ഡയമണ്ടൈൻ: വജ്രസമാനമായ കാർബൺ ശൃംഖല നിർമ്മിച്ച് സ്വീഡിഷ് രസതന്ത്രജ്ഞർ

ഒരു മൂലകത്തിന് വളരെ വ്യത്യസ്തമായ പദാർത്ഥങ്ങൾ നിർമ്മിക്കാൻ കഴിയും

വജ്രവും ഗ്രാഫൈറ്റും കാർബണിന്റെ രൂപങ്ങളാണ്, എങ്കിലും അവയുടെ സ്വഭാവം തികച്ചും വ്യത്യസ്തമാണ്. വജ്രത്തിന് ശക്തമായി ബന്ധിപ്പിക്കപ്പെട്ട ഒരു ചട്ടക്കൂടുള്ളപ്പോൾ, ഗ്രാഫൈറ്റ് പരസ്പരം വളരെ ദുർബലമായ ബന്ധങ്ങളുള്ള പാളികളാലാണ് നിർമ്മിച്ചിരിക്കുന്നത്. ഈ ക്രമീകരണങ്ങൾ പദാർത്ഥങ്ങൾ ബലത്തോട് എങ്ങനെ പ്രതികരിക്കുന്നു എന്നതിനെയും വൈദ്യുതി കടത്തിവിടുന്നതിനെയും ബാധിക്കുന്നു. ആറ്റങ്ങൾ മറ്റൊരു രാസ മൂലകമായി മാറിയിട്ടില്ല. പകരം അവയുടെ ബന്ധനവും ക്രമീകരണവുമാണ് മാറിയത്. ഒരേ മൂലകത്തിന്റെ വ്യത്യസ്ത ഘടനാപരമായ രൂപങ്ങളെ അലോട്രോപ്പുകൾ (allotropes) എന്ന് വിളിക്കുന്നു. കാർബണിന്റെ ഇതിനകം തന്നെ വൈവിധ്യമാർന്ന കുടുംബത്തിലേക്ക് പരീക്ഷണാടിസ്ഥാനത്തിൽ പരിശോധിക്കപ്പെട്ട മറ്റൊരു ക്രമീകരണം കൂടി ഡയമണ്ടൈൻ കൂട്ടിച്ചേർക്കുന്നു.

“ത്രിമാന” എന്ന വാക്കിന് ഇവിടെ ശ്രദ്ധ ആവശ്യമാണ്. ഒരു കഷണം ഗ്രാഫൈറ്റിന് നീളവും വീതിയും കനവുമുണ്ട്, കൂടാതെ ഗ്രാഫൈറ്റിന് ക്രമമായ പരൽ പാളികളും ഉണ്ടാകാം. അത് അതിന് വജ്രത്തിന്റെ അതേ ബന്ധന രീതി നൽകുന്നില്ല. ഇലക്ട്രോണുകൾ പങ്കിട്ടുകൊണ്ട് രൂപപ്പെടുന്ന ശക്തമായ സഹസംയോജക ബന്ധനങ്ങൾ മൂന്ന് ദിശകളിലും ചട്ടക്കൂടിനെ ബന്ധിപ്പിക്കുന്നുണ്ടോ എന്നതാണ് പ്രസക്തമായ ചോദ്യം. അതിനാൽ രണ്ട് സാമ്പിളുകളും ഖരവസ്തുക്കളായിരിക്കുമ്പോൾ പോലും പാളികൾ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള ഘടനയും വിപുലീകൃത ചട്ടക്കൂടും തമ്മിൽ വ്യത്യാസപ്പെടാം. സാമ്പിളിന്റെ ബാഹ്യ ആകൃതിയുടെ വിവരണമായി “ത്രിമാന” എന്ന പദത്തെ കണക്കാക്കുന്നതിനേക്കാൾ ഈ വേർതിരിവാണ് കൂടുതൽ പ്രയോജനകരം.

