बिजली से फूलती नैनो-नलियाँ: क्या उपकरण की याददाश्त उसकी बनावट में छिपी है?

आसान शब्दों में

बहुत ही बारीक रास्तों में बिजली बहते पानी और उसमें मौजूद छोटे आवेशित कणों के बहाव का रास्ता बदल सकती है। बिजली लगाने पर रास्ते की दीवारें कहीं फूलती हैं, कहीं सिकुड़ती हैं, जिससे कणों का बहाव बदल जाता है। कभी-कभी रास्ते में आया यह बदलाव बिजली हटने के बाद भी बना रहता है। इस खोज से ऐसे नए उपकरण बनाने में मदद मिल सकती है जो आयनों की गति से जानकारी सँभालें।

नैनो-नलियों की याददाश्त कहाँ बनती है?

कल्पना कीजिए कि पानी और आवेशित कण एक बेहद संकरे रास्ते से गुजर रहे हैं। अब सोचिए कि उस रास्ते की दीवारें पूरी तरह कठोर नहीं हैं और बिजली लगाने पर थोड़ा फूल सकती हैं। यही विचार 2026 में नेचर मैटेरियल्स में प्रकाशित एक नए अध्ययन के केंद्र में है। शोधकर्ताओं ने पहली बार सीधे देखा कि दो आयामों वाली नैनो-नलियों का आकार बदलने पर उनमें बहने वाला आयनिक विद्युत-प्रवाह भी बदलता है।

आमतौर पर ऐसे उपकरणों में बिजली का माप उनके दोनों सिरों पर किया जाता है। इस अध्ययन में शोधकर्ताओं ने एक ही समय पर विद्युत माप लिए और प्रकाश से ली गई तस्वीरें भी दर्ज कीं। इससे वे नली की सूक्ष्म बनावट में हो रहे बदलावों और उनसे जुड़ी विद्युत प्रतिक्रिया को एक साथ देख सके।

याददाश्त सिर्फ आयनों में नहीं

नैनो-द्रव उपकरणों में आयन बेहद पतले रास्तों से गुजरते हैं। इतनी छोटी जगह में आयनों का व्यवहार किसी बड़े बर्तन में पानी के बहाव जैसा नहीं होता। पास की दीवारें और सतहों पर होने वाली क्रियाएँ तय कर सकती हैं कि आयनों के लिए आगे बढ़ना कितना आसान होगा। इसीलिए बिजली के ध्रुव बदलने पर बहाव हमेशा एक जैसा नहीं रहता। उपकरण की प्रतिक्रिया इस बात पर भी निर्भर हो सकती है कि उसमें इससे पहले किस तरह की बिजली लगाई गई थी।

पहले लगाए गए वोल्टेज का असर आगे भी बने रहने वाली इस प्रतिक्रिया को आयनिक स्मृति कहा जाता है। ऐसी स्मृति उन उपकरणों के लिए अहम हो सकती है जिनमें जानकारी को सँभालने और उस पर काम करने के तरीके तंत्रिका-जाल की कुछ विशेषताओं से प्रेरित होकर बनाए जाते हैं।

लेकिन स्मृति जैसा व्यवहार दिखने भर से यह पता नहीं चलता कि उसका कारण क्या है। इसके लिए कई संभावित वजहें बताई गई हैं: रासायनिक क्रियाएँ, सतहों के गीला होने के ढंग में अंतर, आयनों और दीवारों के बीच खास तरह की क्रियाएँ या नली के आकार में बदलाव। पहले के अध्ययनों में यह संभावना भी उठी थी कि कुछ उपकरणों में आयनों के जोड़े या आवेशित अणुओं की कतारें भूमिका निभा सकती हैं। मगर इन विचारों को उपकरण के भीतर हो रहे वास्तविक संरचनात्मक बदलावों से सीधे जोड़ना मुश्किल रहा है।

नए अध्ययन की खास बात यह है कि इसमें बनावट और विद्युत-प्रवाह में होने वाले बदलाव एक साथ देखे गए। नतीजों से पता चलता है कि अध्ययन किए गए उपकरणों में दीवारों की हलचल भी उनकी स्मृति को समझने का एक अहम हिस्सा हो सकती है।

पतली परतों के बीच बना संकरा रास्ता

शोधकर्ताओं ने बोरॉन नाइट्राइड की षट्कोणीय परतों के बीच ग्राफीन की एक पतली परत रखकर नलियाँ बनाईं। इस जमावट से आयनों के लिए एक संकरा रास्ता तैयार हुआ। खोले गए छेद से नली की लंबाई करीब 5 माइक्रोमीटर तय हुई। टीम ने 14 उपकरणों की जाँच की। बाहर से एक जैसे दिखने वाले उपकरणों में भी परतों के चिपकने की मजबूती अलग हो सकती है या उनके भीतर पहले से कोई दोष अथवा उभार मौजूद हो सकता है। ऐसी छोटी भिन्नताएँ भी विद्युत माप को प्रभावित कर सकती हैं।

