Harnessing a transient liquid-metal flux for the ultrafast photoforging of compositionally complex oxide nanoarchitectures

नई सामग्रियां बनाना अक्सर तेल और पानी को मिलाने की कोशिश करने जैसा महसूस होता है। रसायन विज्ञान की दुनिया में, कुछ तत्व आपस में मिलने से पूरी तरह इनकार कर देते हैं, भले ही उन्हें अत्यधिक तापमान तक गर्म किया जाए। एक एकल, एकसमान पदार्थ बनाने के बजाय, वे अलग-अलग टुकड़ों में विभाजित हो जाते हैं, जिसे 'फेज सेग्रिगेशन' (phase segregation) कहा जाता है। यह उन वैज्ञानिकों के लिए एक बड़ी बाधा है जो 'कंपोजिशनल कॉम्प्लेक्स ऑक्साइड्स' (compositionally complex oxides) नामक उन्नत सामग्रियों की एक विशिष्ट श्रेणी बनाने की कोशिश कर रहे हैं। ये ठोस पदार्थ हैं जो एक ही क्रिस्टल संरचना में मिश्रित कई अलग-अलग धातु परमाणुओं से बने होते हैं। हालांकि ऐसी सामग्रियां स्वच्छ ऊर्जा और बेहतर बैटरी के लिए अपार संभावनाएं रखती हैं, लेकिन उन्हें बनाने के पारंपरिक तरीके आमतौर पर विफल हो जाते हैं। इन जिद्दी तत्वों को मिलाने के लिए आवश्यक लंबी, धीमी हीटिंग प्रक्रिया अक्सर उन नाजुक, उच्च-सतह-क्षेत्र वाली आकृतियों को नष्ट कर देती है जिनकी उन्हें प्रभावी ढंग से काम करने के लिए आवश्यकता होती है, जिससे पीछे केवल मोटे, बेकार दाने रह जाते हैं।

कोरिया इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस मौलिक सीमा को दरकिनार करने का एक तरीका खोज लिया है। उन्होंने एक तकनीक विकसित की है जिसे वे "फोटोफोर्जिंग" (photoforging) कहते हैं, जो एक क्षणिक तरल धातु को प्रकाश के एक अत्यंत तीव्र विस्फोट के साथ जोड़कर इन जटिल सामग्रियों को एक सेकंड के बहुत छोटे हिस्से में बनाती है। गैलियम और इंडियम से बने एक तरल धातु और प्रकाश के एक तीव्र फ्लैश का उपयोग करके, जो केवल बीस हजारवें सेकंड तक रहता है, वे धातुओं के मिश्रण को पिघलाने, उन्हें पूरी तरह से मिलाने और फिर उनके अलग होने से पहले उन्हें तुरंत अपनी जगह पर जमाने में सफल रहे। इसका परिणाम एक नए प्रकार का पदार्थ है जो एक धातु सबस्ट्रेट (substrate) पर अविश्वसनीय रूप से पतली, ऊर्ध्वाधर चादरों के जंगल के रूप में सीधे उगता है। यह विधि न केवल मिश्रण की समस्या को हल करती है, बल्कि एक ऐसा पदार्थ भी बनाती है जो पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विभाजित करने में असाधारण रूप से कुशल है, जो स्वच्छ ईंधन के उत्पादन के लिए एक महत्वपूर्ण कदम है।

इस खोज की कहानी धातुओं के गर्म होने पर उनके व्यवहार के एक सरल अवलोकन से शुरू होती है। सामान्यतः, विभिन्न धातुओं को एक एकल ऑक्साइड में मिलाने के लिए, वैज्ञानिकों को उन्हें घंटों तक उच्च तापमान पर भट्टी में पकाना पड़ता है। यह धीमी प्रक्रिया परमाणुओं को उनकी सबसे आरामदायक, स्थिर स्थिति खोजने का समय देती है, लेकिन यह उन्हें तब तक अलग होने का समय भी देती है जब तक कि वे स्वाभाविक रूप से एक-दूसरे को पसंद न करें। शोधकर्ता इसके विपरीत करना चाहते थे: उन्हें परमाणुओं को इतनी तेज़ी से मिलाना था कि वे अलग होने के अवसर मिलने से पहले ही एक समान अवस्था में फंस जाएं। इसे प्राप्त करने के लिए, उन्होंने गैलियम और इंडियम से बनी एक तरल धातु मिश्र धातु की ओर रुख किया, जो अपेक्षाकृत कम तापमान पर तरल रहती है। उन्होंने इस तरल धातु को विभिन्न संक्रमण धातुओं (transition metals), जैसे कि लोहा, कोबाल्ट, निकल, तांबा और जस्ता युक्त सूक्ष्म कणों के साथ मिलाया।