വജ്രസമാനമായ ശൃംഖലയുടെ കൂടുതൽ ഇടമുള്ള ഒരു പതിപ്പ്

ഡയമണ്ടൈൻ ചട്ടക്കൂടിൽ, നാലു വശത്തേക്കുമുള്ള കാർബൺ ജംഗ്ഷനുകൾ വജ്രത്തിലേതുപോലെ അടുത്തടുത്ത് ഇരിക്കുന്നതിന് പകരം നീളമുള്ള കണ്ണികളിലൂടെയാണ് ബന്ധിപ്പിച്ചിരിക്കുന്നത്. ഓരോ കണ്ണിയിലും നാല് അധിക കാർബൺ ആറ്റങ്ങളും രണ്ട് കാർബൺ–കാർബൺ ട്രിപ്പിൾ ബോണ്ടുകളും ഉൾപ്പെടുന്നു. രസതന്ത്രജ്ഞർ ഇതിനെ ഡൈയിൻ (diyne) ലിങ്കേജ് എന്ന് വിളിക്കുന്നു, ഇത് പദാർത്ഥത്തിന്റെ പേര് വിശദീകരിക്കാൻ സഹായിക്കുന്നു. നീളമുള്ള ബന്ധങ്ങൾ ജംഗ്ഷനുകളുടെ വജ്രസമാനമായ പാറ്റേൺ നിലനിർത്തുന്നുവെങ്കിലും ചട്ടക്കൂടിനുള്ളിൽ കൂടുതൽ ഇടം തുറക്കുന്നു. അതിനാൽ “വജ്രസമാനമായ” എന്നത് ശൃംഖലയുടെ ക്രമീകരണത്തെയാണ് വിവരിക്കുന്നത്; പുതിയ പദാർത്ഥത്തിന് വജ്രത്തിന്റെ കാഠിന്യമോ രൂപമോ ഉണ്ടെന്ന അവകാശവാദമല്ല ഇത്.

sp, sp³ ഹൈബ്രിഡൈസേഷൻ എന്ന് അടയാളപ്പെടുത്തിയ രണ്ട് തരം കാർബൺ ബോണ്ടിംഗ് ജ്യാമിതികളെ പഠനം വിവരിക്കുന്നു. ബന്ധനങ്ങൾ രൂപപ്പെടുമ്പോൾ അറ്റോമിക് ഓർബിറ്റലുകൾ എങ്ങനെ സംയോജിക്കുന്നു എന്നതുമായി ബന്ധപ്പെട്ടതാണ് ഈ പദങ്ങൾ. sp³ ജംഗ്ഷനുകൾ ഒരു ടെട്രാഹെഡ്രണിന് ചുറ്റും ക്രമീകരിച്ചിരിക്കുന്ന നാല് ദിശകളിലേക്ക് ബന്ധിപ്പിക്കുമ്പോൾ, sp ആറ്റങ്ങൾ നേരെയുള്ള ബന്ധിപ്പിക്കുന്ന ഭാഗങ്ങൾ നിർമ്മിക്കുന്നു. മാതൃകാപരമായ ചട്ടക്കൂടിൽ, ഓരോ sp³ കാർബൺ ആറ്റത്തിനും എട്ട് sp കാർബൺ ആറ്റങ്ങൾ വീതമുണ്ട്. അതൊരു ഘടനാപരമായ അനുപാതമാണ്, അല്ലാതെ പരീക്ഷണ ഫിലിമിന്റെ ഒമ്പതിൽ എട്ട് ഭാഗവും ശുദ്ധമായ ഡയമണ്ടൈൻ ആണെന്ന് സ്ഥിരീകരിച്ചു എന്ന പ്രസ്താവനയല്ല.

