in ,

ট্রাইএঙ্গুলিনঃ পদার্থবিজ্ঞান যেখানে রসায়নকে হারিয়ে দিল

প্রাকৃতিক বিজ্ঞানের প্রধান দুটি শাখা রসায়ন আর পদার্থবিজ্ঞানের মধ্যে কোনটি বেশি গুরুত্বপূর্ণ– বিজ্ঞানীদের মধ্যেকার এই দ্বৈরথটি বেশ পুরনো। এই খবরটি পড়ার পর তাই পদার্থবিজ্ঞানের কোনো ছাত্রের একটু আনন্দ লাগতেই পারে যে- একদল পদার্থবিজ্ঞানী পুরো রসায়নবিজ্ঞানকেই বাতিলের খাতায় ফেলে দিয়েছে। এই কথাটি কি বেশি বাড়াবাড়ি শোনাচ্ছে? আচ্ছা একটু অন্যভাবে বলি- এই পদার্থবিদেরা আসলে রসায়নের গবেষকদেরকে তাদের নিজেদের শক্তির জায়গাতেই হারিয়ে দিয়েছেন।

আইবিএম-এর একদল পদার্থবিদ ট্রাইএঙ্গুলিন (Triangulene) নামের একটি নতুন ধরনের অণু সংশ্লেষণে সক্ষম হয়েছেন। রসায়নের বহু গবেষক দীর্ঘদিন ধরে তৈরি করার চেষ্টা করে সফল হতে পারেনি। পদার্থবিদরা সাধারণত রাসয়নিক যৌগ সংশ্লেষণ করে না। এটা রসায়নবিদদের কাজ। এখানে তার উলটোটাই ঘটেছে। এই বিজ্ঞানীরা দেখিয়েছে, যেখানে রসায়নের অন্য সকল পদ্ধতি ব্যর্থ হয়েছে, ভৌত প্রক্রিয়া ব্যবহার করে সেখানে কোনো কোনো অণু তৈরি করা সম্ভব।

ইন্টারন্যাশনাল বিজনেস মেশিনস কর্পোরেশন বা আইবিএম একটি আমেরিকান বহুজাতিক প্রযুক্তি প্রতিষ্ঠান। নিউইয়র্ক ভিত্তিক এই আন্তর্জাতিক প্রতিষ্ঠানটির ১৭০টিরও বেশি দেশে কার্যক্রম রয়েছে। গবেষণাক্ষেত্রেও এই প্রতিষ্ঠানটির অবদান ব্যাপক। গত ২৪ বছর ধরে কোনো ব্যবসা প্রতিষ্ঠান দ্বারা সবচেয়ে বেশি প্যাটেন্ট করানোর রেকর্ড আইবিএম-এর দখলে।

আমাদের পরিচিত অটোম্যাটেড টেলার মেশিন বা এটিএম, ফ্লপি ডিস্ক বা হার্ড ডিস্ক ড্রাইভ এই আইবিএমের গবেষণা প্রতিষ্ঠানে কর্মরত বিজ্ঞানীদের হাতেই আবিষ্কৃত হয়েছিল।

চিত্রঃ বামে একটি প্রায় কাল্পনিক অণু ট্রাইএঙ্গুলিন অণুর গাঠনিক সংকেত ডানে অণুটির ত্রিমাত্রিক চিত্র।

নাম থেকেই যা বোঝা যাচ্ছে এই অণুটি ত্রিভুজাকৃতির। উল্লেখ্য, প্রকৃতিতে এঙ্গেল স্ট্রেইন তথা কৌণিক পীড়নের কারণে ত্রিভুজাকৃতির অণু সাধারণত দেখা যায় না। অণুগুলো বেশ অস্থিতিশীল হয়। রাসায়নিকভাবে এরা বেশ সক্রিয় এবং বিভিন্ন পরিবেশে এগুলি সহজেই ভেঙ্গে অন্য অণুতে পরিণত হয়ে যায়।