उपकरणों को खास द्रव-प्रणाली में रखकर शोधकर्ताओं ने परावर्तित रोशनी में होने वाले बदलाव देखने के लिए परावर्तन सूक्ष्मदर्शी का इस्तेमाल किया। परतों का आकार या उनके बीच की दूरी थोड़ी बदलने पर रोशनी के परावर्तित होने का ढंग भी बदलता है। इस अंतर से दीवार में बने उभार का पता लगाया जा सकता है। इसी दौरान इलेक्ट्रोडों ने उपकरण पर आगे-पीछे बदलता हुआ साइनाकार वोल्टेज लगाया और उससे पैदा हुए विद्युत-प्रवाह को दर्ज किया। पानी में काम करने के लिए बनी खास लेंस वाली एक अन्य सूक्ष्मदर्शी ने नली की बनावट की लगातार तस्वीरें लीं।

तस्वीरों और विद्युत मापों को एक ही समय से जोड़ने पर शोधकर्ता देख पाए कि नली में बदलाव होते ही विद्युत-प्रवाह में क्या हो रहा था। उन्होंने वोल्टेज के कारण रोशनी में आए अंतर का एक माप भी इस्तेमाल किया। इसमें वोल्टेज लगाए जाने पर परावर्तित रोशनी की चमक की तुलना वोल्टेज न होने पर मिली चमक से की जाती है। फिर प्रकाश के व्यवहार का मॉडल बनाकर उभारों की ऊँचाई का अनुमान लगाया गया।

इन ऊँचाइयों को हर छोटे उभार की बिल्कुल सटीक माप नहीं समझना चाहिए। परतों की मोटाई कितनी है, इस बारे में अनिश्चितता के कारण ऊँचाई के आँकड़े मोटे अनुमान ही हैं। आकार समझते समय यह सीमा ध्यान में रखना जरूरी है। फिर भी, रोशनी में दिखे संकेत इतने साफ थे कि कुछ जगहों पर बनावट में बदलाव और विद्युत-चालकता में स्पष्ट फेरबदल का साथ-साथ पता चल सका।

बिजली का दबाव कब बनाता है उभार?

टीम ने पानी में बने पोटैशियम क्लोराइड के घोलों की जाँच की। इनकी सांद्रता 1 मिलीमोलर से 1 मोलर तक थी। इसके अलावा, सोडियम क्लोराइड, लिथियम क्लोराइड और कैल्शियम क्लोराइड के 1 मोलर घोल भी परखे गए। शोधकर्ताओं ने सैद्धांतिक रूप से यह भी जाँचा कि क्या परासरण दाब और सतहों के आवेशों से जुड़ी विद्युत शक्तियाँ परतों के आपसी चिपकाव से ज्यादा ताकतवर होकर उन्हें मोड़ सकती हैं। केवल द्रव मौजूद होने से परतें अलग नहीं होतीं; उन्हें बाहर की ओर धकेलने वाली शक्तियों को परतों के आपसी चिपकाव से ज्यादा ताकतवर होना पड़ता है।

कम वोल्टेज पर विद्युत-प्रवाह और वोल्टेज का रिश्ता लगभग सीधी रेखा जैसा था। बिजली के कारण कोई खास विकृति भी दिखाई नहीं दी। लेकिन कुछ उपकरणों में विद्युत-प्रवाह सैद्धांतिक गणना से अधिक था। इसकी एक वजह पहले से मौजूद उभार या ऐसी जगहें हो सकती हैं जहाँ परतें कसकर चिपकी न हों। इन जगहों पर आयनों को गुजरने के लिए अधिक जगह मिल सकती है, भले ही वोल्टेज ने अभी कोई नया बदलाव न किया हो।

जाँचे गए एक उपकरण में वोल्टेज करीब 0.2 वोल्ट से अधिक हुआ तो एक नया उभार दिखा या पहले से मौजूद उभार और फैल गया। इसी समय वोल्टेज और विद्युत-प्रवाह का सीधा रिश्ता बिगड़ने लगा और चक्र के दौरान विद्युत प्रतिक्रिया में एक तरह की देरी दिखी। यानी वोल्टेज बढ़ाते समय और फिर घटाते समय उपकरण ने एक जैसा रास्ता नहीं अपनाया। नली हर बार ठीक अपने पुराने आकार में लौटे, यह जरूरी नहीं; रास्ता चौड़ा या संकरा होने से आयनों के गुजरने की जगह भी बदल जाती है।

