Electrophotographic Nano-Patterning in Solution

सूक्ष्म दुनिया को समझना अक्सर एक हथौड़े से पोर्ट्रेट पेंट करने की कोशिश करने जैसा महसूस होता है। दशकों से, वैज्ञानिक सूक्ष्म कणों, अणुओं और जीवित कोशिकाओं को सटीक पैटर्न में व्यवस्थित करने के तरीकों पर निर्भर रहे हैं, लेकिन ये तकनीकें अक्सर धीमी, महंगी या नाजुक सामग्रियों के लिए बहुत कठोर होती हैं। पारंपरिक दृष्टिकोणों के लिए अक्सर वैक्यूम चैंबर, जहरीले रसायनों या जटिल मशीनरी की आवश्यकता होती है जो उन जैविक नमूनों को नष्ट कर सकती है जिनका अध्ययन शोधकर्ता करना चाहते हैं। इसका परिणाम यह है कि जो हम कंप्यूटर पर डिजाइन कर सकते हैं और जिसे हम वास्तव में प्रयोगशाला में बना सकते हैं, उनके बीच एक अंतर पैदा हो जाता है, विशेष रूप से जब लक्ष्य धातु नैनोकणों से लेकर जीवित बैक्टीरिया तक, विभिन्न प्रकार की सामग्रियों से बड़ी, जटिल संरचनाएं बनाना हो।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस अंतर को पाटने का एक नया तरीका पेश किया है, एक ऐसी विधि जो एक अदृश्य ब्रश की तरह काम करती है, जो केवल प्रकाश और बिजली का उपयोग करके सीधे एक तरल घोल से पैटर्न पेंट करती है। यह तकनीक, जिसे वे इलेक्ट्रोफोटोग्राफिक नैनो-पैटर्निंग (electrophotographic nano-patterning) कहते हैं, उन्हें एक नाखून जितने बड़े क्षेत्र में 140 नैनोमीटर की सटीकता के साथ—जो लगभग एक वायरस की चौड़ाई है—सामग्रियों को व्यवस्थित करने की अनुमति देती है। पिछली विधियों के विपरीत, जो उच्च नमक सांद्रता (salt concentrations) के साथ संघर्ष करती हैं या कणों को अपनी जगह पर बनाए रखने के लिए निरंतर शक्ति की आवश्यकता होती है, यह नई प्रक्रिया साधारण पानी और यहाँ तक कि नमकीन घोलों में भी काम करती है जो एक जीवित शरीर के भीतर के वातावरण की नकल करते हैं। सबसे आश्चर्यजनक बात यह है कि प्रकाश और बिजली बंद होने के बाद भी पैटर्न स्थिर रहता है, जिससे चुनी गई सामग्री से बनी एक स्थायी, उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाली छवि पीछे रह जाती है।

प्रक्रिया एक विशेष सबस्ट्रेट (substrate) से शुरू होती है, जो हाइड्रोजनयुक्त अनाकार सिलिकॉन (hydrogenated amorphous silicon) की एक पतली परत है, जो एक प्रकाश-संवेदनशील कैनवास के रूप में कार्य करता है। इस सतह पर आवेशित पॉलिमर (charged polymers) की एक पतली फिल्म चढ़ाई जाती है, जो अनिवार्य रूप से एक आणविक त्वचा है जो विद्युत आवेश धारण कर सकती है। जब शोधकर्ता इस सतह पर एक डिजिटल प्रकाश पैटर्न चमकाते हैं, तो सिलिकॉन केवल वहीं चालक (conductive) हो जाता है जहाँ प्रकाश पड़ता है। इसके बाद वे अल्टरनेटिंग करंट (alternating current) बिजली का एक संक्षिप्त विस्फोट लागू करते हैं। प्रकाश और बिजली का यह संयोजन पॉलिमर कोटिंग के सतही आवेश (surface charge) में परिवर्तन को प्रेरित करता है, लेकिन केवल प्रकाशित क्षेत्रों में।

इसके बाद क्या होता है, यह सामान्य इलेक्ट्रोस्टैटिक्स के नियमों को चुनौती देता है। सामान्यतः, विपरीत आवेश आकर्षित करते हैं और समान आवेश प्रतिकर्षण करते हैं। हालाँकि, इस प्रणाली में, शोधकर्ताओं ने देखा कि मूल पॉलिमर कोटिंग के समान विद्युत आवेश वाले कण ही प्रकाश वाले क्षेत्रों की ओर आकर्षित होते हैं। उदाहरण के लिए, यदि सतह सकारात्मक आवेश के साथ शुरू होती है, तो समाधान से धनात्मक आवेश वाले कण उन स्थानों की ओर उमड़ पड़ेंगे जहाँ प्रकाश चमक रहा है। टीम ने पाया कि यह आकर्षण एक जटिल अंतःक्रिया द्वारा संचालित है जहाँ प्रकाश और बिजली सतह की ध्रुवीयता (polarity) को अस्थायी रूप से उलट देते हैं, जिससे वे कणों को पकड़ लेते हैं और मजबूती से थाम लेते हैं। एक बार जब कण जम जाते हैं, तो सतही आवेश स्थिर हो जाता है, और बिजली कट जाने के बाद भी पैटर्न अपनी जगह पर लॉक रहता है।

