'Fullertubes' کاربن کرسٹل کے خاندان میں شامل ہوں۔

کاربن اپنے آپ کو فطرت کے سخت ترین مواد میں سے ایک میں ترتیب دے سکتا ہے، یا اس قدر نرم کہ بچے کاغذ پر اس کی پگڈنڈیاں لکھتے ہیں۔ کئی دہائیاں پہلے، سائنس دانوں نے سوچنا شروع کر دیا: ہیرے اور گریفائٹ کے علاوہ، کاربن کی اور کون سی کرسٹل لائن شکل اختیار کر سکتی ہے؟

1985 میں ان کا پہلا جواب تھا۔ کیمیا دانوں کے ایک گروپ نے 60 کاربن ایٹموں سے بنے ہوئے چھوٹے کھوکھلے دائرے دریافت کیے جنہیں انہوں نے بکمنسٹرفولیرینز، یا بکی بالز یا مختصر کے لیے فلرینز کا نام دیا۔ (کرسٹل جیوڈیسک گنبدوں سے مشابہت رکھتے تھے، جسے آرکیٹیکٹ آر بک منسٹر فلر نے مقبول کیا تھا۔) کیمسٹری کا ایک نیا شعبہ نینو میٹر چوڑے کرہوں کے گرد ابھرا، جب محققین نے سب سے خوبصورت مالیکیول کہلانے والی خصوصیات اور ایپلی کیشنز کو دریافت کرنے کی دوڑ لگائی۔

بڑے فلرینز پائے گئے۔ پھر، چند سال بعد، جاپانی ماہر طبیعیات سومیو آئیجیما کے ایک مقالے نے کاربن کی متعلقہ شکل میں دلچسپی پیدا کی، جس کو ابتدا میں بکی ٹیوبز کا نام دیا گیا تھا لیکن اب کاربن نانوٹوبس کے نام سے جانا جاتا ہے: کاربن ایٹموں کے شہد کے چھتے کی جالی سے بنے کھوکھلے سلنڈر جو ٹوائلٹ پیپر کی طرح لپٹے ہوئے ہیں۔ نالی.

کاربن کرسٹل میں برقی، کیمیائی اور جسمانی خصوصیات کا ایک طیف تھا جس سے کوئی دوسرا عنصر مماثل نظر نہیں آتا تھا۔ کاربن نینو سائنس کے بارے میں جوش و خروش اس وقت مزید بڑھ گیا جب بکی بالز کی دریافت کرنے والوں میں سے تین، رابرٹ کرل، ہیرالڈ کروٹو اور رچرڈ سملی نے 1996 کا کیمسٹری کا نوبل انعام حاصل کیا۔ پھر 2004 میں، طبیعیات دانوں آندرے گیم اور کونسٹنٹن نوووسیلوف نے کاربن ایٹموں کی فلیٹ شیٹس کو الگ کرنے کا ایک طریقہ تلاش کیا - ایک کرسٹل جسے گرافین کہا جاتا ہے - تحقیق کے ایک اور دھماکے کو بھڑکاتا ہے جس نے تب سے خود کو برقرار رکھا ہے، اور خود کو 2010 کا فزکس نوبل حاصل کر لیا ہے۔

حال ہی میں، کیمیا دانوں نے کاربن کرسٹل کی ایک اور قسم دریافت کی ہے - اس بار، بہت کم دھوم دھام سے۔ اس کہانی کے لیے جن کاربن ماہرین نے رابطہ کیا ان میں سے اکثر نے ابھی تک اس کے بارے میں نہیں سنا تھا۔ اور اب تک، پوری عالمی سپلائی شاید ملیگرام کے برابر ہے، مٹھی بھر گھریلو مکھیوں کے بڑے پیمانے پر۔

یہ جدید ترین کاربن ڈھانچے کروی فلرینز اور بیلناکار نانوٹوبس کے درمیان کہیں گرتے ہیں۔ یہ دونوں کی "نانو اسکیل شادی" ہے جس کی شکل دوائی کے کیپسول کی طرح ہے۔ ہیری ڈورن، ورجینیا پولی ٹیکنک انسٹی ٹیوٹ اور اسٹیٹ یونیورسٹی میں ایک کیمسٹ جو تعاون کرتا ہے۔ سٹیون سٹیونسن پرڈیو یونیورسٹی کے، مالیکیولز کی ابتدائی دریافت۔ سٹیونسن اور ڈورن نے کرسٹل کو فلر ٹیوب کا نام دیا ہے۔

