अगली पीढ़ी की बैटरियों और इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए सामग्रियों के अधिक आशाजनक वर्गों में से एक कार्बनिक मिश्रित आयनिक-इलेक्ट्रॉनिक कंडक्टर, संक्षेप में ओएमआईईसी हैं।इन नरम, लचीले बहुलक अर्धचालकों में आशाजनक विद्युत रासायनिक गुण होते हैं, लेकिन उनकी आणविक सूक्ष्म संरचना और उनके माध्यम से इलेक्ट्रॉन कैसे चलते हैं, इसके बारे में बहुत कम जानकारी है - एक महत्वपूर्ण ज्ञान अंतर जिसे ओएमआईईसी को बाजार में लाने के लिए संबोधित करने की आवश्यकता होगी।

उस शून्य को भरने के लिए, स्टैनफोर्ड के सामग्री वैज्ञानिकों ने हाल ही में एक विशेष इलेक्ट्रॉन का उपयोग कियासूक्ष्म तकनीकजो नरम, तथाकथित "बीम-संवेदनशील" सामग्रियों, जैसे बायोमोलेक्यूल्स के साथ काम करता है, ताकि ओएमआईईसी के संरचनात्मक आंतरिक कामकाज की स्पष्ट तस्वीर प्राप्त की जा सके और वे ऐसे अनुकूल विद्युत रासायनिक गुणों का आनंद क्यों लेते हैं।

कार की बैटरी में पानी की तरह, एतरल इलेक्ट्रोलाइटOMIEC पॉलिमर की परतों के बीच डाला जाता है।इलेक्ट्रोलाइटवह माध्यम है जिसके माध्यम से आयन सकारात्मक और नकारात्मक ध्रुवों के बीच चलते हैं जिससे विद्युत धारा उत्पन्न होती है।

"जब ओएमआईईसी पॉलिमर को तरल इलेक्ट्रोलाइट में डुबोया जाता है, तो वे एक अकॉर्डियन की तरह फूल जाते हैं, फिर भी इलेक्ट्रॉनिक कार्यक्षमता बनाए रखते हैं। हमने सीखा है कि पॉलिमर सामग्री की लंबी आणविक श्रृंखलाएं फैलने और धीरे-धीरे मुड़ने में सक्षम होती हैं, जिससे एक निरंतर पथ बनता है, यहां तक ​​​​किसामग्री इलेक्ट्रोलाइट के साथ 300% तक फूल जाती है,'' इंजीनियरिंग स्कूल में हांग सेह और विवियन डब्लू.एम. लिम प्रोफेसर और वरिष्ठ लेखक अल्बर्टो सैलेओ ने कहा।कागज़जो जर्नल में छपा हैप्रकृति सामग्री.

"शोध इन सामग्रियों की सूक्ष्म संरचना को देखने में एक वैचारिक सफलता का प्रतिनिधित्व करता है। जहां पहले हम केवल सिद्धांत बना सकते थे, अब हम देख सकते हैं कि क्या हो रहा है जो ओएमआईईसी को इतनी अच्छी तरह से काम करता है," सैलेओ की प्रयोगशाला में पोस्टडॉक्टरल विद्वान और पहले येल ज़ारफाती ने कहापेपर के लेखक जिन्होंने अधिकांश इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी अवलोकनों का संचालन किया।"यह सीखना कि एक सामग्री संरचनात्मक स्तर पर कैसे काम करती है, बेहतर सामग्री को डिजाइन करने की कुंजी है।"

मायावी प्रक्रिया

सैलेलियो और ज़ारफ़ाती इस अध्ययन पर तीन साल से काम कर रहे हैं।वे क्रायो-इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (क्रायो 4D-STEM) का उपयोग करके जलीय इलेक्ट्रोलाइट में भिगोए गए OMIEC पॉलिमर की छवि बनाने वाले पहले व्यक्ति हैं, जबकि यह विद्युत आवेशों को होस्ट करता है।इस प्रकार का माइक्रोस्कोप छवि के लिए प्रकाश के बजाय इलेक्ट्रॉनों की शक्तिशाली किरणों का उपयोग करता है और इलेक्ट्रॉनों से सामग्री को होने वाले नुकसान को रोकने के लिए नमूने को अत्यधिक ठंडा करने की आवश्यकता होती है।

