सूर्य प्रकाश से संभव हुआ मजबूत C–F रासायनिक बंध का विघटन, DST के वैज्ञानिकों की बड़ी उपलब्धि

वैज्ञानिकों ने सूर्य के प्रकाश से संचालित एक ऐसी विधि विकसित की है, जिससे रसायन विज्ञान के सबसे मजबूत बंधों में से एक — कार्बन–फ्लोरीन (C–F) बंध — को तोड़ा जा सकता है। यह बंधन पुनर्चक्रण, औषधि डिजाइन तथा औद्योगिक रसायनों के रूपांतरण के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है, लेकिन इसे तोड़ना अब तक एक बड़ी चुनौती रहा है।

कैटायनिक Tp-Bpy-Me COF पर फ्लोरोएरीन के C–F बंध का सूर्य प्रकाश द्वारा सक्रियण, जिसके परिणामस्वरूप अमिनेटेड उत्पाद बनते हैं, जिनका विभिन्न क्षेत्रों में संभावित उपयोग है।

फ्लोरीन युक्त कार्बनिक यौगिक अनुसंधान और उद्योग में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं, क्योंकि ये आसानी से उपलब्ध होते हैं और इनके संश्लेषण की विधियां अच्छी तरह स्थापित हैं। हालांकि, पॉली- या परफ्लोरीन युक्त यौगिकों को अधिक उपयोगी उत्पादों में बदलने के लिए C–F बंध का सक्रियण आवश्यक होता है। यह कार्य अत्यंत कठिन है, क्योंकि यह रासायनिक बंध असाधारण रूप से मजबूत होता है। परंपरागत रूप से C–F बंध को तोड़ने के लिए कठोर परिस्थितियों, महंगे धातु उत्प्रेरकों और अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जो प्रायः असतत और पर्यावरण के अनुकूल नहीं होते तथा सामान्यतः समरूपी (होमोजीनियस) स्थितियों में ही संभव होते हैं। इसके विपरीत, विषम (हेटेरोजीनियस) प्रकाश-उत्प्रेरक सूर्य के प्रकाश का उपयोग करते हुए हल्की परिस्थितियों में, पुन: उपयोग योग्य और अधिक पर्यावरण-अनुकूल विकल्प प्रदान करते हैं।

विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी विभाग (DST) के अंतर्गत स्वायत्त संस्थान, एस. एन. बोस नेशनल सेंटर फॉर बेसिक साइंसेज़ के शोधकर्ताओं ने इस चुनौती को हल करने के लिए “कोवेलेंट ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क्स” (COFs) नामक उन्नत सामग्री वर्ग का अध्ययन किया। उन्होंने एक विशेष रूप से अभिकल्पित COF विकसित किया, जो एक विषम प्रकाश-उत्प्रेरक (हेटेरोजीनियस फोटोकैटलिस्ट) के रूप में कार्य करता है। COFs क्रिस्टलीय, छिद्रपूर्ण पदार्थ होते हैं, जो अपनी उत्कृष्ट स्थिरता, बड़े सतह क्षेत्र और अत्यधिक अनुकूलनीय संरचना के लिए जाने जाते हैं। इनकी मॉड्यूलर संरचना वैज्ञानिकों को इनके गुणों में आसानी से परिवर्तन करने की अनुमति देती है, जिससे ये उत्प्रेरक अनुप्रयोगों के लिए अत्यंत आकर्षक बन जाते हैं।

शोध दल ने बाइपाइरीडीन-आधारित COF (Tp-Bpy) के साथ कार्य किया और इसमें एक सरल पश्च-संश्लेषण संशोधन किया, जिसे मिथाइलेशन कहा जाता है। इस एक-चरणीय परिवर्तन से COF का धनावेशित (कैटायनिक) रूप — Tp-Bpy-Me COF — प्राप्त हुआ, जबकि फ्रेमवर्क की मूल संरचना यथावत बनी रही। यह छोटा सा संशोधन अत्यंत प्रभावशाली सिद्ध हुआ, क्योंकि इससे COF अधिक इलेक्ट्रॉन-अल्प (इलेक्ट्रॉन-डिफिशिएंट) बन गया, उसकी दृश्य प्रकाश को अवशोषित करने की क्षमता बढ़ी और वह कठिन प्रकाश-उत्प्रेरित अभिक्रियाओं को अधिक कुशलता से संचालित करने में सक्षम हो गया।

नीली रोशनी के संपर्क में आने पर Tp-Bpy-Me COF ने मजबूत C–F बंधों को सफलतापूर्वक सक्रिय किया और अमीन न्यूक्लियोफाइल के आक्रमण के माध्यम से C–N बंधों के निर्माण को प्रोत्साहित किया, जो जटिल कार्बनिक अणुओं के निर्माण की एक महत्वपूर्ण प्रक्रिया है। उल्लेखनीय रूप से, यह अभिक्रिया प्राकृतिक सूर्य प्रकाश में भी संपन्न हो सकी, जिससे यह प्रक्रिया न केवल प्रभावी बल्कि पर्यावरण-अनुकूल भी बन गई।

यह COF-आधारित प्रकाश-उत्प्रेरक का पहला ऐसा प्रदर्शन है, जो C–F बंधों को C–N बंधों में परिवर्तित करने में सक्षम है। इससे प्राप्त उत्पादों में औषधि और कृषि-रसायन उद्योगों में महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों की व्यापक संभावनाएं हैं, साथ ही ये विभिन्न प्राकृतिक उत्पादों के निर्माण के लिए उपयोगी आधार सामग्री (बिल्डिंग ब्लॉक्स) के रूप में भी काम आ सकते हैं।

