हीरे के दबाव में नाइट्रोजन और हाइड्रोजन के जुड़ने से बनी एक अनोखी नई संरचना

सरल शब्दों में

वैज्ञानिकों ने बहुत ज़्यादा दबाव में नाइट्रोजन और हाइड्रोजन से एक नई ठोस संरचना बनाई है। इसमें नाइट्रोजन के लंबे तार जैसी कतारें हैं, जिन्हें हाइड्रोजन जोड़कर रखता है। यह खोज बताती है कि ये दोनों तत्व मिलकर पहले से अनदेखा ढाँचा बना सकते हैं, लेकिन अभी यह पदार्थ सामान्य दबाव में टिक नहीं पाता और इसके किसी व्यावहारिक इस्तेमाल का प्रमाण नहीं है।

नई संरचना की खोज

एक छोटी-सी कोशिका में, जिसे हीरे के नुकीले सिरों के बीच दबाकर रखा गया था, शोधकर्ताओं ने नाइट्रोजन और हाइड्रोजन को पृथ्वी की सतह पर मिलने वाली स्थितियों से कहीं अधिक कठोर हालात में रखा। इससे N3H2 सूत्र वाला एक असामान्य क्रिस्टल बना। इसमें नाइट्रोजन के परमाणु लंबी कतारों में जुड़े हैं और हाइड्रोजन के परमाणु उन कतारों के बीच पुल का काम करते हैं। ओरिलियानो रानिएरी, जाँ जेनीस्त और उनके साथियों ने यह अध्ययन किया, जो नेचर कम्युनिकेशंस में प्रकाशित हुआ। यह नाइट्रोजन और हाइड्रोजन से बनी फैली हुई बहुलकीय संरचना के बनने का पहला प्रायोगिक प्रमाण है।

वैज्ञानिक बहुलकीय नाइट्रोजन क्यों खोज रहे हैं

आम हालात में नाइट्रोजन ज़्यादातर N2 अणुओं के रूप में मिलता है। हर अणु में नाइट्रोजन के दो परमाणु एक मज़बूत तिहरे बंध से जुड़े होते हैं। इसके उलट, कुछ बहुलकीय पदार्थों में नाइट्रोजन के परमाणु एकहरे बंधों के ज़रिए आपस में जुड़कर जाल या लंबी कतारें बनाते हैं। इन दोनों तरह के बंधों का अंतर अहम है। अगर एकहरे बंधों वाला जाल टूटकर तीनहरे बंध वाले N2 अणुओं में तब्दील हो, तो बड़ी मात्रा में ऊर्जा निकल सकती है।

इसी वजह से वैज्ञानिक बहुलकीय नाइट्रोजन वाले पदार्थों को संभावित रूप से बहुत अधिक ऊर्जा देने वाली प्रणालियों के रूप में देखते हैं। इनके नाइट्रोजन गैस में बदलने की संभावना के कारण इन्हें आगे बढ़ाने वाली प्रणालियों के विकास से जुड़े शोध में भी दिलचस्पी मिली है। लेकिन इस विचार के सामने दो बड़ी अड़चनें हैं। ऐसी संरचना बनाने के लिए बहुत ज़्यादा दबाव चाहिए और दबाव घटाने के बाद उसे सलामत बनाए रखना कठिन है। पहले यह सुझाव दिया गया था कि हाइड्रोजन नाइट्रोजन के कुछ सक्रिय हिस्सों को शांत करके जाल को स्थिर रखने में मदद कर सकता है। फिर भी, दोनों तत्वों के मिश्रण पर हुए पुराने प्रयोगों में लंबी बहुलकीय कतारें बनने की पुष्टि नहीं हुई थी।

दबाव की बहुत संकरी सीमा में बना क्रिस्टल

शोध दल ने अलग-अलग अनुपातों में मिलाई गई बहुत शुद्ध नाइट्रोजन और हाइड्रोजन गैस के मिश्रण आज़माए। इसके लिए उन्होंने हीरे की चार निहाई-कोशिकाओं का इस्तेमाल किया। इन कोशिकाओं में नमूने को हीरे की दो सतहों के बीच दबाया जा सकता है, जिससे उस पर बेहद ऊँचा दबाव डाला जाता है। प्रयोगों में दबाव 139 गीगापास्कल तक पहुँचाया गया और अभिक्रियाएँ शुरू कराने के लिए नमूनों को लेज़र से गर्म किया गया। प्रयोग की व्यवस्था के अनुसार, शोधकर्ताओं ने यिटरबियम से बने रेशे वाले लेज़र या कार्बन डाइऑक्साइड लेज़र का इस्तेमाल किया।

