Synthesis and Crystal Structure of novel Mixed Ni2+8-x /Co2+x and Co2+4 Cubanes

रसायन विज्ञान के नन्हे लेगो (LEGO) किले

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ परमाणु परम निर्माण खंड (building blocks) हों, जो किसी भी खिलौने के सेट से कहीं अधिक जटिल संरचनाएं बनाने के लिए एक साथ जुड़ने में सक्षम हों। यह समन्वय रसायन विज्ञान (coordination chemistry) का क्षेत्र है, जहाँ वैज्ञानिक मास्टर आर्किटेक्ट की तरह काम करते हैं, जो धातु आयनों को कार्बनिक "गोंद" जिसे लिगैंड (ligand) कहा जाता है, के साथ मिलाकर अणुओं को डिजाइन करते हैं। लिगैंड्स को लचीली भुजाओं के रूप में सोचें जो धातु केंद्रों को पकड़ने के लिए हाथ बढ़ाती हैं और उन्हें विशिष्ट आकृतियों में थामे रखती हैं। जब ये धातुएँ संक्रमण धातुएँ (transition metals) होती हैं—जैसे निकल या कोबाल्ट, जो बैटरी से लेकर चुंबक तक हर चीज़ में पाए जाने वाले रंगीन तत्व हैं—तो वे कुछ जादुई कर सकती हैं: वे एक-दूसरे से बात कर सकती हैं। यह बातचीत उनके द्वारा साझा किए गए इलेक्ट्रॉनों के माध्यम से होती है, और इस आधार पर कि वे खुद को कैसे व्यवस्थित करते हैं, वे ऐसी सामग्रियां बना सकते हैं जो सूक्ष्म चुंबकों की तरह कार्य करती हैं या सूचना भी संग्रहीत कर सकती हैं।

वैज्ञानिक विशेष रूप से "क्लस्टर्स" (clusters) से मंत्रमुग्ध हैं, जो केवल धातु परमाणुओं के समूह हैं जो एक तंग घेरे में एक साथ गुच्छेदार होते हैं। इन क्लस्टर्स के लिए सबसे लोकप्रिय आकृतियों में से एक "क्यूबेन" (cubane) है। नाम के बावजूद, यह पनीर के ब्लॉक जैसा नहीं दिखता है; इसके बजाय, यह चार धातु परमाणुओं और चार ऑक्सीजन परमाणुओं से बने एक घन (cube) जैसा दिखता है, जो शतरंज की बिसात की तरह बारी-बारी से व्यवस्थित होते हैं। ये नन्हे घन विज्ञान के हॉट टॉपिक्स हैं क्योंकि वे हमें "सिंगल-मॉलिक्यूल मैग्नेट" (SMMs) बनाने में मदद कर सकते हैं। एक ऐसे चुंबक की कल्पना करें जो इतना छोटा हो कि वह केवल एक अणु हो; यदि हम इन अणुओं के व्यवहार को नियंत्रित कर सकें, तो हम डेटा स्टोर करने के तरीके या नए चिकित्सा उपकरण बनाने के क्षेत्र में क्रांति ला सकते हैं। बड़ा सवाल यह है: क्या हम इन क्यूब्स में अलग-अलग धातुओं को मिलाकर उनके चुंबकीय स्वर (magnetic voices) को ट्यून कर सकते हैं, जिससे वे ठीक उसी सुर में गा सकें जिसकी हमें आवश्यकता है?

शोध पत्र की कहानी: एक आणविक घन में धातुओं का मिश्रण

यह शोध पत्र उस सवाल का जवाब देने के लिए एक चंचल दृष्टिकोण अपनाता है और दो नए प्रकार के आणविक घन बनाता है। वैज्ञानिकों ने, जो त्रिपोली विश्वविद्यालय और न्यूकैसल विश्वविद्यालय में कार्यरत हैं, निकल और कोबाल्ट के साथ "मिक्स-एंड-मैच" का खेल खेलने का निर्णय लिया।

सबसे पहले, उन्होंने एक बिल्कुल नया मिश्रित-धातु क्लस्टर बनाया, जिसे वे कॉम्प्लेक्स 1 (Complex 1) कहते हैं। इसे बनाने के लिए, उन्होंने निकल एसीटेट, कोबाल्ट एसीटेट और एक विशेष कार्बनिक अणु जिसे शिफ बेस (विशेष रूप से, 4-(सैलिसिलैल्डिमीन) एंटीपायरीन) कहा जाता है, की एक रेसिपी ली। जब उन्होंने इन सामग्रियों को इथेनॉल में मिलाया और गर्म किया, तो समाधान से एक पीला ठोस पदार्थ अवक्षेपित (precipitate) होकर निकला। यह केवल एक यादृच्छिक ढेर नहीं था; यह एक अत्यधिक संगठित संरचना थी।

