सरंध्र धातुओं के उत्पादन के लिए अल्ट्रासोनिक नैनो-संरचना निर्माण

सोनोकेमिस्ट्री नैनो पदार्थों की अभियांत्रिकी और कार्यात्मकता प्रदान करने के लिए एक अत्यंत प्रभावी साधन है। धातुकर्म में, अल्ट्रासोनिक विकिरण सरंध्र धातुओं के निर्माण को बढ़ावा देता है। डॉ. Daria Andreeva के अनुसंधान समूह ने मेसोपोरस धातुओं के उत्पादन के लिए एक प्रभावी और लागत-कुशल, अल्ट्रासाउंड-सहायित प्रक्रिया विकसित की।

सरंध्र धातुएँ संक्षारण प्रतिरोध, यांत्रिक मजबूती और अत्यधिक उच्च तापमान सहने की क्षमता जैसी अपनी उत्कृष्ट विशेषताओं के कारण विभिन्न प्रौद्योगिकी क्षेत्रों में बहुत रुचि आकर्षित करती हैं। ये गुण नैनो-संरचित सतहों पर आधारित हैं, जिनके छिद्रों का व्यास केवल कुछ नैनोमीटर होता है। मेसोपोरस पदार्थों में छिद्रों का आकार 2 से 50 nm के बीच होता है, जबकि माइक्रोपोरस पदार्थों में छिद्रों का आकार 2nm से कम होता है। बायरॉयथ विश्वविद्यालय (भौतिक रसायन विभाग II) की डॉ. Daria Andreeva सहित एक अंतरराष्ट्रीय अनुसंधान दल ने ऐसी धात्विक संरचनाओं के अभिकल्पन और उत्पादन के लिए एक सघन कार्य हेतु उपयुक्त और लागत-कुशल अल्ट्रासाउंड प्रक्रिया सफलतापूर्वक विकसित की है।

इस प्रक्रिया में धातुओं को जलीय विलयन में इस प्रकार उपचारित किया जाता है कि सटीक रूप से निर्धारित अंतरालों पर कुछ नैनोमीटर आकार की गुहाएँ विकसित होती हैं। आवश्यकता के अनुरूप तैयार की गई इन संरचनाओं के लिए वायु शोधन, ऊर्जा भंडारण या चिकित्सा प्रौद्योगिकी सहित नवीन अनुप्रयोगों की एक विस्तृत शृंखला पहले से उपलब्ध है। नैनोकंपोज़िट में सरंध्र धातुओं का उपयोग विशेष रूप से आशाजनक है। ये मिश्रित पदार्थों का एक नया वर्ग हैं, जिनमें एक अत्यंत महीन मैट्रिक्स संरचना को 20 नैनोमीटर तक के आकार वाले कणों से भरा जाता है।

यह नई तकनीक अल्ट्रासोनिक रूप से उत्पन्न बुलबुलों के निर्माण की प्रक्रिया का उपयोग करती है, जिसे भौतिकी में कैविटेशन कहा जाता है (लैटिन शब्द “cavus” = “खोखला” से व्युत्पन्न)। समुद्री नौवहन में इस प्रक्रिया को लेकर आशंका रहती है, क्योंकि इससे जहाज़ों के प्रोपेलर और टर्बाइनों को भारी क्षति हो सकती है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि बहुत अधिक घूर्णन गति पर पानी के नीचे भाप के बुलबुले बनते हैं। अत्यधिक उच्च दाब में थोड़े समय के बाद ये बुलबुले भीतर की ओर ढह जाते हैं, जिससे धात्विक सतहें विकृत हो जाती हैं। इस कैविटेशन प्रक्रिया को अल्ट्रासाउंड का उपयोग करके भी उत्पन्न किया जा सकता है। अल्ट्रासाउंड श्रव्य सीमा (20 kHz) से अधिक आवृत्तियों वाली संपीडन तरंगों से बना होता है और पानी तथा जलीय विलयनों में निर्वात बुलबुले उत्पन्न करता है। जब ये बुलबुले भीतर की ओर ढहते हैं, तो कई हज़ार डिग्री सेंटीग्रेड का तापमान और 1000 bar तक का अत्यधिक उच्च दाब उत्पन्न होता है।

