डायमंडाइन: स्वीडिश रसायनज्ञों ने हीरे जैसा कार्बन नेटवर्क बनाया

एक ही तत्व से बहुत अलग पदार्थ बन सकते हैं

हीरा और ग्रेफाइट दोनों कार्बन के रूप हैं, फिर भी उनका व्यवहार काफी भिन्न है। हीरे में एक मजबूती से जुड़ा हुआ ढांचा होता है, जबकि ग्रेफाइट में ऐसी परतें होती हैं जिनके बीच बहुत कमजोर जुड़ाव होता है। ये व्यवस्थाएं इस बात को प्रभावित करती हैं कि पदार्थ बल के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देते हैं और बिजली का संचालन कैसे करते हैं। परमाणु कोई अलग रासायनिक तत्व नहीं बन गए हैं। इसके बजाय, उनके आबंध और व्यवस्था में बदलाव आया है। एक ही तत्व के विभिन्न संरचनात्मक रूपों को अपररूप (Allotropes) कहा जाता है। डायमंडाइन कार्बन के पहले से ही विविध परिवार में प्रयोगात्मक रूप से जांची गई एक और व्यवस्था जोड़ता है।

यहां “त्रि-आयामी” शब्द पर सावधानी से ध्यान देने की आवश्यकता है। ग्रेफाइट के एक टुकड़े में लंबाई, चौड़ाई और मोटाई होती है, और ग्रेफाइट में व्यवस्थित क्रिस्टलीय परतें हो सकती हैं। इससे उसे हीरे जैसा आबंध पैटर्न नहीं मिल जाता है। प्रासंगिक प्रश्न यह है कि क्या इलेक्ट्रॉनों को साझा करके बने मजबूत सहसंयोजक आबंध (Covalent bonds) तीनों दिशाओं में ढांचे को जोड़ते हैं। इसलिए एक परत-आधारित संरचना और एक विस्तारित ढांचा तब भी भिन्न हो सकते हैं जब दोनों नमूने ठोस वस्तुएं हों। यह अंतर “त्रि-आयामी” को नमूने के बाहरी आकार के विवरण के रूप में मानने की तुलना में अधिक उपयोगी है।

हीरे जैसे नेटवर्क का अधिक स्थान वाला संस्करण

डायमंडाइन ढांचे में, चार-तरफा कार्बन जंक्शन हीरे की तरह एक-दूसरे के बिल्कुल करीब बैठने के बजाय लंबी कड़ियों के माध्यम से जुड़े होते हैं। प्रत्येक कड़ी में चार अतिरिक्त कार्बन परमाणु और दो कार्बन–कार्बन तिहरे आबंध शामिल होते हैं। रसायनज्ञ इसे डाइआइन लिंकेज (Diyne linkage) कहते हैं, जो इस पदार्थ के नाम को समझाने में मदद करता है। लंबे जुड़ाव जंक्शनों के हीरे जैसे पैटर्न को बनाए रखते हैं लेकिन ढांचे के भीतर अधिक स्थान खोलते हैं। इसलिए “हीरे जैसा” नेटवर्क के संगठन का वर्णन करता है; यह इस बात का दावा नहीं है कि नए पदार्थ में हीरे जैसी कठोरता या चमक है।

अध्ययन में कार्बन आबंध ज्यामिति के दो प्रकारों का वर्णन किया गया है, जिन्हें sp और sp³ संकरण के रूप में चिह्नित किया गया है। ये शब्द इस बात से संबंधित हैं कि आबंध बनते समय परमाण्विक कक्षक कैसे जुड़ते हैं। sp³ जंक्शन एक चतुष्फलक के चारों ओर व्यवस्थित चार दिशाओं में जुड़ते हैं, जबकि sp परमाणु सीधे जोड़ने वाले हिस्से बनाते हैं। आदर्श ढांचे में, प्रत्येक sp³ कार्बन परमाणु के लिए आठ sp कार्बन परमाणु होते हैं। वह एक संरचनात्मक अनुपात है, न कि यह कथन कि प्रायोगिक फिल्म के नौ में से आठवें हिस्से को शुद्ध डायमंडाइन के रूप में सत्यापित किया गया है।

