ફુલેરીન (fullerenes)

ફુલેરીન (fullerenes) : ફુલેરીન, બકમિન્સ્ટર ફુલેરીન, ફુલેરાઇટ અથવા રોજિંદી ભાષામાં બકીબૉલ તરીકે ઓળખાતા 60થી 70 (અથવા તેથી પણ વધુ) કાર્બન પરમાણુઓ ધરાવતા પોલા, સંપૂર્ણપણે સમમિત અને ગોળાકાર (spherical) ગુચ્છાણુઓ (cluster molecules). હમણાં સુધી કાર્બનનાં બે સ્વરૂપો અથવા વિવિધરૂપો (અપર રૂપો) (allotropes) જાણીતાં હતાં : હીરો અને ગ્રૅફાઇટ. હીરો સૌથી વધુ કઠણ (મોઝ માપક્રમ પર કઠિનતા = 10), અત્યંત તેજસ્વી અને રત્નોમાં સૌથી વધુ કીમતી ગણાય છે. ગ્રૅફાઇટ એ કાર્બનનું કાળું, પોચું અને પેન્સિલમાં તથા ઊંજક (lubricant) તરીકે વપરાતું સ્વરૂપ છે. કોક (coke), મેશ વગેરે અશુદ્ધ કાર્બન છે અને અવ્યવસ્થિત ગ્રૅફાઇટ જેવી સંરચના ધરાવે છે. હીરામાં (સપાટી ઉપરની અલ્પસંખ્યા સિવાય) પ્રત્યેક કાર્બન પરમાણુ સમાંતરે રહેલા અન્ય ચાર કાર્બન પડોશીઓ સાથે સમચતુષ્ફલકીય સ્ફટિકીય સંરચના બનાવે છે. ગ્રૅફાઇટમાં કાર્બન પરમાણુઓ જાળીની માફક સપાટ પતરીના રૂપમાં ગોઠવાયેલા હોય છે અને પ્રત્યેક કાર્બન પરમાણુ ષટ્પારમાણ્વિક (six-atom) વલય(ring)નો સભ્ય અથવા ભાગ હોય છે (ષટ્ફલકીય, સ્તરિત સંરચના). આ પતરીઓ એકબીજી સાથે નબળા બંધોથી જોડાયેલ હોય છે.

થોડાં વર્ષો પહેલાં ફુલેરીન તરીકે ઓળખાતું કાર્બનનું એક તદ્દન વિભિન્ન અને વિસ્મયકારક સ્વરૂપ શોધાયું છે. તે મોડું શોધાવાનું કારણ એ છે કે કુદરતમાં તેને સંકેન્દ્રિત કરી શોધ માટે ખુલ્લું કરે તેવો કોઈ માર્ગ નથી. હીરો અને ગ્રૅફાઇટ એ અનિશ્ચિત (indefinite) માપ(size)ના મહાકાય (giant), વિસ્તૃત (extended) અણુઓ ધરાવે છે, જ્યારે ફુલેરીન પૃથક (discrete) અણુઓ ધરાવે છે. તેમની આણ્વિક સંરચના અદભુત અને નવીનતમ છે. તેમની શોધ પણ તત્વત: ભિન્ન (dispartate) માર્ગે થઈ હતી.

1960 અને 1970ના દાયકામાં કાર્બન પરમાણુઓ પોલા, પિંજરા જેવા અણુ બનાવી શકે તેવાં સૂચનો થયાં હતાં; પણ આ સંયોજનોના અસ્તિત્વ અંગેનો પ્રથમ પુરાવો 1985માં પ્રાપ્ત થયો. ટૅક્સાસ(યુ.એસ.)ની રાઇસ યુનિવર્સિટીના રૉબર્ટ એફ. કર્લ અને રિચાર્ડ ઇ. સ્મૉલી તથા યુ.કે.ની સસેક્સ યુનિવર્સિટીના હૅરોલ્ડ ડબ્લ્યુ. ક્રોટોએ લગભગ 100 ટોર (1 ટોર = 1 મિમી. Hg) દબાણે હિલિયમના પ્રવાહમાં ગ્રૅફાઇટના સળિયાનું લેસર-બાષ્પીભવન અને સંઘનન કરતાં દર્શાવ્યું કે આ દરમ્યાન ઉદભવતી શુદ્ધ મેશમાં કાર્બનના ખંડો (fragments) પૈકી કેટલાક C₆₀ (કાર્બનના 60 પરમાણુઓ ધરાવતા અણુઓ) અને C₇₀થી સમૃદ્ધ હોય છે. સંઘનિત પદાર્થને બેન્ઝિનમાં વિકીર્ણ (disperse) કરતાં તેમણે જોયું કે પદાર્થનો થોડોક ભાગ ઓગળીને લાલ રંગનું દ્રાવણ આપે છે, જેના બાષ્પીભવનથી કાળો સ્ફટિકીય પદાર્થ મળે છે. તેમણે સૂચવ્યું કે આ અસાધારણ સ્થાયી અણુઓ કાર્બન પરમાણુઓના સંવૃત (closed) કવચ (shells) ધરાવે છે. તેમાંનો C₆₀ એ ગોલાભ (spheroidal) સંરચના ધરાવે છે અને તેમાં કાર્બન પરમાણુઓ જોડાઈને 12 પંચકોણ (pentagons) બનાવે છે, જે 20 ષટ્કોણ(hexagons)માં પરિક્ષેપિત થયેલા હોઈ યુરોપિયન ફૂટબૉલ અથવા વિંશફલકીય (icosahedron) રચના બનાવે છે. C₇₀ એ 25 ષટ્કોણ ધરાવે છે અને તેથી તે લંબગોળ ફૂટબૉલ (rugby ball) જેવો હોય છે.

