विज्ञानवाटा : शास्त्रज्ञांनी साकारले तलम सुवर्णपान

‘गोल्डिन’ मिळविण्यासाठी स्वीडनमधील लिंकोपिंग विद्यापीठातील शास्त्रज्ञांनी अभिनव पद्धत वापरली. जगातील पहिले सर्वात कमी जाडीचे सुवर्णपान साकारण्यात किंवा मिळविण्यात त्यांना यश आले.

एखादे मूलद्रव्य एकाचवेळी एकापेक्षा अनेक रुपात अस्तित्वात असते, तेव्हा त्या रूपांना त्या मूलद्रव्याची अपरुपे असे म्हणतात. कार्बन हे मूलद्रव्य अनेक रुपात अस्तित्वात असते. कोळसा, हिरा, ग्रॅफाईट ही कार्बनची बहुपरिचीत अपरूपे! याशिवाय कार्बनची ग्राफिन, फुलरिन इ. अपरूपे अस्तित्वात आहेत. आता शास्त्रज्ञांनी सोन्याचे एक अपरूप मिळविण्यात यश मिळविले आहे.

पुणे परिसरात सोन्याचा शर्ट घालणारे लोक आहेत, असे आपण ऐकतो. यातील ‘सोन्याचे कापड’ (सुवर्णवस्त्र किंवा सुवर्णवर्ख म्हणू या) किती तलम किंवा पातळ म्हणजेच कमी जाडीचे असेल, याची आपण कल्पना करु शकतो. शास्त्रज्ञांनी आता या सुवर्णवस्त्रापेक्षाही कोट्यवधी पटींनी कमी जाडीचे कापड (सुवर्णवस्त्र किंवा पापुद्रा म्हणा) बनविण्यात यश मिळविले आहे. त्याची जाडी फक्त एका अणूच्या आकाराची आहे. या द्विमितीय एका अणूच्या जाडीच्या सुवर्णवस्त्रास किंवा सुवर्णपत्रास ''गोल्डिन'' असे म्हणतात. शास्त्रज्ञ दीर्घकाळ गोल्डिनच्या निर्मितीसाठी प्रयत्न करीत होते.

गोल्डिन पूर्वी कार्बनचे असेच एक रूप मिळविण्यात शास्त्रज्ञ यशस्वी झाले होते. २००४ मध्ये कार्बनचा अतिशय कमी जाडीचा (नॅनोमीटर किंवा अब्जांश मीटर) पापुद्रा शास्त्रज्ञांनी मिळविला, त्याला ''ग्राफिन'' असे म्हणतात. त्याच्या निर्मितीसाठी २०१०चे रसायनशास्त्रातील ‘नोबेल’ मॅंचेस्टर विद्यापीठातील शास्त्रज्ञ आंद्रे जिम व कोस्त्या नोवोसेलॉव्ह यांना मिळाले. आपण शिसपेन्सिल म्हणतो त्या पोन्सिलमध्ये शिसे नसून कार्बन किंवा कोळशाचे एक रुप असते. त्याला ‘ग्रॅफाईट’ असे म्हणतात व त्याच्यापासून ''ग्राफिन'' मिळविले जाते.

ग्राफिनच्या शोधानंतर शास्त्रज्ञांनी असे एक अणूच्या जाडीचे व द्विमितीय शेकडो पदार्थ मिळविले आहेत. परंतु धातूंपासून असे पत्रे /पापुद्रे मिळविणे कठीण असते. याचे कारण धातूचे अणू एकत्र गोळा होऊन पत्र्याऐवजी बुंदीलाडूसारखे एकत्र येऊन गुठळ्या बनतात. तरीही शास्त्रज्ञांनी टीन धातूपासून असा अतितलम पत्रा बनविण्यात यश मिळविले होते. टीनच्या अतितलम पत्र्यास ‘स्टॅनिन’ असे म्हणतात.

