Chiral Torsional Double Wells: Tunneling and Polarizability

अणुओं की सूक्ष्म दुनिया में, आकार ही नियति है। कुछ अणु काइरल (chiral) होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे एक-दूसरे के दर्पण प्रतिबिंब के रूप में दो रूपों में मौजूद होते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक बायां हाथ और एक दायां हाथ। ये दो संस्करण एक दूसरे पर अध्यारोपित (superimpose) नहीं किए जा सकते; वे विशिष्ट इकाइयाँ हैं। कई वर्षों से, वैज्ञानिक इस बात से मंत्रमुग्ध रहे हैं कि कैसे ये दर्पण-प्रतिबिंब रूप आपस में स्थान बदल सकते हैं। कुछ सरल अणुओं में, परमाणु एक कठोर संरचना में बंधे नहीं होते बल्कि घूम और मुड़ सकते हैं, जिससे अणु को अपने बाएं-हाथ वाले रूप से दाएं-हाथ वाले रूप में और फिर वापस जाने की अनुमति मिलती है। यह पलटना 'क्वांटम टनलिंग' नामक एक प्रक्रिया के माध्यम से होता है, जो एक ऐसी घटना है जहाँ एक कण उस बाधा के पार निकल जाता है जिसे वह स्पष्ट रूप से पार नहीं कर सकता, केवल इसलिए क्योंकि क्वांटरल मैकेनिक्स के नियम उसे दूसरी ओर मौजूद होने की अनुमति देते हैं। इस पलटने की गति यह निर्धारित करती है कि अणु अपने दर्पण प्रतिबिंब बनने से पहले कितने समय तक एक ही आकार में रहता है। इस गति को समझना रसायन विज्ञान से लेकर जीवन की उत्पत्ति के अध्ययन तक के क्षेत्रों के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह हमें बताता है कि ये आकार कितने स्थिर हैं और वे प्रकाश के साथ कैसे परस्पर क्रिया कर सकते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने तीन संबंधित अणुओं: हाइड्रोजन पेरोक्साइड, हाइड्रोजन डाइसल्फाइड और हाइड्रोजन डाइसेलेनाइड में इस पलटने की प्रक्रिया के बारे में एक विशिष्ट प्रश्न की जांच करने के लिए हाथ बढ़ाया। इन अणुओं की संरचना समान है, जिसमें दो हाइड्रोजन परमाणु अन्य दो परमाणुओं (ऑक्सीजन, सल्फर या सेलेनियम) की एक श्रृंखला से जुड़े होते हैं। शोधकर्ता यह जानना चाहते थे कि क्या टनलिंग प्रक्रिया को धीमा करने से—यानी पलटने के समय को बढ़ाने से—प्रकाश के साथ इस तरह की विशिष्ट अंतःक्रिया करने की अणु की क्षमता भी कमजोर हो जाएगी। भौतिकी में, इस अंतःक्रिया को अक्सर 'पोलराइजेबिलिटी' (polarizability) द्वारा मापा जाता है, जो यह वर्णन करता है कि एक विद्युत क्षेत्र द्वारा अणु के इलेक्ट्रॉन क्लाउड को कितनी आसानी से विकृत किया जा सकता है। प्रचलित अंतर्ज्ञान यह सुझाव दे सकता है कि यदि अणु सुस्त है और पलटने में लंबा समय लेता है, तो प्रकाश के प्रति उसकी आंतरिक प्रतिक्रिया भी कमजोर होनी चाहिए। हालांकि, शोधकर्ताओं ने पाया कि यह अंतर्ज्ञान गलत है। उन्होंने पाया कि भले ही टनलिंग की गति नाटकीय रूप से धीमी हो गई, अणु की प्रकाश के प्रति प्रतिक्रिया करने की क्षमता मजबूत बनी रही, और कुछ मामलों में, और भी मजबूत हो गई।

इस संबंध को उजागर करने के लिए, वैज्ञानिकों ने इन तीन अणुओं का एक विस्तृत कंप्यूटर मॉडल बनाया। उन्होंने इन अणुओं के माध्यम से यात्रा करने वाले सटीक ऊर्जा परिदृश्य (energy landscape) की गणना के साथ शुरुआत की। यह परिदृश्य दो गड्ढों वाली एक घाटी जैसा दिखता है, जो एक पहाड़ी द्वारा अलग किए गए हैं। एक गड्ढा बाएं-हाथ वाले आकार का प्रतिनिधित्व करता है, और दूसरा दाएं-हाथ वाले आकार का। अणु एक गड्ढे में स्थित होता है, लेकिन क्वांटम मैकेनिक्स की मदद से, वह पहाड़ी के पार टनलिंग करके दूसरे गड्ढे में जा सकता है। शोधकर्ताओं ने उच्च सटीकता के साथ इस भूभाग का मानचित्रण करने के लिए उन्नत कम्प्यूटेशनल विधियों का उपयोग किया, जिसमें परमाणुओं के द्रव्यमान और उन्हें थामे रखने वाले बलों का हिसाब रखा गया। इसके बाद उन्होंने इस घाटी के भीतर अणु द्वारा घेरे जा सकने वाले विशिष्ट क्वांटम अवस्थाओं की गणना की और यह निर्धारित किया कि अणु एक तरफ से दूसरी तरफ कितनी तेजी से टनल करेगा। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने अणु की पोलराइजेबिलिटी की भी गणना की, विशेष रूप से यह देखते हुए कि वह मुड़ते समय प्रकाश के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करता है, ताकि यह देखा जा सके कि क्या यह गुण टनलिंग की गति के साथ बदलता है।

