Modular hinge synthesis of linear conjugated polymer single crystals for intrinsic electronics
यह अध्ययन एक मॉड्यूलर हिंज संश्लेषण रणनीति पेश करके अंतर्निहित पॉलीमर इलेक्ट्रॉनिक्स में दशकों की प्रयोगात्मक सीमाओं को दूर करता है जो नवीन छिद्रयुक्त क्रॉस-लीनियर संयुग्मित पॉलीमर सिंगल क्रिस्टल का निर्माण करता है, जिससे पारंपरिक समानांतर-लीनियर आर्किटेक्चर की तुलना में उनकी श्रेष्ठ अंतर्निहित चालकता के पहले प्रत्यक्ष मापन को सक्षम बनाया जा सके।
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द दशकों से, लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स (flexible electronics) की दुनिया एक जिद्दी विरोधाभास के कारण रुकी हुई है। वैज्ञानिकों को लंबे समय से पता है कि कुछ लंबी श्रृंखला वाले अणु, जिन्हें संयुग्मित बहुलक (conjugated polymers) कहा जाता है, असाधारण दक्षता के साथ बिजली का संचालन करने की क्षमता रखते हैं। ये सामग्रियां भविष्य की तकनीकों के निर्माण खंड हैं जो प्लास्टिक रैप की तरह मुड़ने योग्य लेकिन सिलिकॉन चिप्स जितनी शक्तिशाली हो सकती हैं। हालांकि, इसमें एक पेच है। इन अणुओं के माध्यम से बिजली कैसे चलती है, इसे वास्तव में समझने के लिए, शोधकर्ताओं को उन्हें उनके सबसे पूर्ण, व्यवस्थित रूप में अध्ययन करने की आवश्यकता है: एक एकल क्रिस्टल (single crystal)। प्रकृति में, ये बहुलक श्रृंखलाएं अव्यवस्थित और उलझी हुई होती हैं, जैसे पके हुए स्पैगेटी का एक कटोरा, जो उनकी वास्तविक क्षमता को छिपा देती हैं। वर्षों तक, इन सामग्रियों को उन सुव्यवस्थित, एकल-क्रिस्टलीय संरचनाओं में उगाना, जो सटीक अध्ययन के लिए आवश्यक हैं, असंभव माना जाता था। इसके अलावा, यदि ऐसे क्रिस्टल उगाए भी जा सकें, तो वे अक्सर मापने के लिए बहुत छोटे और बिना टूटे छूने के लिए बहुत नाजुक होते हैं। इसने वैज्ञानिकों को इन सामग्रियों की मौलिक सीमाओं के बारे में केवल अनुमान लगाने पर छोड़ दिया, जिससे वे अव्यवस्थित, संकुचित पाउडर के मापन पर निर्भर रहे जो व्यक्तिगत श्रृंखलाओं के वास्तविक व्यवहार को अस्पष्ट कर देते थे।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन दोनों बाधाओं को तोड़ दिया है, जिससे इन आणविक संरचनाओं को बनाने का एक नया तरीका और उन्हें मापने की एक कोमल विधि का पता चला है। एक विशिष्ट आणविक वास्तुकला को डिजाइन करके जो श्रृंखलाओं को सामान्य समानांतर रेखाओं के बजाय एक अद्वितीय, क्रॉस-आकार के पैटर्न में स्टैक होने के लिए मजबूर करती है, उन्होंने नए छिद्रयुक्त (porous), एकल-क्रिस्टलीय बहुलकों का एक नया परिवार बनाया है। इन नाजुक संरचनाओं का अध्ययन करने के लिए, टीम ने एक तकनीक विकसित की जिसमें क्रिस्टल पर सीधे पैटर्न उकेरने के लिए एक गर्म सूक्ष्म टिप (heated microscopic tip) का उपयोग किया गया, जिससे कठोर रासायनिक प्रक्रियाओं या नुकसानदेह इलेक्ट्रॉन बीमों की आवश्यकता समाप्त हो गई। जब उन्होंने इन नए क्रिस्टलों का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि उनमें एक रासायनिक ऑक्सीडेंट मिलाने से उनकी बिजली संचालित करने की क्षमता ग्यारह गुना बढ़ गई। यह नाटकीय सुधार, जो पारंपरिक समानांतर-स्टैक्ड संस्करणों में देखे गए मामूली लाभ से कहीं अधिक है, यह सिद्ध करता है कि इन अणुओं का विशिष्ट विन्यास और इनके भीतर मौजूद सूक्ष्म छिद्र, इनके पूर्ण इलेक्ट्रॉनिक सामर्थ्य को अनलॉक करने के लिए महत्वपूर्ण हैं।
