'फुलरट्यूब' कार्बन क्रिस्टल के परिवार में शामिल हों

कार्बन स्वयं को प्रकृति की सबसे कठोर सामग्रियों में से एक में व्यवस्थित कर सकता है, या इतनी नरम सामग्री में कि बच्चे कागज पर इसके निशान लिख सकते हैं। कई दशक पहले, वैज्ञानिकों ने आश्चर्य करना शुरू किया: हीरा और ग्रेफाइट के अलावा, कार्बन अन्य कौन से क्रिस्टलीय रूप ले सकता है?

1985 में, उनका पहला उत्तर था। रसायनज्ञों के एक समूह ने 60 कार्बन परमाणुओं से निर्मित छोटे खोखले गोले की खोज की जिसे उन्होंने बकमिन्स्टरफुलरीन, या बकीबॉल या फुलरीन करार दिया। (क्रिस्टल जियोडेसिक गुंबदों से मिलते-जुलते थे, जिन्हें वास्तुकार आर. बकमिनस्टर फुलर ने लोकप्रिय बनाया था।) रसायन विज्ञान का एक नया क्षेत्र नैनोमीटर-चौड़े क्षेत्रों के आसपास उभरा, जैसा कि शोधकर्ताओं ने सबसे सुंदर अणु कहे जाने वाले गुणों और अनुप्रयोगों की खोज के लिए दौड़ लगाई।

बड़ी फुलरीन पाई गई। फिर, कुछ साल बाद, जापानी भौतिक विज्ञानी सुमियो इजिमा के एक पेपर ने संबंधित कार्बन रूप में रुचि जगाई, जिसे शुरू में बकीट्यूब कहा जाता था, लेकिन अब इसे कार्बन नैनोट्यूब के रूप में जाना जाता है: कार्बन परमाणुओं के छत्ते की जाली से बने खोखले सिलेंडर जो टॉयलेट पेपर की तरह लुढ़क जाते हैं। ट्यूब।

कार्बन क्रिस्टल में विद्युत, रासायनिक और भौतिक गुणों का एक ऐसा स्पेक्ट्रम था जो किसी अन्य तत्व से मेल नहीं खाता था। कार्बन नैनोसाइंस के प्रति उत्साह तब और बढ़ गया जब बकीबॉल के तीन खोजकर्ताओं, रॉबर्ट कर्ल, हेरोल्ड क्रोटो और रिचर्ड स्माले को रसायन विज्ञान में 1996 का नोबेल पुरस्कार मिला। फिर 2004 में, भौतिकविदों आंद्रे गीम और कॉन्स्टेंटिन नोवोसेलोव ने कार्बन परमाणुओं की सपाट शीट को अलग करने का एक तरीका खोजा - एक क्रिस्टल जिसे ग्राफीन के रूप में जाना जाता है - अनुसंधान के एक और विस्फोट को प्रज्वलित करता है जो तब से खुद को बनाए रखता है, और खुद को 2010 का भौतिकी नोबेल अर्जित करता है।

हाल ही में, रसायनज्ञों ने एक और प्रकार के कार्बन क्रिस्टल की खोज की - इस बार, बहुत कम धूमधाम से। इस कहानी के लिए जिन कार्बन विशेषज्ञों से संपर्क किया गया उनमें से अधिकांश ने अभी तक इसके बारे में नहीं सुना था। और अब तक, पूरी वैश्विक आपूर्ति शायद मिलीग्राम के बराबर है, लगभग मुट्ठी भर घरेलू मक्खियों के द्रव्यमान के बारे में।

ये नवीनतम कार्बन संरचनाएं गोलाकार फुलरीन और बेलनाकार नैनोट्यूब के बीच कहीं गिरती हैं; वे दो का "एक नैनोस्केल विवाह" हैं जो एक दवा कैप्सूल के आकार का है हैरी डॉर्न, वर्जीनिया पॉलिटेक्निक संस्थान और राज्य विश्वविद्यालय में एक रसायनज्ञ के साथ सहयोग करता है स्टीवन स्टीवंसन पर्ड्यू विश्वविद्यालय के, अणुओं के प्रारंभिक खोजकर्ता। स्टीवेंसन और डोर्न ने क्रिस्टल को फुलरट्यूब नाम दिया है।

