Elemental sulfur enables a thione-mediated, non-radical polycondensation toward poly(benzodifurandione)

फ्लेक्सिबल इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, वैज्ञानिक लंबे समय से एक ऐसे पदार्थ की तलाश कर रहे हैं जो तांबे की तरह कुशलता से बिजली ले जा सके लेकिन प्लास्टिक जैसी लचीलापन भी रखता हो। जबकि सकारात्मक आवेश (positive charges) ले जाने वाले पदार्थों को दशकों से पूर्णता के साथ विकसित किया जा चुका है, उनके समकक्ष नकारात्मक आवेश (negative charges) ले जाने वाले पदार्थ बनाना बेहद कठिन बना हुआ है। ये नकारात्मक-आवेश वाहक संतुलित, उच्च-प्रदर्शन वाले सर्किट बनाने के लिए आवश्यक हैं, फिर भी उन्हें बनाने के लिए अक्सर जहरीले रसायनों, अत्यधिक परिस्थितियों या ऐसे शुद्धिकरण चरणों की आवश्यकता होती थी जिनमें हफ्तों लग जाते थे और भारी मात्रा में कचरा उत्पन्न होता था। इस बाधा ने सबसे आशाजनक नकारात्मक-आवेश वाले पदार्थों को छोटे प्रयोगशाला नमूनों तक सीमित कर दिया था, जिससे वे पहनने योग्य सेंसर या प्रिंटेड सर्किट जैसे वास्तविक दुनिया के उपकरणों तक पहुँचने में असमर्थ रहे।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक ऐसे पदार्थ का उपयोग करके इस गतिरोध को तोड़ने का तरीका खोज लिया है जो माचिस की तीली में पाए जाने वाले सल्फर जितना ही सामान्य और हानिरहित है। मौलिक सल्फर (elemental sulfur) का लाभ उठाकर, उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के उच्च-प्रदर्शन वाले प्लास्टिक, जिसे पॉली(बेंजोडिफ्यूरानडायोन) या PBFDO कहा जाता है, को बनाने की एक नई विधि विकसित की है, जो बिजली का असाधारण रूप से संचालन करने की क्षमता के लिए जाना जाता है। यह सफलता एक ऐसी रासायनिक प्रक्रिया में निहित है जो हफ्तों के उबाऊ सफाई या खतरनाक योजकों (additives) की आवश्यकता को समाप्त करती है। इसके बजाय, शोधकर्ताओं ने प्लास्टिक के निर्माण खंडों (building blocks) को सल्फर के साथ एक ही बर्तन में मिलाया, मिश्रण को गर्म किया, और तैयार उपयोग योग्य कंडक्टिव इंक प्राप्त करने के लिए परिणाम को फ़िल्टर किया। यह दृष्टिकोण न केवल एक रिकॉर्ड-तोड़ चालकता वाला पदार्थ बनाता है, बल्कि ऐसा सुरक्षित, स्केलेबल और उन जहरीले उपोत्पादों से मुक्त तरीके से भी करता है जिन्होंने पिछली विधियों को बाधित किया था।

इस समाधान तक का सफर मौजूदा तरीकों के एक कठिन समझौते (trade-off) को पहचानने के साथ शुरू हुआ। जिन विधियों ने उच्चतम गुणवत्ता वाला, सबसे अधिक चालकता वाला पदार्थ बनाया, उनके लिए उत्पाद को अशुद्धियों को हटाने के लिए डाइमिथाइल सल्फोक्साइड नामक विलायक (solvent) में हफ्तों तक धोना आवश्यक था, जो एक धीमी और महंगी प्रक्रिया है। अन्य विधियाँ तेज़ थीं लेकिन वे जहरीली धातुओं या संक्षारक रसायनों पर निर्भर थीं, जिससे बड़े पैमाने पर उत्पादन असुरक्षित हो गया था। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि आगे बढ़ने के लिए, उन्हें एक ऐसे उत्प्रेरक (catalyst) की आवश्यकता है जो प्रचुर मात्रा में हो, गैर-विषाक्त हो, और हानिकारक अवशेष छोड़े बिना प्रतिक्रिया को चलाने में सक्षम हो। उन्होंने अपना ध्यान मौलिक सल्फर की ओर लगाया, जो एक ऐसा पदार्थ है जो प्रचुर मात्रा में उपलब्ध है और आम तौर पर हानिरहित माना जाता है।

अपने प्रयोगों में, टीम ने प्लास्टिक की मोनोमर इकाइयों को सल्फर के साथ एक विलायक में मिलाया और मिश्रण को गर्म किया। उन्होंने पाया कि सल्फर केवल वहां पड़ा नहीं रहता; वह सक्रिय रूप से एक रासायनिक नृत्य में भाग लेता है जो निर्माण खंडों को लंबी श्रृंखलाओं में जोड़ता है। महत्वपूर्ण रूप से, इस प्रक्रिया में रेडिकल प्रतिक्रियाओं (radical reactions) जैसी अराजक, उच्च-ऊर्जा वाली टक्करें शामिल नहीं थीं, जो अक्सर नियंत्रण में रखना कठिन होता है। इसके बजाय, सल्फर ने अपनी वलयनुमा (ring-shaped) संरचना को खोलकर एक विशिष्ट मध्यवर्ती (intermediate) बनाया जिसने निर्माण खंडों को व्यवस्थित तरीके से जुड़ने की अनुमति दी। यह गैर-रेडिकल मार्ग एक स्वच्छ, उच्च-गुणवत्ता वाले पॉलीमर को बनाने के लिए महत्वपूर्ण था, जिसमें वे दोष नहीं थे जो आमतौर पर विद्युत प्रदर्शन को कम कर देते हैं।

