सिलिका की रासायनिक टोपोलॉजी इसका उपयोग करने वाली कई रासायनिक प्रक्रियाओं की प्रभावशीलता को प्रभावित कर सकती है

SiO2 ध्रुवीय या अध्रुवीय है? (सिलिकॉन डाइऑक्साइड) (जून 2019).

Anonim

कांच के रूप में बेहतर जाना जाता है, सिलिका एक बहुमुखी सामग्री है जो असंख्य औद्योगिक प्रक्रियाओं में, उत्प्रेरण और निस्पंदन से, क्रोमैटोग्राफी और नैनोफैब्रिकेशन तक उपयोग की जाती है। फिर भी प्रयोगशालाओं और क्लीनरूम में अपनी सर्वव्यापीता के बावजूद, आश्चर्यजनक रूप से छोटे पर आणविक स्तर पर पानी के साथ सिलिका की सतह परस्पर क्रियाओं के बारे में जाना जाता है।

नेशनल एकेडमी ऑफ साइंसेज की कार्यवाही में हालिया पेपर पर रसायन विज्ञान के लेखक यूसी सांता बारबरा के प्रोफेसर सोंगी हान ने कहा, "जिस तरह से पानी सतह से बातचीत करता है, कई प्रक्रियाओं को प्रभावित करता है।" कई मामलों में, उन्होंने समझाया, वैज्ञानिकों और इंजीनियरों ने अनुभवजन्य साक्ष्य के आधार पर सिलिका और पानी और डिजाइन उपकरण, प्रयोगों और प्रक्रियाओं के बीच संभावित बातचीत की अंतर्दृष्टि की। लेकिन सिलिका सतहों की रासायनिक टोपोलॉजी सतह पर पानी की संरचना को बदलने के तरीके के बारे में एक यांत्रिक समझ से इन प्रक्रियाओं के एक तर्कसंगत डिजाइन का कारण बन सकता है।

कई लोगों के लिए, कांच ग्लास है, और स्पष्ट, कठोर, चिकनी, समरूप दिखने वाली सामग्री को ध्यान में रखता है जिसे हम खिड़कियों या टेबलवेयर के लिए उपयोग करते हैं। हालांकि, एक गहरे स्तर पर जिसे हम "ग्लास" कहते हैं, वास्तव में एक जटिल सामग्री है जिसमें व्यापक वितरण वाले विभिन्न रासायनिक गुण हो सकते हैं।

पीएनएएस पेपर के मुख्य लेखक स्नातक छात्र शोधकर्ता एलेक्स श्राडर ने कहा, "ग्लास एक ऐसी सामग्री है जिसे हम सभी परिचित हैं, लेकिन संभवत: बहुत से लोगों को यह नहीं पता कि हम रासायनिक रूप से विषम सतह कहेंगे।"

दो अलग-अलग प्रकार के रासायनिक समूह होते हैं जिनमें कांच की सतह शामिल होती है, उन्होंने कहा: सिलानोल (SiOH) समूह जो आम तौर पर हाइड्रोफिलिक (पानी से प्यार करने वाले), या सिलोक्सेन (SiOHSi) समूह होते हैं जो आम तौर पर जल-पुनर्विक्रेता होते हैं। "हम जो दिखाते हैं, " श्राडर ने कहा, "यह है कि जिस तरह से आप सतह पर इन दो प्रकार के रसायनविदों की व्यवस्था करते हैं, इस पर बहुत प्रभाव पड़ता है कि पानी सतह के साथ कैसे बातचीत करता है, जो बदले में, भौतिक अवलोकन करने योग्य घटनाओं को प्रभावित करता है, जैसे कि पानी कैसे फैलता है कांच।"

