महीन छिद्रों में भरा तरल नन्ही नक्काशी का रक्षक बना

आसान शब्दों में

कुछ छिद्रदार पदार्थों को बहुत बारीकी से काटने पर उनकी पूरी बनावट बिगड़ सकती है। शोधकर्ताओं ने उनके छोटे-छोटे छिद्रों में खास तरल भरकर इस नुकसान को कम किया और कमरे के तापमान पर भी बारीक आकृतियाँ बनाईं। तरीका आशाजनक है, लेकिन अभी इसे सिर्फ एक ही पदार्थ पर आजमाया गया है।

छिद्रदार पदार्थों को तराशना इतना कठिन क्यों है?

छिद्रदार क्रिस्टल पहली नज़र में छोटे उपकरण बनाने के लिए बहुत उपयोगी लगते हैं। इनके भीतर काफी खाली जगह होती है और छिद्रों के गुण बदले जा सकते हैं। इस वजह से इनका इस्तेमाल गैसों को अलग करने और जमा करने, संवेदक बनाने और कुछ इलेक्ट्रॉनिक कामों में किया जा सकता है। लेकिन इन्हें मनचाहे आकार में ढालना आसान नहीं है। जिन औजारों से बहुत बारीक नक्काशी की जा सकती है, वे उसी दौरान पदार्थ की उस बनावट को भी बिगाड़ सकते हैं जिसे आकार देना है। झेंग, मुराओका और उनके साथियों ने इस समस्या को कम करने का एक तरीका खोजा: तांबे से बने धातु-जैविक ढाँचे के छिद्रों में आयनिक तरल भरकर उस पर केंद्रित आयन-किरण डालना।

छिद्रदार ढाँचों को तराशना क्यों मुश्किल है?

धातु-जैविक ढाँचे, जिन्हें संक्षेप में MOFs कहा जाता है, धातु के केंद्रों और उनसे जुड़ने वाले जैविक अणुओं की कड़ियों से बनते हैं। इनके बीच खाली जगहों का एक महीन जाल होता है। यह बनावट इन्हें अपने छिद्रों में अणुओं को समाने देती है, लेकिन इन्हें नुकसान के प्रति संवेदनशील भी बनाती है। धातु और जैविक हिस्से के बीच के बंधों पर इलेक्ट्रॉनों या आयनों की ऊर्जा का असर पड़ सकता है। इसलिए किसी खास जगह से पदार्थ हटाते समय नुकसान केवल उसी जगह तक सीमित नहीं रहता; आसपास के क्रिस्टल का क्रम भी बदल सकता है।

बारीक पदार्थों को आकार देने के लिए इलेक्ट्रॉन और आयन-किरणों का इस्तेमाल किया जाता है। इनके कणों के टकराने से किसी छोटे हिस्से में आयनीकरण या रासायनिक टूट-फूट हो सकती है। बहुत छोटे बिंदुओं पर थोड़ी गर्मी पैदा हो सकती है या परमाणुओं का क्रम बिगड़ सकता है। केंद्रित आयन-किरण से नक्काशी करते समय तेज़ गति वाले आयन परमाणुओं को उनकी जगह से हटा सकते हैं और ढाँचे को थामने वाले बंधों को कमजोर कर सकते हैं। इसीलिए केवल छेद या नली बना पाना काफी नहीं है; उसके किनारों और आसपास की दीवारों का स्थिर रहना भी जरूरी है, ताकि बाद में उनका इस्तेमाल किया जा सके।

इन पदार्थों को आकार देने के लिए कई तरीके आजमाए गए हैं। इनमें बंधों को मजबूत करना, विलायकों से उपचार, एक्स-किरणों के संपर्क में लाना और प्रकाश से सक्रिय होने वाले अम्लों की मदद से रासायनिक प्रतिक्रिया कराना शामिल है। इनसे बारीक आकृतियाँ बन सकती हैं, फिर भी सतह पर बिना तरल के सीधे नक्काशी करना चुनौती बना हुआ है। इसकी वजह यह है कि पदार्थ हटाने के दौरान आयनों की बौछार क्रिस्टल को नुकसान पहुँचा सकती है। नमूने को बहुत कम तापमान तक ठंडा करने से कुछ नुकसान घटाया जा सकता है, लेकिन इसके लिए खास शीतलन उपकरण, तरल नाइट्रोजन और तापमान पर सावधानी से नियंत्रण जरूरी होता है।