فلر ٹیوبز فلرینز اور نانوٹوبس کی بہترین خصوصیات کو یکجا کرتی ہیں۔ یا دونوں میں سے بدترین۔ یا ہوسکتا ہے کہ ہر ایک سے تھوڑا سا اچھا اور برا - یہ اس پر منحصر ہے کہ آپ کس سے پوچھتے ہیں۔ یہ دیکھنا باقی ہے کہ ان کی خصوصیات کیسے کارآمد ہوں گی۔ یہ وہ جگہ ہے جہاں ہم پہلے بھی جا چکے ہیں، اور قابل اعتراض طور پر اب بھی ہیں، فلر ٹیوب کے مشہور کاربن رشتہ داروں کے ساتھ۔

Fullertubes کے لئے کان کنی

فلر ٹیوب کی دنیا کا مرکز ایک کیم لیب ہے جس کا سائز پرڈیو کے فورٹ وین، انڈیانا، کیمپس میں رہنے والے کمرے کے برابر ہے۔ وہاں، اسٹیونسن اور ان کے انڈرگریجویٹس کے چھوٹے کیڈر نے نئے پائے جانے والے مالیکیولز کو اکٹھا کیا اور ان کی درجہ بندی کی، جو مختلف چوڑائیوں اور لمبائیوں کے سلنڈروں کے سروں پر ہیمسفریکل کیپس پر مشتمل ہوتے ہیں۔

2020 میں، سٹیونسن اور ساتھیوں نے اعلان کیا۔ پہلا رکن فلر ٹیوب فیملی کا، ایک 90 ایٹم مالیکیول جو بنیادی طور پر بکی بال کے دو حصے ہیں جو 30 ایٹم نینو ٹیوب مڈ سیکشن کے ذریعے جڑے ہوئے ہیں۔ انہیں دو بڑے بہن بھائیوں کے ساتھ مالیکیول ملا جو بالترتیب 96 اور 100 کاربن ایٹموں سے بنے تھے۔

اس سال، سٹیونسن اور ڈورن دو مزید fullertubes بیان کیادونوں 120 کاربن ایٹموں پر مشتمل ہیں۔ ان کے مطالعے سے پتہ چلتا ہے کہ گولی کے سائز کے ان مالیکیولوں کا تنگ حصہ برقی طور پر کنڈکٹیو ہوتا ہے، جبکہ چوڑا، چھوٹا ہوتا ہے - دلچسپ طور پر - ایک سیمی کنڈکٹر، یعنی یہ ممکنہ طور پر ٹرانزسٹرز اور دیگر الیکٹرانک آلات کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ فلر ٹیوبز میں نظری اور ٹینسائل خصوصیات کی ایک رینج بھی ہے جسے محققین ابھی تک تلاش کر رہے ہیں۔

سیئٹل میں انسٹی ٹیوٹ فار سسٹمز بائیولوجی کے جیمز ہیتھ، جنہوں نے 1985 میں کرل اور سملی کے ساتھ کام کرنے والے گریجویٹ طالب علم کے طور پر پہلی فلرینز کو الگ تھلگ کرنے میں مدد کی، نئے فلر ٹیوبز کو "خوبصورت ڈھانچہ" کہا جو اسی ہندسی اصول کی پیروی کرتے ہیں جس کی وجہ سے وہ اور ان کے ساتھی پہلے جگہ پر فلرینز کی تلاش کریں: یہ اصول کہ 12 پینٹاگون اور مسدس کی ایک یکساں تعداد ایک بند خول بنا سکتی ہے۔ (مثال کے طور پر، بکی بالز میں مسدس اور پینٹاگون کا ایک ساکر گیند جیسا ہی نمونہ ہوتا ہے۔ فلر ٹیوب ہیکساگون کے اضافی بیلٹ جوڑتے ہوئے اصول کو برقرار رکھتے ہیں۔)

مالیکیول برسوں سے کیمسٹوں کی ناک کے نیچے ہیں، اسی خاص کاربن سوٹ میں چھپے ہوئے ہیں جو طویل عرصے سے فلرینز کا بنیادی ذریعہ رہا ہے۔ لیکن 2020 میں، اسٹیونسن نے آخر کار یہ سوچا کہ کس طرح بہت زیادہ پرچر فلرینز میں سے ٹیوبلر کیپسول کو چننا ہے۔ "جادوئی" عمل، جیسا کہ وہ اسے کہتے ہیں، "کسی بھی کروی کو دور کرنا ہے۔ لہذا ہم گیندوں کو ٹیوبوں سے الگ کرتے ہیں۔

