जर्मनी और इज़रायल के वैज्ञानिकों ने पृथ्वी के सबसे छोटे और सबसे आशाजनक पदार्थों में से कुछ का अध्ययन करने का एक नया तरीका खोजा है – एक ऐसी प्रगति जो बेहतर बैटरी, लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स और स्वच्छ ऊर्जा उपकरण बनाने में मदद कर सकती है।
MXenes के रूप में जाने जाने वाले ये पदार्थ कुछ परमाणुओं की मोटाई वाली चादरों से बने होते हैं। वे बिजली का संचालन कर सकते हैं, ऊर्जा संग्रहीत कर सकते हैं, और प्रकाश के साथ इस तरह से इंटरैक्ट भी कर सकते हैं जो भविष्य की तकनीकों को तेज, छोटा और अधिक कुशल बना सकता है। लेकिन अब तक, शोधकर्ता MXenes का अध्ययन केवल ओवरलैपिंग परतों के बड़े ढेर में ही कर पाते थे। इससे यह समझना मुश्किल हो जाता था कि प्रत्येक एकल परत वास्तव में अपने आप में क्या कर सकती है।
MXenes अपने संभावित अगली पीढ़ी की तकनीक के कारण वर्षों से उत्साह पैदा कर रहे हैं – अल्ट्रा-फास्ट-चार्जिंग बैटरी और सौर कोशिकाओं से लेकर लचीली स्क्रीन और जल-शुद्धिकरण झिल्ली तक। लेकिन उन विचारों को हकीकत बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को पहले यह समझने की ज़रूरत है कि ये पदार्थ सबसे छोटी पैमानों पर कैसे व्यवहार करते हैं।
हेल्महोल्त्ज़-ज़ेंट्रम बर्लिन के डॉ. एंड्रियास फ़र्चनर और हिब्रू विश्वविद्यालय, यरुशलम के डॉ. राल्फ़ी केनाज़ के नेतृत्व वाली एक शोध टीम ने इस समस्या को हल कर लिया है। उन्होंने MXene के व्यक्तिगत फ्लेक्स को एक-एक करके देखने के लिए स्पेक्ट्रोस्कोपिक माइक्रो-एलिप्सोमेट्री (SME) नामक एक नई ऑप्टिकल विधि का उपयोग किया। यह निष्कर्ष सहकर्मी-समीक्षित ACS Nano जर्नल में प्रकाशित हुआ था।
यह तकनीक सूक्ष्म नमूनों पर सावधानीपूर्वक नियंत्रित प्रकाश डालकर और परावर्तित प्रकाश को मापकर काम करती है। उस परावर्तन से, वैज्ञानिक यह बता सकते हैं कि सामग्री कितनी अच्छी तरह बिजली का संचालन करती है और इसकी संरचना प्रदर्शन को कैसे प्रभावित करती है। पुरानी विधियों के विपरीत, SME नमूने को नुकसान नहीं पहुंचाता है और एक मिनट से भी कम समय में एक पूर्ण विश्लेषण पूरा कर सकता है।
केनाज़, जिन्होंने इस विधि का सह-आविष्कार किया, ने कहा, “इस काम के साथ जो बात वास्तव में उत्कृष्ट है, वह यह है कि एक मिनट से भी कम समय में, हम व्यक्तिगत MXene फ्लेक्स के ऑप्टिकल, संरचनात्मक और विद्युत गुणों को सीधे माप सकते हैं – यह सब एक गैर-विनाशकारी तरीके से।” “आम तौर पर, इन मापों के लिए तीन अलग-अलग उपकरणों और बहुत अधिक समय की आवश्यकता होती है।”
फ़र्चनर ने कहा कि नया दृष्टिकोण वैज्ञानिकों को प्रत्येक फ्लेक के व्यवहार की स्पष्ट तस्वीर देता है। “यह मापना कि एकल MXene फ्लेक्स प्रकाश के साथ कैसे इंटरैक्ट करते हैं, हमें मोटाई और चालकता में छोटे बदलावों को इंगित करने की अनुमति देता है,” उन्होंने कहा। “हमें यह देखकर खुशी हुई कि परिणाम कितनी धीमी और अधिक विनाशकारी तकनीकों से मेल खाते हैं।”