N3H2 पूरे जाँचे गए दबाव-क्षेत्र में नहीं बना। यह 134(3) से 139(1) गीगापास्कल के बीच बना और दूसरी हीरे की कोशिका में 134(3) गीगापास्कल पर भी इसे दोबारा बनाया गया। इसके विपरीत, 110(3) गीगापास्कल या उससे कम दबाव पर लेज़र से गर्म करने पर नाइट्रोजन और हाइड्रोजन के पुराने, बिना नियमित क्रिस्टलीय ढाँचे वाले पदार्थ टूट गए। वहाँ अपेक्षित क्रिस्टल नहीं बना। इससे पता चलता है कि इस पदार्थ का बनना बहुत ऊँचे दबाव की एक खास सीमा पर निर्भर करता है; दोनों तत्वों को मिलाकर गर्म कर देना भर पर्याप्त नहीं है।

परमाणुओं की व्यवस्था समझने के लिए दल ने एकल क्रिस्टलों से एक्स-रे विवर्तन के आँकड़े जुटाए और साथ में रमन माप किए। विवर्तन के प्रयोग यूरोपीय सिंक्रोट्रॉन विकिरण सुविधा ESRF और जर्मनी के DESY केंद्र में सिंक्रोट्रॉन प्रकाश स्रोतों की मदद से किए गए। शोधकर्ताओं ने संभावित परमाणु-ढाँचों की तुलना करने और मापी गई संरचना के गुण जाँचने के लिए घनत्व-कार्यात्मक सिद्धांत पर आधारित गणनाएँ भी कीं। इसके अलावा, उन्होंने परमाणुओं की संभावित व्यवस्थाएँ खोजने के लिए एक बेतरतीब तरीके का सहारा लिया।

नाइट्रोजन के छल्ले मिलकर बनाते हैं लंबी कतारें

नतीजों से पता चला कि N3H2 में नाइट्रोजन के परमाणु एकहरे बंधों से जुड़े हैं और लहरदार छह-सदस्यीय छल्लों में व्यवस्थित हैं। इन छल्लों को N6 छल्ले कहा जाता है। हर छल्ला कुर्सी जैसी आकृति लेता है और फिर दूसरे छल्लों से जुड़कर क्रिस्टल के c अक्ष की दिशा में लंबी कतार बनाता है। इसलिए नमूना अलग-अलग छोटे अणुओं का ढेर नहीं, बल्कि एक दिशा में फैला हुआ जाल है। हर नाइट्रोजन परमाणु के आसपास तीन बंध पिरामिड जैसी बनावट में हैं। यह व्यवस्था sp³ संकरण के वर्णन से मेल खाती है।

इस संरचना की एक अहम बात यह है कि नाइट्रोजन की कतारें अकेली नहीं रहतीं। हाइड्रोजन बंध उन्हें एक-दूसरे से जोड़ते हैं। संरचनात्मक विश्लेषण के अनुसार, N6H4 इकाई चार हाइड्रोजन बंध बना सकती है और चार दूसरे हाइड्रोजन बंधों को स्वीकार कर सकती है। इस तरह उससे कुल आठ हाइड्रोजन बंध जुड़ते हैं। ये बंध छह अलग-अलग कतारों में मौजूद छह पड़ोसी इकाइयों तक पहुँचते हैं। इस जुड़ाव से एक-दूसरे में गुँथा हुआ ढाँचा बनता है, जो ऊँचे दबाव में संरचना को अतिरिक्त मजबूती देता है।

हाइड्रोजन परमाणुओं की जगह तय करना आसान नहीं था। हर हाइड्रोजन परमाणु में केवल एक इलेक्ट्रॉन होता है, इसलिए वह एक्स-रे को भारी परमाणुओं की तुलना में बहुत कम बिखेरता है। फिर भी, आधुनिक संसूचकों की संवेदनशीलता और सिंक्रोट्रॉन किरणों की तीव्रता के कारण शोध दल 139 गीगापास्कल पर ऐसे स्थानीय इलेक्ट्रॉन घनत्व को पहचान सका, जो हाइड्रोजन परमाणुओं की जगहों से मेल खाता था। संरचना के मॉडल को सँवारते समय दल ने N–H बंध की लंबाई 1.07(2) आंग्स्ट्रॉम रखी। फिर इस पहचान को क्रिस्टल रसायन और सैद्धांतिक गणनाओं से मिलाकर परखा गया। हाइड्रोजन की जगहें शामिल करने पर मॉडल और मापे गए आँकड़ों के बीच मेल भी बेहतर हुआ।

