Textured Si Wafer-Assisted Fabrication of Stretchable Platinum Nanotube Network Electrodes for Flexible Piezoelectric Devices
यह अध्ययन स्ट्रेचेबल प्लैटिनम नैनोट्यूब नेटवर्क इलेक्ट्रोड्स के लिए एक टेक्सचर्ड Si वेफर-असिस्टेड फैब्रिकेशन विधि प्रस्तुत करता है जो पारंपरिक धातु फिल्मों की यांत्रिक सीमाओं को दूर करते हुए, 100% स्ट्रेन तक विद्युत चालकता बनाए रखते हैं और उच्च-प्रदर्शन वाले लचीले पीज़ोइलेक्ट्रिक उपकरणों को सक्षम बनाते हैं।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ इलेक्ट्रॉनिक्स मानव शरीर के साथ मुड़ सकें, खिंच सकें और घूम सकें, जो पहनने योग्य सेंसर को शक्ति प्रदान कर सकें या गति से ऊर्जा संचित कर सकें। इन कोमल मशीनों के काम करने के लिए, उन्हें ऐसे विद्युत कनेक्शनों की आवश्यकता होती है जो उन सामग्रियों के समान ही लचीले हों जिनसे वे जुड़ी हुई हैं। समस्या यह है कि पारंपरिक धातु के तार और फिल्में कठोर होती हैं; जब आप रबर जैसी सतह को धातु की एक पतली परत से ढककर उसे खींचते हैं, तो धातु में दरारें आ जाती हैं और वह टूट जाती है, जिससे बिजली का प्रवाह रुक जाता है। वैज्ञानिक लंबे समय से एक ऐसा तरीका खोजने की कोशिश कर रहे हैं जिससे धातु सिग्नल ले जाने के लिए पर्याप्त सुचालक हो सके लेकिन बिना विफल हुए खिंचने और मुड़ने के अनुकूल भी बनी रहे।
सियोल नेशनल यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने एक बनावट वाली सिलिकॉन सतह और एक ऐसी प्रक्रिया का उपयोग करके इन खिंचाव योग्य धातु नेटवर्क को बनाने की एक नई विधि विकसित की है, जो ठोस धातु को एक खोखली, नली जैसी संरचना में बदल देती है। प्लैटिनम की एक सपाट शीट बिछाने के बजाय, जो अपनी स्थिरता और चालकता के लिए जाना जाता है, उन्होंने छोटे, खोखले प्लैटिनम ट्यूबों का एक जाल बनाया। यह संरचना बिजली के लिए एक सुरक्षा जाल की तरह कार्य करती है: भले ही सामग्री को उसकी मूल लंबाई के दोगुने तक खींचा जाए, ट्यूबों का यह नेटवर्क करंट को प्रवाहित रखने के लिए एक-दूसरे के विरुद्ध मुड़ और फिसल सकता है, जबकि एक ठोस शीट बस टूट जाएगी।
इस समाधान की यात्रा एक साधारण प्रश्न से शुरू हुई: आप किसी फाइबर पर धातु की परत कैसे चढ़ाते हैं ताकि धातु एक ठोस छड़ या पैची परत के बजाय एक पूर्ण, खोली ट्यूब बनाए? टीम ने पॉलीविनाइलपायरोलिडोन (polyvinylpyrrolidone) नामक एक सामान्य प्लास्टिक के घोल को अत्यंत महीन रेशों (fibers) की एक चटाई में बदलकर शुरुआत की। उन्होंने ऐसा किसी सपाट सतह पर नहीं, बल्कि एक सिलिकॉन वेफर पर किया था जिसे सूक्ष्म बनावटों के साथ खुरदरा किया गया था। यह खुरदरी सतह महत्वपूर्ण थी क्योंकि इसने प्लास्टिक के रेशों को जमीन पर सपाट लेटने से रोका, जिससे उनके नीचे रिक्त स्थान बन गए। जब शोधकर्ताओं ने इन रेशों पर प्लैटिनम परमाणुओं का छिड़काव किया, तो इस बनावट वाली सतह ने धातु को रेशों के चारों ओर सभी तरफों से, यहाँ तक कि नीचे से भी कोट करने की अनुमति दी, जिससे प्लास्टिक के कोर के चारों ओर एक पूर्ण कवच बन गया।