सही आबंध बनाने में इतनी मेहनत क्यों लगी

एक संभावित नेटवर्क का चित्र बनाना उसके परमाणुओं को उस क्रम में जोड़ने की तुलना में आसान है। इस शोध को दो जुड़ी हुई समस्याओं का सामना करना पड़ा। एक खुला आणविक निर्माण खंड अस्थिर था, जबकि मजबूत कार्बन–कार्बन आबंधों ने गलत जगह बने जुड़ावों को पूर्ववत करना कठिन बना दिया। एक बार गलत कड़ी बन जाने के बाद, बढ़ता हुआ नेटवर्क अपने आप वांछित क्रिस्टल में पुनर्व्यवस्थित नहीं हो सकता था। इसलिए टीम ने अभिक्रिया की गति और स्थान को नियंत्रित करने पर ध्यान केंद्रित किया। इसका उद्देश्य अव्यवस्थित पदार्थ के अनियंत्रित निर्माण के बजाय बढ़ती संरचनाओं में व्यवस्थित जुड़ाव को प्रोत्साहित करना था।

शोधकर्ताओं ने विभिन्न शुरुआती घटकों को दो तरल प्रावस्थाओं में रखा, जिसमें क्लोरोफॉर्म के ऊपर पानी था। उनकी साझा सीमा पर, अभिक्रियाओं के एक क्रम ने धीरे-धीरे अभिक्रियाशील समूहों को उजागर किया और कार्बन निर्माण खंडों को जोड़ा। उनकी सांद्रता को कम रखने से उस प्रक्रिया को नियंत्रित करने में मदद मिली। इसके बाद इंटरफ़ेस, अर्थात उस सतह पर जहां दोनों तरल पदार्थ मिलते थे, एक पतली कार्बन फिल्म विकसित हुई। यह किसी रत्न को दबाकर नया आकार देने की प्रक्रिया नहीं थी। महत्वपूर्ण नियंत्रण तैयार नमूने के बाहरी रूप के बजाय सावधानीपूर्वक चुनी गई स्थितियों के तहत रासायनिक संयोजन था।

वास्तव में क्या उत्पादित किया गया था?

इस विधि से पांच वर्ग सेंटीमीटर तक के क्षेत्र को कवर करने वाली फिल्में तैयार हुईं, जिनकी मोटाई को अभिक्रिया समय के माध्यम से नियंत्रित किया गया। अध्ययन में कुछ नैनोमीटर से लेकर दसियों नैनोमीटर तक की मोटाई का वर्णन किया गया है, और इससे अधिक मोटी फिल्में भी संभव हैं। एक नैनोमीटर एक मीटर का एक-अरबवां हिस्सा होता है, इसलिए ये असाधारण रूप से पतली परतें हैं। हालांकि, फिल्म के दृश्य क्षेत्र को एक एकल क्रिस्टल के आकार के साथ भ्रमित नहीं किया जाना चाहिए। काफी हद तक अव्यवस्थित कार्बन फिल्म के भीतर छोटे व्यवस्थित क्षेत्र पाए जाते हैं; इस प्रयोग से कोई बड़ा, समान रूप से क्रिस्टलीय ब्लॉक उत्पन्न नहीं हुआ।

शोध पत्र में फिल्म के क्षेत्रफल और मोटाई के आधार पर लगभग एक प्रतिशत तक की अभिक्रिया लब्धि का अनुमान लगाया गया है। लब्धि का संबंध रासायनिक इनपुट के सापेक्ष प्राप्त उत्पाद की मात्रा से है। यह कोई ऐसा माप नहीं है जो यह दिखाता हो कि फिल्म का ठीक एक प्रतिशत हिस्सा क्रिस्टलीय है। न ही कई वर्ग सेंटीमीटर को कवर करने वाली फिल्म विनिर्माण तत्परता को स्थापित करती है। उत्पादित मात्रा में सुधार करना, व्यवस्थित क्षेत्रों के अनुपात और आकार को बढ़ाना, तथा दोहराए जाने वाले संश्लेषण की विश्वसनीयता अलग-अलग चुनौतियां बनी हुई हैं। किसी प्रयोगशाला विधि द्वारा व्यावहारिक उत्पादन को समर्थन देने से पहले इनमें से प्रत्येक पहलू मायने रखता है।

संरचना का परीक्षण कैसे किया गया

साक्ष्यों में एक नमूने के बाहरी रूप पर निर्भर रहने के बजाय कई विधियों को जोड़ा गया। स्पेक्ट्रोस्कोपी ने डाइआइन कड़ियों सहित रासायनिक आबंधों से जुड़े संकेतों की जांच की। इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी ने छोटे क्रिस्टलीय क्षेत्रों के भीतर दोहराए जाने वाले पैटर्न का खुलासा किया, जबकि इलेक्ट्रॉन विवर्तन ने उनकी आंतरिक व्यवस्था के बारे में जानकारी प्रदान की। शोधकर्ताओं ने उन अवलोकनों की तुलना संभावित संरचनाओं से की। ये तकनीकें आबंधों की पहचान करती हैं और परीक्षण करती हैं कि स्थानीय व्यवस्था मौजूद है या नहीं। वे यह निर्धारित करने में भी मदद करती हैं कि कौन सा संरचनात्मक मॉडल मापों के सबसे अनुकूल है। साथ मिलकर वे केवल एक वैचारिक रेखाचित्र की तुलना में अधिक मजबूत तर्क प्रदान करते हैं।

