जर्मनी के डार्मस्टाट स्थित GSI/FAIR में सुपरहैवी तत्व के यौगिक में रासायनिक बंध की मजबूती का अध्ययन, आईआईटी रुड़की ने सुपरहैवी तत्वों में रासायनिक बंधन की समझ को आगे बढ़ाने वाले अंतरराष्ट्रीय शोध में योगदान दिया

रुड़की। जर्मनी के डार्मस्टाट स्थित GSI/FAIR के एक शोध समूह के नेतृत्व में हुए अंतरराष्ट्रीय सहयोग ने पहली बार किसी सुपरहैवी तत्व के यौगिक की रासायनिक स्थिरता का मापन किया है। इस अध्ययन का केंद्र सीबोर्गियम (Sg, तत्व 106) का हेक्साकार्बोनिल कॉम्प्लेक्स Sg(CO)6 था। परिणामों से पता चला कि सीबोर्गियम परमाणु और कार्बोनिल लिगैंड के बीच रासायनिक बंध, आवर्त सारणी में उसकी स्थिति के आधार पर अपेक्षित मजबूती से कमजोर है। इसका कारण सापेक्षिक प्रभाव (Relativistic Effects) हैं। ये परिणाम Nature पत्रिका में प्रकाशित हुए हैं। इस अध्ययन में आईआईटी रुड़की और अन्य संस्थानों के शोधकर्ताओं ने भाग लिया।

सुपरहैवी तत्व (SHE), जिनकी परमाणु संख्या 104 से 118 तक होती है, कण त्वरकों में नाभिकीय संलयन अभिक्रियाओं के माध्यम से कृत्रिम रूप से उत्पन्न किए जाते हैं। इनकी उत्पादन दर अधिकतम प्रतिदिन केवल कुछ परमाणुओं तक होती है। इनका जीवनकाल अत्यंत कम, अधिकतम कुछ सेकंड तक होने के कारण इनका रासायनिक अध्ययन बेहद चुनौतीपूर्ण है। इनके अध्ययन में प्रमुख रुचि सापेक्षिक प्रभावों के प्रभाव को समझने में है। सुपरहैवी तत्वों के नाभिक पर अत्यधिक धनात्मक आवेश होने के कारण, परमाणु नाभिक के निकट स्थित इलेक्ट्रॉन प्रकाश की गति के करीब वेग से गति करते हैं। आइंस्टीन के प्रसिद्ध विशेष सापेक्षता सिद्धांत के अनुसार, प्रकाश की सीमित गति के करीब गति करने वाली वस्तुओं का द्रव्यमान बढ़ जाता है।

बोर के परमाणु मॉडल के अनुसार, इसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रॉन नाभिक के अधिक निकट आ जाते हैं और अधिक मजबूती से बंध जाते हैं। दूसरी ओर, अधिक दूर स्थित इलेक्ट्रॉन सापेक्षिक द्रव्यमान वृद्धि से प्रभावित नहीं होते और अधिक दूर चले जाते हैं, क्योंकि अधिक मजबूती से बंधे इलेक्ट्रॉन धनात्मक नाभिकीय आवेश को अधिक प्रभावी ढंग से परिरक्षित करते हैं। ये दोनों प्रभाव सुपरहैवी परमाणुओं की इलेक्ट्रॉनिक संरचना और इस प्रकार उनके यौगिकों के रासायनिक गुणों में, उनके हल्के समजात तत्वों की तुलना में, परिवर्तन लाते हैं। समान प्रकार के समजात तत्वों के यौगिकों का तुलनात्मक अध्ययन आवर्त सारणी के मूलभूत सिद्धांतों की जाँच करने का अवसर प्रदान करता है।