दो तरह के उभार, दो तरह की प्रतिक्रिया

वोल्टेज की दिशा के प्रति प्रतिक्रिया के आधार पर उभारों में दो तरह के व्यवहार सामने आए। पहली तरह के उभार धनात्मक और ऋणात्मक, दोनों वोल्टेज पर फैल सकते थे। शोधकर्ताओं के मॉडल के मुताबिक, इसकी एक वजह आयनों के जमाव का बदलना हो सकती है। वोल्टेज के असर से आयनों का बँटवारा ऐसा हो सकता है कि नली के भीतर नमक की औसत सांद्रता बढ़ जाए। इससे नली के भीतर बंद द्रव और बाहर के बड़े द्रव-भंडार के बीच परासरण का अंतर पैदा होता है। यह अंतर दीवार को बाहर की ओर धकेलता है, चाहे जाँची गई स्थितियों में वोल्टेज धनात्मक हो या ऋणात्मक।

दूसरी तरह के उभार मुख्य रूप से वोल्टेज की एक ही दिशा में प्रतिक्रिया देते थे। यह व्यवहार नली की सतहों पर मौजूद आवेशों पर लगने वाली विद्युत शक्तियों से मेल खाता है। वोल्टेज की एक खास दिशा में ये शक्तियाँ आसपास की परतों को बाहर की ओर धकेल सकती हैं। दोनों तरह की प्रतिक्रिया होने का मतलब यह नहीं कि हर उपकरण में केवल एक ही तरीका काम करता है। सतह की बनावट, परतों का चिपकाव और आवेश यह तय कर सकते हैं कि किसी खास जगह पर कौन-सी शक्ति ज्यादा असरदार होगी।

शोधकर्ताओं ने नौ उपकरणों में कुल 50 उभारों का विश्लेषण किया और दोनों तरह की प्रतिक्रियाओं के बीच अंतर दर्ज किया। वोल्टेज शून्य पर लौटने पर ज्यादातर उभार बैठ गए, लेकिन धीमे वोल्टेज-चक्रों में कुछ विकृतियाँ बनी रहीं। एक उपकरण में बदलाव के बने रहने का असर खास तौर पर 10 से 30 मिलीहर्ट्ज़ की आवृत्तियों पर दिखा। इस तरह का बचा हुआ बदलाव समझा सकता है कि बाहरी विद्युत असर हटने के बाद भी उसकी छाप क्यों कायम रह सकती है: नली की बनावट अपने पुराने वोल्टेज के असर से बनी अवस्था को सँभाल सकती है।

छोटा-सा आकार बदलाव, बड़ा विद्युत असर

बनावट में आए बदलाव केवल सूक्ष्मदर्शी से दिखने वाली छोटी बातें नहीं थे; उनका संबंध विद्युत-चालकता में बड़े फेरबदल से था। एक उपकरण में खास उभार का आकार बदलने के बाद एक सेकंड से भी कम समय में चालकता करीब 50% बढ़ गई। दूसरे उपकरण में बार-बार दोहराए गए चक्रों के दौरान वोल्टेज और विद्युत-प्रवाह के आलेख एक जैसे नहीं रहे। शोधकर्ताओं ने इसे उन दो जगहों से जोड़ा जहाँ उभार बढ़ रहे थे। जब उभार का आकार नियमित ढंग से बदलता रहा, तो प्रतिक्रिया भी ज्यादा बार दोहराई जा सकी। लेकिन आकार में बदलाव अनियमित होने पर हर चक्र का नतीजा अलग था।

ये नतीजे यह समझने में मदद करते हैं कि एक जैसी सामग्री और जमावट से बने दिखने वाले उपकरणों का प्रदर्शन फिर भी अलग क्यों हो सकता है। विद्युत-प्रवाह सिर्फ रासायनिक संरचना से तय नहीं होता; परतें कितनी मजबूती से चिपकी हैं, सतहों पर कितना आवेश है, नली का आकार कैसा है, उसमें पहले से उभार हैं या नहीं और वोल्टेज कितनी तेजी से बदला जा रहा है—ये सब भी मायने रखते हैं।

मॉडलों से पता चला कि परासरण और विद्युत दबाव परतों के अपेक्षाकृत कमजोर आपसी चिपकाव से ज्यादा ताकतवर हो सकते हैं। उभार के फैलने और घटने की प्रक्रिया अलग होने से ऊँचाई और विद्युत-चालकता में बदलाव के रास्ते भी एक जैसे नहीं रहते। इसी वजह से एक ही वोल्टेज पर विद्युत-प्रवाह का मान इस बात पर निर्भर कर सकता है कि वोल्टेज बढ़ रहा है या घट रहा है। इस असर को हिस्टेरिसिस कहा जाता है।

नतीजे क्या बताते हैं और क्या तय नहीं करते?