خاص کاجل عام طور پر ایک چیمبر کے اندر کاربن آف گریفائٹ سلاخوں کو بخارات بنا کر بنایا جاتا ہے۔ جیسے جیسے کاربن بخارات چیمبر کی دیواروں پر ٹھنڈا ہوتا ہے، اس کا زیادہ تر حصہ فلرینز میں گاڑھا ہوتا ہے، لیکن نایاب فلر ٹیوبز بھی بنتی ہیں، جو سلیگ کے پہاڑ میں جواہرات کی طرح چھڑکتی ہیں۔ سٹیونسن کی جادوئی چال پانی میں گھلنشیل مالیکیولز پر انحصار کرتی ہے جنہیں امائنز کہا جاتا ہے۔ یہ ان جگہوں کی طرف متوجہ ہوتے ہیں جہاں کاربن ایٹموں کے ہیکساگونل انتظامات پینٹاگونل انتظامات سے منسلک ہوتے ہیں - چوراہوں جو پورے فلرینز پر ظاہر ہوتے ہیں۔ دوسری طرف، نینو ٹیوبز امائنز کے لیے ناخوشگوار ہیں کیونکہ ان میں صرف ہیکساگون ہوتے ہیں، اور فلر ٹیوبز جزوی طور پر ان کے نینو ٹیوب کے درمیانی حصے کے ذریعے امائنز سے محفوظ رہتے ہیں۔ لہٰذا جب امائنز فلرینز کے ساتھ جوڑتی ہیں، انہیں پانی میں گھلنشیل بناتی ہیں، غیر رد عمل والی فلر ٹیوبیں ناقابل حل رہتی ہیں۔ سٹیونسن فلر ٹیوبز کو پیچھے چھوڑ کر، فلرینز کو آسانی سے دھو سکتا ہے۔

اس کے بعد وہ اپنے فلر ٹیوب سے افزودہ نمونوں کو مشینوں کے ذریعے چلاتا ہے جو مالیکیولز کو ان کے بڑے اور لطیف کیمیائی فرق کی بنیاد پر الگ کرتے ہیں، جس سے فلر ٹیوب کے خالص مجموعے یکساں ماس، شکلوں اور خصوصیات کے ساتھ حاصل ہوتے ہیں۔

"سٹیو کا نقطہ نظر یقینی طور پر کچھ ایسا ہے جو کافی دلچسپ ہے،" کیمسٹ نے کہا ارڈیمس بوگھوسیان سوئٹزرلینڈ میں École Polytechnique Fédérale de Lousanne کے، جو نانوٹوبس کے ساتھ کام کرتے ہیں۔ "یہ ایک ایسا طریقہ ہے جو ہمارے میدان میں روایتی طور پر استعمال نہیں ہوتا ہے۔ … اس کی بات کچھ زیادہ ہی درست ہے۔

ماہرین کا کہنا ہے کہ فلر ٹیوب کے خالص، یکساں نمونوں کو الگ تھلگ کرنے کی صلاحیت مالیکیولز کو اس سے کہیں زیادہ رغبت دیتی ہے جتنا کہ ان کے پاس ہوتا۔ Fullerenes کو الگ تھلگ بھی کیا جا سکتا ہے، لیکن ان میں برقی اور نظری خصوصیات کی کمی ہے جو فلر ٹیوبز اور نانوٹوبس کو برقی سرکٹری یا روشنی پر مبنی سینسر کے اجزاء کے طور پر امید افزا بناتے ہیں۔ دریں اثنا، نینو ٹیوب کے محققین کے لیے پاکیزگی صرف ایک خواب بنی ہوئی ہے، جو اکثر بے ترتیب لمبائیوں اور قطروں کی ٹیوبوں کی گڑبڑ کے ساتھ کام کرتے ہیں، اور یہاں تک کہ ٹیوبوں کے اندر نیسٹڈ ٹیوب بھی۔ تو کیا فلر ٹیوب ان رکاوٹوں پر قابو پا سکتا ہے جنہوں نے اس کے کزنز کو راہ راست پر لایا ہے؟

بکی بالز کے ساتھ جو کچھ بھی ہوا؟

ایک 1991 میں میں مضمون سائنسی امریکی، Curl اور Smalley نے buckminsterfullerenes کے انقلابی ایپلی کیشنز کا تصور کیا، بشمول نئے، کاربن پر مبنی سپر کنڈکٹرز، الیکٹرانکس اور چکنا کرنے والے مادے۔ "بلک سی کی استعداد₆₀ ایسا لگتا ہے کہ ہفتے میں ہفتہ بڑھتا ہے، "انہوں نے لکھا۔

