जनवरी 10, 2024 (नानोवरक स्पॉटलाइट) नैनोस्केल पर प्रकाश को नियंत्रित करना लंबे समय से शोधकर्ताओं को एक अजीब क्वांटम यांत्रिक घटना का फायदा उठाने के लिए लुभा रहा है जिसे स्थानीयकृत सतह प्लास्मोन अनुनाद (एलएसपीआर) कहा जाता है। जब प्रकाश धात्विक के साथ परस्पर क्रिया करता है नैनोकणों (एनपी) इसकी तरंग दैर्ध्य से कहीं अधिक सूक्ष्म, कई उल्लेखनीय चीजें घटित होती हैं। ऊर्जा नैनोमेट्रिक हॉटस्पॉट में संपीड़ित हो जाती है, इलेक्ट्रॉन गुंजयमान आवृत्तियों पर सामूहिक रूप से नृत्य करते हैं, और ऑप्टिकल क्षेत्र तेजी से बढ़ते हैं - प्रकाश-आधारित प्रौद्योगिकियों के लिए नई संभावनाएं खोलते हैं।
फिर भी एलएसपीआर का पूरी तरह से उपयोग करने वाली जटिल 3डी एनपी संरचनाओं के निर्माण के तरीकों की कमी के कारण प्रगति धीमी बनी हुई है। स्थायी चुनौती संरचना और वास्तुकला पर सुव्यवस्थित नियंत्रण बनाए रखते हुए एनपी को लंबवत रूप से ढेर करने के सरल लेकिन स्केलेबल तरीके ढूंढना है। स्व-संयोजन तकनीकें अनायास एनपी समूहों को विकसित कर सकती हैं, लेकिन पारंपरिक रसायन विज्ञान दृष्टिकोण जानबूझकर विशेष ज्यामिति बनाने या कणों की स्थिति बनाने के लिए संघर्ष करते हैं।
ठोस-तरल इंटरफ़ेस ग्रेडिएंट्स पर निर्भर तरीके केवल एक या दो आयामों में कण स्व-संयोजन का लाभ उठा सकते हैं। हाल के टेम्प्लेट-निर्देशित 3डी प्रिंटिंग दृष्टिकोणों ने सफलतापूर्वक सेंटीमीटर-लंबे प्लास्मोनिक सुपरलैटिस का निर्माण किया है। हालाँकि, वे पुनरावृत्त के लिए आवश्यक अनुकूलित स्तंभ डिज़ाइन के छोटे बैच बनाने के लिए संघर्ष करते हैं नैनोइंजीनियरिंग.
पैटर्न जटिलता और बड़े पैमाने पर एकरूपता के बीच एक व्यापार-बंद भी है क्योंकि नैनोस्ट्रक्चर अभी भी एक सीमित क्षेत्र के बजाय एक व्यापक वाष्पीकरण क्षेत्र में बढ़ते हैं। इससे प्रयोगशाला-आधारित नवाचार को विशेष मॉड्यूल और नैनोडिवाइसेस में कुशलतापूर्वक अनुवाद करने में व्यावहारिक चुनौतियाँ पैदा होती हैं।
में अपने निष्कर्षों की रिपोर्ट करना छोटा ("हाइब्रिड प्लास्मोनिक आर्किटेक्चर लिखने के लिए नैनोफाउंटेन पेन"), दक्षिण कोरिया के इंजीनियरों और वैज्ञानिकों की एक अंतःविषय टीम ने दर्जी एनपी संयोजनों से बने विविध फ्रीस्टैंडिंग "कोलाइडल स्तंभों" को 3डी प्रिंट करने के लिए एक रचनात्मक रणनीति विकसित की। वे विशेष फाउंटेन पेन का निर्माण करते हैं जो एनपी सस्पेंशन की तरल स्व-संयोजन को निर्देशित करने के लिए केशिका प्रवाह और विलायक वाष्पीकरण को संतुलित करते हैं - अनिवार्य रूप से भौतिकी के माध्यम से पदार्थ के स्वायत्त संगठन का मार्गदर्शन करते हैं।
माइक्रोमीटर स्केल पर फाउंटेन पेन से प्रेरित लेखन। क) फाउंटेन पेन का उपयोग करके लिखने की योजना। बी) एनपी बिखरी हुई स्याही के लिए अल्ट्राफाइन फाउंटेन पेन। स्केल बार 5 µμm का प्रतिनिधित्व करता है। ग) बिंदु-जैसी कोलाइडल असेंबली की योजना। डी) कोलाइडल असेंबली द्वारा लिखा गया माइक्रोमीटर आकार का पाठ (बाएं) और आधे-डोनट संरचना की एसईएम छवि (दाएं)। बाएँ और दाएँ चित्रों की स्केल पट्टियाँ क्रमशः 50 और 1 µm दर्शाती हैं। ई) 3डी कोलाइडल असेंबली की योजना। एफ) विविध 3डी कोलाइडल असेंबली (बाएं) और एनपी की पैकिंग (दाएं)। स्केल बार 10 µm (काला) और 1 µm (सफ़ेद) दर्शाता है। (विले-वीसीएच वेरलाग की अनुमति से पुनर्मुद्रित)
यह सफलता उप-माइक्रोन स्तंभों के ऑप्टिकल और संरचनात्मक गुणों को कण आकार और नैनोमटेरियल्स को मिलाकर सटीक रूप से ट्यून करने की अनुमति देती है। अवधारणा के प्रमाण के रूप में, शोधकर्ता आर्द्रता-उत्तरदायी एनपी/बायोमटेरियल एक्चुएटर्स का प्रदर्शन करते हैं। यह मौलिक प्रगति अनुकूलित प्लास्मोनिक को डिजाइन करने के लिए एक अत्यंत बहुमुखी और सुलभ मंच स्थापित करती है मेटामेट्रिक्स.