 આ સંરચના બકમિન્સ્ટર ફુલર નામના સ્થપતિએ રચેલા અલ્પાંતરી ઘુંમટ (geodesic dome) (કૅલિકો ડોમ)ને મળતી આવતી હોઈ આ પ્રકારનાં સંયોજનોને ‘ફુલેરીન’ અથવા ‘બકીબૉલ’ નામ આપવામાં આવ્યું. તે પહેલાં 1983માં (અને પછીથી 1989માં) ટક્સનની ઍરિઝોના યુનિવર્સિટીના ડી. હફમૅન અને એલ. લૅમ્બે તથા હીડેલબર્ગ(જર્મની)ના મૅક્સ પ્લાન્ક ઇન્સ્ટિટ્યૂટના ડબ્લ્યૂ. ક્રેટ્શનરે પણ આવા પદાર્થોના પારજાંબલી વર્ણપટ તપાસેલા. 1990માં તેમણે જણાવ્યું કે વિદ્યુતચાપની મેશ આંશિક રીતે બેન્ઝિનમાં ઓગળી ચળકતા કિરમજી (magenta) રંગનું દ્રાવણ આપે છે. આ દ્રાવણનું સ્ફટિકીકરણ કરતાં C₆₀ નારંગી સ્ફટિકો મળે છે. તેમણે 1990માં સૌપ્રથમ મોટા પાયા પર C₆₀ મેળવવાની રીત શોધી છે.

એપ્રિલ 1991માં યુનિવર્સિટી ઑવ્ કૅલિફૉર્નિયા (લૉસ ઍન્જેલસ)ના ફ્રાન્કોઇ ડીડરિકે C₇₆, C₈₄, C₉₀ અને C₉₄ તથા રૉબર્ટ વ્હેટને 200 કાર્બન પરમાણુઓ ધરાવતા ફુલેરીન અલગ કર્યા હોવાનું જાણવા મળ્યું છે. મે 1991માં જર્મનીની યુનિવર્સિટી ઑવ્ વુપર્ટલના ડર્ક બકોવિઝ એન વૉલ્ટર થીલે 540 કાર્બન પરમાણુ ધરાવતા ફુલેરીનની શક્ય સંરચના દર્શાવી.

C₆₀ મેજન્ટા (કિરમજી) રંગનું તથા C₇₀ રાતા રંગનું હોય છે અને બંનેને હેક્ઝેન દ્રાવકની મદદથી વર્ણલેખન દ્વારા અલગ કરી શકાય છે. આ C₆₀ તથા C₇₀ની લાક્ષણિકતાઓ શરૂમાં સ્પેક્ટ્રમિતીય રીતો દ્વારા શોધાઈ.

1991માં C₆₀નો વાયુમય સ્વરૂપમાં ઇલેક્ટ્રૉન વિવર્તન રીત દ્વારા અભ્યાસ કરતાં તેનું બંધારણ આકૃતિમાં (ક) મુજબ જણાયું. અહીં બધા જ પરમાણુઓ સમતુલ્ય છે; પરંતુ તેમાં બે વિશિષ્ટ પ્રકારના બંધ સ્પષ્ટ જણાઈ આવે છે : ષટ્કોણીય ફલક(faces)ના બંધ (C₆–C₆ બંધ) તથા એક ષટ્કોણ અને એક પંચકોણ વચ્ચેના બંધ (C₆–C₅ બંધ). વાયુસ્થિતિમાં આ બંધલંબાઈ અનુક્રમે 1.40 Å તથા 1.46 Å મળે છે; જેથી તેમને દ્વિબંધ C = C તથા એકલ C – C બંધ ગણાવી શકાય. લગભગ 1992ના મધ્યમાં C₆₀નો એકલ સ્ફટિક જુદો પાડી આ બંધારણ (ક) સાબિત કરવામાં આવ્યું છે. વાયુરૂપ પદાર્થ કરતાં અહીં આંતરઆણ્વીય અંતર લગભગ 0.01 Å ઓછું જણાયું.

