Electrically Tunable Selectivity Enhancement Overcomes the Permeability-Selectivity Trade-off in Two-dimensional Nanofluidic Channels
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि टू-डायमेंशनल नैनोफ्लुइडिक चैनलों पर एक बाहरी विद्युत क्षेत्र लगाने से आयन हाइड्रेशन शैल (ion hydration shells) को पुनरorient करके नमक के रिजेक्शन को जल प्रवाह से समझौता किए बिना 99.5% तक बढ़ाने के माध्यम से पारंपरिक पारगम्यता-चयनात्मकता (permeability-selectivity) के व्यापार-समझौते (trade-off) को दूर किया जा सकता है, जो कि विभिन्न आयनों और सामग्रियों के माध्यम से आणविक गतिशीलता (molecular dynamics) सिमुलेशन द्वारा सत्यापित एक तंत्र है।
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जैसे-जैसे जनसंख्या बढ़ रही है और जलवायु बदल रही है, मीठा पानी मिलना कठिन होता जा रहा है, जिससे खारे समुद्री जल को पीने योग्य तरल में बदलने की क्षमता मानवता के लिए एक महत्वपूर्ण लक्ष्य बन गई है। आज इसे करने का सबसे आम तरीका रिवर्स ऑस्मोसिस (प्रतिलोम परासरण) है, एक ऐसी प्रक्रिया जो पानी को एक पतली, अर्ध-पारगम्य झिल्ली (मेम्ब्रेन) के माध्यम से धकेलती है। यह झिल्ली एक बहुत ही महीन छलनी की तरह कार्य करती है, जो पानी के अणुओं को गुजरने देती है जबकि घुले हुए नमक को रोक देती है। हालाँकि, दशकों से, वैज्ञानिक एक निराशाजनक सीमा से जूझ रहे हैं जिसे पारगम्यता (permeability) और चयनात्मकता (selectivity) के बीच का समझौता (trade-off) कहा जाता है। सरल शब्दों में, यदि झिल्ली को पानी को बहुत तेज़ी से गुजरने देने के लिए बनाया जाता है, तो आमतौर पर यह बहुत अधिक नमक को भी अंदर आने देती है। यदि इसे नमक को पूरी तरह से रोकने के लिए बनाया जाता है, तो पानी का प्रवाह एक धीमी धार में बदल जाता है। इस बाधा ने साफ पानी की लागत को उच्च रखा है और फिल्ट्रेशन सिस्टम की दक्षता को सीमित कर दिया है। शोधकर्ताओं ने इन समान आकार के छिद्रों को बनाकर इसे हल करने की कोशिश की है, लेकिन बड़े क्षेत्रों में इन छोटे, सुसंगत छेदों को बनाना अविश्वसनीय रूप से कठिन और महंगा है।
नानजिंग यूनिवर्सिटी ऑफ एयरोनॉटिक्स एंड एस्ट्रोनॉटिक्स के शोधकर्ताओं का एक नया अध्ययन एक अलग मार्ग सुझाता है जो बेहतर छेद बनाने पर निर्भर नहीं है, बल्कि मौजूदा छेदों के भीतर आयनों के व्यवहार को बदलने के लिए बिजली का उपयोग करने पर आधारित है। टीम ने यह देखने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया कि ग्राफीन (एक ऐसी सामग्री जो केवल एक परमाणु मोटी है) की दो परतों से बने एक सूक्ष्म चैनल के माध्यम से पानी और नमक कैसे चलते हैं। उन्होंने पाया कि इस चैनल के आर-पार एक बाहरी विद्युत क्षेत्र (electric field) लागू करके, वे पानी की गति को धीमा किए बिना नमक को रोकने की झिल्ली की क्षमता में नाटकीय रूप से सुधार कर सकते हैं। उनके सिमुलेशन में, नमक के अस्वीकरण की दर लगभग 84 प्रतिशत से बढ़कर 99.5 प्रतिशत हो गई, जो कि व्यावहारिक उपयोग के लिए बहुत कम है, और यह स्तर सर्वोत्तम व्यावसायिक फिल्टरों के तुलनीय है। महत्वपूर्ण रूप से, जिस गति से पानी चैनल के माध्यम से प्रवाहित हुआ वह उच्च बना रहा और विद्युत क्षेत्र से अपरिवर्तित रहा। यह खोज उस लंबे समय से चली आ रही बाधा को तोड़ने का एक तरीका सुझाती है जिसने डिसेलिनेशनेशन (अलवणीकरण) तकनीक को प्रभावित किया है।
