A Crystalline Micelle Intermediate Links Crystallization and Melting in Crystallization-driven Self-assembly

सामग्री विज्ञान (materials science) की दुनिया में, एक लंबे समय से चली आ रही धारणा है कि किसी चीज़ का निर्माण करना और उसे अलग करना एक-दूसरे का दर्पण प्रतिबिंब होता है। यदि आप किसी क्रिस्टल को पिघलने तक गर्म करते हैं, तो पुरानी सोच कहती है कि यह अपने चरणों को ठीक उसी क्रम में पीछे की ओर दोहराएगा, जैसा कि इसके बनने के दौरान हुआ था। सरल, स्थिर दुनिया में यह पूर्ण समरूपता (symmetry) का विचार तर्कसंगत लगता है। हालाँकि, प्रकृति शायद ही कभी इतनी आज्ञाकारी होती है। लंबी, श्रृंखला जैसी अणुओं (polymers) से बनी जटिल प्रणालियों में, कोई सामग्री जिस मार्ग से विकसित होती है, वह अक्सर उस मार्ग से भिन्न होता है जिससे वह लुप्त होती है। इन छिपे हुए मार्गों को समझना उन वैज्ञानिकों के लिए महत्वपूर्ण है जो ऐसे स्मार्ट सामग्रियाँ डिजाइन करना चाहते हैं जो आदेश पर अपना आकार या कार्य बदल सकें, ठीक वैसे ही जैसे एक जीवित कोशिका एक संरचना को जोड़ने और फिर आवश्यकता समाप्त होने पर उसे नष्ट करने के लिए करती है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक विशिष्ट प्रकार के पॉलीमर का उपयोग करके इस छिपी हुई दुनिया में झाँका है, जो एक छोटे, स्व-संयोजन करने वाले मशीन की तरह कार्य करता है। उन्होंने एक ऐसे अणु का अध्ययन किया जो दो अलग-अलग हिस्सों से मिलकर बना है: एक हिस्सा जो कठोर, व्यवस्थित क्रिस्टल बनाने के शौकीन है, और दूसरा हिस्सा जो नरम और लचीला रहता है, जो एक सुरक्षात्मक परत के रूप में कार्य करता है। जब इन अणुओं को एक विलायक (solvent) में रखा जाता है, तो वे स्वाभाविक रूप से चपटे, षटकोणीय (hexagonal) प्लेटों के रूप में व्यवस्थित हो जाते हैं, जो छोटे सिक्कों की तरह दिखते हैं। वर्षों से, वैज्ञानिकों ने माना कि यदि वे इन प्लेटों को गर्म करेंगे, तो वे बस व्यक्तिगत श्रृंखलाओं के एक अराजक मिश्रण में घुल मिल जाएँगे। लेकिन शक्तिशाली एक्स-रे कैमरों के साथ वास्तविक समय में इस प्रक्रिया को देखते हुए, शोधकर्ताओं ने पाया कि पिघलने की प्रक्रिया उम्मीद से कहीं अधिक नाटकीय और संरचित है। सीधे गायब होने के बजाय, ठोस प्लेटें एक पूरी तरह से अलग आकार में टूट जाती हैं और उसके बाद ही पूरी तरह से घुलती हैं।

इन सूक्ष्म संरचनाओं के बनने की कहानी 'सेल्फ-सीडिंग' (self-seeding) नामक प्रक्रिया से शुरू होती है। शोधकर्ताओं ने पॉलीमर के घोल को तब तक गर्म किया जब तक कि सभी क्रिस्टल गायब नहीं हो गए, फिर इसे केवल इतना ठंडा किया कि कुछ छोटे, जीवित क्रिस्टल अंश पीछे रह जाएँ। इन अंशों ने बीजों (seeds) के रूप में कार्य किया। जब तापमान को और कम किया गया, तो नए क्रिस्टल शून्य से नहीं बने। इसके बजाय, बीज बाहर की ओर बढ़ने लगे, जिससे सबसे पहले लंबी, पतली, छड़ जैसी संरचनाएँ बनीं जो व्यवस्थित, समानांतर पंक्तियों में एक कतार में खड़ी थीं। ये छड़ें, जिन्हें शोधकर्ता 'क्रिस्टलाइन माइसेल्स' (crystalline micelles) कहते हैं, अनिवार्य रूप से बेलनाकार संरचनाएँ हैं जिनमें एक कठोर क्रिस्टलीय कोर और एक नरम, रोएँदार बाहरी परत होती है। समय के साथ, ये समानांतर छड़ें एक साथ आईं और आपस में जुड़ गईं, जिससे उनके किनारे आपस में मिल गए और अंततः वे चपटी, षटकोणीय प्लेटें बन गईं जो प्रक्रिया के अंत में देखी गई थीं। यह विकास चरणों में होता है: पहले छड़ें, फिर व्यवस्थित पंक्तियाँ, और अंत में चपटी प्लेटें।