परिणामों ने पलटने की गति और प्रकाश की अंतःक्रिया की शक्ति के बीच एक चौंका देने वाले अलगाव को प्रकट किया। जैसे-जैसे शोधकर्ता हाइड्रोजन पेरोक्साइड से हाइड्रोजन डाइसल्फाइड और फिर हाइड्रोजन डाइसेनाइड की ओर बढ़े, टनलिंग का समय छह मिलियन से अधिक के कारक से धीमा हो गया। अणु एक सेकंड के खरबवें हिस्से में पलटने से बदलकर कई माइक्रोसेकंड तक पहुँच गया, जो आणविक दुनिया में एक विशाल अंतर है। इस भारी मंदी के बावजूद, पोलराइजेबिलिटी अंतःक्रिया की शक्ति कम नहीं हुई। इसके बजाय, यह लगभग साठ प्रतिशत बढ़ गई। शोधकर्ताओं ने पाया कि पलटने की गति इस बात पर निर्भर करती है कि अणु दो आकारों के बीच की बाधा को कितनी आसानी से भेद सकता है, एक ऐसी प्रक्रिया जो परमाणुओं के भारी होने पर बहुत कठिन हो जाती है। इसके विपरीत, पोलराइजेबिलिटी इस बात से निर्धारित होती है कि घाटियों के भीतर गहराई में क्या होता है जहाँ अणु अपना अधिकांश समय बिताता है। चूंकि इन घाटियों का आकार और उनके भीतर इलेक्ट्रॉनों का व्यवहार अनुकूल बना रहा, इसलिए अणु ने प्रकाश के साथ अंतःक्रिया करने की अपनी मजबूत क्षमता बनाए रखी, चाहे वह कितनी भी धीरे क्यों न पलट रहा हो।

यह पुष्टि करने के लिए कि यह वास्तव में द्रव्यमान का मामला था न कि अणु की इलेक्ट्रॉनिक संरचना में बदलाव का, टीम ने हाइड्रोजन पेरोक्साइड का उपयोग करके एक नियंत्रित परीक्षण किया। उन्होंने हल्के हाइड्रोजन परमाणुओं को भारी ड्यूटेरियम परमाणुओं (हाइड्रोजन का एक भारी संस्करण) से बदल दिया, जबकि अणु के बाकी हिस्से को बिल्कुल वैसा ही रखा। इस बदलाव ने टनलिंग के समय को लगभग सात गुना धीमा कर दिया। फिर भी, पोलराइजेबिलिटी अंतःक्रिया में दो प्रतिशत से भी कम का परिवर्तन हुआ। इस प्रयोग ने सिद्ध कर दिया कि पलटने का धीमा होना और प्रकाश की प्रतिक्रिया की शक्ति, अणु के भौतिकी के अलग-अलग हिस्सों द्वारा नियंत्रित होते हैं। टनलिंग का समय बाधा को पार करने के प्रति संवेदनशील है, जबकि पोलराइजेबिलिटी स्थिर आकारों की एक विशेषता है। अध्ययन में उच्च ऊर्जा अवस्थाओं का भी अवलोकन किया गया जहाँ अणु अधिक उत्तेजित थे, यह पाते हुए कि भले ही टनलिंग का समय कई गुना बदल गया हो, पोलराइजेबिलिटी उल्लेखनीय रूप से स्थिर रही।

ये निष्कर्ष बताते हैं कि काइरल अणुओं की प्रकाश के साथ अंतःक्रिया करने की क्षमता उनके आकार बदलने की गति से जुड़ी नहीं है। यह एक महत्वपूर्ण अंतर्दृष्टि है उन वैज्ञानिकों के लिए जो प्रकाश का उपयोग करके इन दर्पण-प्रतिबिंब रूपों को नियंत्रित या अलग करने की आशा रखते हैं। यदि पलटने के साथ अंतःक्रिया की शक्ति कम हो जाती, तो लेजर या अन्य ऑप्टिकल उपकरणों के साथ उन्हें नियंत्रित करना बहुत कठिन होता। यह तथ्य कि अंतःक्रिया की शक्ति धीमी गति से पलटने वाले अणुओं के लिए भी मजबूत बनी रहती है, शोधकर्ताओं के पास काम करने के लिए एक मजबूत भौतिक तंत्र का अर्थ है। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि जबकि परमाणुओं को बदलकर अणु के पलटने की घड़ी को धीमा किया जा सकता है, अणु की प्रकाश के प्रति स्वाभाविक प्रतिक्रिया एक निरंतर, शक्तिशाली विशेषता बनी रहती है। समय और शक्ति का यह अलगाव काइरल अणुओं के व्यवहार की एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है, जो प्रकाश के माध्यम से आणविक 'हैंडेडनेस' (handedness) को नियंत्रित करने के भविष्य के प्रयोगों के लिए एक ठोस आधार प्रदान करता है।