कहानी व्यवस्था (order) की चुनौती से शुरू होती है। पदार्थ विज्ञान (materials science) की दुनिया में, परमाणु और अणु खुद को कैसे व्यवस्थित करते हैं, यही तय करता है कि कोई सामग्री कैसे व्यवहार करेगी। रैखिक संयुग्मित बहुलकों (linear conjugated polymers) के लिए, बिजली का संचालन करने के लिए आदर्श व्यवस्था एक अत्यधिक व्यवस्थित, एकल-क्रस्तलीय जाली (lattice) है जहाँ प्रत्येक श्रृंखला पूरी तरह से संरेखित हो। हालाँकि, ये श्रृंखलाएं स्वाभाविक रूप से उलझने और अव्यवस्थित तरीके से स्टैक होने की प्रवृत्ति रखती हैं, जिससे अध्ययन के लिए आवश्यक बड़े, पूर्ण क्रिस्टल उगाना लगभग असंभव हो जाता है। शोधकर्ताओं ने इसे श्रृंखलाओं को 'हिंज' (hinge/कब्जे) की तरह मानकर हल किया। उन्होंने अणुओं को उनके बैकबोन से जुड़ी भारी, सख्त समूहों (bulky, stiff groups) के साथ डिजाइन किया। ये भारी समूह भौतिक स्पेसर्स (spacers) के रूप में कार्य करते हैं, जो श्रृंखलाओं को अगल-बगल बहुत कसकर पैक होने से रोकते हैं। इसके बजाय, श्रृंखलाओं को एक ऑर्थोगोनल, या क्रॉस-आकार के फैशन में स्टैक होने के लिए मजबूर किया जाता है। यह विशिष्ट ज्यामिति, जो परतों के बीच कमजोर आकर्षक बलों द्वारा स्थिर होती है, एक ऐसी संरचना बनाती है जिसमें स्थायी, सूक्ष्म छिद्र (pores) चलते हैं। यह एक टोपोलॉजिकल विशेषता है जो पहले इस श्रेणी की सामग्रियों में कभी नहीं देखी गई थी, जो बहुलक को एक ठोस ब्लॉक से एक छिद्रयुक्त ढांचे (porous framework) में बदल देती है।
यह पुष्टि करने के लिए कि उन्होंने सफलतापूर्वक इन नई संरचनाओं का निर्माण किया है, टीम ने 'कंटीन्यूअस रोटेशन इलेक्ट्रॉन डिफ्रैक्शन' नामक एक शक्तिशाली इमेजिंग तकनीक का उपयोग किया। इस पद्धति ने उन्हें नमूने को नष्ट किए बिना क्रिस्टल के भीतर प्रत्येक परमाणु की स्थिति को मैप करने की अनुमति दी। वे इन छिद्रयुक्त, क्रॉस-स्टैक्ड बहुलकों के पांच अलग-अलग संस्करणों और पारंपरिक, गैर-छिद्रयुक्त समानांतर-स्टैक्ड बहुलकों के दो संस्करणों की परमाणु संरचनाओं को सफलतापूर्वक निर्धारित करने में सक्षम रहे। छवियों ने खुलासा किया कि क्रॉस-स्टैक्ड संस्करणों में वास्तव में उनके माध्यम से खुले चैनल मौजूद थे, जबकि समानांतर संस्करण ठोस और घने थे। शोधकर्ताओं ने यह भी सत्यापित किया कि ये नए क्रिस्टल स्थिर हैं और गर्मी झेल सकते हैं, जिनमें से कुछ संस्करण 410 डिग्री सेल्सियस तक तापमान बरकरार रख सकते हैं।