फुलरट्यूब फुलरीन और नैनोट्यूब की सर्वोत्तम विशेषताओं को मिलाते हैं। या दोनों में से सबसे खराब। या हो सकता है कि प्रत्येक से थोड़ा सा अच्छा और बुरा - यह इस बात पर निर्भर करता है कि आप किससे पूछते हैं। कैसे या क्या उनके गुण उपयोगी होंगे, यह देखा जाना बाकी है। यह एक ऐसी जगह है जहां हम पहले भी रहे हैं, और यकीनन अब भी हैं, फुलरट्यूब के मनाए गए कार्बन रिलेटिव्स के साथ।

फुलरट्यूब के लिए खनन

फुलरट्यूब वर्ल्ड का केंद्र पर्ड्यू के फोर्ट वेन, इंडियाना, परिसर में एक बैठक के आकार की एक रसायन प्रयोगशाला है। वहां, स्टीवेन्सन और उनके स्नातक के छोटे कैडर न्यूफ़ाउंड अणुओं को इकट्ठा करते हैं और उनका वर्गीकरण करते हैं, जिसमें विभिन्न चौड़ाई और लंबाई के सिलेंडरों के सिरों पर गोलार्द्ध की टोपियां होती हैं।

2020 में, स्टीवेन्सन और सहयोगियों ने घोषणा की पहला सदस्य फुलरट्यूब परिवार का, एक 90-परमाणु अणु जो अनिवार्य रूप से 30-परमाणु नैनोट्यूब मिडसेक्शन द्वारा जुड़े हुए बकीबॉल के दो हिस्सों में होता है। उन्होंने अणु को क्रमशः 96 और 100 कार्बन परमाणुओं से बने दो बड़े भाई-बहनों के साथ पाया।

इस साल, स्टीवेन्सन और डॉर्न दो और फुलरट्यूब का वर्णन किया, दोनों में 120 कार्बन परमाणु होते हैं। उनके अध्ययन से पता चलता है कि इन गोली के आकार के अणुओं का संकरा विद्युत प्रवाहकीय होता है, जबकि व्यापक, छोटा एक है - पेचीदा रूप से - एक अर्धचालक, जिसका अर्थ है कि यह संभावित रूप से ट्रांजिस्टर और अन्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। Fullertubes में ऑप्टिकल और तन्य गुणों की एक श्रृंखला भी होती है जिसे शोधकर्ता अभी भी खोज रहे हैं।

सिएटल में इंस्टीट्यूट फॉर सिस्टम्स बायोलॉजी के जेम्स हीथ, जिन्होंने 1985 में कर्ल और स्माले के साथ काम करने वाले स्नातक छात्र के रूप में पहली फुलरीन को अलग करने में मदद की, नए फुलरट्यूब को "प्यारी संरचनाएं" कहा जो उसी ज्यामितीय नियम का पालन करते हैं जिसने उन्हें और उनके सहयोगियों को आगे बढ़ने के लिए प्रेरित किया। पहले स्थान पर फुलरीन की खोज करें: यह नियम कि 12 पंचकोण और षट्कोण की एक सम संख्या एक बंद खोल बना सकती है। (बकीबॉल, उदाहरण के लिए, एक सॉकर बॉल के रूप में हेक्सागोन और पेंटागन का एक ही पैटर्न है। हेक्सागोन के अतिरिक्त बेल्ट जोड़ते समय फुलरट्यूब नियम बनाए रखते हैं।)

अणु वर्षों से रसायनज्ञों की नाक के नीचे हैं, उसी विशेष कार्बन कालिख में छिपे हुए हैं जो लंबे समय तक फुलरीन का प्राथमिक स्रोत रहा है। लेकिन 2020 में, स्टीवेंसन ने आखिरकार यह पता लगा लिया कि बहुत अधिक प्रचुर फुलरीन में से ट्यूबलर कैप्सूल को कैसे चुना जाए। "जादुई" प्रक्रिया, जैसा कि वह इसे कहते हैं, "किसी भी गोलाकार चीज़ पर प्रतिक्रिया करना" है। इसलिए हम गेंदों को ट्यूबों से अलग करते हैं।"