ശരിയായ ബന്ധനങ്ങൾ രൂപപ്പെടുത്തുന്നതിന് എന്തുകൊണ്ട് ഇത്രയധികം പരിശ്രമം വേണ്ടിവന്നു

സാധ്യമായ ഒരു ശൃംഖല വരയ്ക്കുന്നത് അതിന്റെ ആറ്റങ്ങളെ ആ ക്രമത്തിൽ ഒത്തുചേരാൻ പ്രേരിപ്പിക്കുന്നതിനേക്കാൾ എളുപ്പമാണ്. ഗവേഷണം പരസ്പരം ബന്ധപ്പെട്ട രണ്ട് പ്രശ്നങ്ങൾ നേരിട്ടു. തുറന്നുകാട്ടപ്പെട്ട ഒരു തന്മാത്രാ നിർമ്മാണ ഘടകം അസ്ഥിരമായിരുന്നു, അതേസമയം ശക്തമായ കാർബൺ–കാർബൺ ബന്ധനങ്ങൾ തെറ്റായ സ്ഥാനത്തുള്ള ബന്ധങ്ങളെ പഴയപടിയാക്കുന്നത് ബുദ്ധിമുട്ടാക്കി. ഒരിക്കൽ തെറ്റായ ഒരു കണ്ണി രൂപപ്പെട്ടാൽ, വളരുന്ന ശൃംഖലയ്ക്ക് ആഗ്രഹിച്ച പരലായി സ്വയം പുനഃക്രമീകരിക്കാൻ കഴിയില്ല. അതിനാൽ രാസപ്രവർത്തനത്തിന്റെ വേഗതയും സ്ഥാനവും നിയന്ത്രിക്കുന്നതിലാണ് സംഘം ശ്രദ്ധ കേന്ദ്രീകരിച്ചത്. ക്രമരഹിതമായ പദാർത്ഥത്തിന്റെ അനിയന്ത്രിതമായ രൂപീകരണത്തിന് പകരം വളരുന്ന ഘടനകളിലേക്ക് ക്രമമായ കൂട്ടിച്ചേർക്കലുകൾ പ്രോത്സാഹിപ്പിക്കുക എന്നതായിരുന്നു ലക്ഷ്യം.

ഗവേഷകർ ക്ലോറോഫോമിന് മുകളിൽ വെള്ളം വരുന്ന രീതിയിൽ രണ്ട് ദ്രാവക തട്ടുകളിലായി വ്യത്യസ്ത പ്രാരംഭ ഘടകങ്ങൾ സ്ഥാപിച്ചു. അവ ചേരുന്ന അതിർത്തിയിൽ, രാസപ്രവർത്തനങ്ങളുടെ ഒരു ശ്രേണി ക്രമേണ പ്രതികരണശേഷിയുള്ള ഗ്രൂപ്പുകളെ തുറന്നുകാട്ടുകയും കാർബൺ നിർമ്മാണ ഘടകങ്ങളെ ബന്ധിപ്പിക്കുകയും ചെയ്തു. അവയുടെ സാന്ദ്രത കുറച്ചു നിർത്തിയത് ആ പ്രക്രിയയെ നിയന്ത്രിക്കാൻ സഹായിച്ചു. തുടർന്ന് ദ്രാവകങ്ങൾ തമ്മിൽ ചേരുന്ന പ്രതലമായ ഇന്റർഫേസിൽ ഒരു നേർത്ത കാർബൺ ഫിലിം വളർന്നു. ഒരു രത്നക്കല്ലിനെ അമർത്തി പുതിയ ആകൃതിയിലാക്കുന്ന പ്രക്രിയയായിരുന്നില്ല ഇത്. പൂർത്തിയായ സാമ്പിളിന്റെ ബാഹ്യരൂപത്തേക്കാൾ, ശ്രദ്ധാപൂർവ്വം തിരഞ്ഞെടുത്ത സാഹചര്യങ്ങളിൽ നടത്തിയ രാസ സംയോജനമായിരുന്നു പ്രധാന നിയന്ത്രണം.

യഥാർത്ഥത്തിൽ എന്താണ് നിർമ്മിക്കപ്പെട്ടത്?