अगली बाधा यह थी कि इन छोटे क्रिस्टलों के माध्यम से बिजली के प्रवाह को कैसे मापा जाए। क्रिस्टल कुछ माइक्रोमीटर लंबे और एक माइक्रोमीटर के एक अंश चौड़े होते हैं, जो मानक विनिर्माण उपकरणों के लिए बहुत छोटे हैं। इलेक्ट्रिकल संपर्कों (electrical contacts) के लिए पारंपरिक तरीके या तो छोटे क्रिस्टल के साथ संरेखित होने में विफल रहेंगे या इलेक्ट्रॉन बीम के साथ उसे नुकसान पहुँचाएंगे। इसे हल करने के लिए, टीम ने 'थर्मल स्कैनिंग-प्रोब लिथोग्राफी' का उपयोग करके एक निर्माण प्रक्रिया का आविष्कार किया। यह तकनीक एक विशेष सूक्ष्मदर्शी टिप का उपयोग करती है जो एक छोटी, गर्म कलम की तरह कार्य करती है। शोधकर्ताओं ने पहले क्रिस्टल को एक सिलिकॉन सतह पर रखा और उन्हें एक विशेष ताप-संवेदनशील परत के साथ कोट किया। फिर गर्म टिप ने क्रिस्टल के स्थान को नैनोमीटर सटीकता के साथ देखने की सूक्ष्मदर्शी की क्षमता द्वारा निर्देशित होकर, सीधे इस परत पर इलेक्ट्रिकल संपर्कों के पैटर्न को "लिखा"। क्योंकि लेखन इमेजिंग के समान ही समन्वय प्रणाली (coordinate system) में होता है, इसलिए मिसअलाइनमेंट का कोई जोखिम नहीं है, और चूंकि किसी इलेक्ट्रॉन बीम का उपयोग नहीं किया जाता है, इसलिए नाजुक क्रिस्टल सुरक्षित रहता है। इसने उन्हें 200 नैनोमीटर जितने छोटे चैनल की लंबाई वाले व्यक्तिगत क्रिस्टल पर कार्यात्मक विद्युत उपकरण बनाने की अनुमति दी।
उपकरण बनाने के बाद, टीम ने प्रदर्शन के प्रश्न की ओर रुख किया। उन्होंने शुद्ध क्रिस्टल की विद्युत चालकता को मापा और फिर यह देखने के लिए कि वे कैसे प्रतिक्रिया देंगे, उन्हें एक मजबूत रासायनिक ऑक्सीडेंट के साथ उपचारित किया। परिणाम चौंकाने वाले थे। पारंपरिक, समानांतर-स्टैक्ड क्रिस्टल ने चालकता में केवल मामूली वृद्धि दिखाई, जो लगभग दो गुना बढ़ी। इसके विपरीत, नए छिद्रयुक्त, क्रॉस-स्टैक्ड क्रिस्टल में उनकी चालकता औसतन ग्यारह गुना बढ़ गई। यह विशाल अंतर नए डिजाइन की शक्ति को उजागर करता है। छिद्रयुक्त संरचना रासायनिक ऑक्सीडेंट को क्रिस्टल में गहराई तक जाने देती है, जिससे वह अधिक आणविक श्रृंखलाओं तक पहुँच पाता है, जबकि क्रॉस-स्टैक्ड व्यवस्था विद्युत आवेश (charge) की गति को सुगम बनाती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि क्रॉस-स्टैक्ड बहुलकों में मौजूद विशिष्ट रासायनिक समूह, जो इलेक्ट्रॉनों से समृद्ध हैं, खुले आर्किटेक्चर के साथ मिलकर बिजली के लिए एक अत्यधिक कुशल मार्ग बनाने के लिए मिलकर काम करते हैं।
यह कार्य क्रिस्टलीय बहुलकों को डिजाइन करने के लिए एक नया ब्लूप्रिंट स्थापित करता है। यह सिद्ध करके कि इन अणुओं को एक छिद्रयुक्त, क्रॉस-स्टैक्ड ज्यामिति में मजबूर करना और फिर उन्हें सीधे मापना संभव है, शोधकर्ताओं ने ऑर्गेनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की अंतर्निहित सीमाओं को समझने का द्वार खोल दिया है। आणविक "हिंज" के कोण और छिद्रों के आकार को ट्यून करने की क्षमता यह सुझाव देती है कि भविष्य की सामग्रियों को विशिष्ट इलेक्ट्रॉनिक आवश्यकताओं के लिए कस्टम-डिजाइन किया जा सकता है। निष्कर्ष पुष्टि करते हैं कि अणुओं की व्यवस्था स्वयं अणुओं जितनी ही महत्वपूर्ण है, जो अत्यधिक कुशल और यांत्रिक रूप से लचीले अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की ओर एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करती है।
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