বিজ্ঞানের নিয়মই হচ্ছে যেকোনো বস্তু সর্বনিম্ন শক্তি ধারণ করে স্থিতিশীল অবস্থায় থাকতে চায়। যেহেতু, ত্রিভুজাকৃতির অণুতে স্বাভাবিকের চেয়ে বেশি অস্থিতিশীলতা বিরাজ করে, তাই প্রকৃতিতে ত্রিভুজাকৃতির অণু বেশ দুর্লভ।

বেশ কয়েক বছর ধরে রসায়নের বিভিন্ন গবেষণাতে ক্ষুদ্র ষষ্ঠতলকীয় গঠন থেকে তত্ত্বীয়ভাবে ত্রিভুজাকার ট্রাইএঙ্গুলিনের স্তর তৈরি হওয়ার কথা উল্লেখ হয়ে আসছে। তবে আসলেও প্রচলিত রাসয়নিক পদ্ধতিগুলোতে এই অণুটির স্থিতিশীল কোনো অবস্থা তৈরি করা সম্ভব হয়ে উঠছিল না। এরকম অবস্থায় দৃশ্যপটে আবির্ভাব ঘটল আইবিএমের বিজ্ঞানীদের। তারা প্রথমে ইংল্যান্ডের রসায়নবিদদের কাছ থেকে ট্রাইএঙ্গুলিনের একটি জাতক ধার নেন গবেষণার জন্য।

তারা এই যৌগটিকে তামা আর কিছু অন্তরক পাতের উপরে রেখে একটি এটমিক ইমেজিং ডিভাইস (পারমাণবিক চিত্রধারক যন্ত্র)-এ সোনা আর কার্বন মনো-অক্সাইড দিয়ে তৈরি প্রোব দিয়ে পরীক্ষা করে দেখেন। এই একই যন্ত্র দিয়ে পূর্বে অলিম্পিসিনের মতো অদ্ভুত যৌগের অণুর ছবি তোলা হয়েছিল। যদিও এভাবে তোলা ছবি সাধারণত ঝাপসা হয়, তবু এই ছবিতে প্রতিটি পারমাণবিক বন্ধন আলাদা করে শনাক্ত করা যায়।

পরবর্তী ছবিতে দেখা যাচ্ছে অলিম্পিসিন অণুর দ্বিমাত্রিক চিত্র। পাশে এটমিক ফোর্স মাইক্রোস্কোপ দিয়ে তোলা অলিম্পিসিন অণুর ছবি। উল্লেখ্য, ২০১০ সালের মার্চ মাসে এন্টোনি উইলিয়ামস এবং অক্সফোর্ড বিশ্ববিদ্যালয়ের গ্রাহাম রিচার্ডস ২০১২ সালের আসন্ন লন্ডন অলিম্পিকস গেম উদযাপনের অংশ হিসেবে এরকম অণুর অস্তিত্বের ধারণা করেন।

পরবর্তীতে ইংল্যান্ডের ওয়ারউইক বিশ্ববিদ্যালয়ের গবেষক অনীশ মিস্ত্রি আর ডেভিড ফক্স সত্যি সত্যি এমন যৌগের সংশ্লেষণে সক্ষম হন। মজার কথা হলো, শেষোক্ত দুই গবেষক ট্রাইএঙ্গুলিন সংশ্লেষণের গবেষণাতেও ওয়ারউইক বিশ্ববিদ্যালয়ের গবেষক দল নেতৃত্ব দিয়েছেন।

উল্লেখ্য, এই যন্ত্রটি স্ক্যানিং টানেলিং মাইক্রোস্কোপ ও এটমিক ফোর্স মাইক্রোস্কোপের একটি সমন্বিত ব্যবস্থা। একে সংক্ষেপে STM/AFM বলা হয়। লেখায় সামনে এগোনোর আগে আসুন এই যন্ত্রগুলি আসলে কীভাবে কাজ করে তা একটু দেখি।