GSI/FAIR के डॉ. अलेक्जेंडर याकुशेव, जो इस सहयोगी शोध दल के प्रवक्ता हैं, ने बताया, “पहली बार हम किसी सुपरहैवी तत्व के यौगिक में रासायनिक बंध की मजबूती को मापने में सफल हुए हैं। यह बंध केंद्रीय सीबोर्गियम परमाणु और कार्बन मोनोऑक्साइड लिगैंड के बीच है। इसके बाद हमने इसकी तुलना हल्के समजात तत्व टंगस्टन के हेक्साकार्बोनिल में इसी बंध की मजबूती से की।”

उन्होंने आगे कहा, “क्रोमियम से मोलिब्डेनम और फिर टंगस्टन तक, हेक्साकार्बोनिल यौगिकों में बंध की मजबूती बढ़ती है, जिससे यह संकेत मिलता है कि सीबोर्गियम में यह बंध और भी मजबूत होना चाहिए। लेकिन मापन से पता चलता है कि सीबोर्गियम की उच्च परमाणु संख्या उसकी इलेक्ट्रॉनिक कोश संरचना को बदल देती है, जिससे यह प्रवृत्ति उलट जाती है और बंध कमजोर हो जाता है।” हाल के क्वांटम-रासायनिक गणनाएँ, जिनमें सापेक्षिक प्रभावों को पूरी तरह शामिल किया गया है, इस प्रभाव की व्याख्या करती हैं। इसके विपरीत, सापेक्षिक प्रभावों की उपेक्षा करने वाली सरल गणनाएँ बंध की मजबूती में निरंतर वृद्धि का अनुमान लगाती हैं।

Sg(CO)6 का पहली बार लगभग दस वर्ष पहले जापान के RIKEN निशिना सेंटर में संश्लेषण किया गया था। यह प्रयोग जोहान्स गुटेनबर्ग विश्वविद्यालय मेंज़ (JGU) और GSI/FAIR के वैज्ञानिकों के नेतृत्व में किया गया था। यह किसी सुपरहैवी तत्व का कार्बोनिल वर्ग का पहला यौगिक था। इसके बंधन गुणों ने केंद्रीय सीबोर्गियम परमाणु और कार्बन मोनोऑक्साइड लिगैंड के बीच रासायनिक बंध की मजबूती मापने के प्रयासों को तुरंत आकर्षक बना दिया, लेकिन शुरुआती प्रयास सफल नहीं हो पाए।

प्रयोग में सफलता की कुंजी उच्च उपज के साथ तेजी से रासायनिक संश्लेषण करना और एकल परमाणुओं की पहचान के लिए आवश्यक तीव्र रेडियोधर्मी क्षय को दर्ज करने हेतु उन्नत विधियों का उपयोग करना था। GSI/FAIR में किए गए प्रयोग में शोधकर्ताओं ने सीबोर्गियम-259 समस्थानिक का उत्पादन किया, जिसके दो नाभिकीय अवस्थाओं के जीवनकाल अलग-अलग हैं, लेकिन दोनों आधे सेकंड से भी कम हैं। तुलनात्मक अध्ययन के लिए इसी प्रकार कम जीवनकाल वाले टंगस्टन के समस्थानिक 161 और 162 भी उत्पन्न किए गए।

प्रयोग में उत्पादन और पृथक्करण के बाद, TASCA (TransActinide Separator and Chemistry Apparatus) उपकरण के माध्यम से परमाणुओं को कार्बन मोनोऑक्साइड युक्त गैस के वातावरण में पहुँचाया गया, जहाँ वे स्थिर हुए। इस गैस ने यौगिक निर्माण में सहायता की और सभी परमाणुओं को दो क्रमिक डिटेक्टर ऐरे वाले एक संकरे डिटेक्टर चैनल में प्रवाहित किया, जहाँ प्रत्येक परमाणु के नाभिकीय क्षय को दर्ज करके उसकी पहचान की गई। सीबोर्गियम और टंगस्टन की कार्बन मोनोऑक्साइड के साथ अभिक्रिया से बने उत्पाद रासायनिक रूप से सक्रिय रहते हैं और पहले डिटेक्टर ऐरे पर जमा हो जाते हैं। हालाँकि, यदि वे वाष्पशील हेक्साकार्बोनिल यौगिक बनाते हैं, तो वे पहले चैनल से आगे निकलकर दूसरे डिटेक्टर ऐरे तक पहुँचते हैं। इस दूसरे डिटेक्टर ऐरे को इतने कम तापमान पर ठंडा किया गया था कि वह इन कॉम्प्लेक्स को अधिशोषित कर सके।