किरण डालने से पहले छिद्रों में तरल

शोधकर्ताओं ने Cu₃BTC₂ नाम के पदार्थ के एकल क्रिस्टल चुने। इसे HKUST-1 भी कहा जाता है और यह तांबे पर आधारित धातु-जैविक ढाँचा है। गर्म विलायक की मदद से क्रिस्टल उगाए गए, जिनका आकार लगभग मिलीमीटर था। फिर उनमें बचा हुआ विलायक हटाया गया, ताकि नया तरल छिद्रों तक पहुँच सके। इसका मकसद तरल से क्रिस्टल के ढाँचे को बदलना नहीं था। शोधकर्ता चाहते थे कि तरल भीतर की कुछ खाली जगहों में रहे और ढाँचे के हिस्सों के बीच एक सीमित माध्यम की तरह काम करे।

टीम ने इमिडाज़ोलियम परिवार के धनावेशित हिस्से वाले चार आयनिक तरलों की तुलना की: [C₂mim][Tf₂N], [C₄mim][Tf₂N], [C₈mim][Tf₂N] और [C₄mim][PF₆]। इनमें से दो तरलों में धनावेशित आयन से जुड़ी शृंखला की लंबाई अलग है। कुछ तरलों में ऋणावेशित आयन भी अलग है। इससे शोधकर्ता यह देख सके कि रासायनिक बनावट का पदार्थ के व्यवहार पर क्या असर पड़ता है। यह बात अहम है, क्योंकि केवल इतना जानना कि छिद्रों में आयनिक तरल भरा है, उससे यह पता नहीं चलता कि वह कितनी सुरक्षा देगा। आयनों का स्वभाव आवेशों की गति और दबाव तथा गर्मी के प्रति तरल की प्रतिक्रिया को बदल सकता है।

इन नमूनों को तैयार करने के लिए क्रिस्टलों को निर्वात में, आयनिक तरल की अधिक मात्रा के बीच, 120 डिग्री सेल्सियस पर 12 घंटे रखा गया। वजन से जुड़े मापों से पता चला कि तरल ने छिद्रों की उपलब्ध जगह का लगभग 50 से 60 प्रतिशत हिस्सा घेर लिया था। यानी उपचार से सारे छिद्र नहीं भरे, लेकिन भीतर काफी मात्रा में तरल पहुँचा। नमूने तैयार करने के दूसरे चरणों में विलायक हटाना और 190 डिग्री सेल्सियस पर निर्वात में गर्म करना भी शामिल था। इसलिए यह कहना कि नक्काशी कमरे के तापमान पर हुई, इसका मतलब यह नहीं है कि नमूना तैयार करने के सभी चरण बिना गर्म किए किए गए।

क्रिस्टल का क्रम और उसकी जाली के आकार जाँचने के लिए टीम ने एक्स-किरण विवर्तन का इस्तेमाल किया। बंधों और रासायनिक बदलावों पर नज़र रखने के लिए अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी की गई। इसके बाद नमूनों पर 30 किलोइलेक्ट्रॉन-वोल्ट ऊर्जा वाली गैलियम आयन-किरण डाली गई। किरण सतह पर सीधे डाली गई और आयनों की मात्रा 0.5 से 4.0 नैनोकूलॉम प्रति वर्ग माइक्रोमीटर के बीच रखी गई। नक्काशी वाले हिस्सों को स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप से देखा गया। अलग-अलग परीक्षणों में तांबे की रासायनिक अवस्था का विश्लेषण करने के लिए कम ऊर्जा वाले धनावेशित आर्गन आयनों से थोड़ी देर तक सतह को घिसा गया। नमूनों की गर्मी के प्रति प्रतिक्रिया भी भार और ताप में बदलाव से जुड़े विश्लेषणों से जाँची गई।