जैसे-जैसे श्रृंखलाएं बढ़ती गईं, सल्फर ने दूसरा, समान रूप से महत्वपूर्ण काम भी किया। प्रतिक्रिया स्वाभाविक रूप से हाइड्रोजन सल्फाइड और डाइमिथाइल सल्फाइड की थोड़ी मात्रा उत्पन्न करती है, जो गैसें पदार्थ के विद्युत गुणों के लिए आंतरिक बूस्टर के रूप में कार्य करती हैं। इन गैसों ने प्लास्टिक को स्वतः ही 'डोप' (dope) कर दिया, जो एक ऐसी प्रक्रिया है जो पदार्थ को अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों से भर देती है और इसे बहुत अधिक कुशलता से बिजली संचालित करने की अनुमति देती है। क्योंकि ये डोपेंट्स सीधे प्रतिक्रिया मिश्रण के भीतर ही उत्पन्न हुए थे, इसलिए अंतिम उत्पाद पहले से ही उच्च प्रदर्शन के लिए तैयार होकर निकला, जिससे अलग, जटिल डोपिंग चरणों की आवश्यकता समाप्त हो गई।

शोधकर्ताओं ने आदर्श संतुलन खोजने के लिए विभिन्न परिस्थितियों में इस नई विधि का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि पूरी प्रतिक्रिया को चलाने के लिए केवल थोड़ी मात्रा में सल्फर ही पर्याप्त था, क्योंकि सल्फर को रासायनिक चक्र के भीतर पुनर्चक्रित (recycle) किया जा सकता है। जब उन्होंने तापमान और सांद्रता को अनुकूलित किया, तो उन्होंने 2,059 सियामेंस प्रति सेंटीमीटर की चालकता प्राप्त की, जो इस प्रकार के प्लास्टिक के लिए अब तक दर्ज किए गए सर्वश्रेष्ठ परिणामों के बराबर है। शायद सबसे प्रभावशाली बात यह है कि कच्चे मिश्रण को केवल बड़े ढेलों को हटाने के लिए एक साधारण फिल्ट्रेशन की आवश्यकता थी, जिससे पिछले तरीकों द्वारा मांगे गए हफ्तों के डायलिसिस (dialysis) को दरकिनार किया जा सका। परिणाम एक गहरा, कंडक्टिव इंक था जिसका उपयोग तुरंत किया जा सकता था।

यह सिद्ध करने के लिए कि यह विधि बड़े पैमाने पर काम कर सकती है, टीम ने प्रक्रिया को एक छोटे टेस्ट ट्यूब से 500 मिलीलीटर के बैच तक बढ़ाया, जो औद्योगिक उत्पादन के लिए उपयुक्त आयतन है। इस बड़े आकार पर भी, पदार्थ ने उत्कृष्ट चालकता बनाए रखी, जो औसतन 1,300 सियामेंस प्रति सेंटीमीटर से अधिक थी। इंक दो महीने तक हवा में स्थिर रही, जिससे उसके प्रदर्शन में बहुत कम गिरावट आई, जो विनिर्माण के लिए एक महत्वपूर्ण आवश्यकता है। टीम ने फिर इस इंक का उपयोग करके कार्यात्मक इलेक्ट्रॉनिक उपकरण बनाए, जिनमें थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (जो गर्मी को बिजली में बदलते हैं) और जैविक संकेतों को महसूस करने वाले ऑर्गेनिक इलेक्ट्रोकेमिकल ट्रांजिस्टर शामिल हैं। इन उपकरणों ने इस श्रेणी की सामग्रियों के लिए रिपोर्ट किए गए उच्चतम स्तरों पर प्रदर्शन किया, जो यह दर्शाता है कि नई संश्लेषण विधि केवल एक सैद्धांतिक जिज्ञासा नहीं है, बल्कि एक व्यावहारिक, उच्च-प्रदर्शन वाला पदार्थ है।

इस कार्य के निहितार्थ केवल एक बेहतर प्लास्टिक बनाने से कहीं अधिक हैं। जहरीले उत्प्रेरकों को बदलकर और ऊर्जा-गहन शुद्धिकरण की आवश्यकता को समाप्त करके, शोधकर्ताओं ने उच्च-प्रदर्शन वाले नकारात्मक-आवेश वाले इलेक्ट्रॉनिक्स के बड़े पैमाने पर उत्पादन का मार्ग खोल दिया है। मौलिक सल्फर, जो एक सस्ता और सुरक्षित पदार्थ है, का उपयोग यह सुझाव देता है कि लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स का भविष्य एक ऐसे आधार पर बनाया जा सकता है जो पर्यावरण के अनुकूल और औद्योगिक रूप से व्यवहार्य दोनों हो। विनिर्माण प्रक्रिया में यह सरल लेकिन शक्तिशाली समायोजन एक लंबे समय से चली आ रही बाधा को हल करता है, जिससे उन्नत, संतुलित इलेक्ट्रॉनिक सर्किट का वादा वास्तविकता के करीब आ जाता है।