پانچ سال گزر گئے۔ "ابھی تک کوئی عملی طور پر مفید ایپلی کیشنز تیار نہیں کی گئی ہیں،" نوبل پرائز کمیٹی نے لکھا 1996 کی پریس ریلیز یہ اعلان کرتے ہوئے کہ Curl، Kroto اور Smalley نے buckminsterfullerenes کی دریافت کے لیے کیمسٹری کا انعام جیتا تھا، "لیکن فلرینز کی میکروسکوپک مقدار دستیاب ہونے کے چھ سال بعد اس کی توقع نہیں کی جا سکتی۔"

ایک چوتھائی صدی بعد، ابتدائی طور پر امید کی جانے والی کسی بھی مصنوعات نے اسے مارکیٹ میں نہیں بنایا۔ وہ چند جگہیں جہاں آپ تجارتی طور پر بکی بالز کو دوڑ سکتے ہیں وہ کاسمیٹکس اور غذائی سپلیمنٹس ہیں جو انو کی صلاحیت کو اینٹی آکسیڈنٹ کے طور پر ظاہر کرتے ہیں۔ تاہم، کسی بھی پروڈکٹ کی قسم کو ایف ڈی اے کی منظوری کی ضرورت نہیں ہے، اور کئی مطالعات نے بکی بالز میں زہریلے پن کی علامات ظاہر کی ہیں۔ (ایسا لگتا ہے کہ ایک مطالعہ صحت کے فوائد کی حمایت کرتا ہے، کم از کم چوہوں کی عمر کو بڑھانے میں آئنائزنگ تابکاری کے سامنے; ایک اور تلاش کرتا ہے چوہوں میں زندگی بڑھانے والے فوائد نہیں ہیں۔.)

مائیکل کرومی، یونیورسٹی آف کیلیفورنیا، برکلے کے ماہر طبیعیات، فلرینز کو بنیادی طور پر دوسرے کاربن کرسٹل کے لیے پگڈنڈی بنانے کے لیے اہم سمجھتے ہیں۔ "کیونکہ ہمارے پاس بکی بالز ہیں،" انہوں نے کہا، "جس کی وجہ سے نانوٹوبس نکلے، اور یہ بالآخر گرافین کی طرف لے گئے۔"

نانوٹوبس نے فلرینز سے زیادہ سائنسی اور تجارتی کامیابی حاصل کی ہے۔ آپ انہیں ہارڈویئر اسٹور سے اٹھا سکتے ہیں، جہاں وہ "نینو ٹیپ" یا "گیکو ٹیپ" میں پائے جاتے ہیں جو چپکنے کے لیے کرسٹل کا استعمال بالکل اسی طرح کرتے ہیں جس طرح چھپکلی کے پاؤں خوردبینی بالوں کا استعمال کرتے ہیں۔ نانوٹوبس غیرمعمولی طور پر مضبوط ہیں، جس میں اسٹیل سے کہیں زیادہ کارکردگی کا مظاہرہ کرنے کی صلاحیت ہے - سوائے اس کے کہ کوئی بھی انتہائی مضبوط کیبلنگ کے لیے کافی لمبائی کے نانوٹوبس بنانے میں کامیاب نہیں ہوا۔ پھر بھی، نانوٹوبس جب تانے بانے، بوٹ ہولز، ہائی پرفارمنس کار باڈیز اور ٹینس ریکیٹ میں گھل مل جاتے ہیں تو طاقت میں اضافہ کرتے ہیں۔ وہ پانی کی فلٹریشن اور کچھ بیٹریوں کی کارکردگی کو بڑھانے کے لیے بھی بڑے پیمانے پر استعمال ہوتے ہیں۔

لیکن جب کہ ان ایپلی کیشنز میں مختلف لمبائیوں اور قطروں کے نانوٹوبس کی بڑی مقدار شامل ہوتی ہے، زیادہ اہم ایپلی کیشنز جیسے کہ صحت سے متعلق نانوسینسرز کے لیے نانوٹوبس کی ضرورت ہوگی جو ایک دوسرے سے مماثل ہوں۔ مختلف نانوٹوبس سے بنائے گئے دو سینسر، مثال کے طور پر، ایک ہی محرک کا مختلف جواب دیں گے۔ الیکٹرانکس کو پیش قیاسی طریقوں سے کام کرنے کے لیے یکساں اجزاء کی ضرورت ہوتی ہے۔

"ہم واقعی نانوٹوبس کو الگ نہیں کر سکتے،" بوگھوسین نے کہا۔ "شاید وہ شخص جو خالص نانوٹوبس کو الگ تھلگ کرنے کا آسان طریقہ ڈھونڈتا ہے اسے نوبل انعام مل سکتا ہے،" جیسا کہ Geim اور Novoselov نے فزکس کا انعام گرافین کی دریافت پر نہیں بلکہ اسے الگ تھلگ کرنے پر جیتا تھا۔

