सतहों का अध्ययन करने का नया तरीका प्रयोगशाला में ‘वास्तविक दुनिया’ का दबाव लाता है

यह समझने के लिए कि सामग्री कैसे काम करती है, चाहे कार के उत्प्रेरक कनवर्टर में धातु हो या बैटरी में पदार्थ, वैज्ञानिकों को परमाणु स्तर पर उनकी सतहों को देखने की जरूरत है।

इसके लिए सबसे अच्छे उपकरणों में से एक एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (एक्सपीएस) है। एक उपकरण किसी सामग्री पर एक्स-रे शूट करता है और उछलने वाले इलेक्ट्रॉनों के गुणों को मापता है, जिससे शोधकर्ताओं को पता चलता है कि वास्तव में कौन से तत्व मौजूद हैं और वे कैसे जुड़ रहे हैं।

समस्या यह है कि इसमें एक बड़ी गड़बड़ी है। एक्सपीएस को आमतौर पर वैक्यूम (बिना हवा वाली जगह) की आवश्यकता होती है। यदि आसपास गैस के अणु हैं, तो वे डिटेक्टर तक पहुंचने से पहले इलेक्ट्रॉनों को अवरुद्ध कर देते हैं। इससे ‘प्रेशर गैप’ नामक समस्या उत्पन्न हो जाती है।

जबकि एक्सपीएस निर्वात में बहुत अच्छा काम करता है, वास्तविक दुनिया की रासायनिक प्रतिक्रियाएं आमतौर पर वायुमंडलीय दबाव में होती हैं, लगभग 1 एटीएम। निर्वात में उत्प्रेरक का अध्ययन करना कुछ-कुछ वैसा ही है जैसे सूखी भूमि पर मछली को देखकर यह अध्ययन करना कि वह कैसे तैरती है: आप उसका प्राकृतिक व्यवहार नहीं देख रहे हैं।

वर्तमान में, इस अंतर को पाटने के लिए, वैज्ञानिकों को अक्सर बड़े, स्टेडियम आकार की सुविधाओं की यात्रा करनी पड़ती है जिन्हें सिंक्रोट्रॉन कहा जाता है।

अब, शंघाईटेक यूनिवर्सिटी और अन्य संस्थानों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक पेपर प्रकाशित किया है फोटॉन विज्ञान एक ऐसे समाधान का प्रस्ताव करना जो एक मानक प्रयोगशाला में फिट हो सके।

शोधकर्ताओं ने उच्च दबाव को संभालने के लिए एक मानक प्रयोगशाला एक्सपीएस मशीन को संशोधित किया। उनका आविष्कार आमतौर पर रॉकेट इंजन से जुड़ी इंजीनियरिंग का एक टुकड़ा था: एक डी लावल नोजल।

डी लावल नोजल एक ट्यूब है जो बीच में चुभती है और अंत में भड़क जाती है। यह आकार इसके माध्यम से बहने वाली गैस को सुपरसोनिक गति तक तेज कर देता है। अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने नमूना सतह पर सीधे गैस के एक केंद्रित जेट को शूट करने के लिए नोजल का उपयोग किया।

पेपर के अनुसार, स्थानीय दबाव नमूने की सतह पर रात 1 बजे तक एक छोटा सा क्षेत्र बनाता है। क्योंकि गैस इतनी तेजी से घूम रही है और केंद्रित है, दबाव कुछ मिलीमीटर की दूरी पर तेजी से गिरता है, जिससे मशीन के बाकी हिस्से को वैक्यूम में रखा जाता है, जिससे डिटेक्टर बच जाते हैं।

टीम ने नमूना सतह पर दबाव वास्तव में 1 एटीएम तक पहुंचने की पुष्टि करने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन और एक कस्टम दबाव सेंसर का उपयोग किया।

प्रणाली का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने नाइट्रोजन गैस का छिड़काव करते हुए प्लैटिनम के एक नमूने की जांच की।

एक मानक एक्सपीएस मशीन में, चैम्बर में इतनी अधिक गैस भरने से नमूना देखना असंभव हो जाएगा। लेकिन शोधकर्ताओं ने बताया कि उनके गैस जेट ने केवल 20 माइक्रोन मोटी उच्च दबाव की एक परत बनाई, जो इतनी पतली थी कि प्लैटिनम से इलेक्ट्रॉनों को अभी भी डिटेक्टर तक पहुंचने की अनुमति मिल गई।

अध्ययन के अनुसार, टीम ने 1 एटीएम तक के दबाव पर नाइट्रोजन गैस और प्लैटिनम सतह दोनों से संकेतों का सफलतापूर्वक पता लगाया। उन्होंने यह भी पाया कि जैसे-जैसे दबाव बढ़ता गया, सतह से संकेत फीके होते गये।

यदि तकनीक विश्वसनीय साबित होती है, तो वैज्ञानिक सिंक्रोट्रॉन सुविधाओं पर समय लगाने के बजाय, अपनी प्रयोगशालाओं में यथार्थवादी दबाव पर सतह रसायन विज्ञान का अध्ययन कर सकते हैं। वे यह भी बेहतर ढंग से समझ सकते हैं कि उत्प्रेरक प्रदूषकों को कैसे तोड़ते हैं या वास्तविक समय में जंग कैसे बनती है, जिससे संभावित रूप से अधिक कुशल औद्योगिक प्रक्रियाएं हो सकती हैं।