आश्चर्य तब आया जब शोधकर्ताओं ने इस प्रक्रिया को उल्टा किया। उन्होंने तैयार षटकोणीय प्लेटों को लिया और उन्हें गर्म करना शुरू किया, यह अपेक्षा करते हुए कि वे तुरंत पिघल जाएँगी। इसके बजाय, प्लेटें तुरंत नहीं घुलीं। जैसे-जैसे तापमान बढ़ा, प्लेटों के किनारे टूटने और झड़ने लगे। ये अंश पुनर्गठित होकर उन्हीं लंबी, छड़ जैसी माइसेल्स में बदल गए जो विकास चरण के दौरान देखे गए थे। एक क्षण के लिए, सिस्टम फिर से संगठित छड़ों की एक अवस्था में था, एक अस्थायी "री-एंट्रेंट" (re-entrant) अवस्था जो प्रारंभिक शीतलन के दौरान गायब हो गई थी। प्लेटों के पूरी तरह से इन छड़ों में टूटने के बाद ही, छड़ें अंततः एक अव्यवस्थित घोल में पिघलीं। यह खोज सिद्ध करती है कि तरल से ठोस और वापस तरल तक की यात्रा एक साधारण लूप नहीं है। सामग्री तरल होने के रास्ते में एक विशिष्ट, मध्यवर्ती वास्तुशिल्प चरण से गुजरती है जिससे वह निर्माण के दौरान भी गुजरी थी, लेकिन वहाँ तक पहुँचने का मार्ग अलग है।

ऐसा क्यों होता है? इसका उत्तर दो प्रतिस्पर्धी बलों के बीच चल रहे खींचतान में निहित है। एक बल कठोर क्रिस्टलीय कोर का अपनी सतह के क्षेत्रफल को न्यूनतम करने का प्रयास है, जो चपटी, सघन प्लेट आकृति का पक्ष लेता है। दूसरा बल नरम, रोएँदार बाहरी परत से आता है, जो फैला हुआ और स्वतंत्र रहना पसंद करती है, जो कि छोटी, पतली छड़ों में टूटने पर अधिक सुलभ होता है। कम तापमान पर, क्रिस्टल बल जीत जाता है, और छड़ें प्लेटों में विलीन हो जाती हैं। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, बाहरी परत अधिक ऊर्जावान और गतिशील हो जाती है, जबकि क्रिस्टल बल कमजोर पड़ता जाता है। एक विशिष्ट बिंदु पर, संतुलन बदल जाता है, और बाहरी परत के तनाव को कम करने के लिए बड़ी प्लेटों को वापस छोटी छड़ों में तोड़ना प्रणाली के लिए ऊर्जावान रूप से अनुकूल हो जाता है। यह सूक्ष्म संतुलन समझाता है कि सामग्री पूरी तरह पिघलने से पहले छड़ों में क्यों टूट जाती है।

शोधकर्ताओं ने संयोजन तकनीकों का उपयोग करके इस अनुक्रम की पुष्टि की। उन्होंने वास्तविक समय में संरचना परिवर्तन को देखने के लिए एक्स-रे का उपयोग किया, जिससे प्रकाश के वे विशिष्ट पैटर्न दिखाई दिए जो छड़ों के संरेखण और प्लेटों के निर्माण के समय प्रकट होते हैं। उन्होंने प्रत्यक्ष चित्र लेने के लिए इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का भी उपयोग किया, जिसमें प्लेटों के छड़ जैसे मध्यवर्ती रूपों में टूटने के चित्र कैद किए गए। प्रक्रिया के दौरान अवशोषित ऊष्मा को मापकर, उन्होंने पिघलने के बिंदु के सापेक्ष इन संरचनात्मक परिवर्तनों के सटीक समय का पता लगाया। साक्ष्य स्पष्ट है: सामग्री सीधे नहीं पिघलती है। यह एक संरचनात्मक परिवर्तन से गुजरती है, अपनी प्लेट आकृति को त्यागकर संरेखित छड़ों का एक संग्रह बन जाती है, और उसके बाद ही यह अपनी क्रिस्टलीय व्यवस्था पूरी तरह खो देती है।

यह खोज पॉलीमर सामग्रियों के संयोजन के प्रति वैज्ञानिकों के दृष्टिकोण को बदल देती है। यह दिखाता है कि ये प्रणालियाँ केवल रैखिक (linear) तरीके से ऊपर नहीं बन रही हैं या नीचे नहीं टूट रही हैं। इसके बजाय, वे आकारों के एक जटिल परिदृश्य में नेविगेट करती हैं, और विशिष्ट मध्यवर्ती रूपों पर रुकती हैं जो केवल कुछ विशेष परिस्थितियों में ही स्थिर होते हैं। तथ्य यह है कि निर्माण और विनाश दोनों के दौरान एक ही मध्यवर्ती आकार दिखाई देता है, यह सुझाव देता है कि दोनों प्रक्रियाओं के बीच एक गहरा संबंध है, भले ही अपनाया गया मार्ग अलग हो। यह अंतर्दृच एक नई दृष्टि प्रदान करती है कि कैसे ऐसी सामग्रियाँ डिज़ाइन की जा सकती हैं जो अनुकूलित और पुनर्गठित हो सकें। यदि वैज्ञानिक तापमान और बलों के संतुलन को नियंत्रित कर सकें, तो वे इन सामग्रियों को विभिन्न आकारों के बीच स्विच करने के लिए निर्देशित कर सकते हैं, जिससे प्रतिक्रियाशील सामग्रियों का एक नया वर्ग बनाया जा सकता है जो सटीकता के साथ असेंबल और डिसअसेंबल हो सकें। यह कार्य प्रकट करता है कि सूक्ष्म जगत में, विनाश का मार्ग भी निर्माण के मार्ग की तरह ही संरचित और उद्देश्यपूर्ण होता है।