त्याचबरोबर लेड (शिसे) पासूनही असे पत्रे, पापुद्रे किंवा वर्ख बनविण्यात शास्त्रज्ञ यशस्वी झाले असले, तरी हे पदार्थ दुसऱ्या पदार्थाच्या आधाराशिवाय राहू शकत नव्हते. परंतु ''गोल्डिन’ मात्र ‘फ्री स्टँडिंग’ राहू शकते, असा ‘गोल्डिन’निर्मात्या शास्त्रज्ञांचा दावा आहे. स्वीडनमधील लिंकोपिंग विद्यापीठातील शास्त्रज्ञांनी गोल्डिन निर्माण करण्यात यश मिळवले.

शोधनिबंध ‘नेचर सिंथेसिस’मध्ये प्रसिद्ध केला. या शास्त्रज्ञांनी गोल्डिन बनविण्यासाठी वापरलेली पद्धत अत्यल्प प्रमाणात गोल्डिन बनविण्यासाठी जशी उपयुक्त आहे, तशीच मोठ्या प्रमाणातील गोल्डिनच्या उत्पाद‌नासाठीही उपयुक्त असल्याचे बोलले जात आहे. गोल्डिन मिळविण्यासाठी शास्त्रज्ञांनी अभिनव पद्धत वापरली. त्यांनी ‘टिटॅनियम सिलिकॉन कार्बाईड’ घेतले. यामध्ये सॅंडविचप्रमाणे ‘टिटॅनियम कार्बाईड’च्या दोन थरांमध्ये सिलिकॉनचा एक अणू जाडीचा थर असतो.

त्यानंतर त्यांनी ‘टिटॅनियम कार्बाईड’च्या थरावर सोने वापरले असता उच्च तापमानाला यातील सोने पसरले (डिफ्युज)आणि ‘टिटॅनियन गोल्ड कार्बाईड’ निर्माण झाले. सिलिकॉनच्या अणूंची जागा सोन्याच्या अणूंनी घेतली व एक अणूच्या जाडीचा सोन्याचा अतितलम पडदा किंवा सुवर्णवर्ख तयार झाला. परंतु या सॅंडविचमधून सोने वेगळे करता येत नव्हते. संशोधन या टप्प्यावर अडखळत होते.

हा सोन्याचा अतितलम पडदा किंवा सुवर्णवर्ख या सॅंडविचमधून बाहेर काढणे महत्त्वाचे होते. परंतु तेवढेच किचकट होते. ते बाहेर काढण्यासाठी जपानमधील लोहार सजावटीचे लोहकाम व धारदार सु-या करण्यासाठी शंभर वर्षांपासून जे तंत्र वापरीत आले आहेत, त्या तंत्राचा या शास्त्रज्ञांनी उपयोग केला. त्यासाठी अल्कलीधर्मीय ‘पोटॅशियम फेरीसायनाईड’चे द्रावण वापरले. त्याला मुक्कारीज रिएजंट (अभिकारक) असे म्हणतात.

यासाठी त्यांनी ‘पोटॅशियम फेरीसायनाईड’च्या वेगवेगळ्या मात्रा असलेली मुराकामी अभिकारकाची द्रावणे वापरुन पाहिली.जपानमधील लोहार शोभेच्या किंवा सजावटीच्या लोहकामासाठी हा अभिकारक वापरतात. त्याचबरोबर हे सुवर्णपर्ण एकत्र गोळा होऊ नयेत, म्हणून पृष्ठिय तणाव कमी करण्यासाठी ‘सरफॅक्टन्ट मॉलेक्युल्स’ही वापरले. अशा तऱ्हेने सर्वात कमी जाडीचे सुवर्णपान साकारण्यात आले. अशा प्रकारे धातू वेगळे करण्याच्या प्रक्रियेस ‘चिंग’ (अम्ल उत्किर्णन) असे म्हणतात.

शास्त्रज्ञांनी गोल्डिन केवळ बनवायचे म्हणून बनविले नाही. त्याचे अनेक उपयोग आहेत. शास्त्रज्ञ म्हणतात, जेथे जेथे सोन्याच्या अब्जांश कणांचा उपयोग झाला आहे वा होत आहे, तिथे तिथे हे ''गोल्डिन'' वापरता येईल. गोल्डिनमुळे प्रकाश उत्प्रेरण प्रक्रियेद्वारा ( फोटो कॅटेलीसीस) पाण्यातील हायड्रोजन व ऑक्सिजन वेगळे करण्यात येतील. गोल्डिनचे विशेष असे काही गुणधर्म आहेत. यापूर्वी शोधले गेलेल्या द्विमितीय पदार्थांप्रमाणेच, गोल्डिनमध्ये एक सोन्याचा अणू शेजारच्या सहा अणूंशी बद्ध झालेला असतो.