यह कम लागत वाली, उच्च-थ्रूपुट समाधान प्रसंस्करण तकनीक एक ही स्तंभ के भीतर कण आकार और सामग्रियों को मिलाकर ऑप्टिकल गुणों को ट्यून करने की अनुमति देती है। शोधकर्ता नमी-उत्तरदायी नैनोएक्चुएटर्स जैसे संभावित अनुप्रयोगों का प्रदर्शन करते हैं। एडवांस 3डी प्लास्मोनिक संरचनाओं के निर्माण के लिए एक अत्यंत बहुमुखी मंच स्थापित करता है नैनोफोटोनिक्स, फोटोकैटलिसिस और नैनोस्केल डिवाइस।
मुख्य नवाचार स्याही पेन की बुनियादी यांत्रिकी को छोटा करने और उसकी पुनर्कल्पना करने में निहित है। व्यापक पैमाने पर, फाउंटेन पेन लगातार आपूर्ति की जाने वाली गीली स्याही पर निर्भर करते हैं जबकि विलायक कागज पर वाष्पित हो जाता है। शोध दल ने एक पतला ग्लास माइक्रोकैपिलरी ट्यूब डिज़ाइन किया है जो सूक्ष्म स्तर पर इस लेखन प्रक्रिया की नकल करता है।
जब कोलाइडल एनपी स्याही में डुबोया जाता है, तो संकीर्ण ट्यूब टिप केवल कुछ माइक्रोन चौड़ा एक वाष्पीकरण केशिका पुल बनाती है। जैसे ही स्याही इस छोटे इंटरफ़ेस पर स्वयं-संयोजन होती है, शोधकर्ता षट्कोणीय रूप से भरे हुए गोले से लेकर पेचदार नैनोस्ट्रक्चर तक के स्तंभों को खींच सकते हैं। स्याही में कण सांद्रता को बदलने या दो अलग-अलग एनपी समाधानों को मिलाने से 3डी आर्किटेक्चर की सटीक ट्यूनिंग सक्षम हो जाती है।
उदाहरण के लिए, 80 एनएम गोल्ड एनपी (एयूएनपी) को छोटे 20 एनएम एयूएनपी के साथ मिलाने से स्तंभ की अधिकतम ऊंचाई काफी बढ़ जाती है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि नैनोपोरस असेंबली 3डी स्तंभ के भीतर तरल पदार्थ की केशिका वृद्धि की अनुमति देती है, जिससे स्याही प्रवाह को फिर से भरने के लिए वाष्पीकरण क्षेत्र बढ़ जाता है। परिणामस्वरूप, विकास की गति अब घटते केशिका पुल से प्रसार तक सीमित नहीं है।
टीम का सैद्धांतिक विश्लेषण प्रयोगात्मक रूप से मापे गए स्तंभ विस्तार दर के लिए आर्द्रता और कण घनत्व जैसे निर्माण मापदंडों से संबंधित समीकरण प्रदान करता है। मात्रात्मक अंतर्दृष्टि का यह स्तर उन लोगों के लिए अमूल्य होगा जो विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए तकनीक को अनुकूलित करना चाहते हैं।
अवधारणा के प्रमाण के रूप में, शोधकर्ताओं ने एनएफपी का उपयोग करके विभिन्न प्रकार की ऑप्टिकल ट्यूनेबिलिटी का प्रदर्शन किया। एयूएनपी और सिल्वर एनपी को मिलाने से समान रूप से वितरित संरचना के साथ स्व-इकट्ठे आधे-डोनट आकार प्राप्त हुए। छोटे और बड़े एयूएनपी के बदलते अनुपात ने नियंत्रित प्रकाश अवशोषण गुणों को प्रदर्शित करने वाले स्तंभ नैनोस्ट्रक्चर का निर्माण किया।
टीम ने एक तरफ एनपी स्याही और दूसरी तरफ रॉड जैसी एम13 बैक्टीरियोफेज युक्त कार्यात्मक जैविक स्याही का उपयोग करके असममित "जानूस" स्तंभों को मुद्रित किया। आर्द्रता प्रवणता के प्रति एम13 की प्रतिक्रिया ने प्रतिवर्ती झुकने की गति को प्रेरित किया, जिससे अनिवार्य रूप से दो-मुखी स्तंभों से लघु आर्द्रता-संचालित एक्चुएटर्स का निर्माण हुआ।
