Solvothermal Engineering: A Universal Route to High-Performance Free- standing PEDOT:PSS Thick Films
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि सामान्य कार्बनिक विलायकों (MeOH, DMF, और DMSO) का उपयोग करते हुए एक सार्वभौमिक सॉल्वोथर्मल इंजीनियरिंग दृष्टिकोण, संरचनात्मक और इलेक्ट्रॉनिक अनुकूलन के सहक्रियात्मक माध्यम से, फ्री-स्टैंडिंग PEDOT:PSS मोटी फिल्मों की विद्युत चालकता को 2400 S cm⁻¹ से अधिक बढ़ाकर और उनकी आयतन धारिता (volumetric capacitance) को 251 F cm⁻³ तक बढ़ाकर महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है।
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आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, वे सामग्रियां जो बिजली का संचालन कर सकती हैं, हमारे उपकरणों को शक्ति देने वाले अदृश्य राजमार्गों की तरह होती हैं। दशकों से, वैज्ञानिक विद्युत धाराओं को ले जाने के लिए धातु की पतली परतों से ढकी कठोर, भंगुर धातुओं या कांच पर निर्भर रहे हैं। हालाँकि, कंडक्टिव पॉलिमर (चालक बहुलक) नामक सामग्रियों का एक वर्ग एक अलग मार्ग प्रदान करता है। ये प्लास्टिक हैं जो धातुओं की तरह व्यवहार करते हैं, और बिजली को प्रवाहित करने के साथ-साथ मुड़ने, खिंचने और जटिल आकारों में ढलने में सक्षम हैं। इनमें से सबसे आशाजनक सामग्रियों में से एक PEDOT:PSS है। यह दो भागों का मिश्रण है: एक चालक बहुलक जो आवेश (चार्ज) ले जाता है, और एक चिपचिपा, कुचालक घटक जो संरचना को थामे रखता है। हालाँकि यह सामग्री लचीली स्क्रीन या पहनने योग्य सेंसर बनाने के लिए उत्कृष्ट है, लेकिन इसे एक बड़ी बाधा का सामना करना पड़ता है। अपनी प्राकृतिक अवस्था में, यह एक खराब चालक है, और जब वैज्ञानिक इसे अधिक शक्ति संभालने के लिए मोटा करने का प्रयास करते हैं, तो कुचालक भाग बिजली के प्रवाह को रोक देते हैं, जिससे यह सुपरकैपेसिटर जैसे उच्च-प्रदर्शन वाले अनुप्रयोगों के लिए अप्रभावी हो जाता है, जो त्वरित रिलीज के लिए ऊर्जा संग्रहीत करते हैं।
जियाक्सिंग यूनिवर्सिटी और झेजियांग साइंस एंड टेक यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने इस सीमा को पार करने का एक तरीका खोजा है, जिससे इस प्लास्टिक की एक मानक, मोटी शीट को विद्युत प्रदर्शन के पावरहाउस में बदल दिया गया है। उन्होंने एक विशिष्ट चुनौती पर ध्यान केंद्रित किया: एक मोटी PEDOT:PSS फिल्म को धातु के तारों की तरह बिजली संचालित करने योग्य कैसे बनाया जाए, वह भी उसकी लचीलेपन को नष्ट किए बिना। टीम ने महसूस किया कि केवल फिल्म को तरल विलायकों (सॉल्वेंट्स) में भिगोना, जो चालकता में सुधार के लिए उपयोग की जाने वाली एक सामान्य विधि है, पर्याप्त नहीं था। तरल फिल्म की गहराई तक प्रभावी ढंग से आंतरिक संरचना को पुनर्गठित करने के लिए पर्याप्त रूप से प्रवेश नहीं कर सका। इस समस्या को हल करने के लिए, वे 'सॉल्वोथर्मल इंजीनियरिंग' नामक तकनीक की ओर मुड़े। इस प्रक्रिया में फिल्म को एक विशिष्ट तरल विलायक के साथ एक सीलबंद कंटेनर के अंदर रखा जाता है और उसे गर्म किया जाता है। जैसे ही कंटेनर गर्म होता है, तरल अपना स्वयं का आंतरिक दबाव बनाता है, जो इसे फिल्म के सूक्ष्म छिद्रों (पोर्स) में गहराई तक धकेलता है जहाँ यह सामान्य रूप से नहीं पहुँच पाता।
शोधकर्ताओं ने तीन अलग-अलग सामान्य कार्बनिक तरल पदार्थों का परीक्षण किया: मेथनॉल, डाइमिथाइल सल्फोऑक्साइड, और N, N-डाइमिथाइलफॉर्ममाइड। उन्होंने इन तरल पदार्थों के भीतर सीलबंद स्टील के पात्रों में प्लास्टिक की मुक्त-खड़ी (फ्री-स्टैंडिंग) फिल्मों को रखा और उन्हें छह घंटे के लिए विभिन्न तापमानों पर गर्म किया। गर्मी और स्वतः उत्पन्न दबाव मिलकर सामग्री के कुचालक भागों को हटाने और चालक भागों को खुद को अधिक मजबूती से संरेखित करने के लिए मजबूर करने का कार्य करते हैं। परिणाम नाटकीय थे। अनुपचारित फिल्म, जो शुरू में बहुत निम्न स्तर पर बिजली का संचालन करती थी, उसकी धारा ले जाने की क्षमता तेजी से बढ़ी। मेथनॉल से उपचारित फिल्म ने 2958 S cm-1 की चालकता प्राप्त की, जबकि अन्य दो तरल पदार्थों से उपचारित फिल्मों ने क्रमशः 2528 S cm-1 और 2438 S cm-1 तक पहुँच प्राप्त की। ये संख्याएँ एक विशाल छलांग का प्रतिनिधित्व करती हैं, जो पारंपरिक तरीकों से उपचारित फिल्मों के प्रदर्शन से कहीं अधिक है और कुछ धातुओं की चालकता के करीब है।
यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों हुआ, टीम ने बारीकी से देखा कि सामग्री के भीतर क्या बदला। उन्होंने पाया कि उच्च-दबाव वाले वातावरण ने सामग्री के एक महत्वपूर्ण हिस्से के कुचालक घटक को हटाने में मदद की, जिससे अधिक चालक श्रृंखलाएं (चेन्स) उजागर हुईं। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि गर्मी और दबाव ने अणुओं को पुनर्गठित किया। बिखरे हुए होने के बजाय, चालक श्रृंखलाएं एक व्यवस्थित क्रम में खुद को संरेखित करती हैं, जो कागजों के एक सुव्यवस्थित ढेर की तरह एक-दूसरे के ऊपर सटी हुई होती हैं। इस संरेखण ने बिजली के प्रवाह के लिए एक स्पष्ट मार्ग बनाया। उपचार ने अणुओं की रासायनिक प्रकृति को भी बदल दिया, जिससे वे ऐसी स्थिति में आ गए जो दोहरे आवेश (डबल चार्ज) को ले सकती है, जो एकल आवेश की तुलना में बहुत तेजी से चलता है। यह संरचनात्मक पुनर्गठन पूरी फिल्म की मोटाई में हुआ, न कि केवल सतह पर, यही कारण है कि मोटी फिल्में इतनी अच्छी तरह से प्रदर्शन कर पाईं।
बिजली का बेहतर संचालन करने के अलावा, उपचारित फिल्में ऊर्जा संग्रहीत करने में भी बहुत बेहतर हो गईं। सुपरकैपेसिटर के क्षेत्र में, कम आयतन में बड़ी मात्रा में आवेश संग्रहीत करने की क्षमता महत्वपूर्ण होती है। शोधकर्ताओं ने यह मापा कि फिल्में कितना आवेश संग्रहीत कर सकती हैं और पाया कि डाइमिथाइल सल्फोऑक्साइड से उपचारित फिल्म 251 F cm-3 संग्रहीत कर सकती है, जो पिछले समय में समान सामग्रियों के लिए दर्ज किए गए मानों से काफी अधिक है। यह सुधार उन्हीं संरचनात्मक परिवर्तनों से आता है जिन्होंने चालकता को बढ़ाया था। कुचालक बाधाओं को हटाकर और एक छिद्रपूर्ण, परस्पर जुड़ी नेटवर्क बनाकर, सामग्री इलेक्ट्रोलाइट के आयनों को गहराई तक प्रवेश करने और चालक सतह के साथ अंतःक्रिया करने की अनुमति देती है। यह एक विशाल आंतरिक सतह क्षेत्र बनाता है जहाँ ऊर्जा को तेजी से संग्रहीत और मुक्त किया जा सकता है। डाइमिथाइल सल्फोऑक्साइड से उपचारित फिल्म ने कई चैनलों के साथ एक ब्लॉक जैसी संरचना बनाई, जबकि मेथनॉल-उपचारित फिल्म ने एक बिंदु जैसी (डॉट-लाइक) पैटर्न बनाया; प्रत्येक संरचना बिजली की गति और कितनी ऊर्जा संग्रहीत की जा सकती है, के बीच एक अनूठा संतुलन प्रदान करती थी।
यह अध्ययन दर्शाता है कि यह सॉल्वोथर्मल दृष्टिकोण एक सार्वभौमिक विधि है जो न केवल एक विशिष्ट रसायन, बल्कि विभिन्न प्रकार के सामान्य विलायकों के साथ काम करती है। यह सुझाव देता है कि यह तकनीक मजबूत है और विभिन्न विनिर्माण आवश्यकताओं के लिए अनुकूलित की जा सकती है। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि यह सुधार केवल एक सतही प्रभाव नहीं था बल्कि सामग्री की आंतरिक वास्तुकला में एक मौलिक परिवर्तन था। फिल्में फ्री-स्टैंडिंग बनी रहीं, जिसका अर्थ है कि उन्हें अपने समर्थनों से अलग किया जा सकता था और स्वतंत्र रूप से लचीले इलेक्ट्रोड के रूप में उपयोग किया जा सकता था। उच्च चालकता, उच्च ऊर्जा भंडारण और यांत्रिक लचीलेपन का यह संयोजन इस सामग्री को अगली पीढ़ी के ऊर्जा उपकरणों के लिए एक मजबूत उम्मीदवार बनाता है। यह कार्य एक मानक चालक प्लास्टिक को एक उच्च-प्रदर्शन वाली सामग्री में बदलने का एक स्पष्ट, व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है जो भविष्य के लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स और कुशल ऊर्जा भंडारण प्रणालों को शक्ति दे सकती है।
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