गणना से मिले गुण और अभी बाकी सीमाएँ

गणनाओं के मुताबिक, 139 गीगापास्कल पर इस पदार्थ में लगभग 3.75 इलेक्ट्रॉन-वोल्ट का इलेक्ट्रॉनिक ऊर्जा-अंतर है। शोधकर्ताओं ने इसका आयतन मापांक करीब 31 गीगापास्कल आँका। इसका अर्थ है कि शुद्ध बहुलकीय नाइट्रोजन की तुलना में यह पदार्थ दबाव पड़ने पर अधिक आसानी से संकुचित हो सकता है। ये आँकड़े पदार्थ की संरचना और उसके गुणों से निकाली गई गणनाओं के नतीजे हैं; सामान्य इस्तेमाल की स्थितियों में हर गुण को सीधे मापकर हासिल किए गए परिणाम नहीं।

दल ने सामान्य दबाव पर इस पदार्थ के टूटने से मिलने वाली संभावित ऊर्जा का भी अनुमान लगाया। गणना के अनुसार, अभिक्रिया 6N3H2 → 7N2 + 4NH3 के लिए यह ऊर्जा 7.98 किलोजूल प्रति ग्राम है। यह मान TNT के लिए प्रकाशित 4.2 किलोजूल प्रति ग्राम और HMX के लिए प्रकाशित 5.7 किलोजूल प्रति ग्राम से अधिक है। लेकिन इस तुलना का अर्थ यह नहीं है कि N3H2 आसानी से उपलब्ध है या इस्तेमाल किया जा सकता है। यह ऊर्जा का सैद्धांतिक अनुमान है, न कि किसी प्रयोग में वास्तव में निकली ऊर्जा का माप। साथ ही, इस पदार्थ को बनाने के लिए असाधारण रूप से ऊँचा दबाव लगाना पड़ा।

स्थिरता से जुड़ी गणनाएँ केवल ऊर्जा के आँकड़े से अधिक पेचीदा तस्वीर दिखाती हैं। 100 गीगापास्कल और उससे अधिक दबाव पर, जिन दूसरे रूपों से तुलना की गई, उनके मुकाबले N3H2 ऊर्जा की दृष्टि से अधिक अनुकूल दिखाई दिया। कम दबाव पर, नाइट्रोजन का कुल अनुपात समान रखने वाले NH4–N5 रूप को प्राथमिकता मिली; यह स्थिति 20 गीगापास्कल तक रही। जाल के कंपन से जुड़ी गणनाओं ने यह भी दिखाया कि क्रिस्टल 30 गीगापास्कल पर स्थिर है, लेकिन शून्य गीगापास्कल पर स्थिर नहीं रहता। दबाव घटने पर हाइड्रोजन बंध और कतार के भीतर का एक N–N बंध कमज़ोर पड़ने लगते हैं।

दबाव घटाने पर नमूने का क्या हुआ

शोधकर्ताओं ने अलग-अलग मापने के तरीकों से दबाव घटाते समय नमूने पर नज़र रखी। एक्स-रे विवर्तन के आँकड़े 58(1) गीगापास्कल तक मिलते रहे, जबकि रमन के खास संकेत 26(3) गीगापास्कल तक देखे जा सके। हर तरीके से जाँची गई सीमा के भीतर, विवर्तन के ढाँचे या कंपन की आवृत्तियों में ऐसा कोई साफ़ बदलाव नहीं दिखा जो एक क्रिस्टलीय रूप से दूसरे रूप में जाने का संकेत देता हो। इसका मतलब केवल इतना है कि माप की उन सीमाओं तक संरचना में कोई बदलाव दर्ज नहीं हुआ। इससे यह साबित नहीं होता कि पदार्थ सामान्य दबाव में भी सलामत रह सकता है।

दबाव घटाने के दोनों प्रयोग तब रुक गए जब हीरे की निहाइयाँ टूट गईं और नमूने खो गए। इसलिए शोधकर्ता माप को सामान्य दबाव तक जारी नहीं रख सके और न ही यह जाँच पाए कि कोशिका से बाहर निकालने के बाद पदार्थ को वापस पाया जा सकता है या नहीं। यह सीमा उन गणनाओं से भी मेल खाती है जिनमें शून्य गीगापास्कल पर क्रिस्टल के अस्थिर होने का अनुमान है। इसलिए ऊँचे दबाव वाली स्थिति से बाहर भी इसे बनाए रखने का सवाल अभी खुला है; ऐसा करना अब तक हासिल की गई उपलब्धि नहीं है।