त्रिमितीय सुवर्णपदार्थांमध्ये एक सोन्याचा अणू बारा अणूंशी बद्ध झालेला असतो. भविष्यात कर्बवायूचे रुपांतर इथनॉल, मिथेनसारख्या इंधनात करणे, हायड्रोजन निर्मितीसाठी उत्प्रेरण , काही महत्वपूर्ण रसायनांची निर्मिती, हायड्रोजन निर्मिती न जलशुद्धीकरण इ. साठी गोल्डिनचे महत्त्वाचे उपयोग असतील, असे शास्त्रज्ञ म्हणत आहेत. शास्त्रज्ञांच्या मते अतितलम, अतिहलके गोल्डिन इलेक्ट्रॉनिक्स क्षेत्रात क्रांती घडवू शकते.

सोने विद्युत सुवाहक आहे, तर गोल्डिन अर्धवाहक आहे. सध्या सेमीकंडक्टर क्षेत्रास खूप महत्त्व प्राप्त झाले आहे. माहिती तंत्रज्ञानाच्या काळात सेमीकंडक्टर क्षेत्रात ज्या देशाची प्रगती उत्तम तो देश जगावर राज्य करू शकतो. गोल्डिन सेमीकंडक्टर क्षेत्रात क्रांती घडवून अणू शकते. इलेक्ट्रॉनिक्स उपकरणांमध्ये सोने वापरले जाते, ते जास्त प्रमाणात असते. गोल्डिनच्या वापर झाल्यास ते प्रमाण अत्यल्प होईल व अशा उपकरणांच्या किंमती खूप कमी होतील.

शास्त्रज्ञांना एक चिंता वाटते, ती म्हणजे मुराकामी अभिकारक म्हणून वापरण्यात येणाऱ्या द्रावणामध्ये लोहाचे अणू राहिले तर गोल्डिनचा उत्प्रेरक म्हणून वापरण्यास बाधा येऊ शकते. गोल्डिनसारखे द्विमितीय पदार्थ काही पहिल्यांदाच बनविले आहेत असे नाही. यापूर्वीही असे पदार्थ बनविण्यात आले आहेत; परंतु धातूं‌चे द्विमितीय पदार्थ निर्माण करणे हे प्रचंड आव्हानात्मक असते.

गोल्डिन बनविणाऱ्या शास्त्रज्ञांच्या पथकाचे प्रमुख लार्स हल्टमन यांच्यानुसार गोल्डिन हे सध्या उपलब्ध असलेल्या सोन्याच्या सर्वांत कमी जाडीच्या वर्खापेक्षा ४००पट कमी जाडीचे आहे. गोल्डिनची जाडी शंभर नॅनोमीटरएवढी आहे. एका मीटरचे एक अब्ज भाग केल्यानंतर एक नॅनोमीटर मिळतो. सध्या रेडियम व प्लॅटिनमचे एक अणू जाडीचे द्विमितीय पदार्थ निर्माण करण्याच्या प्रयत्नात शास्त्रज्ञ लागले आहेत.

शास्त्रज्ञांची अनेक पथके जगभरात गोल्डिन बनविण्याविषयी संशोधन करीत आहेत. परंतु सर्वांनाच अपेक्षित यश प्राप्त झाले नाही. म्हणजे काही पथकांनी मिळविलेली गोल्डिन अन्य पदार्थांच्या आधाराशिवाय स्थिर राहणे शक्य नव्हते; तर काही पथकांनी मिळविलेल्या सोन्याच्या वर्खामध्ये अनेक थर होते. यानंतर हे शास्त्रज्ञ चांदीचा (सिल्व्हर) अब्जांश आकाराचा जाडीचा वर्ख बनविण्यासाठी संशोधन करणार आहेत.

(लेखक रसायनशास्त्राचे प्राध्यापक आहेत.)