जब इस मिश्रण को निकल फाइबर की एक शीट पर लगाया गया और प्रकाश के एक शक्तिशाली फ्लैश से टकराया गया, तो एक नाटकीय परिवर्तन हुआ। प्रकाश से उत्पन्न तीव्र गर्मी, जो पचास हजार डिग्री केल्विन प्रति सेकंड की दर से ऊपर-नीचे हुई, ने तरल धातु को तोड़ दिया और फैला दिया, जिससे वह निकल फाइबर की सतह को गीला कर दिया। इस संक्षिप्त, पिघली हुई अवस्था में, तरल धातु एक विलायक (solvent) के रूप में कार्य करती है, जो विभिन्न धातु परमाणुओं को ले जाती है और उन्हें पूर्ण एकरूपता के साथ मिलाती है। महत्वपूर्ण रूप से, प्रकाश ने नीचे स्थित निकल फाइबर और तरल धातु के बीच एक प्रतिक्रिया को भी प्रेरित किया, जिससे एक पतली, ठोस परत बनी जिसने नई सामग्री को सतह से बांध दिया। जैसे ही प्रकाश का फ्लैश समाप्त हुआ, सामग्री उतनी ही तेज़ी से ठंडी हो गई जितनी तेज़ी से वह गर्म हुई थी, जिससे मिश्रित परमाणु एक एकल, स्थिर संरचना में जम गए।

इस प्रक्रिया से जो उभरा वह पारंपरिक भट्टियों द्वारा उत्पादित सामग्री से काफी अलग था। सामान्यतः देखे जाने वाले भारी, ब्लॉक जैसे क्रिस्टल के बजाय, फोटोफोर्जिंग विधि ने निकल फाइबर पर ऊर्ध्वाधर रूप से खड़े अत्यंत पतली, द्वि-आयामी (two-dimensional) चादरों का एक घना जंगल बनाया। ये चादरें इतनी पतली थीं कि उन्हें केवल शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे देखा जा सकता था, फिर भी वे रासायनिक रूप से एकसमान थीं, जिनमें सभी अलग-अलग धातु परमाणु पूरे ढांचे में समान रूप से वितरित थे। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि तरल धातु अंतिम उत्पाद में नहीं रही; इसने केवल सामग्री के घटकों को पहुंचाने और मिलाने के लिए एक अस्थायी वाहन के रूप में कार्य किया, जिससे एक शुद्ध, जटिल ऑक्साइड पीछे रह गया। यह तीव्र हीटिंग और कूलिंग चक्र सफलता की कुंजी था, क्योंकि इसने परमाणुओं को अलग-अलग चरणों में पुनर्गठित होने से रोका, जिससे उन्हें प्रभावी रूप से एक उच्च-ऊर्जा अवस्था में कैद कर दिया गया जो धीमी हीटिंग के माध्यम से पहुंचना असंभव होता।