जब उन्होंने एक शक्तिशाली एक्स-रे सूक्ष्मदर्शी के नीचे इस पीले ठोस को देखा, तो उन्होंने एक दिलचस्प खोज की। क्रिस्टल में प्रत्येक दोहराव वाली इकाई में दो अलग-अलग "केशन" (धनावेशित क्लस्टर) थे। प्रत्येक कैशन चार धातु परमाणुओं से बना एक क्यूबेन जैसा कोर था। लेकिन यहाँ एक मोड़ है: धातुएँ सभी एक समान नहीं थीं। संरचना में विशिष्ट स्थान हैं जहाँ निकल और कोबाल्ट एक ही स्थान साझा करते हैं। इनमें से एक मिश्रित साइट में, निकल और कोबाल्ट का अनुपात लगभग 59:41 है, जबकि उसी संरचना के अन्य विशिष्ट स्थानों में अनुपात लगभग 90:10 और 58:42 है। जब आप पूरी संरचना में सभी धातु परमाणुओं को जोड़ते हैं, तो निकल और कोबाल्ट का समग्र अनुपात लगभग 7:1 होता है। यह दो लेगो किलों को बनाने जैसा है जहाँ विशिष्ट ईंटें लाल और नीले रंगों के बीच अलग-अलग अनुपातों में साझा की जाती हैं, जिसके परिणामस्वरूप कुछ लाल ईंटों के मिश्रण के साथ नीले रंग का समुद्र बनता है। शोध पत्र सुझाव देता है कि यह विशिष्ट व्यवस्था, जहाँ धातुएँ एक-दूसरे के बहुत करीब (लगभग 3 एंगस्ट्रॉम की दूरी पर, जो अविश्वसनीय रूप से सूक्ष्म है) स्थित हैं, उन्हें फेरोमैग्नेटिक गुणों के रूप में परस्पर क्रिया करने की अनुमति दे सकती है, जो एक फ्रिज मैग्नेट की तरह काम करता है लेकिन आणविक स्तर पर।

टीम ने एक नियंत्रण (control) के रूप में दूसरा ढांचा भी बनाया, कॉम्प्लेक्स 2 (Complex 2)। यह केवल कोबाल्ट और एक थोड़े अलग संस्करण के कार्बनिक लिगैंड से बनाया गया था। जैसा कि अपेक्षित था, इसने एक शुद्ध कोबाल्ट क्यूब बनाया, जो लाल-नारंगी रंग का निकला।

उन्होंने क्या पाया और इसका क्या अर्थ है

शोधकर्ताओं ने यह पता लगाने के लिए कि उन्होंने क्या बनाया है, कई उपकरणों का उपयोग किया। उन्होंने इन्फ्रारेड (IR) स्पेक्ट्रा देखा, जो अणु के "गीत" को सुनने जैसा है ताकि यह देखा जा सके कि परमाणु कैसे कंपन कर रहे हैं। गीतों ने पुष्टि की कि कार्बनिक लिगैंड अपने ऑक्सीजन और नाइट्रोजन "हाथों" का उपयोग करके धातुओं को ठीक वैसे ही पकड़े हुए हैं जैसा योजना बनाई गई थी। उन्होंने UV-Vis स्पेक्ट्रोस्कोपी का भी उपयोग किया, जो यह मापता है कि अणु प्रकाश को कैसे अवशोषित करते हैं। इसने समझाया कि मिश्रित-धातु घन (कॉम्प्लेक्स 1) कोबाल्ट के शुद्ध घन (कॉम्प्लेक्स 2) के लाल होने के बजाय पीला क्यों है; अलग-अलग धातुओं के मिश्रण ने ऊर्जा स्तरों के बीच इलेक्ट्रॉनों के कूदने के तरीके को बदल दिया, जिससे रंग बदल गया।

सबसे रोमांचक हिस्सा क्रिस्टल संरचना विश्लेषण था। वैज्ञानिकों ने पाया कि दोनों कॉम्प्लेक्स के "क्यूबेन" कोर उल्लेखनीय रूप से समान थे, लगभग जुड़वाओं की तरह। भले ही एक निकल और कोबाल्ट का मिश्रण था और दूसरा शुद्ध कोबाल्ट था, क्यूब का आकार लगभग समान था। धातु परमाणु एक विकृत घन में व्यवस्थित थे, जिसे लेखक "स्टेलेटेड ऑक्टाहेड्रॉन" (stellated octahedron) कहते हैं—यह कहने का एक फैंसी तरीका है कि घन थोड़ा दबा हुआ और खींचा हुआ है, पूरी तरह से सममित नहीं है।

पत्र सुझाव देता है कि यह विरूपण (distortion), जहाँ धातु परमाणुओं के बीच के कोण कुछ चेहरों पर 90 डिग्री से थोड़े कम हैं, मुख्य कुंजी है। ये न्यून कोण (acute angles) शायद वह "सीक्रेट सॉस" हैं जो धातुओं के बीच चुंबकीय संकेतों को कुशलतापूर्वक यात्रा करने की अनुमति देते हैं। लेखक प्रस्ताव करते हैं कि यदि हम इन क्यूब्स में निकल और कोबाल्ट के अनुपात को नियंत्रित कर सकें, तो हम उनके चुंबकीय द्विध्रुव (magnetic dipole) को "फाइन-ट्यून" कर सकते हैं। इससे विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए कस्टम गुणों वाले सिंगल-मॉलिक्यूल मैग्नेट का तर्कसंगत डिजाइन संभव हो सकता है।

हालाँकि, शोध पत्र सावधानी बरतने में भी सतर्क है। यह दावा नहीं करता कि उसने अभी तक एक वर्किंग क्वांटम कंप्यूटर या एक नया सुपर-मैग्नेट बना लिया है। इसके बजाय, यह एक सफल संश्लेषण और इसकी संरचना का विस्तृत मानचित्र प्रस्तुत करता है। यह सुझाव देता है कि चुंबकीय गुण संभावित और अन्य ज्ञात परिसरों के तुलनीय हैं, लेकिन भविष्य के लिए वास्तविक लक्ष्य हर बार निकल-टू-कोबाल्ट अनुपात को सटीक रूप से दोहराने का तरीका खोजना है। तब तक, ये पीले और नारंगी क्रिस्टल इस बात के सुंदर, प्रूफ-ऑफ-कांसेप्ट मॉडल के रूप में खड़े हैं कि जब आप धातुओं को एक आणविक लेगो सेट में मिलाते हैं तो क्या होता है।