बाइनरी कोलाइडल क्लस्टर की ऊर्ध्वाधर वृद्धि। ए) बाइनरी कोलाइडल क्लस्टर की ऊर्ध्वाधर वृद्धि को दर्शाने वाले ऑप्टिकल माइक्रोग्राफ की श्रृंखला। स्केल बार 50 µm का प्रतिनिधित्व करता है। बी) 80 एनएम एयूएनपी समाधान के आधार पर उपलब्ध विकास गति। ग) 20 एनएम एयूएनपी समाधान के 2कण=एफएल के साथ मिश्रित 80 एनएम एयूएनपी समाधान के आधार पर उपलब्ध विकास गति। डी) (सी) में I, II, III और IV के रूप में चिह्नित माइक्रोपिलर की SEM छवियां। स्केल बार 10 µm का प्रतिनिधित्व करता है। ई) (डी) में I, II और III के रूप में चिह्नित माइक्रोपिलर के नैनोस्ट्रक्चर की SEM छवियां। स्केल बार 200nm का प्रतिनिधित्व करता है। एफ) एफआईबी के साथ मिल्ड माइक्रोपिलर की एफईएसईएम छवि। स्केल बार 5 µm का प्रतिनिधित्व करता है। छ) एकल (बाएं) और बाइनरी संरचना (दाएं) से बने माइक्रोपिलर के क्रॉस सेक्शन की FESEM छवि। स्केल बार 200nm का प्रतिनिधित्व करता है। (विले-वीसीएच वेरलाग की अनुमति से पुनर्मुद्रित)
यह विभिन्न को शामिल करके और भी अधिक जटिल कोलाइडल मशीनों के निर्माण के लिए विचारों को प्रेरित करता है नेनो सामग्री, उत्प्रेरक या प्रोटीन एक ही 3डी-मुद्रित स्तंभ के भीतर। संभावनाओं की व्यापकता इस बात पर प्रकाश डालती है कि कैसे शोधकर्ताओं की भ्रामक सरल पेन-ऑन-पेपर अवधारणा उन्नत नैनोइंजीनियरिंग के लिए टूलकिट का मूल रूप से विस्तार करती है।
बाष्पीकरणीय फाउंटेन पेन पद्धति वैकल्पिक निर्माण रणनीतियों को रोकने वाली सीमाओं को भी दरकिनार कर देती है। ठोस-तरल इंटरफ़ेस ग्रेडिएंट्स पर निर्भर तरीके केवल एक या दो आयामों में कण स्व-संयोजन का लाभ उठा सकते हैं। हाल के टेम्पलेट-निर्देशित 3डी प्रिंटिंग दृष्टिकोणों ने सफलतापूर्वक सेंटीमीटर-लंबे प्लास्मोनिक सुपरलैटिस का निर्माण किया है। हालाँकि, वे पुनरावृत्त नैनोइंजीनियरिंग के लिए आवश्यक अनुकूलित स्तंभ डिजाइनों के छोटे बैच बनाने के लिए संघर्ष करते हैं।
पैटर्न जटिलता और बड़े पैमाने पर एकरूपता के बीच एक व्यापार-बंद भी है क्योंकि नैनोस्ट्रक्चर अभी भी एक सीमित क्षेत्र के बजाय एक व्यापक वाष्पीकरण क्षेत्र में बढ़ते हैं। इससे प्रयोगशाला-आधारित नवाचार को विशेष मॉड्यूल और नैनोडिवाइसेस में कुशलतापूर्वक अनुवाद करने में व्यावहारिक चुनौतियाँ पैदा होती हैं।
रिपोर्ट की गई एनएफपी तकनीक अनिवार्य रूप से एक सिकुड़ते 3डी प्रिंटर के रूप में कार्य करती है, लेकिन बाहरी रूप से लगाए गए असेंबली के बजाय स्वाभाविक रूप से निर्देशित होती है। सतह और पेन टिप के बीच सूक्ष्म इंटरफ़ेस में सब कुछ स्थानीयकृत करने से स्केलेबिलिटी खोए बिना उत्तम स्पेटियोटेम्पोरल नियंत्रण सक्षम हो जाता है।
मध्य-निर्माण के मापदंडों को लगातार बदलने और 10 माइक्रोन से कम चौड़े विषम स्तंभों का निर्माण करने की परिणामी क्षमता तेजी से नैनोप्रोटोटाइपिंग के लिए नए क्षितिज खोलती है। कोई भी प्रदर्शन लक्ष्यों को पूरा करने या एक एकीकृत नैनोसिस्टम के भीतर विभिन्न उद्देश्यों को पूरा करने के लिए कस्टम एनपी संरचनाओं को डिजाइन करने वाले वैज्ञानिकों की कल्पना कर सकता है।