सिंगल ऑब्जेक्ट स्तर पर वर्मलाइक माइसेलियर फ्लुइड्स का नया अध्ययन: जटिल तरल पदार्थों की गहन समझ

वैज्ञानिकों ने हाल ही में एक नई विधि विकसित की है, जिससे यह अध्ययन किया जा सके कि सुरफैक्टेंट या साबुन अणुओं द्वारा बने तरल पदार्थ (जिसे वर्मलाइक माइसेलियर फ्लुइड्स या WMF कहा जाता है) छोटे स्तर पर, यानी किसी एकल चलती वस्तु के स्तर पर, कैसे व्यवहार करते हैं।

The experimental set-up devised to study the forces a probe faces moving through a WMF

ये सिस्टम तेल क्षेत्र उद्योग और कॉस्मेटिक्स में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं, इसलिए पानी में सुरफैक्टेंट्स के लचीले रॉड जैसे सुप्रामोलेक्यूलर एग्रीगेट्स वाले इस तरह के तरल पदार्थों का अध्ययन संबंधित उद्योगों के लिए लाभकारी हो सकता है।

कल्पना कीजिए कि आप किसी साधारण न्यूटनियन तरल (जैसे पानी या खाना पकाने का तेल) में कोई वस्तु गिराते हैं। प्रारंभ में वस्तु गति प्राप्त करती है और अंततः एक स्थिर गति पर पहुँचती है जिसे “टर्मिनल वेलोसिटी” कहा जाता है, जब गुरुत्वाकर्षण का बल और तरल से उत्पन्न ड्रैग संतुलित हो जाता है। इसी तरह, बारिश की बूंदें भी पृथ्वी की सतह तक पहुँचने से पहले वायुद्रैग के कारण एक टर्मिनल वेलोसिटी प्राप्त कर लेती हैं।

हालांकि, पॉलीमर घोल, जेल या शैम्पू जैसी गैर-न्यूटनियन तरल पदार्थों में चलती वस्तु कभी भी टर्मिनल वेलोसिटी प्राप्त नहीं करती और इसके बल समय के साथ जटिल रूप से बदलते रहते हैं—जिसे आमतौर पर “अराजक गति” कहा जाता है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि तरल में स्थानीय संरचनाएँ लगातार बनती और टूटती रहती हैं, जो वस्तु द्वारा उत्पन्न बल के कारण होती हैं। इस जटिल गति का सामान्य सैद्धांतिक मॉडल तैयार करना चुनौतीपूर्ण है और वैज्ञानिक इसे समझने के नए तरीके खोज रहे हैं।

इस छिपी दुनिया की जांच के लिए, रमन रिसर्च इंस्टीट्यूट (RRI), जो कि विज्ञान और प्रौद्योगिकी विभाग (DST), भारत सरकार द्वारा वित्त पोषित एक स्वायत्त संस्थान है, के शोधकर्ताओं ने एक विशेष उपकरण बनाया। यह उपकरण रियोमीटर के भीतर बनाया गया था—एक ऐसी मशीन जो मापती है कि सामग्री कैसे प्रवाहित होती है। उनके कस्टम सेट-अप में तरल को दो सिलेंडरों के बीच रखा गया और एक सुई जैसी जांच (प्रोब) को इसके माध्यम से चलाया गया।

At higher velocities, the force exhibits a sawtooth pattern.

इस सेट-अप ने शोधकर्ताओं को तरल के व्यवहार को देखने, प्रोब पर लगने वाले बलों को मापने और स्थानीय तरल संरचनाओं और वेग क्षेत्रों को इन-सिटू ऑप्टिकल इमेजिंग के माध्यम से विज़ुअलाइज़ करने की अनुमति दी।

मुख्य निष्कर्ष:

• छोटे प्रोब वेलोसिटी पर बल समय के साथ स्थिर रहता है, यानी न्यूटनियन तरल के समान व्यवहार करता है।

• एक निश्चित गति सीमा पार करने पर, बल धीरे-धीरे बढ़ने और अचानक गिरने के कई चक्र दिखाने लगता है, जिससे एक “सॉ-टूथ” पैटर्न बनता है।

• उच्च गति पर तरल एक “वेक” जैसी पूंछ जैसी संरचना बनाता है, जो बल गिरने के समय तेजी से प्रोब से अलग हो जाती है। इसका व्यवहार लगभग एक लचीले रबर बैंड के खिंचने और टूटने जैसा होता है।

RRI के PhD छात्र और इस अध्ययन के मुख्य लेखक अभिषेक घड़ाई ने कहा, “कस्टम-बिल्ट सेट-अप कई पहलुओं को एक्सप्लोर करने की स्वतंत्रता प्रदान करता है और जटिल सामग्रियों के व्यवहार को समझने में मदद करता है।”

इस शोध के निष्कर्ष, जो Journal of Rheology में प्रकाशित हुए हैं, पारंपरिक बल मापन विधियों से स्पष्ट नहीं किए जा सकते। यह स्थानीय संरचना और गतिशीलता के महत्व को रेखांकित करता है, जो छोटे प्रोब की गति को नियंत्रित करती हैं।

RRI के प्रोफेसर सायंतन मजूमदार ने कहा, “हमारा अध्ययन यह दर्शाता है कि जटिल सामग्रियों को समझने के लिए अलग-अलग लंबाई के पैमानों पर उनकी मैकेनिक्स का अध्ययन करना आवश्यक है, जो वैज्ञानिक और उद्योग दोनों के लिए महत्वपूर्ण है।”

शोधकर्ता मानते हैं कि विभिन्न प्रकार की प्रणालियों और अलग-अलग आकार के प्रोब के अध्ययन से विज्ञान और प्रौद्योगिकी में कई नए पहलुओं को उजागर करने के रोचक अवसर मिलेंगे।