यह समझने के लिए कि यह कैसे काम करता है, व्यक्ति को यह देखना होगा कि जब एक नमक आयन एक संकीर्ण स्थान से गुजरने की कोशिश करता है तो उसके साथ क्या होता है। नमक के आयन, जैसे कि सोडियम या क्लोराइड, नग्न कण नहीं होते; वे हमेशा पानी के अणुओं के एक कवच से घिरे होते हैं जो उनसे मजबूती से चिपके रहते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक सुरक्षात्मक कोट। बिना विद्युत क्षेत्र वाले एक मानक फिल्टर में, आयन के चैनल में प्रवेश करने के लिए मुख्य बाधा इन पानी के अणुओं में से कुछ को त्यागने के लिए आवश्यक ऊर्जा है। शोधकर्ताओं ने पाया कि जबकि यह प्राकृतिक बाधा कुछ नमक को रोकती है, यह अधिकांश को रोकने के लिए पर्याप्त मजबूत नहीं है। इस अध्ययन में सफलता तब मिली जब उन्होंने विद्युत क्षेत्र चालू किया। आयनों को केवल दूर धकेलने के बजाय, इस क्षेत्र ने आयन के सुरक्षात्मक कवच में मौजूद पानी के अणुओं को पुनर्गठित (reorient) कर दिया।
सिमुलेशन से पता चला कि विद्युत क्षेत्र ने आयन से चिपके पानी के अणुओं की संख्या को नहीं बदला, न ही उन्हें हटाया। इसके बजाय, इसने इन पानी के अणुओं की व्यवस्था को मरोड़ दिया। इस पुनर्गठन ने आयन और उसके अपने पानी के कोट के बीच विद्युत आकर्षण को मजबूत कर दिया, जिससे प्रभावी रूप से वह "कोट" भारी और संकीर्ण चैनल से खींचना कठिन हो गया। यह ऐसा है जैसे विद्युत क्षेत्र ने पानी के अणुओं की पकड़ को कस दिया हो, जिससे एक बहुत अधिक ऊर्जा अवरोध पैदा हुआ जिसे आयन आसानी से पार नहीं कर सका। इस बीच, शुद्ध पानी के अणु, जिनमें कोई आवेश (charge) नहीं होता, इस मरोड़ने वाले बल से अप्रभावित रहे और चैनल के माध्यम से स्वतंत्र रूप से बहते रहे। शोधकर्ताओं ने यह गणना करके पुष्टि की कि आयनों को चैनल से गुजरने के लिए कितनी ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जिसमें पाया गया कि विद्युत क्षेत्र के साथ नमक के लिए ऊर्जा अवरोध काफी बढ़ गया जबकि पानी के लिए अवरोध कम रहा।
अध्ययन इस बात की जांच करने में कठोर था कि क्या यह प्रभाव वास्तविक था या केवल कंप्यूटर मॉडल की कोई विचित्रता। शोधकर्ताओं ने समुद्री जल में पाए जाने वाले विभिन्न प्रकार के नमक आयनों की जांच की, जिसमें सोडियम, पोटेशियम, कैल्शियम, मैग्नीशियम और क्लोराइड एवं ब्रोमाइड के विभिन्न रूप शामिल थे। हर मामले में, विद्युत क्षेत्र ने ऊर्जा अवरोध को बढ़ाया, जिससे पता चलता है कि यह विधि समुद्री जल के सभी प्रमुख आयनों के लिए काम करती है। उन्होंने ग्राफीन, हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड और ग्राफीन ऑक्साइड सहित विभिन्न चैनल सामग्रियों का भी परीक्षण किया, और पाया कि यह प्रभाव उन सभी पर सत्य है। इसके अलावा, उन्होंने सत्यापित किया कि यह परिणाम केवल विद्युत क्षेत्र द्वारा आयनों को पानी के प्रवाह के विरुद्ध धकेलने या दीवारों के खिलाफ फंसाने के कारण नहीं था। सिमुलेशन ने दिखाया कि प्रभाव विशेष रूप से संकुचित स्थान और विद्युत क्षेत्र के बीच की अंतःक्रिया से आया, जिसने आयनों के आसपास के पानी की आंतरिक संरचना को बदल दिया।
यह खोज एक नए प्रकार के फिल्ट्रेशन डिवाइस के द्वार खोलती है जहाँ चयनात्मकता को वास्तविक समय में ट्यून किया जा सकता है। विद्युत क्षेत्र की शक्ति को समायोजित करके, एक सिस्टम को अलग-अलग मात्रा में नमक को गुजरने देने के लिए प्रोग्राम किया जा सकता है, जिससे फिल्टर्ड पानी की सांद्रता पर सटीक नियंत्रण प्राप्त किया जा सकता है। शोधकर्ता इस तकनीक को न केवल डिसेलिनेशनेशन के लिए, बल्कि उन्नत इलेक्ट्रोकेमिकल सिस्टम जैसे कि लिथियम-आयन बैटरी के लिए भी उपयोग करने की कल्पना करते हैं, जहाँ इलेक्ट्रोलाइट्स की सांद्रता को नियंत्रित करना प्रदर्शन और सुरक्षा के लिए महत्वपूर्ण है। हालांकि ये परिणाम कंप्यूटर सिमुलेशन से आए हैं और अभी तक इन्हें भौतिक उपकरण में नहीं बदला गया है, लेकिन विभिन्न सामग्रियों और आयनों के बीच निष्कर्षों की निरंतरता एक मजबूत भौतिक सिद्धांत का सुझाव देती है। यह कार्य वर्तमान झिल्लियों की सीमाओं को पार करने के लिए एक आशाजनक रणनीति प्रदान करता है, जो संभावित रूप से बिजली का उपयोग करके हर घुले हुए कण के चारों ओर मौजूद पानी के अदृश्य कोट को नियंत्रित करके मिश्रणों को अलग करने और पानी को शुद्ध करने के तरीके को बदल सकता है।
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