New Approach of Using Cryo-Soft X-ray Tomography for beam-sensitive materials

लोहे से बने सूक्ष्म कण चिकित्सा, स्वच्छ ऊर्जा और पर्यावरणीय सफाई के बारे में हमारी सोच को बदल रहे हैं। ये सूक्ष्म संरचनाएं, जो अक्सर एक एकल कोशिका से भी छोटी होती हैं, रासायनिक प्रतिक्रियाओं को तेज करने के लिए शक्तिशाली उत्प्रेरक के रूप में कार्य कर सकती हैं या मानव शरीर के भीतर दवाओं के लक्षित वाहक के रूप में काम कर सकती हैं। यह समझने के लिए कि वे कैसे काम करते हैं, वैज्ञानिकों को उन्हें बारीकी से देखना पड़ता है, लेकिन इसमें एक समस्या है। कई उपयोगी सामग्रियां नाजुक होती हैं। जब शोधकर्ता मानक सूक्ष्मदर्शी में उपयोग किए जाने वाले उच्च-शक्ति वाले इलेक्ट्रॉन बीमों के साथ उनका परीक्षण करने का प्रयास करते हैं, तो तीव्र ऊर्जा उन संरचनाओं को जला, पिघला या रासायनिक रूप से बदल सकती है जिनका वे अध्ययन करने की कोशिश कर रहे होते हैं। यह एक स्नोफ्लेक (हिमपात के कण) की तस्वीर लेने के लिए ब्लोटॉर्च का उपयोग करने जैसा है; आपको जो छवि प्राप्त होती है वह स्नोफ्लेक की नहीं, बल्कि उस क्षति की होती है जो प्रकाश ने पहुंचाई है। इस सीमा ने लंबे समय से इन संवेदनशील सामग्रियों को उनकी प्राकृतिक अवस्था में देखने में कठिनाई पैदा की है।

वारविक विश्वविद्यालय और कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक अलग प्रकार की रोशनी का उपयोग करके इस समस्या का समाधान खोज लिया है। नमूने पर इलेक्ट्रॉनों को छोड़ने के बजाय, उन्होंने सॉफ्ट एक्स-रे (soft X-rays) का उपयोग किया, जो प्रकाश का एक ऐसा रूप है जो नाजुक पदार्थों पर बहुत सौम्य होता है। नमूनों को अत्यधिक ठंडे तापमान पर जमाने के बाद, इन एक्स-रे के साथ स्कैन करके, वे इन आयरन नैनोकणों के विस्तृत त्रि-आयामी (three-dimensional) मानचित्र बनाने में सक्षम रहे बिना उन्हें नष्ट किए। यह दृष्टिकोण, जिसे 'क्रायो-सॉफ्ट एक्स-रे टोमोग्राफी' (cry-soft X-ray tomography) कहा जाता है, ने उन्हें कणों को उनके वास्तविक अस्तित्व के रूप में देखने की अनुमति दी, जिससे उनके आकार, उनके आपस में जुड़ने के तरीके और यहाँ तक कि उनकी सतहों को ढकने वाली अणुओं की पतली परतों का भी पता चला।

शोधकर्ताओं ने दो विशिष्ट प्रकार के लोहे के कणों पर ध्यान केंद्रित किया। पहला शुद्ध लोहा था, जो अत्यधिक प्रतिक्रियाशील है और हवा के संपर्क में आते ही तुरंत जंग लगने के प्रति संवेदनशील है। दूसरा एक चुंबकीय आयरन ऑक्साइड था, जो एक ऐसी सामग्री है जिसका उपयोग अक्सर मेडिकल इमेजिंग और जल उपचार में किया जाता है। इनका अध्ययन करने के लिए, टीम को पहले इन्हें बनाना पड़ा। उन्होंने पानी में रसायनों को मिलाकर और उन्हें केवल 80 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करके चुंबकीय आयरन ऑक्साइड बनाने की एक नई, तीव्र विधि विकसित की, जो एक प्रक्रिया थी जिसमें केवल कुछ क्षण लगे। शुद्ध लोहे के लिए, उन्होंने कणों को मात्र 30 सेकंड में संश्लेषित करने के लिए एक माइक्रोवेव रिएक्टर का उपयोग किया। यह गति महत्वपूर्ण थी, क्योंकि इसने अध्ययन किए जाने से पहले सामग्रियों के बदलने या खराब होने को रोका।