उदाहरण के लिए, कैटलिसिस जैसी कुछ प्रक्रियाओं में, एक श्वेत पाउडर के रूप में सिलिका (उर्फ सिलिकॉन डाइऑक्साइड या सीओओ 2) का उपयोग एक समर्थन के रूप में किया जाता है- उत्प्रेरक पाउडर अनाज से जुड़ा होता है, जो बदले में इसे प्रक्रिया में ले जाता है। जबकि सिलिका सीधे उत्प्रेरण में भाग नहीं लेती है, सिलिका अनाज की सतह परमाणु संरचना इसकी प्रभावशीलता को प्रभावित कर सकती है यदि रासायनिक समूह मुख्य रूप से हाइड्रोफिलिक या हाइड्रोफोबिक होता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि सिलिका में इसकी सतह पर हाइड्रोफिलिक सिलानोल समूह होते हैं, तो यह पानी के अणुओं को आकर्षित करता है, जो पानी के अणुओं के "मुलायम बाधा" को बनाते हैं, जिससे प्रतिक्रियाओं को वांछित प्रक्रिया या प्रतिक्रिया के साथ आगे बढ़ने के लिए किसी भी तरह से घुसना होगा ।

यूसीएसबी के रासायनिक इंजीनियरिंग प्रोफेसर जैकब इज़राइलैविली ने कहा, "हमेशा गतिशीलता होती है और पानी के अणुओं को अपनी स्थिति का आदान-प्रदान करना चाहिए, और यही वजह है कि यह जटिल है।" जिनकी सतह बलों के उपकरण (एसएफए) ने पानी में सिलिका सतहों के बीच बातचीत बल को माप दिया। "इस दूसरे बंधन के लिए आपको कुछ बंधन तोड़ना होगा। और इसमें समय लग सकता है।"

यह केवल सिलानोल समूहों की उपस्थिति नहीं है जो सिलिका सतहों पर पानी के आसंजन को प्रभावित कर सकती हैं। शोधकर्ताओं को सतही जल प्रसार में एक गैर-लाइनर ड्रॉप द्वारा परेशान किया गया था-जैसा कि हान प्रयोगशाला में ओवरहाउसर गतिशील परमाणु ध्रुवीकरण तंत्र द्वारा मापा गया था- क्योंकि सिलिका सतह की रासायनिक संरचना हाइड्रोफोबिक से हाइड्रोफिलिक तक चली गई थी। उस रहस्य को बाद में यूसीएसबी के रासायनिक इंजीनियरिंग प्रोफेसर स्कॉट शैल और उनके स्नातक छात्र जैकब मोनरो द्वारा हल किया गया, जिनके कंप्यूटर सिमुलेशन ने सतह पर सिलानोल और सिलोक्सेन समूहों की सापेक्ष व्यवस्था का खुलासा किया, इसका भी पानी के आसंजन पर प्रभाव पड़ा।

हान ने कहा, "यदि आपके पास पानी-पसंद समूहों और पानी-नापसंद समूहों का एक ही अंश है, तो उन्हें स्थानिक रूप से पुन: व्यवस्थित करके, आप पानी की गतिशीलता में काफी भिन्नता डाल सकते हैं।"

उत्प्रेरक संचालित प्रक्रियाएं एकमात्र चीज नहीं हैं जिन्हें सिलिका-पानी के आसंजन की आणविक समझ के साथ सुधार किया जा सकता है। निस्पंदन और क्रोमैटोग्राफी भी सुधारा जा सकता है।

श्राडर ने कहा, "क्लीनरूम प्रक्रियाओं, नैनोफाब्रिकेशन और माइक्रोप्रोसेसर गठन में यह भी महत्वपूर्ण है, " ने बताया कि माइक्रोप्रोसेसर ग्लास की पतली परत के साथ सिलिकॉन वेफर सब्सट्रेट्स पर बनाये जाते हैं, जिस पर सर्किट लगाए जाते हैं। "यह समझना महत्वपूर्ण है कि सिलिकॉन वेफर की वास्तविक सतह रासायनिक स्तर पर कैसे दिखती है और इन विभिन्न धातु परतों को वे किस पर जमा करते हैं और यह कैसे दिखाई देते हैं।"

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