আমরা জানি, ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপ গবেষণা কাজে ব্যবহৃত খুবই গুরুত্বপূর্ণ একটি যন্ত্র। এতে ইলেকট্রনের তরঙ্গ ধর্মকে কাজে লাগানো হয়। সাধারণ অণুবীক্ষণ যন্ত্রে যে আলো ব্যবহার করা হচ্ছে তার তরঙ্গদৈর্ঘ্যের অর্ধেকের চেয়ে বেশি ছোট কোনো বস্তু সেই যন্ত্র দিয়ে দেখা যায় না। যেহেতু তড়িৎচুম্বকীয় বর্ণালীর ৪০০ ন্যানোমিটার তরঙ্গদৈর্ঘ্য অঞ্চল থেকে দৃশ্যমান আলো শুরু হয়, তাই আমরা ২ × ১০-৭ মিটারের চেয়ে ছোট দৈর্ঘ্যের কোনো বস্তু এই অণুবীক্ষণ যন্ত্র দিয়ে দেখতে পাই না।

তত্ত্বীয়ভাবে যদিও আমাদের এক্স রে ব্যবহার করে পারমাণবিক স্কেলে বস্তু দেখতে পারার কথা। কিন্ত এক্সরেকে কোনো বিন্দুর উপরে ফোকাস করা যায় না। তাই এভাবে ছবি তোলা গেলেও ভালভাবে তা বোঝা যায় না।

চিত্র: একটি সাধারণ ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপ

ইলেকট্রন হচ্ছে চার্জিত কণা। এগুলোকে তড়িৎ ক্ষেত্র বা চৌম্বক ক্ষেত্র প্রয়োগ করে ফোকাসও করা যায়। কণা-তরঙ্গ দ্বৈততা নীতি অনুযায়ী, কোনো ইলেকট্রনের তরঙ্গদৈর্ঘ্য তার বেগের ব্যস্তানুপাতিক। তাই যদি কোনো ব্যবস্থায় ইলেকট্রনের বেগ অনেকখানি বাড়িয়ে দেয়া যায় তাহলে ০.০৪ ন্যানোমিটার বা তার চেয়ে ছোট তরঙ্গদৈর্ঘ্যের ইলেকট্রন তরঙ্গ পাওয়া যাবে। ফলে এই তরঙ্গ ব্যবহার করে অণুবীক্ষণ যন্ত্র কাজ করলে তা দিয়ে অনেক বেশি ছোট বস্তু যেমন অণু পরমাণুর ছবি তোলা যাবে।

আরেক ধরনের ইলেকট্রন অণুবীক্ষণ যন্ত্র হচ্ছে এই স্ক্যানিং টানেলিং মাইক্রোস্কোপ। এখানে ইলেকট্রনের আরেকটি কোয়ান্টাম বৈশিষ্ট্যকে কাজে লাগিয়ে কোনো তলের উপরে পরমাণুর ছবি তোলা হয়। ইলেকট্রন কোনো বাধার উপর দিয়ে অতিক্রম না করে ভিতর দিয়ে গর্ত খুড়ে বা টানেল তৈরি করে শক্তির বাধা পার করতে পারে। একে বলে কোয়ান্টাম টানেলিং।

সামনে একটি দেয়াল আছে, আপনি পার হতে চাইলে তা উপর দিয়ে টপকিয়ে পার হওয়ার কথাই ভাববেন। কিন্ত ক্ষুদ্র কণাগুলোর ক্ষেত্রে দেখা যায় যে তাদের সামনে কোনো শক্তির বাধা পড়লে তা না টপকিয়ে ভেতর দিয়ে অপর পাশে চলে যেতে পারে। কণাদের অদ্ভুত এই বৈশিষ্ট্যকেই কোয়ান্টাম টানেলিং বলে।

স্ক্যানিং টানেলিং মাইক্রোস্কোপে টাংস্টেন দিয়ে তৈরি একটি সূচের মতো অংশ থাকে। এর অগ্রভাগ খুবই সূক্ষ্ম। এই অগ্রভাগ থেকে ইলেকট্রন নির্গত হয়। পরীক্ষার সময় নমুনা তল থেকে সূচের মতো অংশটিকে কয়েক পারমাণবিক ব্যাসার্ধ দূরে রেখে তলের উপর দিয়ে সূচটিকে চালিয়ে নিয়ে যাওয়া হয়। এভাবে সৃষ্ট টানেলিং কারেন্ট মাপা হয়।