यह निर्णायक अध्ययन कई रोमांचक दिशाओं के लिए एक मजबूत आधार प्रदान करता है। अगले चरण में प्लास्मोनिक्स से परे कार्यात्मकताओं की एक विस्तृत श्रृंखला के साथ अधिक नैनोकण प्रकारों और स्याही का विस्तार करना शामिल है। सीमाओं को आगे बढ़ाने के लिए शोधकर्ताओं को प्रिंट गति, वास्तुकला स्थिरता और इंटरफ़ेस आकार को भी अनुकूलित करना होगा।
एक अन्य महत्वपूर्ण कार्य वैकल्पिक सब्सट्रेट्स की जांच करना होगा क्योंकि सिलिका वेफर्स पर वर्तमान निर्भरता उपकरणों के भीतर या गैर-प्लानर सतहों पर नैनोस्ट्रक्चर को एकीकृत करने के लिए चुनौतियां पैदा करती है। अंत में, जलाशय इंजीनियरिंग या मल्टी-पेन तकनीकों की खोज 3डी कोलाइडल असेंबली के लिए ट्यून करने योग्य संरचना संबंधी जटिलता को और व्यापक बना सकती है।
शोधकर्ताओं की फाउंटेन पेन पद्धति नैनोफैब्रिकेशन में एक महत्वपूर्ण प्रगति का प्रतिनिधित्व करती है, जो स्व-असेंबली की स्केलेबिलिटी के साथ निर्देशित असेंबली के बहुमुखी लाभों को जोड़ती है। यह अध्ययन अनिवार्य रूप से रोजमर्रा में सूखने वाले पेन को एक शक्तिशाली लेकिन सुलभ नैनोपैटर्निंग प्लेटफॉर्म में बदल देता है।
रिपोर्ट की गई तकनीक नैनोविज्ञान अनुसंधान और वास्तविक दुनिया प्रौद्योगिकी विकास के बीच एक आदर्श पुल के रूप में काम कर सकती है। व्यापक नैनोसंरचना रचनाओं और ज्यामिति का परीक्षण करने की क्षमता लक्ष्य अनुप्रयोगों के लिए डिज़ाइन को अनुकूलित करने के लिए तेजी से प्रोटोटाइप की सुविधा प्रदान करती है। इस बीच, एक छोटे इंटरफ़ेस तक सीमित पूर्वानुमानित भौतिकी बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए सीधे स्केलिंग की अनुमति देती है।
वाणिज्यिक और सामाजिक प्रभाव गहरा हो सकता है क्योंकि शोधकर्ता सभी क्षेत्रों में इस दृष्टिकोण की सामान्यता का फायदा उठाते हैं। बायोमेडिकल मोर्चे पर, अनुकूलित 3डी न्यूक्लिक एसिड नैनोस्ट्रक्चर लक्षित दवा वितरण या एकल कोशिका ट्रांसफ़ेक्शन को सक्षम कर सकते हैं। प्रोग्रामयोग्य ऑप्टिकल अनुनादों वाले प्लास्मोनिक खंभे अल्ट्रासेंसिटिव आणविक पहचान प्लेटफार्मों का आधार बन सकते हैं। तकनीक का उपयोग करके मेटामटेरियल्स को मिक्स-एंड-मैच करने से उत्प्रेरक प्रक्रियाओं और ऊर्जा रूपांतरण प्रणालियों में वृद्धि हो सकती है।
आगे देखते हुए, बहु-सामग्री मुद्रण, कार्यात्मक नैनोकण स्याही और गैर-प्लानर सतहों पर 3 डी पैटर्निंग को शामिल करने की संभावनाएं प्रचुर हैं - डिजाइन जटिलता का व्यापक रूप से विस्तार।
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माइकल
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- माइकल रॉयल सोसाइटी ऑफ केमिस्ट्री द्वारा तीन पुस्तकों के लेखक हैं:
नैनो-सोसाइटी: प्रौद्योगिकी की सीमाओं को धक्का देना,
नैनो टेक्नोलॉजी: द फ्यूचर इज टिनी, तथा
नैनोइंजीनियरिंग: स्किल्स एंड टूल्स मेकिंग टेक्नोलॉजी इनविजिबल
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