अध्ययन से उन नलियों में यांत्रिक हलचल और विद्युत प्रतिक्रिया के आपसी संबंध का प्रायोगिक प्रमाण मिलता है जिन्हें टीम ने देखा। वोल्टेज केवल आयनों को गति नहीं देता; वह उस रास्ते का आकार भी बदल सकता है जिससे आयन गुजरते हैं। नैनो-द्रव उपकरणों के मॉडल बनाते समय यह बात काम की है। अगर उनकी दीवारें मुड़ या फूल सकती हैं, तो सिर्फ आयनों के बीच की क्रियाओं का हिसाब लगाना काफी नहीं होगा। परतों का चिपकाव, दबाव डालने वाली शक्तियाँ और समय के साथ बदलती नली की बनावट भी मॉडल में शामिल करनी होगी।

फिर भी, इस अध्ययन से यह साबित नहीं होता कि आयनिक स्मृति का हर मामला यांत्रिक उभारों से ही पैदा होता है। शोधकर्ताओं ने बताया कि केवल आयनों से जुड़ी कुछ प्रक्रियाएँ अपवर्तनांक में 1% से कम बदलाव कर सकती हैं। रोशनी देखने की इस विधि से इतना छोटा अंतर पकड़ पाना मुश्किल हो सकता है। इसलिए दूसरे तंत्र उन प्रणालियों में भी काम कर सकते हैं जहाँ कोई दिखाई देने वाली विकृति न हो या तस्वीर लेने वाला उपकरण उसे पहचान न सके। अध्ययन बस यह दिखाता है कि जिन उपकरणों की तस्वीरें ली गईं, उनमें विकृति मौजूद थी और उसका असर पड़ा; यह हर नैनो-द्रव प्रणाली के लिए एक ही वजह तय नहीं करता।

सौरव के. वी. रोंसे और उनके सहयोगियों का यह अध्ययन 2026 में नेचर मैटेरियल्स में प्रकाशित हुआ। इससे उपकरणों की बनावट बेहतर ढंग से तय करने में भी मदद मिल सकती है। अगर उभारों का बनना और उनकी संख्या परतों के चिपकाव पर निर्भर करती है, तो चुनिंदा जगहों पर कम चिपकने वाले हिस्से बनाकर विकृति को तय स्थानों की ओर मोड़ा जा सकता है। यह अभी एक डिजाइन-विचार है; इससे यह साबित नहीं होता कि ऐसे उपकरण इस्तेमाल के लिए तैयार हो चुके हैं। फिर भी, इससे उभारों को बार-बार एक जैसे ढंग से बनाना और अलग-अलग नमूनों के बीच का अंतर घटाना संभव हो सकता है।

निष्कर्ष

इन प्रयोगों से पता चलता है कि कुछ आयनिक नलियों की स्मृति उनकी बनावट में भी दर्ज हो सकती है। बिजली किसी द्रव से भरे उभार को फैला सकती है या नया उभार बना सकती है। इससे रास्ते का खुला हिस्सा बदलता है, आयनों का बहाव बदलता है और बिजली शून्य पर लौटने के बाद भी कुछ असर बना रह सकता है। करीब 5 माइक्रोमीटर लंबी नलियों वाले उपकरणों में तस्वीरों और विद्युत मापों को साथ देखकर शोधकर्ताओं ने सूक्ष्म विकृतियों को विद्युत-प्रवाह के हिस्टेरिसिस और चालकता में तेजी से आए बदलावों से जोड़ा। एक उपकरण में एक सेकंड से भी कम समय में चालकता 50% बढ़ी।

कौन-सा तंत्र कितना असर करेगा, यह हर उपकरण की अपनी बनावट और सतहों के गुणों पर निर्भर करता है। प्रकाश से की गई माप दूसरे आयनिक कारणों को पूरी तरह खारिज नहीं करती। फिर भी, परतों के चिपकाव, सतहों के आवेश, नली की बनावट और वोल्टेज बदलने की गति को नियंत्रित करके भविष्य में ऐसे उपकरणों को अधिक स्थिर बनाया जा सकता है। इससे बिजली से नियंत्रित नैनो-वाल्व और आयनों की गति के सहारे जानकारी पर काम करने वाले उपकरण विकसित करने में मदद मिल सकती है।