Hydrazine reduced Ni-Cu nanostructures varying crystallinity for Knoevenagel catalysis and H 2 S sensing

सामग्री विज्ञान की दुनिया में, शोधकर्ता अक्सर बड़ी समस्याओं को हल करने के लिए रोजमर्रा की धातुओं के सबसे छोटे संभव संस्करणों की ओर देखते हैं। जब निकल और कॉपर जैसी धातुओं को नैनोमीटर के पैमाने पर सिकोड़ा जाता है, तो वे अपने थोक (bulk) समकक्षों की तुलना में अलग व्यवहार करती हैं, जिससे उन्हें रासायनिक प्रतिक्रियाओं को तेज करने या विशिष्ट गैसों का पता लगाने की नई क्षमताएं प्राप्त होती हैं। यह क्षेत्र इस विचार पर निर्भर करता है कि इन धातुओं को सटीक तरीकों से आपस में मिलाकर, वैज्ञानिक ऐसे हाइब्रिड पदार्थ बना सकते हैं जो दोनों के सर्वोत्तम गुणों को जोड़ते हैं। लक्ष्य ऐसे सतहों को इंजीनियर करना है जो कुशल उत्प्रेरक (catalysts) के रूप में कार्य करें, जिससे अणुओं को उपयोगी यौगिक बनाने के लिए आपस में जुड़ने में मदद मिले, या संवेदनशील सेंसर के रूप में कार्य करें जो हवा में खतरनाक प्रदूषकों का पता लगा सकें। चुनौती यह है कि इन नन्हे कणों के बनने, बढ़ने और अपने वातावरण के साथ परस्पर क्रिया करने के तरीके को सटीक रूप से नियंत्रित किया जाए, क्योंकि रेसिपी में मामूली बदलाव भी उनकी आंतरिक संरचना और प्रदर्शन को बदल सकता है।

सावित्रीबाई फुले पुणे विश्वविद्यालय, भारत की शोधकर्ताओं की एक टीम ने निकल और कॉपर नैनोस्ट्रक्चर को मिलाकर एक नए प्रकार का हाइब्रिड पदार्थ बनाने का लक्ष्य रखा। उनका उद्देश्य एक ऐसा पदार्थ बनाना था जो दो अलग-अलग उद्देश्यों को पूरा कर सके: जटिल कार्बनिक अणुओं के निर्माण में मदद करने के लिए एक उत्प्रेरक के रूप में कार्य करना और हाइड्रोजन सल्फाइड (एक जहरीली गैस जो औद्योगिक सेटिंग्स में अक्सर पाई जाती है) का पता लगाने के लिए एक सेंसर के रूप में कार्य करना। इन कणों को बनाने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक अत्यधिक क्षारीय घोल में हाइड्राजीन (एक शक्तिशाली अपचायक एजेंट) का उपयोग करते हुए एक रासायनिक विधि का उपयोग किया। उन्होंने निकल और कॉपर के दो अलग-अलग अनुपातों को मिलाया, और कणों को बहुत जल्दी आपस में जुड़ने से रोकने के लिए साइट्रेट नामक एक स्थिरीकरण एजेंट (stabilizing agent) जोड़ा। प्रक्रिया को सरल और प्रभावी बनाने के लिए डिज़ाइन किया गया था, जो इस रासायनिक प्रतिक्रिया पर निर्भर थी कि धातुओं को घोल से बाहर निकाला जाए और ठोस, नैनो-आकार की संरचनाएं बनाई जाएं।

परिणामी सामग्रियां एक समान मिश्र धातु नहीं थीं, बल्कि निकल और कॉपर का एक जटिल मिश्रण थीं जो आंशिक रूप से ऑक्सीकृत हो गई थीं, जिसका अर्थ है कि उनकी सतहों पर कुछ ऑक्सीजन मौजूद था। जब शोधकर्ताओं ने एक्स-रे विवर्तन (X-ray diffraction) का उपयोग करके इन कणों की आंतरिक संरचना की जांच की, तो उन्होंने पाया कि छोटे क्रिस्टलीय क्षेत्रों का आकार काफी हद तक शुरुआती रेसिपी पर निर्भर करता है। जब उन्होंने अधिक निकल वाले मिश्रण का उपयोग किया, तो क्रिस्टलीय क्षेत्र बड़े हो गए, जो 40 और 45 नैनोमीटर के बीच पहुंचे। इसके विपरीत, बराबर मात्रा में निकल और कॉपर वाले मिश्रण ने छोटे क्रिस्टलीय क्षेत्र उत्पन्न किए, जो केवल 18 से 20 नैनोमीटर के थे। यह आंतरिक संरचना का अंतर महत्वपूर्ण था क्योंकि इससे पता चलता कि शुरुआती मिश्रण में निकल की मात्रा सीधे तौर पर इस बात को प्रभावित करती थी कि कण उनके बनने के दौरान खुद को कैसे व्यवस्थित करते हैं। शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि सूक्ष्मदर्शी के नीचे देखने पर, कण लगभग 93 से 97 नैनोमीटर के अनियमित, दानेदार गुच्छों के रूप में दिखाई दिए, जो कई छोटे क्रिस्टलीय क्षेत्रों के आपस में जुड़े होने से बने थे।

