Effect of Polydispersity on the Morphological Symmetry of Poly(methyl methacrylate)-block-polystyrene Copolymer Films
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि दो-चरणीय RAFT पॉलीमराइजेशन के माध्यम से संश्लेषित PMMA-b-PS डाइब्लॉक कोपोलिमर फिल्मों में पॉली(मिथाइल मेथैक्रिलेट) ब्लॉक की पॉलीडिस्पर्सिटी बढ़ाने से एक मध्यवर्ती मिश्रित चरण के माध्यम से लैमेलर से क्यूबिक समरूपता में रूपात्मक संक्रमण प्रेरित होता है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जो ईंटों से नहीं, बल्कि अणुओं की लंबी, उलझी हुई जंजीरों से बनी है। सामग्री विज्ञान (materials science) के क्षेत्र में, इन जंजीरों को अक्सर ब्लॉक को-पॉलिमर के रूप में डिज़ाइन किया जाता है, जहाँ एक प्रकार के आणविक खंड को दूसरे से रासायनिक रूप से जोड़ा जाता है। चूँकि दोनों खंड एक-दूसरे को नापसंद करते हैं, ठीक वैसे ही जैसे तेल और पानी, वे अलग होने की कोशिश करते हैं। हालाँकि, क्योंकि वे आपस में बंधे हुए हैं, वे पूरी तरह से अलग नहीं हो सकते। इसके बजाय, वे एक समझौते पर पहुँचते हैं, और खुद को अत्यधिक व्यवस्थित, सूक्ष्म पैटर्न में व्यवस्थित करते हैं। ये पैटर्न सपाट परतों, सिलेंडरों या गोलों का रूप ले सकते हैं, जिससे एक सटीक आंतरिक वास्तुकला वाला पदार्थ बनता है। वैज्ञानिक इन संरचनाओं में गहरी रुचि रखते हैं क्योंकि इनका आकार यह निर्धारित करता है कि सामग्री कैसे व्यवहार करती है, जो उन्नत फिल्टर से लेकर अगली पीढ़ी की कंप्यूटर चिप्स तक सब कुछ इंजीनियर करने का एक तरीका प्रदान करता है। दशकों से, शोधकर्ता जानते हैं कि इन आणविक जंजीरों की लंबाई और उनकी लंबाई एक-दूसरे से कितनी भिन्न है, यह अंतिम पैटर्न निर्धारित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है।
मॉस्को के ए. एन. नेस्मेयानोव इंस्टीट्यूट ऑफ ऑर्गेनोएलिमेंट कंपाउंड्स के शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में, विशेष रूप से इस बात पर ध्यान केंद्रित करते हुए कि जंजीरों की लंबाई में विविधता, जिसे पॉलीडिस्पर्सिटी (polydispersity) कहा जाता है, इन सूक्ष्म पैटर्न की समरूपता को कैसे बदलती है, इस संबंध को खोजने का प्रयास किया। उन्होंने एक सामान्य जोड़ी सामग्रियों के साथ काम किया: पॉली(मिथाइल मेथैक्रिलेट) और पॉलिस्टायरीन। इन ब्लॉक को-पॉलीमर्स को सावधानीपूर्वक संश्लेषित करके, उन्होंने तीन अलग-अलग नमूने बनाए। प्रत्येक नमूने में, दोनों प्रकार के ब्लॉक लगभग समान मात्रा में मौजूद थे, लेकिन पॉली(मिथाइल मेथैक्रिलेट) की जंजीरों की लंबाई उनकी एकरूपता में भिन्न थी। एक नमूने में जंजीरें लगभग एक ही लंबाई की थीं, जबकि अन्य में छोटी और लंबी जंजीरों का मिश्रण था, और तीसरे नमूने में लंबाई की सबसे अधिक विविधता थी। शोधकर्ताओं ने फिर इन मिश्रणों को पतली फिल्मों में बदला और उनके भीतर बनने वाली संरचनाओं को देखने के लिए शक्तिशाली इमेजिंग तकनीकों का उपयोग किया।
परिणामों ने जंजीरों की लंबाई की विविधता द्वारा संचालित एक स्पष्ट और आश्चर्यजनक परिवर्तन का खुलासा किया। जब जंतियाँ लंबाई में लगभग समान थीं, तो सामग्री ने ताश की गड्डी के समान, सपाट परतों के एक क्लासिक, व्यवस्थित ढेर के रूप में खुद को व्यवस्थित किया, जिसमें परतों के बीच लगभग 67 नैनोमीटर की दोहराव वाली दूरी थी। यह ऐसे संतुलित मिश्रण के लिए अपेक्षित व्यवहार है। हालाँकि, जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने जंजीरों की लंबाई में अधिक विविधता पेश की, संरचना बदलने लगी। मध्यम मिश्रण वाले नमूने में, पूर्ण परतें टूट गईं। एक एकल समान पैटर्न के बजाय, फिल्म दो अलग-अलग दुनियाओं का एक जटिल मिश्रण बन गई: कुछ क्षेत्रों ने सपाट परतों को बरकरार रखा, जबकि अन्य ने छोटे, गोल गोले बनाए।
जब जंजीरों की लंबाई में विविधता को और अधिक बढ़ाया गया, तो सपाट परतें पूरी तरह से गायब हो गईं। सामग्री पूरी तरह से पुनर्गठित हुई, जिसने गोलाकार गोलों के मैट्रिक्स बनाने के लिए स्तरीय संरचना को त्याग दिया। इस अंतिम अवस्था में, गोल डोमेन (domains), जिनका व्यास लगभग 58 नैनोमीटर था, एक निरंतर पृष्ठभूमि में बिखरे हुए थे। शोधकर्ताओं ने देखा कि जंजीरों की लंबाई जितनी अधिक विविध होती गई, सामग्री उतनी ही अधिक अंदर की ओर मुड़ती गई, जो सपाट शीट से गोल गेंदों की ओर बढ़ी। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि लंबी जंजीरें डोमेन के केंद्र में फैल जाती हैं जबकि छोटी जंजीरें सीमाओं के पास भीड़ लगा लेती हैं, जिससे प्रभावी रूप से इंटरफेस को एक वक्र (curve) में खींच लिया जाता है।
टीम ने एक्स-रे स्कैटरिंग का उपयोग करके इन दृश्य अवलोकनों की पुष्टि की, जो एक तकनीक है जो सामग्री की आंतरिक संरचना को मापती है कि एक्स-रे कैसे टकराते हैं। डेटा छवियों के साथ पूरी तरह मेल खाता है, जो लेयर्ड नमूने के लिए एक एकल, तीक्ष्ण शिखर (peak) और मिश्रित एवं गोलाकार नमूनों के लिए व्यापक, भिन्न पैटर्न दिखाता है। यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि केवल आणविक जंजीरों की एकरूपता को बदलकर ही सामग्री की आंतरिक ज्यामिति को सपाट परतों से गोलों में बदला जा सकता है। यह निष्कर्ष बताता है कि वैज्ञानिकों को सामग्री की संरचना को बदलने के लिए उसके रासायनिक संयोजन या जंजीरों की कुल लंबाई को बदलने की आवश्यकता नहीं है; वे लंबाई के वितरण को नियंत्रित करके वही परिणाम प्राप्त कर सकते हैं। यह विशिष्ट टोपोलॉजिकल गुणों वाले विशिष्ट सामग्रियों को डिजाइन करने का एक नया, सुलभ तरीका प्रदान करता है, जिससे भविष्य की तकनीकी आवश्यकताओं के लिए अनुकूलित जटिल सूक्ष्म संरचनाओं का निर्माण संभव होता है।
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