তল থেকে দূরত্ব বাড়লে কারেন্ট কমে যায়, তাই সূচটিকে চালানোর সময় তল থেকে এর দূরত্ব সবসময় নির্দিষ্ট রাখার ব্যবস্থা করা হয়। আর এই ব্যবস্থা বজায় রাখতে যে পরিবর্তন করতে হয় তা থেকে নমুনা তলের একটি ত্রিমাত্রিক চিত্র পাওয়া যায়।

চিত্র: একটি স্ক্যানিং টানেলিং মাইক্রোস্কোপ।

উল্লেখ্য, এই স্ক্যানিং টানেলিং মাইক্রোস্কোপ আবিষ্কারের জন্য ১৯৮৬ সালে জার্মান পদার্থবিদ Gerd Binnig এবং সুইস পদার্থবিদ Heinrich Rohrer পদার্থবিদ্যায় নোবেল পুরষ্কার লাভ করেন।

অন্যদিকে এটমিক ফোর্স মাইক্রোস্কোপ হচ্ছে এক ধরনের স্ক্যানিং অণুবীক্ষণ যন্ত্র। এতে স্ক্যানিং টানেলিং মাইক্রোস্কোপের মতোই একটি সূচাল অগ্রভাগ থাকে। এই অগ্রভাগ একটি তলের উপর দিয়ে চালিয়ে নেয়া হয় এবং একটি লেজার রশ্মি দিয়ে তলের উপর চলার সময়ে অগ্রভাগটিকে কত উঁচু নিচু পথ অতিক্রম করতে হয়েছে তা পরিমাপ করে ঐ তলের একটি ছবি তৈরি করা হয়।

এভাবে সৃষ্ট ছবির রেজ্যুলেশন এক ন্যানোমিটারের ভগ্নাংশ পর্যন্ত যায়। অর্থাৎ এই যন্ত্র দিয়ে তলের প্রকৃতি একদম পারমাণবিক স্কেলে পরিমাপ করা সম্ভব। বর্তমানে অবশ্য তলের উপর দিয়ে অগ্রভাগ চালিয়ে নেওয়ার বদলে সূচাল অগ্রভাগ উঁচু নিচু করে তা দিয়ে তলের উপরে টোকা (Tap) দেওয়া হয়। এভাবে তলের আরও সঠিক ছবি পাওয়া যায়।

এই যন্ত্রে তলের উপর দিয়ে যাওয়ার সময়ে অগ্রভাগে কতটুকু বল প্রযুক্ত হলো তাও মাপা যায়। এ কারণে এর নাম পারমাণবিক বল অণুবীক্ষণ যন্ত্র (এটমিক ফোর্স মাইক্রোস্কোপ) রাখা হয়েছে। এই দুই ধরনের মাইক্রোস্কোপের সমন্বয়েই আমাদের আলোচ্য বিজ্ঞানীদের পারমাণবিক চিত্রধারক যন্ত্রটি তৈরি করা হয়েছিল।

এই যন্ত্রটি পরিবর্তনশীল ভোল্টেজ ব্যবহার করে অণুটির ইলেকট্রনগুলির সাথে সরাসরি মিথস্ক্রিয়াতে অংশ নেয়। এর সাহায্যে গবেষকরা ট্রাইএঙ্গুলিনের জাতক অণুর জটিল আণবিক গঠন পর্যবেক্ষণ করতে পারেন। ছবি তোলার পরপরই এই বিজ্ঞানীদের মাথায় ধারণা আসে যে এই একই মিথস্ক্রিয়ার সাহায্যে হয়তো অণুটির রাসায়নিক গঠনেও পরিবর্তন আনা সম্ভব হতে পারে।