इस विधि की बहुमुखी प्रतिभा उल्लेखनीय है। शोधकर्ताओं ने सामग्रियों की एक विस्तृत श्रृंखला का उपयोग करके पैटर्न सफलतापूर्वक पेंट किए, जिससे यह सिद्ध हुआ कि वस्तु का आकार मायने नहीं रखता। उन्होंने 200-नैनोमीटर के प्लास्टिक गोले, 10-नैनोमीटर के सोने के कण और यहाँ तक कि लंबी चांदी की नैनोवायर भी व्यवस्थित कीं। उन्होंने कार्बन नैनोट्यूब और ग्राफीन ऑक्साइड शीट के साथ प्रिंटिंग की। शायद सबसे प्रभावशाली बात यह है कि वे जीवित बैक्टीरिया, विशेष रूप से बैसिलस सबटिलिस (Bacillus subtilis) को बिना मारे पैटर्न करने में सफल रहे। बैक्टीरिया प्रक्रिया के बाद भी जीवित और स्वस्थ रहे, जो यह सुझाव देता है कि प्रकाश की कोमलता और बिजली का संक्षिप्त विस्फोट नाजुक जैविक जीवन के अनुकूल है। उन्होंने डीएनए स्ट्रैंड्स और विशिष्ट एंटीबॉडीज को भी पैटर्न किया, जो वे प्रोटीन हैं जिनका उपयोग प्रतिरक्षा प्रणाली खतरों की पहचान करने के लिए करती है, जिससे जटिल परीक्षणों के लिए जटिल व्यवस्था बनाने का मार्ग प्रशस्त होता है।

इस तकनीक का एक शक्तिशाली पहलू इसकी गहराई और शेडिंग (shading) के साथ चित्र बनाने की क्षमता है, बिल्कुल एक फोटोग्राफ की तरह। यह नियंत्रित करके कि प्रकाश कितनी देर तक चमकता है और बिजली के कितने विस्फोट लागू किए जाते हैं, शोधकर्ता यह समायोजित कर सकते हैं कि एक विशिष्ट स्थान पर कितने कण उतरते हैं। एक संक्षिप्त विस्फोट कणों का विरल बिखराव बनाता है, जो हल्का दिखाई देता है, जबकि एक लंबा विस्फोट सघन क्लस्टर बनाता है, जो गहरा दिखाई देता है। इस सिद्धांत का उपयोग करते हुए, उन्होंने गर्ल विद अ पर्ल ईयररिंग (Girl with a Pearl Earring) और अपोलो 13 चंद्रमा लैंडिंग के एक दृश्य जैसे प्रसिद्ध चित्रों को केवल छोटे कणों का उपयोग करके पुन: बनाया। उन्होंने इसे मूल छवि को आठ अलग-अलग ग्रे शेड्स में तोड़कर और उन्हें क्रमिक रूप से प्रोजेक्ट करके हासिल किया, जिससे कणों का घनत्व अंतिम चित्र बनाने की अनुमति मिली।

यह विधि पैटर्न को मिटाने और फिर से लिखने का एक तरीका भी प्रदान करती है। प्रारंभिक पेंटिंग के बाद बिजली के विस्फोटों का एक विशिष्ट क्रम लागू करके, शोधकर्ताओं ने पाया कि वे कणों को सतह से धीरे से उठा सकते हैं, जिससे प्रभावी रूप से डिज़ाइन को मिटाया जा सकता है। यह एक पुनर्गठनीय (reconfigurable) प्रक्रिया की अनुमति देता है जहाँ एक पैटर्न को हटाया जा सकता है और एक नए के साथ बदला जा सकता है, या एक ही समाधान के भीतर एक के ऊपर एक नई परत लगाई जा सकती है। उन्होंने एक बहु-स्तरीय संरचना बनाकर इसका प्रदर्शन किया, पहले एक आधार परत पेंट की, उसके कुछ हिस्सों को मिटाया, और फिर उसी समाधान के भीतर एक नई परत के ऊपर पेंट किया।

इस तकनीक का एक महत्वपूर्ण लाभ उच्च-नमक वाले वातावरण में काम करने की इसकी क्षमता है। मौजूदा विधियों में से कई सूक्ष्म कणों को हेरफेर करने में नमक के घोलों में विफल रहती हैं क्योंकि नमक के आयन उन विद्युत बलों को ढंक (shield) देते हैं जो कणों को चलाने के लिए आवश्यक होते हैं। हालाँकि, यह नई तकनीक ऐसी स्थितियों में फलती-फूलती है, जो फॉस्फेट-बफ़र्ड सैलिन (phosphate-buffered saline) में प्रभावी ढंग से काम करती है, जो मानव शरीर के तरल पदार्थों की नकल करने वाला एक मानक घोल है। यह सुझाव देता है कि इस विधि का उपयोग जैविक सेटिंग्स में सीधे सामग्रियों को पैटर्न करने के लिए किया जा सकता है, जिससे चिकित्सा उपकरणों या डायग्नोस्टिक चिप्स को जीवित प्रणाली के भीतर जटिल रसायन विज्ञान के साथ संचालित करने की संभावना खुलती है।