विशेष कालिख आमतौर पर एक कक्ष के अंदर ग्रेफाइट की छड़ों से कार्बन को वाष्पित करके बनाई जाती है। जैसे ही कक्ष की दीवारों पर कार्बन वाष्प ठंडा होता है, इसका अधिकांश भाग फुलरीन में संघनित हो जाता है, लेकिन दुर्लभ फुलरट्यूब भी बनते हैं, जो लावा के पहाड़ में रत्नों की तरह छिड़के जाते हैं। स्टीवेन्सन की जादू की चाल अमाइन नामक पानी घुलनशील अणुओं पर निर्भर करती है। ये उन स्थानों की ओर आकर्षित होते हैं जहां कार्बन परमाणुओं की षट्कोणीय व्यवस्थाएं पंचकोणीय व्यवस्थाओं से जुड़ती हैं - चौराहों जो पूरे फुलरीन में दिखाई देते हैं। दूसरी ओर, नैनोट्यूब, एमाइन के लिए अनाकर्षक होते हैं क्योंकि उनमें केवल हेक्सागोन होते हैं, और फुलरट्यूब आंशिक रूप से उनके नैनोट्यूब मिडसेक्शन द्वारा एमाइन से सुरक्षित होते हैं। तो जबकि अमीन्स फुलरीन से बंधते हैं, उन्हें पानी में घुलनशील बनाते हैं, अप्रतिक्रियाशील फुलरट्यूब अघुलनशील रहते हैं; स्टीवेंसन फुलरट्यूब को पीछे छोड़ते हुए फुलरीन को आसानी से खंगाल सकते हैं।

इसके बाद वह मशीनों के माध्यम से अपने फुलरट्यूब-समृद्ध नमूने चलाते हैं जो अणुओं को उनके द्रव्यमान और सूक्ष्म रासायनिक अंतर के आधार पर अलग करते हैं, एक समान द्रव्यमान, आकार और गुणों के साथ फुलरट्यूब के शुद्ध संग्रह का उत्पादन करते हैं।

"स्टीव का दृष्टिकोण निश्चित रूप से कुछ ऐसा है जो काफी आकर्षक है," रसायनज्ञ ने कहा अर्देमिस बोगोसियन स्विट्ज़रलैंड में École Polytechnique Fédérale de Lausanne का, जो नैनोट्यूब के साथ काम करता है। "यह एक दृष्टिकोण है जो परंपरागत रूप से हमारे क्षेत्र में उपयोग नहीं किया जाता है। … उनका थोड़ा और सटीक है।

विशेषज्ञों का कहना है कि फुलरट्यूब के शुद्ध, एकसमान नमूनों को अलग करने की क्षमता अणुओं को कहीं अधिक आकर्षण देती है, अन्यथा नहीं। फुलरीन को भी अलग किया जा सकता है, लेकिन उनमें वैद्युत और ऑप्टिकल गुणों की कमी होती है जो फुलरट्यूब और नैनोट्यूब को विद्युत परिपथ या प्रकाश-आधारित सेंसर में घटक के रूप में आशाजनक बनाते हैं। इस बीच, नैनोट्यूब शोधकर्ताओं के लिए शुद्धता केवल एक सपना बनी हुई है, जो अक्सर यादृच्छिक लंबाई और व्यास के ट्यूबों की गड़बड़ी के साथ काम करते हैं, और यहां तक ​​कि ट्यूबों के भीतर नेस्टेड ट्यूब भी। तो क्या फुलरट्यूब उन बाधाओं को पार कर सकता है जिन्होंने अपने चचेरे भाइयों को रास्ते में रखा है?

बकीबॉल को जो कुछ भी हुआ?