ज्यादा स्थिर क्रिस्टल, ज्यादा बारीक आकृतियाँ

एक्स-किरण विवर्तन के नतीजों से पता चला कि तरल भरने पर Cu₃BTC₂ का मूल घनाकार रूप नहीं बदला। क्रिस्टल जाली के स्थिरांक में अंतर 0.2 प्रतिशत से भी कम था। इससे संकेत मिलता है कि तरल भीतर पहुँचा, लेकिन क्रिस्टल का कुल क्रम खास तौर पर नहीं टूटा। अवरक्त मापों ने भी यौगिक के भीतर तरल की मौजूदगी की पुष्टि की। साथ ही, तांबे और ऑक्सीजन के बंध के कंपन से जुड़ा संकेत कम तरंग संख्या की ओर खिसका। शोधकर्ताओं के अनुसार, यह बदलाव तांबे और ऑक्सीजन के बंधों के आसपास के स्थानीय माहौल में परिवर्तन दिखाता है; इसे इस बात का प्रमाण नहीं माना जाना चाहिए कि क्रिस्टल की बनावट नष्ट हो गई।

बिना तरल भरे नमूनों और उपचारित नमूनों की तुलना करने पर फर्क साफ दिखा। कमरे के तापमान पर नक्काशी के दौरान बिना भरे Cu₃BTC₂ क्रिस्टल बुरी तरह क्षतिग्रस्त हुए। उनका क्रम कमजोर पड़ा और उनमें खोखले गड्ढे बन गए। बाद में इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के नीचे थोड़ी देर रखने पर भी नुकसान का क्षेत्र बढ़ गया। किनारे फूल गए और दरारें दिखाई देने लगीं। इसके उलट, [C₄mim][Tf₂N] से तैयार नमूने, जिसे C4@MOF कहा गया, की नक्काशी वाली सतह ज्यादा चिकनी रही। जाँच में उसमें वैसा सूक्ष्म नुकसान नहीं दिखा।

टीम ने केवल साधारण खुले हिस्से नहीं बनाए, बल्कि कई तरह की आकृतियाँ तराशी। इनमें अक्षर, खंभे और लगभग 240 नैनोमीटर मोटी एक पतली दीवार शामिल थी। इससे पता चलता है कि तरल मिलाने के बाद संवेदनशील क्रिस्टल में छोटे आकार की आकृतियाँ बनाना संभव हुआ और नक्काशी के दौरान नमूने को ठंडा करने की जरूरत नहीं पड़ी। हालांकि, इसका यह अर्थ नहीं है कि हर आकृति या आयन-किरण की हर मात्रा पर नतीजा एक जैसा होगा। परीक्षणों से पता चला कि सतह की स्थिरता आयनों की मात्रा और तरल की रासायनिक बनावट, दोनों के साथ बदलती है।

कम मात्रा में आयन डालने पर नक्काशी कई सौ नैनोमीटर गहरी की जा सकती थी और उसके तल की बनावट बची रही। 0.5 नैनोकूलॉम प्रति वर्ग माइक्रोमीटर वाले परीक्षण में इतनी गहराई तक पदार्थ हटाने के बाद भी नक्काशी के तल की सतह सुरक्षित थी। लेकिन आयनों की मात्रा बढ़ाने पर नतीजा बदल गया। नक्काशी वाले हिस्से के निचले किनारों पर लगभग एक माइक्रोमीटर आकार के गड्ढे दिखाई दिए, जो आगे उसके बीच की ओर फैलने लगे। जब आयनों की मात्रा 2.5 नैनोकूलॉम प्रति वर्ग माइक्रोमीटर से अधिक हुई, तो नक्काशी के तल का पूरा हिस्सा क्षतिग्रस्त हो गया। इसके बावजूद किनारे की दीवारें अपेक्षाकृत ज्यादा मजबूत बनी रहीं।

चारों तरल-मिश्रणों में पदार्थ हटने की गति एक जैसी नहीं थी। C2@MOF में नक्काशी की दर 21 नैनोमीटर प्रति सेकंड, C4@MOF में 15 नैनोमीटर प्रति सेकंड, C8@MOF में 19 नैनोमीटर प्रति सेकंड और PF₆@MOF में 14 नैनोमीटर प्रति सेकंड रही। लेकिन कामयाबी का पैमाना केवल गति नहीं था। C4@MOF और PF₆@MOF से बने नमूनों में नतीजे दोहराने की क्षमता और आयन-किरण से होने वाले नुकसान का प्रतिरोध सबसे अच्छा था। इससे साफ है कि सही तरल चुनते समय नक्काशी की रफ्तार के साथ सतह की गुणवत्ता और स्थिरता का संतुलन भी देखना होगा। पदार्थ को जितनी जल्दी हो सके हटाना ही एकमात्र लक्ष्य नहीं हो सकता।

क्रिस्टल के भीतर तरल क्या कर सकता है?