इस विधि की बहुमुखी प्रतिभा का परीक्षण विभिन्न धातुओं के संयोजन से बनी सामग्रियों की एक लाइब्रेरी बनाकर किया गया, जिसमें सरल एकल-धातु ऑक्साइड से लेकर दस अलग-अलग तत्वों वाले जटिल मिश्रण तक शामिल थे। शोधकर्ताओं ने पाया कि जबकि कुछ संयोजन वांछित चादर जैसी संरचना बनाने में संघर्ष करते हैं, सबसे जटिल मिश्रण, विशेष रूप से पांच या अधिक तत्वों वाले, लगातार सुंदर, ऊर्ध्वाधर नैनोशीट्स का उत्पादन करते हैं। यह सुझाव देता है कि कई अलग-अलग परमाणुओं की उपस्थिति की अत्यधिक जटिलता वास्तव में संरचना को स्थिर करने में मदद करती है, जिससे तत्वों को अलग होने से रोका जा सके। एक उल्लेखनीय प्रदर्शन में, टीम ने दस अलग-अलग धातु प्रजातियों वाले पदार्थ को सफलतापूर्वक बनाया, जो सभी एक एकल, सुसंगत ढांचे में समाहित थे। जटिलता का यह स्तर विशिष्ट गुणों वाली सामग्रियां डिजाइन करने के लिए एक विशाल नया स्थान खोलता है, जो पहले पहुंच से बाहर था।

यह देखने के लिए कि क्या ये नई सामग्रियां वास्तव में उपयोगी कार्य कर सकती हैं, शोधकर्ताओं ने पानी को विभाजित करने के लिए एक इलेक्ट्रोड के रूप में पांच-धातु वाले संस्करण का परीक्षण किया। इस प्रक्रिया में, बिजली का उपयोग पानी के अणुओं को हाइड्रोजन ईंधन और ऑक्सीजन गैस में तोड़ने के लिए किया जाता है। नई सामग्री, जिसे इलेक्ट्रोड से चिपकाने के लिए किसी बाइंडिंग एजेंट की आवश्यकता नहीं थी, ने असाधारण दक्षता के साथ प्रदर्शन किया। इसने वाणिज्यिक उत्प्रेरकों (catalysts) के सर्वश्रेष्ठ उपलब्ध विकल्पों की बराबरी करते हुए या उनसे भी बेहतर गति और स्थायता के साथ पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विभाजित किया। सामग्री लगातार एक सौ घंटों से अधिक समय तक संचालन में स्थिर रही, जिसमें टूट-फूट के लगभग कोई संकेत नहीं मिले। इस स्थायता का श्रेय सामग्री की अनूठी संरचना को दिया जाता है, जहाँ कई अलग-अलग परमाणुओं का सघन मिश्रण एक कठोर, तनावपूर्ण जाली (lattice) बनाता है जो प्रतिक्रिया की कठोर परिस्थितियों में टूटने का विरोध करता है।

इस कार्य का महत्व केवल बनाई गई विशिष्ट सामग्री में नहीं है, बल्कि इसे बनाने के तरीके में है। परमाणुओं के मिश्रण को सामग्री के आकार के विकास से अलग करके, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि यह संभव है कि उन ऊष्मप्रवैगिकी (thermodynamic) नियमों को दरकिनार किया जाए जो आमतौर पर यह निर्धारित करते हैं कि सामग्रियां कैसे बनती हैं। फोटोफोर्जिंग प्रक्रिया पारंपरिक 'अमिश्रणीयता' (immiscibility) की समस्या को एक डिजाइन टूल में बदल देती है, जिससे वैज्ञानिकों को उन तत्वों को मिलाने की अनुमति मिलती है जो सामान्य रूप से एक साथ जुड़ने से इनकार करते हैं। यह दृष्टिकोण सामग्री की खोज की धीमी, परीक्षण-और-त्रुटि वाली प्रक्रिया को मिलीसेकंड के मामले में संकुचित कर देता है। यह तत्वों के विशाल संयोजनों का पता लगाने का एक शक्तिशाली नया तरीका प्रदान करता है, जो बेहतर बैटरी, सेंसर और विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए बेहतर उत्प्रेरकों के विकास को संभावित रूप से तेज कर सकता है। एक सबस्ट्रेट पर सीधे जटिल, उच्च-प्रदर्शन वाली सामग्रियां बनाने की क्षमता, यह दर्शाती है कि हम अगली पीढ़ी की कार्यात्मक ठोस सामग्रियों के निर्माण के प्रति अपने दृष्टिकोण में एक मौलिक बदलाव ला सकते हैं।