एक 1991 लेख में अमेरिकी वैज्ञानिक, कर्ल और स्मैले ने नए, कार्बन-आधारित सुपरकंडक्टर्स, इलेक्ट्रॉनिक्स और लुब्रिकेंट्स सहित बकमिन्स्टरफुलरीन के क्रांतिकारी अनुप्रयोगों की कल्पना की। "बल्क सी की बहुमुखी प्रतिभा₆₀ सप्ताह दर सप्ताह बढ़ने लगता है," उन्होंने लिखा।

पांच साल बीत गए। नोबेल पुरस्कार समिति ने में लिखा, "अभी तक व्यावहारिक रूप से उपयोगी अनुप्रयोगों का उत्पादन नहीं किया गया है।" 1996 की प्रेस विज्ञप्ति यह घोषणा करते हुए कि कर्ल, क्रोटो और स्मैले ने बकमिंस्टरफुलरीन की खोज के लिए रसायन विज्ञान पुरस्कार जीता था, "लेकिन फुलरीन की मैक्रोस्कोपिक मात्रा उपलब्ध होने के छह साल बाद इसकी उम्मीद नहीं की जानी चाहिए।"

एक चौथाई सदी बाद, शुरू में अपेक्षित उत्पादों में से कोई भी इसे बाजार में नहीं लाया है। व्यावसायिक रूप से आप जिन कुछ जगहों पर बिकीबॉल से मिल सकते हैं, वे सौंदर्य प्रसाधन और आहार पूरक हैं जो एक एंटीऑक्सिडेंट के रूप में अणु की क्षमता को प्रदर्शित करते हैं। हालांकि, किसी भी उत्पाद प्रकार के लिए एफडीए अनुमोदन की आवश्यकता नहीं है, और कई अध्ययनों ने बकीबॉल में विषाक्तता के संकेत दिखाए हैं। (एक अध्ययन कम से कम चूहों के जीवन काल को बढ़ाने में स्वास्थ्य लाभ का समर्थन करता है आयनीकरण विकिरण के संपर्क में; दूसरा पाता है चूहों में कोई जीवन-विस्तार लाभ नहीं.)

माइकल क्रॉमी, कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले के एक भौतिक विज्ञानी, फुलरीन को मुख्य रूप से अन्य कार्बन क्रिस्टल के लिए एक निशान बनाने के लिए महत्वपूर्ण मानते हैं। "क्योंकि हमें बकीबॉल मिली," उन्होंने कहा, "जिससे नैनोट्यूब का निर्माण हुआ, और अंततः ग्राफीन का नेतृत्व किया।"

फुलरीन की तुलना में नैनोट्यूब को अधिक वैज्ञानिक और व्यावसायिक सफलता मिली है। आप उन्हें हार्डवेयर स्टोर पर ले जा सकते हैं, जहां वे "नैनो टेप" या "गेको टेप" में पाए जाते हैं जो चिपकने के लिए क्रिस्टल का उपयोग उसी तरह करते हैं जैसे छिपकली के पैर सूक्ष्म बालों का उपयोग करते हैं। नैनोट्यूब असाधारण रूप से मजबूत हैं, जिनमें स्टील से कहीं बेहतर प्रदर्शन करने की क्षमता है - सिवाय इसके कि कोई भी अल्ट्रा-मजबूत केबलिंग के लिए पर्याप्त लंबाई के नैनोट्यूब बनाने में कामयाब नहीं हुआ है। फिर भी, फैब्रिक, बोट हल्स, उच्च-प्रदर्शन कार निकायों और टेनिस रैकेट में मिश्रित होने पर नैनोट्यूब ताकत जोड़ते हैं। वे व्यापक रूप से जल निस्पंदन और कुछ बैटरियों के प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए भी उपयोग किए जाते हैं।

लेकिन जबकि उन अनुप्रयोगों में विभिन्न लंबाई और व्यास के नैनोट्यूब की भारी मात्रा शामिल होती है, सटीक नैनोसेंसर जैसे अधिक ग्राउंडब्रेकिंग अनुप्रयोगों के लिए नैनोट्यूब की आवश्यकता होगी जो एक दूसरे के समान हों। उदाहरण के लिए, अलग-अलग नैनोट्यूब से बने दो सेंसर एक ही उत्तेजना के लिए अलग-अलग प्रतिक्रिया देंगे। पूर्वानुमेय तरीकों से कार्य करने के लिए इलेक्ट्रॉनिक्स को समान घटकों की आवश्यकता होती है।

"हम वास्तव में नैनोट्यूब को अलग नहीं कर सकते," बोगोसियन ने कहा। "शायद वह व्यक्ति जो शुद्ध नैनोट्यूब को अलग करने का एक आसान तरीका खोजता है, उसे नोबेल पुरस्कार मिल सकता है," ठीक वैसे ही जैसे गीम और नोवोसेलोव ने ग्रेफीन की खोज के लिए नहीं, बल्कि इसे अलग करने के लिए भौतिकी पुरस्कार जीता था।