രാസപ്രവർത്തന സമയത്തിലൂടെ കനം നിയന്ത്രിച്ചുകൊണ്ട് അഞ്ച് ചതുരശ്ര സെന്റീമീറ്റർ വരെ വിസ്തീർണ്ണമുള്ള ഫിലിമുകൾ ഈ രീതിയിലൂടെ നിർമ്മിച്ചു. ഏതാനും നാനോമീറ്ററുകൾ മുതൽ പത്തുകണക്കിന് നാനോമീറ്ററുകൾ വരെയുള്ള കനത്തെയാണ് പഠനം വിവരിക്കുന്നത്, ഇതിലും കട്ടിയുള്ള ഫിലിമുകളും സാധ്യമാണ്. ഒരു മീറ്ററിന്റെ നൂറുകോടിയിൽ ഒരു ഭാഗമാണ് ഒരു നാനോമീറ്റർ, അതിനാൽ ഇവ അസാധാരണമാംവിധം നേർത്ത പാളികളാണ്. എന്നിരുന്നാലും, ഫിലിമിന്റെ ദൃശ്യമായ വിസ്തീർണ്ണത്തെ ഒറ്റ പരലിന്റെ വലിപ്പവുമായി കൂട്ടിക്കുഴയ്ക്കരുത്. വലിയൊരു ഭാഗം ക്രമരഹിതമായ കാർബൺ ഫിലിമിനുള്ളിലാണ് ക്രമമായ ചെറിയ ഭാഗങ്ങൾ കാണപ്പെടുന്നത്; പരീക്ഷണം വലുതും ഒരേപോലെ പരൽ രൂപത്തിലുള്ളതുമായ ഒരു കട്ടയല്ല നിർമ്മിച്ചത്.

ഫിലിമിന്റെ വിസ്തീർണ്ണത്തിൽ നിന്നും കനത്തിൽ നിന്നും ഏകദേശം ഒരു ശതമാനം വരെ രാസപ്രവർത്തന ഉൽപ്പാദനം പ്രബന്ധം കണക്കാക്കുന്നു. രാസ ഇൻപുട്ടുകളെ അപേക്ഷിച്ച് ലഭിച്ച ഉൽപ്പന്നത്തിന്റെ അളവിനെയാണ് ഉൽപ്പാദനം സംബന്ധിക്കുന്നത്. ഫിലിമിന്റെ കൃത്യമായി ഒരു ശതമാനം പരൽ രൂപത്തിലാണെന്ന് കാണിക്കുന്ന അളവല്ല ഇത്. ഏതാനും ചതുരശ്ര സെന്റീമീറ്റർ വിസ്തൃതിയുള്ള ഒരു ഫിലിം വ്യാവസായിക നിർമ്മാണ സജ്ജത സ്ഥാപിക്കുന്നുമില്ല. ഉൽപ്പാദിപ്പിക്കുന്ന അളവ്, ക്രമമായ ഭാഗങ്ങളുടെ അനുപാതവും വലിപ്പവും, ആവർത്തിച്ചുള്ള നിർമ്മാണത്തിന്റെ വിശ്വാസ്യത എന്നിവ മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നത് വെവ്വേറെ വെല്ലുവിളികളായി തുടരുന്നു. ഒരു പരീക്ഷണശാലാ രീതിക്ക് പ്രായോഗിക ഉൽപ്പാദനത്തെ പിന്തുണയ്ക്കാൻ കഴിയുന്നതിന് മുമ്പ് ഇവയെല്ലാം പ്രധാനമാണ്.

ഘടന എങ്ങനെയാണ് പരീക്ഷിച്ചത്

ഒരു സാമ്പിളിന്റെ ബാഹ്യരൂപത്തെ ആശ്രയിക്കുന്നതിന് പകരം നിരവധി രീതികൾ സംയോജിപ്പിച്ചുള്ളതായിരുന്നു തെളിവുകൾ. ഡൈയിൻ കണ്ണികൾ ഉൾപ്പെടെയുള്ള രാസബന്ധനങ്ങളുമായി ബന്ധപ്പെട്ട സിഗ്നലുകൾ സ്പെക്ട്രോസ്കോപ്പി പരിശോധിച്ചു. ഇലക്ട്രോൺ മൈക്രോസ്കോപ്പി ചെറിയ പരൽ ഭാഗങ്ങൾക്കുള്ളിലെ ആവർത്തിച്ചുള്ള പാറ്റേണുകൾ വെളിപ്പെടുത്തിയപ്പോൾ, ഇലക്ട്രോൺ ഡിഫ്രാക്ഷൻ അവയുടെ ആന്തരിക ക്രമത്തെക്കുറിച്ചുള്ള വിവരങ്ങൾ നൽകി. ഗവേഷകർ ആ നിരീക്ഷണങ്ങളെ സാധ്യതയുള്ള ഘടനകളുമായി താരതമ്യം ചെയ്തു. ഈ സാങ്കേതികവിദ്യകൾ ബന്ധനങ്ങളെ തിരിച്ചറിയുകയും പ്രാദേശികമായ ക്രമം നിലനിൽക്കുന്നുണ്ടോ എന്ന് പരീക്ഷിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. അളവുകളുമായി ഏറ്റവും നന്നായി യോജിക്കുന്ന ഘടനാ മാതൃക ഏതെന്ന് നിർണ്ണയിക്കാനും അവ സഹായിക്കുന്നു. ആശയപരമായ ഒരു ചിത്രത്തേക്കാൾ ശക്തമായ വാദം ഇവ ഒരുമിച്ച് നൽകുന്നു.