इस नई सामग्री के लिए प्रमुख परीक्षणों में से एक 'क्नोवेनागल कंडेनसेशन' (Knoevenagel condensation) नामक एक विशिष्ट रासायनिक प्रतिक्रिया के लिए उत्प्रेरक के रूप में इसकी क्षमता थी। इस प्रतिक्रिया में, एक एरोमैटिक एल्डिहाइड को मैलोनोनाइट्राइल नामक यौगिक के साथ मिलाया जाता है ताकि एक नया अणु बनाया जा सके जिसमें एक डबल बॉन्ड हो, यह प्रक्रिया विभिन्न फार्मास्यूटिकल्स और रंगों को बनाने में उपयोगी है। शोधकर्ताओं ने अपने निकल-कॉपर पाउडर की एक छोटी मात्रा को मैलोनोनाइट्राइल और एल्डिहाइड युक्त घोल में डाला और इसे धीरे से गर्म किया। यह सामग्री उल्लेखनीय रूप से प्रभावी रही, जिससे प्रतिक्रिया केवल 10 से 20 मिनट में पूरी हो गई। वांछित उत्पाद की प्राप्ति बहुत उच्च रही, जिसमें शुरुआती सामग्रियों का 93 प्रतिशत सफलतापूर्वक अंतिम यौगिक में परिवर्तित हो गया। टीम ने इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके उत्पाद की पहचान की पुष्टि की, जिसने उन विशिष्ट रासायनिक बंधों का पता लगाया जो केवल तभी बनते हैं जब प्रतिक्रिया सफल होती है। इसने प्रदर्शित किया कि निकल-कॉपर कणों की आंशिक रूप से ऑक्सीकृत सतह हल्के वातावरण में भी प्रतिक्रिया को कुशलतापूर्वक चलाने के लिए पर्याप्त सक्रिय थी।

अपनी उत्प्रेरक क्षमताओं के अलावा, इस सामग्री ने हाइड्रोजन सल्फाइड गैस के लिए एक सेंसर के रूप में भी आशाजनक परिणाम दिखाए। शोधकर्ताओं ने परीक्षण किया कि इथेनॉल और कार्बन डाइऑक्साइड सहित विभिन्न गैसों के संपर्क में आने पर सामग्री के विद्युत प्रतिरोध (electrical resistance) में कैसे बदलाव आता है। उन्होंने पाया कि सेंसर का प्रदर्शन तापमान पर अत्यधिक निर्भर था। कम तापमान पर, प्रतिक्रिया कमजोर थी, लेकिन जैसे ही उन्होंने सामग्री को 160 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया, हाइड्रोजन सल्फाइड के प्रति इसकी संवेदनशीलता चरम पर पहुंच गई। इस इष्टतम तापमान पर, सेंसर ने एक मजबूत प्रतिक्रिया दिखाई, जिसमें गैस के संपर्क में आने पर इसके विद्युत गुणों में 77.23 प्रतिशत का परिवर्तन हुआ। यह परिवर्तन तेजी से हुआ, जिसमें अधिकतम सिग्नल तक पहुंचने में लगभग 39 से 45 सेकंड लगे, और गैस को हटाने के बाद सेंसर लगभग 48 सेकंड में अपनी सामान्य स्थिति में वापस आ गया। महत्वपूर्ण रूप से, सामग्री चयनात्मक थी; इसने इथेनॉल या कार्बन डाइऑक्साइड जैसी अन्य सामान्य गैसों की तुलना में हाइड्रोजन सल्फाइड के प्रति बहुत अधिक मजबूती से प्रतिक्रिया की, जिससे पता चलता कि यह जहरीली गैस को बैकग्राउंड शोर से अलग कर सकती है।

इन उत्साहजनक परिणामों के बावजूद, शोधकर्ता अपने अध्ययन की सीमाओं और आगे की जांच की आवश्यकता को लेकर सतर्क रहे। उन्होंने उल्लेख किया कि कणों की सतह की संरचना शुरुआती धातुओं के अनुपात से पूरी तरह मेल नहीं खाती है, जो यह दर्शाता कि अंतिम सामग्री एक सरल, समान मिश्र धातु के बजाय एक जटिल, बहु-चरणीय (multiphase) संरचना है। टीम ने इस बात पर जोर दिया कि हालांकि सामग्री में बहुत क्षमता है, लेकिन इसे व्यावहारिक उपयोग के लिए तैयार माने जाने से पहले अधिक कठोर परीक्षण की आवश्यकता है। भविष्य के कार्यों को शुरुआती रेसिपी और अंतिम संरचना के बीच के सटीक संबंध को समझने के साथ-साथ सामग्री की दीर्घकालिक स्थिरता और पुन: उपयोग करने की क्षमता का परीक्षण करने पर ध्यान केंद्रित करने की आवश्यकता है। यह अध्ययन एक ठोस 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' प्रदान करता है कि ये हाइड्राजीन-कम किए गए निकल-कॉपर नैनोस्ट्रक्चर कई कार्य कर सकते हैं, लेकिन यह यह भी रेखांकित करता है कि प्रयोगशाला की खोज से एक विश्वसनीय औद्योगिक उपकरण तक का रास्ता बहुत अधिक विस्तृत सत्यापन की मांग करता है।