सैलेओ का कहना है कि भिगोने और विद्युत रूप से चार्ज होने का दोहरा तनाव पॉलिमर संरचना को जटिल लेकिन महत्वपूर्ण तरीकों से बदलने का कारण बनता है।यह कल्पना करना कि इन तनावों के बावजूद पॉलिमर का प्रदर्शन कैसे बना रहता है, एक रहस्य है जिसने समुदाय को उलझन में डाल दिया है।लेकिन पारंपरिक इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी के साथ इन पॉलिमर की छवि बनाना एक चुनौती रही है।

यदि ओएमआईईसी ठोस अर्धचालक होते, तो शोधकर्ता तुरंत इसकी ओर रुख करतेइलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपीउनकी क्रिस्टलीय संरचना का अध्ययन करना।लेकिन ओएमआईईसी इतने नरम होते हैं कि उनकी आंतरिक संरचनाओं को रोशन करने के लिए उपयोग की जाने वाली शक्तिशाली इलेक्ट्रॉन किरणें अवलोकन के दौरान उन्हें नुकसान पहुंचाती हैं।

इस नवीन माइक्रोस्कोपी तकनीक का उपयोग करते हुए, सैलेओ और ज़ारफ़ाती अब देख सकते हैं कि नरम, निंदनीय बहुलक विस्तार के दौरान अपनी संरचनात्मक अखंडता को कैसे बनाए रखता है।टीम अब मानती है कि ओएमआईईसी की नरम लिक्विड क्रिस्टल पॉलिमर संरचना पॉलिमर के मुड़े हुए रिबन के बीच बनने वाले इलेक्ट्रोलाइट के बुलबुले के चारों ओर एक सतत इलेक्ट्रॉनिक पथ बनाने के लिए फैलती और झुकती है।

कोमल स्पर्श

क्रायो 4डी-एसटीईएम, संक्षेप में, अध्ययन के दौरान सामग्री को जमा देता है।इलेक्ट्रोलाइट ठोस नहीं बनता, क्योंकि पानी बर्फ में बदल जाएगा।इसके बजाय, यह एक अलग, विट्रीफाइड स्थिति में प्रवेश करता है जो सैलेओ और टीम को संचालन में माइक्रोस्ट्रक्चर को देखने की अनुमति देता है।

सैलेओ बताते हैं, "पॉलीमर एक प्रकार का जेल बनाता है जो झुक सकता है और खिंच सकता है।""यह बहुत अधिक बढ़ सकता है, कभी-कभी 300%, जो अधिकांश सामग्रियों के इलेक्ट्रॉनिक गुणों को पूरी तरह से नष्ट कर देगा। लेकिन ओएमआईईसी में इलेक्ट्रॉनिक गुण अभी भी संरक्षित हैं।"

ज़ारफ़ती ने नोट किया कि एक बार सूजन हो जाने पर,पॉलिमर चेनचार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान भी न्यूनतम संरचनात्मक परिवर्तन का अनुभव करें।इससे सामग्री पर न्यूनतम तनाव के साथ अधिक कुशल आयन विनिमय होता है, जिससे ओएमआईईसी इलेक्ट्रॉनिक दृष्टिकोण से आकर्षक हो जाता है।

टीम के अनुसंधान के लिए नई दिशाओं की ओर इशारा करते हुए, ज़ारफ़ाती ने कहा, "हमारे द्वारा अध्ययन किए गए अन्य सामग्रियों की तुलना में पॉलिमर भौतिक परिवर्तनों और आयन सम्मिलन के लिए प्रभावशाली लचीलापन प्रदर्शित करते हैं और यह भविष्य के इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक वांछनीय विशेषता है।"