محققین پسند کرتے ہیں۔ یوہوانگ وانگ یونیورسٹی آف میری لینڈ میں ایک طریقہ تیار کر رہے ہیں۔ لمبے نانوٹوبس کو کاٹیں۔ مخصوص لمبائی پیدا کرنے کے لیے - ایک مشکل ٹاپ ڈاون تکنیک جو نانوٹوبس کے مرکب سے شروع ہوتی ہے اور انہیں ایک جیسے حصوں کے مجموعہ میں تبدیل کرتی ہے۔ دوسرے محققین ایٹم کے ذریعے ایٹم کے نیچے سے نینوٹوبس بنانے کی کوشش کر رہے ہیں، لیکن یہ طریقہ ناقص اور مہنگا ہے۔

گرافین، اپنی یکساں، واحد پرت کی چادروں کے ساتھ، وہ جگہ ہے جہاں کرومی کا خیال ہے کہ کاربن نینو میٹریلز کی حقیقی صلاحیت پوری ہو جائے گی۔ کاربن پر مبنی الیکٹرانک اور مقناطیسی آلات کا بہترین راستہ، ان کے خیال میں، گرافین ربن کو کارآمد شکلوں میں تراشنا ہے - ایک ایسی تکنیک جو ان کے بقول پہلے ہی لیب میں پیچیدہ الیکٹرانک آلات کا باعث بن چکی ہے۔

Fullertubes کے لیے بچے کے اقدامات

تو کون سا کردار، اگر کوئی ہے، فلر ٹیوبز کے ذریعے پُر کیا جا سکتا ہے؟ چونکہ کرسٹل یکساں ہوتے ہیں اور یا تو کنڈکٹر یا سیمی کنڈکٹر ہو سکتے ہیں، اس لیے سٹیونسن اور ڈورن تصور کرتے ہیں کہ وہ ممکنہ طور پر چھوٹے الیکٹرانکس بنانے کے لیے نینو سائز لیگوس کی طرح ایک دوسرے سے منسلک ہو سکتے ہیں۔

بوگھوسیان اندر کے ماحول کا مطالعہ کرنے کے لیے خلیوں میں نانوٹوبس داخل کرتا ہے۔ وہ نانوٹوب فلوروسینس پر انحصار کرتی ہے: ڈھانچے روشنی کے ایک رنگ کو جذب کرتے ہیں اور دوسرے کو خارج کرتے ہیں، اور روشنی کی تبدیلی سیلولر حالات کے بارے میں معلومات کو ظاہر کرتی ہے۔ لیکن فلوروسینس کا انحصار نانوٹوبس کی ساخت پر ہے، اور ان کے درمیان فرق سگنلز کی تشریح کرنا مشکل بنا دیتا ہے۔ سب سے چھوٹی فلر ٹیوبیں فلوریس نہیں ہوتی ہیں، لیکن لمبی ٹیوبیں اس کی علامات ظاہر کرتی ہیں۔ اگر اس سے بھی زیادہ لمبی فلر ٹیوبز زیادہ مضبوطی سے پھیلتی ہیں، تو وہ اس کی طرح تحقیق کے لیے ایک اعزاز ثابت ہو سکتی ہیں۔ "مجھے لگتا ہے کہ یہ آپٹو الیکٹرانک ایپلی کیشنز کے ساتھ بہت مدد کرے گا،" انہوں نے کہا۔

2020 سے، تعلیمی اشاعتوں کی تلاش کے مطابق، تقریباً 22,700 مقالوں میں فلرینز کا ذکر کیا گیا ہے۔ نینو ٹیوب 93,000 میں ظاہر ہوتے ہیں۔ گرافین کی تلاش سے 200,000 سے زیادہ حوالہ جات ملتے ہیں۔ فلر ٹیوبز کے لیے، اس تحریر تک، متعلقہ اشاعتوں کی ہمہ وقتی کل تعداد 94 ہے۔

بوگھوسین کا کہنا ہے کہ مزید محققین وقت کے ساتھ ساتھ فلر ٹیوبز تک چھلانگ لگا سکتے ہیں، اگر مطالعے سے نانوٹوبس سے مشابہت رکھنے والی خصوصیات کا پتہ چلتا ہے تو عین لمبائی کے اضافی فائدے کے ساتھ۔ پھر بھی، اس نے کہا، "اس میں کچھ موافقت درکار ہوگی، کیونکہ لوگ پوری زندگی نانوٹوبس [اور دیگر کاربن کی شکلوں] پر کام کرتے رہے ہیں۔"