ऊपर दी गई योजना धातु कणों के संशोधन पर ध्वनिक कैविटेशन के प्रभावों को दर्शाती है। जस्ता (Zn) जैसी कम गलनांक (MP) वाली धातुएँ पूरी तरह ऑक्सीकृत हो जाती हैं; निकल (Ni) और टाइटेनियम (Ti) जैसी उच्च गलनांक वाली धातुएँ सोनिकेशन के दौरान सतही संशोधन प्रदर्शित करती हैं। एल्युमिनियम (Al) और मैग्नीशियम (Mg) मेसोपोरस संरचनाएँ बनाते हैं। उत्कृष्ट धातुएँ ऑक्सीकरण के प्रति अपने स्थायित्व के कारण अल्ट्रासाउंड विकिरण के प्रति प्रतिरोधी होती हैं। धातुओं के गलनांक डिग्री केल्विन (K) में निर्दिष्ट किए गए हैं।

इस प्रक्रिया का सटीक नियंत्रण जलीय विलयन में निलंबित धातुओं की लक्षित नैनो-संरचना के निर्माण में सहायक हो सकता है – बशर्ते धातुओं में कुछ विशिष्ट भौतिक और रासायनिक विशेषताएँ हों। ऐसा इसलिए है क्योंकि इस प्रकार के सोनिकेशन के संपर्क में आने पर धातुएँ बहुत अलग-अलग ढंग से प्रतिक्रिया करती हैं, जैसा कि डॉ. Daria Andreeva ने गोल्म, बर्लिन और मिन्स्क के अपने सहकर्मियों के साथ प्रदर्शित किया है। जस्ता, एल्युमिनियम और मैग्नीशियम जैसी अत्यधिक अभिक्रियाशील धातुओं में धीरे-धीरे एक मैट्रिक्स संरचना बनती है, जिसे ऑक्साइड की परत स्थिर करती है। इससे सरंध्र धातुएँ बनती हैं, जिन्हें उदाहरण के लिए मिश्रित पदार्थों में आगे संसाधित किया जा सकता है। हालाँकि, सोना, प्लैटिनम, चाँदी और पैलेडियम जैसी उत्कृष्ट धातुएँ अलग ढंग से व्यवहार करती हैं। ऑक्सीकरण की अपनी कम प्रवृत्ति के कारण वे अल्ट्रासाउंड उपचार का प्रतिरोध करती हैं और अपनी प्रारंभिक संरचनाओं तथा गुणों को बनाए रखती हैं।

ऊपर दिया गया चित्र दर्शाता है कि एल्युमिनियम मिश्रधातुओं को संक्षारण से बचाने के लिए भी अल्ट्रासाउंड का उपयोग किया जा सकता है। बाईं ओर: अत्यधिक संक्षारक विलयन में एक एल्युमिनियम मिश्रधातु का फ़ोटो, जिसके नीचे सतह का इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी चित्र है। इस सतह पर सोनिकेशन के कारण एक पॉलीइलेक्ट्रोलाइट परत बनी है। यह परत 21 दिनों तक संक्षारण से सुरक्षा प्रदान करती है। दाईं ओर: वही एल्युमिनियम मिश्रधातु, जिसे सोनिकेशन के संपर्क में नहीं लाया गया है। सतह पूरी तरह संक्षारित हो चुकी है।

विभिन्न धातुएँ सोनिकेशन पर अत्यंत अलग-अलग तरीकों से प्रतिक्रिया करती हैं। इस तथ्य का उपयोग पदार्थ विज्ञान में नवाचारों के लिए किया जा सकता है। मिश्रधातुओं को ऐसे नैनोकंपोज़िट में बदला जा सकता है, जिनमें अधिक स्थिर पदार्थ के कण कम स्थिर धातु के सरंध्र मैट्रिक्स में घिरे होते हैं। इस प्रकार बहुत सीमित स्थान में अत्यंत बड़े सतही क्षेत्र बनते हैं, जो इन नैनोकंपोज़िट का उत्प्रेरक के रूप में उपयोग संभव बनाते हैं। ये विशेष रूप से तेज़ और कुशल रासायनिक अभिक्रियाएँ कराते हैं।

डॉ. Daria Andreeva के साथ, भौतिक रसायन विभाग II के ही शोधकर्ताओं प्रो. डॉ. Andreas Fery, डॉ. Nicolas Pazos-Perez और Jana Schäferhans ने भी इन अनुसंधान परिणामों में योगदान दिया। गोल्म स्थित मैक्स प्लांक कोलॉइड एवं अंतरापृष्ठ संस्थान, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH और मिन्स्क स्थित बेलारूसी राज्य विश्वविद्यालय के अपने सहकर्मियों के साथ उन्होंने अपने नवीनतम परिणाम “Nanoscale” पत्रिका में ऑनलाइन प्रकाशित किए हैं।