इस खोज का महत्व केवल नए पदार्थ तक सीमित नहीं

N3H2 की पहचान के साथ-साथ इस अध्ययन की एक बड़ी उपलब्धि यह है कि 139 गीगापास्कल पर एक्स-रे विवर्तन के आँकड़ों से हाइड्रोजन परमाणुओं की जगह सीधे पढ़ी जा सकी। शोधकर्ताओं के मुताबिक, यह उस पिछली सीमा से बहुत आगे है जहाँ इस तरीके से अलग-अलग हाइड्रोजन परमाणुओं की पहचान संभव हुई थी। वह सीमा करीब 25 गीगापास्कल थी। इस तरह उपलब्धि सिर्फ़ एक नया रासायनिक सूत्र खोजने तक सीमित नहीं है। इससे यह भी पता चलता है कि आधुनिक सिंक्रोट्रॉन उपकरण उन परिस्थितियों में हल्के परमाणुओं वाले पदार्थों का विश्लेषण कर सकते हैं, जहाँ उन्हें देख पाना पहले बहुत कठिन था।

यह क्षमता उन दूसरे पदार्थों के अध्ययन में भी काम आ सकती है जो हल्के तत्वों से बने हों और ऊँचे दबाव में आकार लेते हों। इस काम के आधार पर अगला कदम ऐसे बंधों की तलाश करना हो सकता है जो हाइड्रोजन बंधों से अधिक मज़बूत हों और दबाव घटने पर नाइट्रोजन की कतारों को सहारा दे सकें। ऊँचे दबाव में नई संरचना बनाना एक अहम संरचनात्मक उपलब्धि है। लेकिन उस पदार्थ को वापस सामान्य हालात में हासिल करना या किसी काम में लाना अलग चुनौती है, जिसका समाधान इन प्रयोगों ने अभी नहीं दिया है।

नाइट्रोजन और हाइड्रोजन के ऐसे यौगिक बर्फीली दुनिया के भीतर मौजूद पदार्थों का अध्ययन करने में भी उपयोगी हो सकते हैं, क्योंकि वहाँ दबाव और तापमान बहुत ऊँचे हो सकते हैं। हालांकि, अध्ययन के लेखकों का कहना है कि ऐसे कई वातावरणों में N3H2 बहुत कम मात्रा में हो सकता है। इसकी वजह नाइट्रोजन के मुकाबले हाइड्रोजन का अधिक होना और जाँचे गए दबाव-क्षेत्र में अमोनिया का स्थिर रहना है। फिर भी, इस नए रूप का अस्तित्व उन रासायनिक संभावनाओं के नक्शे में एक नया विकल्प जोड़ता है, जिनकी मदद से वैज्ञानिक इन दुनियाओं के कई तत्वों से बने पदार्थों को समझते हैं।

निष्कर्ष

रानिएरी, जेनीस्त और उनके साथियों ने 134(3)–139(1) गीगापास्कल के दबाव पर नाइट्रोजन और हाइड्रोजन से बनी बहुलकीय संरचना के अस्तित्व का प्रमाण दिया। N3H2 में नाइट्रोजन के छल्ले जुड़कर लंबी कतारें बनाते हैं और हाइड्रोजन बंध उन कतारों को एक जाल में बाँधते हैं। एक्स-रे विवर्तन से 139 गीगापास्कल पर हाइड्रोजन की जगहें भी पहचानी गईं। पदार्थ के टूटने से मिलने वाली ऊर्जा का गणितीय अनुमान 7.98 किलोजूल प्रति ग्राम है, लेकिन गणनाओं के अनुसार यह सामान्य दबाव पर स्थिर नहीं है और प्रयोगों से इसे वापस हासिल नहीं किया जा सका। इसलिए इस काम की सबसे बड़ी उपलब्धि किसी तुरंत उपयोगी पदार्थ का बनना नहीं, बल्कि नाइट्रोजन और हाइड्रोजन के रसायन के बारे में नई जानकारी और बहुत ऊँचे दबाव में हल्के परमाणुओं को देखने की बेहतर क्षमता है।