വിശദമായ വിശകലനം പിന്തുണയ്ക്കുന്ന ഘടനയിൽ നിന്ന് മാതൃകാപരമായ ശൃംഖലയെ ഒരു പ്രധാന വേർതിരിവ് മാറ്റിനിർത്തുന്നു. ഒറ്റ ഡയമണ്ടൈൻ ചട്ടക്കൂടിന് മാതൃകയിൽ ഫേസ്-സെന്റേർഡ് ക്യൂബിക് ക്രമീകരണമാണുള്ളത്. ഒരേ ജംഗ്ഷനുകൾ പങ്കിടാതെ തന്നെ മറ്റൊരു ചട്ടക്കൂടിന് അതിലൂടെ കടന്നുപോകാനും തുറന്ന ഇടങ്ങൾ അനുവദിക്കുന്നു. പരസ്പരം അസമമായി സ്ഥാനചലനം സംഭവിച്ച അത്തരം രണ്ട് ഇഴചേർന്ന ശൃംഖലകളെ പിന്തുണയ്ക്കുന്ന തെളിവുകൾ ഗവേഷകർ കണ്ടെത്തി. ആ സംയോജിത ക്രമീകരണത്തെ വ്യത്യസ്തമായ പരൽ സമമിതിയുള്ള ടെട്രഗണൽ ആയിട്ടാണ് വിവരിക്കുന്നത്. മുഴുവൻ ഫലത്തെയും വെറുതെ “ക്യൂബിക്” എന്ന് വിളിക്കുന്നത് അടിസ്ഥാന ശൃംഖലയും അതിന്റെ പരസ്പരം തുളച്ചുകയറിയ ക്രമീകരണവും തമ്മിലുള്ള ഈ വ്യത്യാസം കാണാതെ പോകുന്നതിന് കാരണമാകും.

വാഗ്ദാനങ്ങൾ നൽകുന്ന സാധ്യതകൾ തെളിയിക്കപ്പെട്ട ഉപയോഗങ്ങളല്ല

തുറന്ന ഒരു ചട്ടക്കൂട് അതിന്റെ ഇടങ്ങളിലൂടെ തന്മാത്രകൾക്കോ ചാർജുള്ള കണികകൾക്കോ എങ്ങനെ സഞ്ചരിക്കാനാകും എന്നതിനെക്കുറിച്ചുള്ള ചോദ്യങ്ങൾ ഉയർത്തുന്നു. ഇതിന്റെ സവിശേഷതകളും ഇലക്ട്രോണിക് ഉപകരണങ്ങളിലെ സാധ്യമായ പങ്കും അന്വേഷിക്കാൻ ഗവേഷകർ പദ്ധതിയിടുന്നു. അവ ഗവേഷണ ദിശകളാണ്, അല്ലാതെ പ്രവർത്തിക്കുന്ന ബാറ്ററിയുടെയോ ശുദ്ധീകരണ സംവിധാനത്തിന്റെയോ വാണിജ്യ ഘടകത്തിന്റെയോ തെളിവല്ല. സുഷിരങ്ങളുടെ അളവ് കണക്കാക്കാൻ ഉപയോഗിക്കുന്ന സാധാരണ ഗ്യാസ്-അഡ്സോർപ്ഷൻ അളവിന് ലഭ്യമായ ഫിലിം പിണ്ഡം വളരെ കുറവായിരുന്നുവെന്ന് പഠനം റിപ്പോർട്ട് ചെയ്യുന്നു. മറ്റ് നിരീക്ഷണങ്ങൾ സുഷിരങ്ങളുടെ സാന്നിധ്യം ഗുണപരമായി സൂചിപ്പിച്ചുവെങ്കിലും, പ്രായോഗിക ഉപയോഗത്തിന് ആവശ്യമായ എല്ലാ പ്രകടന അളവുകളും അവ നൽകുന്നില്ല.