टीम ने पाया कि जब MXene परतें पतली हो जाती हैं, तो उनका विद्युत प्रतिरोध बढ़ जाता है – विश्वसनीय और कुशल इलेक्ट्रॉनिक घटकों को डिजाइन करने के लिए यह एक महत्वपूर्ण विवरण है। नई तकनीक शक्तिशाली इमेजिंग टूल जैसे इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप की सटीकता से भी मेल खाने में सक्षम थी, जिसने इसकी सटीकता की पुष्टि की।
हिब्रू विश्वविद्यालय के प्रोफेसर रोनेन रैपपोर्ट ने कहा, “यह काम वास्तविक प्रौद्योगिकियों में MXenes को एकीकृत करने के लिए एक रोडमैप प्रदान करता है, जो स्टैक्ड परतों या अशुद्धियों के हस्तक्षेप के बिना उनके आंतरिक गुणों का सीधा दृश्य प्रदान करता है।” “इन सामग्रियों का अध्ययन करने के तरीके को परिष्कृत करके, हम ऊर्जा और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में उनके उपयोग का मार्ग प्रशस्त कर रहे हैं।”
हेल्महोल्त्ज़-ज़ेंट्रम बर्लिन के डॉ. ट्रिस्टन पेटिट के अनुसार, नई तकनीक का और भी व्यापक प्रभाव हो सकता है। उन्होंने कहा, “यह अनुसंधान के नए क्षेत्रों को खोलता है जो पहले केवल बड़े, महंगे एक्स-रे सुविधाओं के साथ संभव थे।” “अब हम एक नियमित प्रयोगशाला में, बहुत तेजी से समान काम कर सकते हैं।”
MXenes बिजली की ऊर्जा को अत्यंत कुशलता से संग्रहीत और जारी कर सकते हैं, जिससे वे अगली पीढ़ी की लिथियम-आयन और सॉलिड-स्टेट बैटरी के लिए आशाजनक बन जाते हैं। क्योंकि वे पतले और मोड़ने योग्य होते हैं, MXenes पहनने योग्य उपकरणों, स्मार्ट कपड़ों या फोल्डेबल इलेक्ट्रॉनिक्स को पावर दे सकते हैं। यह MXenes को सुपरकैपेसिटर में उपयोग के लिए भी आदर्श बनाता है – ऐसे उपकरण जो बिजली के तेज झटके देते हैं और नियमित बैटरी की तुलना में बहुत तेजी से रिचार्ज होते हैं।
प्रकाश के साथ इंटरैक्ट करने और बिजली का संचालन करने की उनकी क्षमता MXenes को सौर कोशिकाओं और फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल सिस्टम के लिए भी उपयोगी बनाती है जो सूर्य के प्रकाश को स्वच्छ ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं। विशेष रूप से, MXenes पानी-विभाजन प्रतिक्रियाओं में उत्प्रेरक के रूप में कार्य करके हाइड्रोजन उत्पादन में सुधार कर सकते हैं।
चूंकि MXenes पानी से भारी धातुओं और लवणों को फ़िल्टर कर सकते हैं, वैज्ञानिक उन्हें विलवणीकरण झिल्ली और पर्यावरण सफाई प्रौद्योगिकियों के लिए खोज रहे हैं। शोधकर्ता संभावित रूप से बायोसेंसर, दवा वितरण प्रणाली और चिकित्सा निदान में उपयोग के लिए MXenes का भी अध्ययन कर रहे हैं।
जैसा कि डॉ. पेटिट ने कहा: “यह सहयोग और उन्नत भौतिकी सामग्री विज्ञान को कैसे तेज कर सकती है, इसका एक शक्तिशाली प्रदर्शन है। MXenes तो बस शुरुआत हैं।