एक महत्वपूर्ण अंतर आदर्श नेटवर्क को विस्तृत विश्लेषण द्वारा समर्थित संरचना से भी अलग करता है। मॉडल में एक एकल डायमंडाइन ढांचे में फलक-केंद्रित घनीय व्यवस्था होती है। खुले स्थान एक अन्य ढांचे को समान जंक्शनों को साझा किए बिना इसके भीतर से गुजरने की भी अनुमति देते हैं। शोधकर्ताओं को ऐसे दो आपस में गुंथे हुए नेटवर्कों का समर्थन करने वाले साक्ष्य मिले, जो एक-दूसरे के सापेक्ष असमान रूप से विस्थापित थे। उस संयुक्त व्यवस्था को चतुष्कोणीय के रूप में वर्णित किया गया है, जो एक भिन्न क्रिस्टल सममिति है। संपूर्ण परिणाम को केवल “घनीय” कहने से अंतर्निहित नेटवर्क और उसके अंतर्वेधित विन्यास के बीच का यह अंतर छूट जाएगा।

आशाजनक संभावनाएं प्रदर्शित अनुप्रयोग नहीं हैं

एक खुला ढांचा इस बारे में प्रश्न आमंत्रित करता है कि अणु या आवेशित कण इसके रिक्त स्थानों से कैसे गुजर सकते हैं। शोधकर्ता इसके गुणों और इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में संभावित भूमिकाओं की जांच करने की योजना बना रहे हैं। वे शोध की दिशाएं हैं, न कि किसी कार्यशील बैटरी, शुद्धिकरण प्रणाली या व्यावसायिक घटक के साक्ष्य। अध्ययन बताता है कि उपलब्ध फिल्म का द्रव्यमान सरंध्रता को मापने के लिए उपयोग किए जाने वाले मानक गैस-अधिशोषण माप के लिए बहुत कम था। अन्य अवलोकनों ने गुणात्मक रूप से सरंध्रता का संकेत दिया, लेकिन वे व्यावहारिक अनुप्रयोग के लिए आवश्यक प्रत्येक प्रदर्शन माप की आपूर्ति नहीं करते हैं।

यही सावधानी यांत्रिक व्यवहार पर भी लागू होती है। व्यवस्थित और अव्यवस्थित दोनों क्षेत्रों वाली फिल्म पर किए गए माप स्वचालित रूप से शुद्ध डायमंडाइन क्रिस्टल का वर्णन नहीं करते हैं। किसी आदर्श संरचना के लिए सैद्धांतिक अनुमान भी वास्तविक मिश्रित पदार्थ पर किए गए माप से भिन्न होता है। आगे के कार्य को पुनरुत्पादनीय स्थितियों के तहत संघटन, क्रिस्टल संरचना और मापे गए प्रदर्शन को जोड़ना होगा। यही कारण है कि सफल संश्लेषण पदार्थ अनुसंधान का अंत होने के बजाय एक शुरुआती बिंदु है। यह कुछ परीक्षण योग्य बनाता है, जिससे बाद के प्रयोगों को यह स्थापित करने की अनुमति मिलती है कि वास्तविक पदार्थ के संपर्क में आने पर कौन सी अपेक्षाएं टिकती हैं।

निष्कर्ष

डायमंडाइन दिखाता है कि कार्बन के जुड़ावों को नियंत्रित करने से कोई नया तत्व बनाए बिना पदार्थ अनुसंधान में एक नया मार्ग कैसे खुल सकता है। तात्कालिक उपलब्धि एक संश्लेषण विधि और पतली कार्बन फिल्मों के भीतर छोटे क्रिस्टलीय ढांचों के लिए साक्ष्य है। इसका महत्व उन फिल्मों को शुद्ध स्थूल क्रिस्टल के रूप में प्रस्तुत करने या किसी तात्कालिक तकनीक का वादा करने पर निर्भर नहीं करता है। अगली प्रगति बेहतर-नियंत्रित नमूने तैयार करने और यह मापने से आएगी कि उनकी असामान्य संरचना वास्तव में क्या सक्षम बनाती है।