शोधकर्ताओं का मानना है कि छिद्रों में फँसा तरल एक साथ कई तरह से सुरक्षा दे सकता है। उसमें चलने-फिरने वाले आयन, आयन-किरण की बौछार से पैदा होने वाले बिजली के आवेश को जमा होने से रोकने में मदद कर सकते हैं। तरल के तापीय गुण बहुत छोटे हिस्सों में अचानक बढ़ने वाली गर्मी को सोख सकते हैं। इसकी लचीली और चिपचिपी प्रकृति आयनों के टकराने पर ढाँचे में पैदा होने वाले यांत्रिक तनाव को भी घटा सकती है। ये सुरक्षा के संभावित कारण हैं; अभी यह साबित नहीं हुआ है कि सभी नतीजों के पीछे एक ही कारण काम करता है।

एक्स-किरण फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी से मिले नतीजे रासायनिक बदलावों के लिहाज से इस संभावना को सहारा देते हैं। जब मूल क्रिस्टल को आर्गन आयनों से घिसा गया, तो तांबे के कुछ आयन Cu²⁺ अवस्था से Cu⁺ अवस्था में बदल गए। इसके उलट, C4@MOF में Cu²⁺ अवस्था से जुड़े संकेत काफी हद तक बने रहे। इससे पता चलता है कि परीक्षण की स्थितियों में तरल ने तांबे के केंद्रों में होने वाले बदलाव को सीमित किया। यह अलग परीक्षण गैलियम आयन-किरण से की गई नक्काशी की हर परिस्थिति से मेल नहीं खाता, लेकिन यह संकेत जरूर देता है कि तरल धातु के कुछ स्थानों को आयनों की बौछार के असर से बचा सकता है।

नैनोइंडेंटेशन से किए गए परीक्षणों में तरल भरने के बाद पदार्थ की कठोरता बढ़ी, जबकि प्रत्यास्थता से जुड़ा माप पहले के करीब बना रहा। फिर भी नक्काशी की गति कठोरता के क्रम के मुताबिक नहीं बदली। जो नमूना सबसे तेजी से पदार्थ हटाता है, जरूरी नहीं कि वही सबसे कम कठोर हो। इसी तरह, केवल कठोरता से यह नहीं समझा जा सकता कि किरण कितना पदार्थ हटाएगी। इससे लगता है कि आयनों के टकराने से क्रिस्टल को होने वाला नुकसान भी पदार्थ हटने की प्रक्रिया में योगदान देता है; केवल यांत्रिक गुण इसकी पूरी व्याख्या नहीं करते।

तापीय विश्लेषण में C2@MOF और C4@MOF के अपघटन की शुरुआत मूल पदार्थ की तुलना में ज्यादा तापमान पर हुई। लेकिन C8@MOF में ऐसा साफ सुधार नहीं दिखा। इससे पता चलता है कि आयन-शृंखला की लंबाई या तरल की रासायनिक बनावट ढाँचे को मिलने वाली स्थिरता बदल सकती है; हर तरल से एक जैसा लाभ नहीं मिलता। आयनिक तरलों की ऊष्मा चालकता Cu₃BTC₂ से कम है। इसलिए यह कहना ठीक नहीं होगा कि तरल केवल गर्मी को तेजी से बाहर ले जाकर सुरक्षा देता है। शोधकर्ताओं के अनुसार, तरल की ऊष्मा सोखने की क्षमता और संभवतः कंपन के जरिए ऊर्जा का आगे बढ़ना भी भूमिका निभा सकता है, साथ ही उसके यांत्रिक गुण भी असर डाल सकते हैं।