বিজ্ঞানীরা তখন আগের পদ্ধতিতেই অণুটির বিভিন্ন স্থানে অতি-সূক্ষ্মভাবে নির্দিষ্ট ভোল্টেজের বিদ্যুৎ চালনা করে ট্রাইএঙ্গুলিনের এই জাতক অণু থেকে অতিরিক্ত দুটি হাইড্রোজেন পরমাণু সরিয়ে ফেলতে সক্ষম হন। সরিয়ে নেবার ফলে তৈরি হয় সেই বহুল আরাধ্য ট্রাইএঙ্গুলিন অণু।

এই অণুটি এরপর নিয়ন্ত্রিত পরিবেশে (নিম্ন চাপ ও তাপমাত্রায়) চারদিন টিকে ছিল। এরপর তা এর চেয়ে স্থিতিশীল অন্য অণুতে পরিবর্তিত হয়ে যায়। এই সময়টা কম নয়। এর অস্তিত্ব প্রমাণের জন্য যথেষ্ট সময়। বলা যায় প্রয়োজনীয় সময়ের চেয়েও অনেক বেশি দীর্ঘস্থায়ী ছিল এটি।

জুরিখে আইবিএমের গবেষক দলের প্রধান লিউ গ্রোস নেচার পত্রিকাকে এক সাক্ষাৎকারে এ আবিষ্কারের ব্যাপারে উচ্ছ্বসিত হয়ে বলেন যে ট্রাইএঙ্গুলিনই প্রথম অণু যেটি তারা (পদার্থবিদরা) তৈরি করতে সক্ষম হয়েছেন যেখানে অন্যান্য রসায়নবিদরা তৈরির বহু চেষ্টা করেও ব্যর্থ হয়েছেন।

১৯৫৩ সালে চেক রসায়নবিদ এরিক ক্লার ট্রাইএঙ্গুলিনের অস্তিত্বের সম্ভাবনার কথা উল্লেখ করেন। উল্লেখের পর থেকেই এটিকে রহস্যময় যৌগ হিসেবে ধরা হতো- এটি সংশ্লেষণের জন্য বহু চেষ্টাই শেষ পর্যন্ত বিফল হয়েছে।

অবশেষে এই ২০১৭ সালের ফেব্রুয়ারি মাসে এসে ইংল্যান্ডের ওয়ারউইক বিশ্ববিদ্যালয়ের অনীশ মিস্ত্রি ও ডেভিড ফক্সদের গবেষণা দল ও আইবিএম-এর গবেষণা দলের সমন্বিত প্রচেষ্টায় যৌগটি তৈরি করা সম্ভবপর হলো। নেচার ন্যানোটেকনোলজি পত্রিকার ফেব্রুয়ারি ২০১৭ ইস্যুতে গবেষণাপত্রটি প্রকাশিত হয়েছে।

তথ্যসূত্র

  1. http://www.iflscience.com/physics/physicists-forge-impossible-molecule-chemists-failed-make/
  2. https://en.wikipedia.org/wiki/IBM Section 12.7 Baeyer Strain Theory (Page 442), Chapter 12 Alicyclic Hydrocarbons, Organic Chemistry Fifth Edition, Robert Thornton Morrison, Robert Neilson Boyd
  3. https://en.wikipedia.org/wiki/Olympicene#/media/File:Olympicene.svg
  4. https://en.wikipedia.org/wiki/Olympicene#/media/File:Olympicene_AFM.jpg
  5. https://en.wikipedia.org/wiki/Olympicene
  6. https://en.wikipedia.org/wiki/Triangulene https://en.wikipedia.org/wiki/Toluene#/media/File:Toluol.svg https://en.wikipedia.org/wiki/Benzene https://en.wikipedia.org/wiki/Erich_Clar
  7. https://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_tunneling_microscope
  8. https://en.wikipedia.org/wiki/Atomic-force_microscopy
  9. https://en.wikipedia.org/wiki/Radical_(chemistry)
  10. Section 13.2 Structure of benzene (Page 478), Chapter 12 Aromaticity Benzene, Organic Chemistry Fifth Edition, Robert Thornton Morrison, Robert Neilson Boyd

যে শব্দে পৃথিবী কেঁপেছিল বারবার

পৃথিবীর সবচেয়ে দামী ফেলনা জিনিস