एक बार कण बन जाने के बाद, टीम के सामने बिना नुकसान पहुँचाए उन्हें देखने की चुनौती थी। उन्होंने अपनी नई एक्स-रे विधि की तुलना पारंपरिक तकनीकों जैसे कि स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी से की, जो इलेक्ट्रॉनों की एक बीम का उपयोग करती है। पारंपरिक छवियों में, शुद्ध लोहे के कण धुंधले और विकृत दिखाई दिए, उनकी सतह विद्युत चार्जिंग और इलेक्ट्रॉन बीम के कारण होने वाले संरचनात्मक पतन से बाधित थी। चुंबकीय आयरन ऑक्साइड कण भी इसी तरह की समस्याओं से ग्रस्त थे, जिससे उनके वास्तविक रूप को देखना कठिन हो गया था। हालाँकि, जब टीम ने क्रायो-सॉफ्ट एक्स-रे टोमोग्राफी पर स्विच किया, तो परिणाम आश्चर्यजनक रूप से भिन्न थे। छवियां स्पष्ट और तीक्ष्ण थीं, जो बिना किसी क्षति के हाई-डेफिनिशन में कणों को दिखा रही थीं।

नई तकनीक ने केवल एक स्पष्ट चित्र ही प्रदान नहीं किया; इसने उन विवरणों को भी उजागर किया जो पहले छिपे हुए थे। नमूनों को विशिष्ट ऊर्जा स्तरों पर स्कैन करके, शोधकर्ता कणों के आयरन कोर और उनकी सतहों को ढकने वाले कार्बनिक अणुओं के बीच अंतर कर सके। उन्होंने पाया कि शुद्ध लोहे के कणों को 'डोडेसाइलामाइन' नामक एक रसायन की एक पतली परत में लपेटा गया था, जो एक सुरक्षात्मक ढाल के रूप में कार्य करता है, जिससे धातु को ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करने से रोका जा सके। यह कोटिंग इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी छवियों में अदृश्य थी लेकिन उनके एक्स-रे स्कैन में स्पष्ट रूप से उभर कर आई। इसके अलावा, टीम इन कणों के त्रि-आयामी मॉडल बनाने में भी सक्षम थी, जिससे वे न केवल यह माप सके कि एक कण कितना चौड़ा था, बल्कि यह भी कि वह कितना लंबा था और अपने पड़ोसियों के संबंध में कैसे स्थित था।

अध्ययन ने दिखाया कि शुद्ध लोहे के कण ज्यादातर 200 नैनोमीटर से छोटे समूहों में क्लस्टर (गुच्छों) के रूप में थे, जबकि चुंबकीय आयरन ऑक्साइड के कण और भी छोटे थे, जो लगभग 20 नैनोमीटर के आकार की एक समान आबादी बनाते थे। त्रि-आयामी पुनर्निर्माणों ने खुलासा किया कि ये कण केवल बेतरतीब ढंग से बिखरे हुए नहीं थे; वे विभिन्न मोटाई और आकारों के साथ जटिल, परस्पर जुड़े नेटवर्क बनाते थे। विवरण का यह स्तर महत्वपूर्ण है क्योंकि जिस तरह से ये कण आपस में जुड़ते हैं, वह सीधे तौर पर उनके वास्तविक अनुप्रयोगों, जैसे कि पानी से प्रदूषकों को छानने या ट्यूमर तक दवा पहुँचाने के प्रदर्शन को प्रभावित करता है।

सबसे महत्वपूर्ण खोज एक लौह क्रिस्टल की सतह पर एक छोटी सी गुहा, या खोखली जगह को देखने की क्षमता थी। इस विशेषता को, जिसका अनुमान लगभग 2.7 माइक्रोमीटर लंबा और 2 माइक्रोमीटर चौड़ा था, 3D पुनर्निर्माण के माध्यम से पहचाना गया था। ऐसी विशेषता को द्वि-आयामी (two-dimensional) छवि में मिस या गलत समझा जा सकता था, जहाँ वस्तु की गहराई लुप्त हो जाती है। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि उनकी विधि का उपयोग इन सामग्रियों का विश्लेषण करने के लिए कंडक्टिव कोटिंग (चालक कोटिंग) की आवश्यकता के बिना किया जा सकता है, जो अक्सर इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी में चार्जिंग को रोकने के लिए आवश्यक होती है लेकिन नमूने की वास्तविक सतह को बाधित कर सकती है।

यह कार्य प्रदर्शित करता है कि फ्रीजिंग तापमान को सॉफ्ट एक्स-रे इमेजिंग के साथ जोड़कर, वैज्ञानिक अंततः बीम-संवेदनशील सामग्रियों को उनकी अखंडता को बनाए रखते हुए देख सकते हैं। यह विधि एक गैर-विनाशकारी खिड़की प्रदान करती है, जो उन सामग्रियों के वास्तविक आर्किटेक्चर को प्रकट करती है जो लंबे समय से सटीक रूप से अध्ययन करने के लिए बहुत नाजुक रहे हैं। जैसे-जैसे इस तकनीक का विकास जारी रहेगा, यह आयरन-आधारित नैनोकणों और अन्य नाजुक सामग्रियों के व्यवहार को समझने के लिए नए द्वार खोलने का वादा करती है, जो विज्ञान और प्रौद्योगिकी में भविष्य के नवाचारों के लिए एक स्पष्ट आधार प्रदान करती है।