निर्माण के लिए उपयोगी संभावना, मगर कुछ सवाल बाकी

इस तरीके का व्यावहारिक फायदा यह है कि केंद्रित आयन-किरण के सामान्य उपकरणों से कमरे के तापमान पर नक्काशी की जा सकती है। उपचार के दौरान तरल नाइट्रोजन से ठंडा करने की व्यवस्था लगाने या बहुत कम तापमान के लिए खास उपकरणों पर निर्भर रहने की जरूरत नहीं पड़ी। इससे संवेदनशील छिद्रदार पदार्थों को आकार देने के लिए जरूरी उपकरणों का बोझ घट सकता है। फिर भी यह काम नक्काशी की सभी तकनीकों का विकल्प नहीं है। शोधकर्ताओं के अनुसार, जब परमाणु स्तर की सटीकता से नमूने तैयार करने हों, तब बहुत कम तापमान पर ठंडा करना अब भी एक अहम तरीका है।

नमूना तैयार करने की परिस्थितियों और नक्काशी के दौरान उपकरण चलाने की परिस्थितियों में फर्क समझना जरूरी है। नमूने से विलायक हटाना पड़ा, उसे 190 डिग्री सेल्सियस पर निर्वात में उपचारित करना पड़ा और फिर आयनिक तरल में 120 डिग्री सेल्सियस पर 12 घंटे भिगोना पड़ा। कमरे का तापमान केवल उस चरण पर लागू था जब पदार्थ पर आयनों की बौछार करके नक्काशी की गई। यह नमूना तैयार करने के हर चरण का वर्णन नहीं करता। नमूना तैयार करने में लगने वाला लंबा समय भी एक व्यावहारिक चुनौती हो सकता है, और इस तरीके को बड़े पैमाने पर अपनाने से पहले इसे घटाना होगा।

इस अध्ययन की सीमाएँ भी साफ हैं। परीक्षण केवल Cu₃BTC₂ पर हुआ, इसलिए यह मान लेना सही नहीं होगा कि दूसरे धातु-जैविक ढाँचे या अन्य छिद्रदार पदार्थ भी इसी तरह प्रतिक्रिया देंगे। उपचारित नमूनों में भी ज्यादा मात्रा के आयनों ने नक्काशी के तल को नुकसान पहुँचाया। इसलिए आयन-किरण की परिस्थितियों पर नियंत्रण जरूरी रहेगा। आगे के शोध में अन्य तरल-मिश्रणों और कई तरह के पदार्थों को परखना होगा। साथ ही, यह तय करना होगा कि कितनी गहराई तक नक्काशी करने पर कम से कम नुकसान के साथ उपयोगी नतीजा मिल सकता है।

निष्कर्ष

झेंग, मुराओका और उनके साथियों का अध्ययन, जो 2026 में कम्युनिकेशंस मैटेरियल्स पत्रिका में प्रकाशित हुआ, कमरे के तापमान पर आयन-किरण से नक्काशी करते समय तांबे के छिद्रदार ढाँचे को बचाने का एक आशाजनक तरीका दिखाता है: उपचार से पहले उसके कुछ छिद्रों में आयनिक तरल भरना। क्रिस्टल जाली के स्थिरांक में अंतर 0.2 प्रतिशत से कम रहा और लगभग 240 नैनोमीटर मोटी दीवार बनाना संभव हुआ। कुछ तरल-मिश्रणों ने बिना उपचार वाले नमूने की तुलना में नुकसान के प्रति बेहतर प्रतिरोध और ज्यादा स्थिरता दिखाई।

लेकिन नतीजे यह भी बताते हैं कि इस तरीके की सीमाएँ हैं। तरल की बनावट से नक्काशी की गति और स्थिरता बदलती है, ज्यादा आयन डालने पर नक्काशी का तल क्षतिग्रस्त हो सकता है और अभी तक केवल एक पदार्थ की जाँच हुई है। इसलिए इसे हर छिद्रदार पदार्थ के लिए तैयार नुस्खा नहीं कहा जा सकता। यह इस बात का प्रमाण है कि छिद्रों में तरल भरने से संवेदनशील क्रिस्टल को आयनों की बौछार का सामना करने में मदद मिल सकती है। अगर आगे के परीक्षणों में यह तरीका दूसरे पदार्थों पर भी कारगर साबित हुआ, तो नक्काशी के दौरान नमूने को ठंडा किए बिना छिद्रदार ढाँचों से बारीक पुर्जे बनाने का एक उपयोगी रास्ता खुल सकता है।