शोधकर्ता पसंद करते हैं युहुआंग वांग मैरीलैंड विश्वविद्यालय में एक तरीका विकसित कर रहे हैं लंबे नैनोट्यूब स्निप करें विशिष्ट लंबाई का उत्पादन करने के लिए - एक कठिन टॉप-डाउन तकनीक जो नैनोट्यूब के मिश्रण से शुरू होती है और उन्हें समान वर्गों के संग्रह में बदल देती है। अन्य शोधकर्ता नैनोट्यूब को नीचे से ऊपर, परमाणु द्वारा परमाणु बनाने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन यह दृष्टिकोण दोषपूर्ण और महंगा है।

क्रॉमी का मानना ​​है कि ग्रेफीन, अपनी एकसमान, सिंगल-लेयर शीट के साथ कार्बन नैनो सामग्री की वास्तविक क्षमता को पूरा करेगा। कार्बन-आधारित इलेक्ट्रॉनिक और चुंबकीय उपकरणों के लिए सबसे अच्छा मार्ग, उनके विचार में, ग्राफीन रिबन को उपयोगी आकृतियों में ट्रिम करना है - एक तकनीक जो वे कहते हैं कि प्रयोगशाला में पहले से ही जटिल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का नेतृत्व किया है।

Fullertubes के लिए बेबी स्टेप्स

तो क्या भूमिका, यदि कोई हो, फुलरट्यूब द्वारा भरी जा सकती है? क्योंकि क्रिस्टल एक समान होते हैं और या तो कंडक्टर या अर्धचालक हो सकते हैं, स्टीवेन्सन और डोर्न कल्पना करते हैं कि लघु इलेक्ट्रॉनिक्स बनाने के लिए उन्हें संभावित रूप से नैनो-आकार के लेगोस की तरह एक साथ जोड़ा जा सकता है।

अंदर के वातावरण का अध्ययन करने के लिए बोगोसियन नैनोट्यूब को कोशिकाओं में सम्मिलित करता है। वह नैनोट्यूब प्रतिदीप्ति पर निर्भर करती है: संरचनाएं प्रकाश के एक रंग को अवशोषित करती हैं और दूसरे का उत्सर्जन करती हैं, और प्रकाश परिवर्तन से सेलुलर स्थितियों के बारे में जानकारी का पता चलता है। लेकिन प्रतिदीप्ति नैनोट्यूब की संरचना पर निर्भर करती है, और उनके बीच के अंतर से संकेतों की व्याख्या करना कठिन हो जाता है। सबसे छोटी फुलरट्यूब फ्लोरोसिस नहीं करती हैं, लेकिन लंबी ट्यूब इसके संकेत दिखाती हैं। यदि और भी अधिक फुलरट्यूब अधिक मजबूती से प्रतिदीप्त होते हैं, तो वे उसकी तरह शोध करने के लिए वरदान साबित हो सकते हैं। "मुझे लगता है कि यह ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों के साथ बहुत मदद करेगा," उसने कहा।

2020 से, अकादमिक प्रकाशनों की एक खोज के अनुसार, लगभग 22,700 पत्रों में फुलरीन का उल्लेख किया गया है। नैनोट्यूब 93,000 में दिखाई देते हैं। ग्राफीन पर खोज करने पर 200,000 से अधिक उद्धरण मिलते हैं। फुलरट्यूब के लिए, इस लेखन के रूप में, प्रासंगिक प्रकाशनों की सर्वकालिक कुल संख्या 94 है।

अधिक शोधकर्ता समय के साथ फुलरट्यूब में छलांग लगा सकते हैं, बोगोसियन कहते हैं, अगर अध्ययन सटीक लंबाई के अतिरिक्त लाभ के साथ नैनोट्यूब के समान गुणों को प्रकट करते हैं। फिर भी, उसने कहा, "इसमें कुछ अनुकूलन की आवश्यकता होगी, क्योंकि लोग अपने पूरे जीवन नैनोट्यूब [और अन्य कार्बन रूपों] पर काम कर रहे हैं।"