यह अध्ययन एक अंतरराष्ट्रीय शोध दल के सहयोगात्मक प्रयासों को दर्शाता है। आईआईटी रुड़की की प्रो. मौमिता मैती ने GSI/FAIR और अन्य सहभागी संस्थानों के शोधकर्ताओं के साथ इस प्रयोग में योगदान दिया। इस सहयोग ने सुपरहैवी तत्वों के रासायनिक बंधन गुणों की जाँच के लिए विभिन्न संस्थानों की विशेषज्ञता को एक साथ लाया।

इस शोध और सहयोग के बारे में बात करते हुए, आईआईटी रुड़की की प्रो. मौमिता मैती ने कहा, “सुपरहैवी तत्वों के रासायनिक गुणों का अध्ययन करना असाधारण प्रयोगात्मक चुनौतियों से भरा है और इसके लिए सटीकता, विशेष तकनीकों तथा घनिष्ठ अंतरराष्ट्रीय सहयोग की आवश्यकता होती है। इस सहयोगात्मक शोध प्रयास का हिस्सा बनने से विभिन्न संस्थानों की पूरक विशेषज्ञता एक साथ आई है, जिससे हमें सापेक्षिक प्रभावों के तहत रासायनिक बंधन की जाँच करने और इन जटिल तत्वों की समझ को आगे बढ़ाने में मदद मिली है।”

GSI/FAIR और हेल्महोल्ट्ज़ इंस्टीट्यूट मेंज़ में सुपरहैवी तत्व रसायन विज्ञान विभागों के प्रमुख तथा मेंज़ विश्वविद्यालय के प्रोफेसर क्रिस्टोफ ई. डुलमैन ने कहा, “यह सफल प्रयोग दुनिया भर के शोध संस्थानों के बीच अंतःविषयक और अंतरराष्ट्रीय सहयोग के बिना संभव नहीं होता। यह GSI और FAIR के अंतरराष्ट्रीय वैज्ञानिक कार्यक्रमों का पूरक है, जहाँ ब्रह्मांड में तत्वों की उत्पत्ति और उनके गुणों की जाँच की जा रही है।”

हेक्साकार्बोनिल कॉम्प्लेक्स में रूपांतरण की दक्षता छठे कार्बन मोनोऑक्साइड लिगैंड और केंद्रीय परमाणु के बीच बंध की मजबूती पर महत्वपूर्ण रूप से निर्भर करती है। इसलिए, कुल सीबोर्गियम परमाणुओं में से कितने प्रतिशत ने हेक्साकार्बोनिल कॉम्प्लेक्स बनाया, इसका मापन करके इस रासायनिक बंध की मजबूती का अनुमान लगाया जा सकता है। कुल 75 सीबोर्गियम परमाणु दर्ज किए गए, जिनमें से तीन हेक्साकार्बोनिल डिटेक्टर में पाए गए। इसके विपरीत, टंगस्टन के कुल परमाणुओं में से 17 प्रतिशत ने समान यौगिक बनाया। Sg(CO)6 की उपज W(CO)6 की तुलना में काफी कम होने के कारण, Sg(CO)6 में बंध की मजबूती 4 kJ/mol कम आंकी गई। इस प्रकार, क्रोमियम समूह में क्रोमियम से मोलिब्डेनम और फिर टंगस्टन तक हेक्साकार्बोनिल यौगिकों की बढ़ती स्थिरता की प्रवृत्ति सीबोर्गियम में उलट जाती है।