യാന്ത്രിക സ്വഭാവത്തിനും ഇതേ മുൻകരുതൽ ബാധകമാണ്. ക്രമമായതും ക്രമരഹിതവുമായ ഭാഗങ്ങൾ അടങ്ങിയ ഒരു ഫിലിമിൽ നടത്തുന്ന അളവുകൾ ശുദ്ധമായ ഡയമണ്ടൈൻ പരലിനെ സ്വയമേവ വിവരിക്കുന്നില്ല. മാതൃകാപരമായ ഘടനയെക്കുറിച്ചുള്ള സൈദ്ധാന്തിക പ്രവചനവും യഥാർത്ഥ സമ്മിശ്ര പദാർത്ഥത്തിലെ അളവും തമ്മിൽ വ്യത്യാസമുണ്ട്. ആവർത്തിച്ച് പരീക്ഷിക്കാവുന്ന സാഹചര്യങ്ങളിൽ ഘടന, പരൽ രൂപം, അളക്കപ്പെട്ട പ്രകടനം എന്നിവയെ തുടർന്നുള്ള പഠനങ്ങൾ ബന്ധിപ്പിക്കേണ്ടതുണ്ട്. അതുകൊണ്ടാണ് വിജയകരമായ നിർമ്മാണം പദാർത്ഥ ഗവേഷണത്തിന്റെ അവസാനമല്ല, മറിച്ച് ഒരു തുടക്കമാകുന്നത്. ഇത് പരീക്ഷിക്കാൻ കഴിയുന്ന ഒന്നിനെ സൃഷ്ടിക്കുന്നു, യഥാർത്ഥ പദാർത്ഥവുമായുള്ള സമ്പർക്കത്തിൽ ഏതൊക്കെ പ്രതീക്ഷകൾ നിലനിൽക്കുമെന്ന് സ്ഥാപിക്കാൻ പിന്നീടുള്ള പരീക്ഷണങ്ങളെ ഇത് അനുവദിക്കുന്നു.

ഉപസംഹാരം

പുതിയൊരു മൂലകം സൃഷ്ടിക്കാതെ തന്നെ കാർബണിന്റെ ബന്ധനങ്ങളെ നിയന്ത്രിക്കുന്നത് പദാർത്ഥ ഗവേഷണത്തിൽ എങ്ങനെ ഒരു പുതിയ പാത തുറക്കുമെന്ന് ഡയമണ്ടൈൻ കാണിക്കുന്നു. നേർത്ത കാർബൺ ഫിലിമുകൾക്കുള്ളിലെ ചെറിയ പരൽ ചട്ടക്കൂടുകൾക്കുള്ള തെളിവുകളും ഒരു നിർമ്മാണ രീതിയുമാണ് ഉടനടിയുള്ള നേട്ടം. ആ ഫിലിമുകളെ ശുദ്ധമായ വലിയ പരലുകളായി അവതരിപ്പിക്കുന്നതിനെയോ ഉടനടി ഒരു സാങ്കേതികവിദ്യ വാഗ്ദാനം ചെയ്യുന്നതിനെയോ ഇതിന്റെ പ്രാധാന്യം ആശ്രയിക്കുന്നില്ല. കൂടുതൽ നന്നായി നിയന്ത്രിക്കപ്പെട്ട സാമ്പിളുകൾ നിർമ്മിക്കുന്നതിലൂടെയും അവയുടെ അസാധാരണമായ ഘടന യഥാർത്ഥത്തിൽ എന്താണ് സാധ്യമാക്കുന്നത് എന്ന് അളക്കുന്നതിലൂടെയുമാണ് അടുത്ത മുന്നേറ്റം ഉണ്ടാകുക.