शोधकर्ताओं ने तकनीक की सटीकता की सीमाओं का भी पता लगाया। विभिन्न चौड़ाई की रेखाओं को प्रिंट करके और परिणामों को मापकर, उन्होंने निर्धारित किया कि यह विधि 140 नैनोमीटर की स्थानिक सटीकता (spatial resolution) प्राप्त कर सकती है, जिसमें त्रुटि का मार्जिन लगभग 40 नैनोमीटर है। विवरण का यह स्तर दृश्य प्रकाश की तरंग दैर्ध्य (wavelength) से भी छोटी विशेषताओं को बनाने के लिए पर्याप्त है, जो एक ऐसा कार्य है जिसके लिए आमतौर पर महंगे और जटिल उपकरणों की आवश्यकता होती है। टीम ने उल्लेख किया कि उच्च घनत्व वाले दर्पणों वाले प्रोजेक्टर का उपयोग करके रिज़ॉल्यूशन को और बेहतर बनाया जा सकता है, जो प्रकाश पैटर्न पर और भी सूक्ष्म नियंत्रण की अनुमति देगा।

अपने प्रयोगों में, शोधकर्ताओं ने पाया कि यह प्रक्रिया अत्यधिक कुशल और स्केलेबल है। वे स्टेज को हिलाकर और प्रक्रिया को दोहराकर एक सेंटीमीटर गुणा आधा सेंटीमीटर का क्षेत्र, यानी एक डाक टिकट के आकार का पैटर्न प्रिंट करने में सक्षम थे। उन्होंने रिचर्ड फेनमैन की कविता, "एन एटम इन द यूनिवर्स" को एक सेंटीमीटर के विस्तार में प्रिंट किया, जो प्रदर्शित करता है कि विधि बड़े पैमाने के पैटर्न और सूक्ष्म टेक्स्ट दोनों को संभाल सकती है। पूरी प्रक्रिया समानांतर (parallel) है, जिसका अर्थ है कि पूरी छवि एक साथ बनाई जाती है न कि बिंदु दर बिंदु, जो इसे मौजूदा नैनोफैब्रिकेशन तकनीकों की तुलना में बहुत तेज़ बनाता है।

इस घटना के अंतर्निहित तंत्र को अभी भी पूरी तरह से समझा जा रहा है, लेकिन शोधकर्ताओं ने कई सामान्य स्पष्टीकरणों को खारिज कर दिया है। उन्होंने पुष्टि की कि प्रभाव केवल विद्युत क्षेत्र द्वारा कणों की गति के कारण नहीं है, क्योंकि बिजली बंद होने के बाद भी कण एकत्रित होते रहते हैं। उन्होंने यह भी पाया कि यह प्रभाव सिलिकॉन सतहों तक सीमित नहीं है, क्योंकि उन्होंने सोने की फिल्मों पर भी समान परिणाम देखे, जो एक सामान्य सिद्धांत का सुझाव देते जो कई अलग-अलग सामग्रियों पर लागू हो सकता है। मुख्य बात प्रकाश, विद्युत क्षेत्र और आवेशित पॉलिमर परत के बीच की अंतःक्रिया प्रतीत होती है, जो मिलकर एक अस्थायी स्थिति बनाती है जो समान आवेश वाले कणों को आकर्षित करती है।

यह कार्य नैनोफैब्रिकेशन के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण कदम है, जो सामग्रियों को नैनोस्केल पर व्यवस्थित करने का एक सरल, तेज़ और सौम्य तरीका प्रदान करता है। प्रकाश, बिजली और रसायन विज्ञान को जोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा उपकरण बनाया है जो अकार्बनिक धातुओं से लेकर जीवित कोशिकाओं तक विविध प्रकार की सामग्रियों को संभाल सकता है। मानव शरीर की नकल करने वाले समाधानों में उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाले पैटर्न प्रिंट करने और उन पैटर्न को अन्य सतहों पर स्थानांतरित करने की क्षमता, उन्नत चिकित्सा उपकरणों, सेंसरों और इलेक्ट्रॉनिक घटकों को बनाने के लिए नई संभावनाएं खोलती है। इस तकनीक के लिए वैक्यूम, जहरीले रसायनों या जटिल मशीनरी की आवश्यकता नहीं है, जो इसे नैदानिक और औद्योगिक अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए सुलभ और संभावित रूप से परिवर्तनकारी बनाता है।