकार में आ गया। यह खोज इस लंबे समय से चले आ रहे विश्वास को उलट देती है कि सिलिकॉन-ऑक्सीजन सिरेमिक स्वाभाविक रूप से भंगुर होते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि क्रिस्टल अपने आंतरिक बंधों को तोड़कर या अपने परमाणुओं को एक-दूसरे के करीब लाकर विकृत नहीं होता है। इसके बजाय, पूरी संरचना एक लचीले हिंज (कब्जा) सिस्टम की तरह कार्य करती है। क्रिस्टल के कठोर निर्माण खंड अपने कनेक्शनों के चारों ओर थोड़ा घूमते हैं, जिससे क्रिस्टल के भीतर के छोटे टनल गोल से अंडाकार और फिर वापस अपने आकार में बदल जाते हैं। यह गति तनाव को सोख लेती है, जिससे एक विनाशकारी फ्रैक्चर के बजाय एक सुचारू, प्रतिवर्ती संपीड़न (reversible squeeze) में बदल जाता है।
यह होते हुए देखने के लिए, वैज्ञानिकों ने ज़ियोलाइट के छोटे स्तंभ बनाए, जिनमें से प्रत्येक मानव बाल की चौड़ाई के बराबर था, और उन्हें एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के अंदर रखा। उन्होंने परमाणुओं के विस्थापन को देखते हुए एक डायमंड टिप के साथ इन स्तंभों को नीचे की ओर दबाया। क्रिस्टल ने 50 प्रतिशत तक के संपीड़न को सहन किया। दबाने के पहले चरण में, सामग्री एक आदर्श स्प्रिंग की तरह व्यवहार करती है, जो पूरी तरह से अपने मूल आकार में लौट आती है। यहाँ तक कि जब उन्होंने इसे और आगे तक दबाया, जहाँ अधिकांश सामग्रियाँ स्थायी रूप से विकृत हो जाती हैं, तब भी क्रिस्टल ने वापस उछलने की एक आश्चर्यजनक क्षमता बनाए रखी। केवल तभी जब दबाव अत्यधिक हो गया, संरचना अंततः ढह गई और अपना क्रिस्टलीय क्रम खो दिया। टीम ने कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ इन अवलोकनों की पुष्टि की, जिसने दिखाया कि इस लचीलेपन की कुंजी सिलिकॉन और ऑक्सीजन परमाणुओं को जोड़ने वाले "हिंज" (कब्जों) में निहित है। ये हिंज इतने लचीले हैं कि वे क्रिस्टल के कठोर टेट्राहेड्रा (tetrahedra) को घूमने की अनुमति देते हैं, जिससे बिना टूटे तनाव को समायोजित किया जा सके।
इस खोज का सबसे उल्लेखनीय हिस्सा यह है कि यह यांत्रिक संपीड़न क्रिस्टल की अन्य अणुओं को थामे रखने की क्षमता को कैसे बदल देता है। ज़ियोलाइट के भीतर के छोटे टनल का उपयोग आमतौर पर विशिष्ट रसायनों को फँसाने के लिए किया जाता है, जो एक आणविक छलनी (molecular sieve) के रूप में कार्य करते हैं। शोधकर्ताओं ने इन टनलों को दो अलग-अलग प्रकार के अणुओं से भरा: n-octane नामक एक लचीली श्रृंखला और p-xylene नामक एक कठोर रिंग। जब उन्होंने क्रिस्टल को संपीड़न और विमुक्ति के चक्रों से गुजारना शुरू किया, तो लचीले n-octane अणु केवल पांच चक्रों के भीतर टनल से बाहर निकल गए। हालाँकि, कठोर p-xylene ने बाहर निकलने से इनकार कर दिया। क्योंकि लचीला अणु बदलते हुए टनल के आकार में फिट होने के लिए मुड़ने और घूमने में सक्षम था, इसलिए यांत्रिक तनाव ने उसे बाहर धकेल दिया। कठोर अणु, टनल के बदलते आकार के साथ खुद को बदलने में असमर्थ होने के कारण, अंदर ही फंसा रहा।
यह व्यवहार यह बताता है कि अणुओं के छिद्रपूर्ण सामग्रियों के माध्यम से संचलन को नियंत्रित करने का एक नया तरीका क्या है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि यांत्रिक दबाव एक गेट (द्वार) के रूप में कार्य कर सकता है, जो चुनिकी रूप से कुछ अणुओं को मुक्त करता है जबकि अन्य को थामे रखता है। यह एक ऐसी प्रक्रिया है जहाँ क्रिस्टल को दबाने की भौतिक क्रिया इसकी आंतरिक ज्यामिति को इतना बदल देती है कि एक प्रकार के अतिथि (guest) को बाहर जाने दिया जा सके जबकि दूसरे को अंदर लॉक रखा जा सके। यह खोज केवल यह नहीं बताती कि एक विशिष्ट क्रिस्टल लचीला क्यों है; बल्कि यह प्रकट करती है कि सामग्री की यांत्रिक प्रतिक्रिया का उपयोग एक डिज़ाइन टूल के रूप में किया जा सकता है। इन परमाणु हिंज के काम करने के तरीके को समझकर, वैज्ञानिक भविष्य में ऐसे छिद्रपूर्ण ढांचे तैयार कर सकते हैं जो भौतिक तनाव का उपयोग करके अणुओं को उस सटीकता के साथ छांटने, अलग करने या मुक्त करने के लिए कर सकें जो केवल रासायनिक तरीकों से संभव नहीं है। सिरेमिक की भंगुर दुनिया का एक छिपा हुआ पक्ष है, और यह पता चला है कि सही परिस्थितियों में, सबसे कठोर सामग्रियां भी झुकना सीख सकती हैं।
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