एक बार जब रेशों को कोट कर दिया गया, तो टीम ने सामग्री को उच्च तापमान पर गर्म किया। इस चरण ने प्लास्टिक के कोर को जलाकर समाप्त कर दिया, जिससे पीछे प्लैटिनम ट्यूबों का एक नाजुक, आपस में जुड़ा हुआ नेटवर्क रह गया। परिणाम एक सुचालक जाल था जो आश्चर्यजनक रूप से मजबूत और लचीला था। इसकी सीमाओं का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने इस प्लैटिनम नेटवर्क को पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन (polydimethylsiloxane) नामक एक नरम, रबर जैसी सामग्री में समाहित किया। उन्होंने इस नए इलेक्ट्रोड की तुलना एक मानक, सपाट प्लैटिनम फिल्म से की जिसे उसी रबर पर केवल धातु छिड़क कर बनाया गया था। प्रदर्शन में अंतर स्पष्ट था। जब सपाट फिल्म को मोड़ा या खींचा गया, तो वह तुरंत टूट गई, जिससे उसकी बिजली संचालित करने की क्षमता समाप्त हो गई। इसके विपरीत, प्लैटिनम ट्यूब नेटवर्क अपनी मूल लंबाई के सौ प्रतिशत तक खिंचने के बाद भी बरकरार और सुचालक रहा, जिसका अर्थ है कि यह सर्किट को तोड़े बिना अपने आकार को दोगुना कर सकता था।
शोधकर्ताओं ने यह भी जांचा कि बार-बार मुड़ने के बाद इन सामग्रियों की सतह पर क्या होता है। सपाट धातु की फिल्म में गहरी दरारें विकसित हुईं जिन्होंने सतह को फाड़ दिया, जबकि ट्यूब नेटवर्क ने केवल खुद को व्यवस्थित और पुनर्गठित किया, जिससे उसका आकार और कार्य सुरक्षित रहा। इस लचीलेपन ने टीम को एक कार्यशील उपकरण बनाने की अनुमति दी: एक लचीला ऊर्जा हार्वेस्टर (energy harvester) जो दबाने पर बिजली उत्पन्न करता है। दो ऐसे खिंचाव योग्य प्लैटिनम इलेक्ट्रोडों के बीच एक पीज़ोइलेक्ट्रिक (piezoelectric) सामग्री को सैंडविच करके, जो विकृत होने पर चार्ज उत्पन्न करती है, उन्होंने एक ऐसा उपकरण बनाया जो एक छोटा लेकिन स्थिर विद्युत प्रवाह उत्पन्न कर सकता था। जब इसे पच्चीस न्यूटन के बल से प्रति सेकंड तीन बार की दर से दबाया गया, तो उपकरण ने लगभग चालीस नैनोएम्पीयर का करंट उत्पन्न किया।
यह कार्य दर्शाता है कि किसी सामग्री की संरचना, उस सामग्री के स्वयं के गुणों जितनी ही महत्वपूर्ण है। एक बनावट वाली सतह का उपयोग करके खोखली धातु की नलियों के निर्माण को निर्देशित करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा इलेक्ट्रोड बनाया जो लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स की कठोर यांत्रिक मांगों का सामना कर सकता है। प्लैटिनम नेटवर्क समान तनाव के तहत विफल होने वाली पारंपरिक धातु फिल्मों की तुलना में बेहतर प्रदर्शन करते हुए, बार-बार मुड़ने और अत्यधिक खिंचाव के माध्यम से एक स्थिर विद्युत कनेक्शन बनाए रखने में सक्षम सिद्ध हुआ। हालांकि ऊर्जा हार्वेस्टर का आउटपुट मामूली था, लेकिन इलेक्ट्रोड की सफलता लचीले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के निर्माण के लिए एक व्यवहार्य मार्ग का सुझाव देती है जो बिना अपनी शक्ति खोए हमारे साथ चल सकें।
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