C₇₀ના એકલ સ્ફટિકનું ઍક્સ-રે-વિવર્તન થયું નથી, પરંતુ સ્પેક્ટ્રમિતિની માહિતીને આધારે તેનું બંધારણ (ખ) મુજબ નક્કી કરાયું છે. આ C₇₀નું બંધારણ C₆₀ ઉપરથી તેને બે અર્ધગોળાકાર C₃₀ એકમોમાં તોડી તથા દસ કાર્બનના પટ્ટા દ્વારા તેમને ફરી જોડીને નક્કી કરાયું છે.

ફુલેરીન C₆₀ તથા C₇₀ની ક્રિયાશીલતા : C₆₀ની ક્રિયાશીલતા અંગેની શોધે આધુનિક ફુલેરીન-રસાયણની શોધ માટે પાયાનું કામ કર્યું છે. આને કારણે આવાં કાર્બનિક પદાર્થો – પિંજર-અણુઓ (cage-molecules) – સંશ્લેષિત રસાયણ માટે ઉપયોગી પ્રક્રિયકો તરીકે કામ આવશે.

ડૂ પોન્ટના રસાયણજ્ઞ પૉલ ક્રુસીકે શરૂમાં C₆₀ને નિષ્ક્રિય પદાર્થ માન્યો હતો. ખરેખર આ પદાર્થ સ્થાયી છે; પરંતુ રાસાયણિક રીતે ખૂબ ક્રિયાશીલ છે.  – ખાસ કરીને મુક્તમૂલકો સાથે તો તે ખૂબ ક્રિયાશીલ જણાયો છે.

આલ્કલી ધાતુમાં C₆₀ ફુલેરીનનો ભેગ કરવાથી (dope, અશુદ્ધિ તરીકે ઉમેરવું) ઉચ્ચ તાપમાને તેના અતિ-વાહક (super conductor) જેવા ગુણધર્મ જણાય છે. હવે તો ફુલેરીન રસાયણ એક શાખા તરીકે વ્યવસ્થિત વિકાસ પામી રહ્યું છે. ક્રુસીક, વાસરમૅન (બંને ડૂ પોન્ટ કંપનીના) તથા પ્રેસ્ટેન, મૉર્ટન, કાઇઝરે (નૅશનલ રિસર્ચ કાઉન્સિલ, કૅનેડા) તાજેતરમાં જ C₆₀ની, પ્રકાશરાસાયણિક રીતે ઉપજાવેલા બેન્ઝાઇલ મૂલકો સાથેની, પ્રક્રિયાઓ વર્ણવી છે. C₆₀ આવા મૂલકો (radicals) પ્રત્યે ખૂબ પ્રક્રિયાશીલ હોઈ તેને મૂલક-છિદ્રિષ્ઠ (radical-sponge) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે, કારણ કે આ અણુને ખરેખર 30 કાર્બન-કાર્બન દ્વિબંધો છે, જેમાં મુક્ત-મૂલકોનું સ્ફટિકીકરણ કરતાં C₆₀ના નારંગી સ્ફટિકો મળે છે. ચક્રણ-સંસ્પંદન (ESR) દ્વારા બેન્ઝાઇલ મૂલક સાથે થતી ફુલેરીન અણુની પ્રક્રિયાની નીપજો દર્શાવે છે કે C₆₀માં 1થી માંડીને ઓછામાં ઓછા 15 બેન્ઝાઈલ મૂલકો ઉમેરાય છે.

કૅલિફૉર્નિયા વિશ્વવિદ્યાલય(સાન્ટા બાર્બરા)ના રસાયણના પ્રોફેસર ફ્રેડ વુડ્લ C₆₀નાં વ્યુત્પન્નો બનાવવામાં અગ્રેસર ગણાય છે. ફુલેરીનને પદ્ધતિસર વધુ ફુલાવતાં જે સંયોજનો બને છે તેમને ફુલેરૉઇડ કહે છે. સુઝુકી, લી, ખેમાણી તથા અલ્મારસન વગેરેએ હાલમાં આવા ફુલેરૉઇડ બનાવવાની પ્રક્રિયાઓ શોધી કાઢી છે.

C₆₀માં કેન્દ્રાનુરાગી યોગશીલ પ્રક્રિયાઓ સહેલાઈથી થાય છે તથા અનેક નીપજો બને છે તેવું વુડ્લની પ્રયોગશાળામાં શોધાયું છે; પરંતુ આવી નીપજોની ઇલેક્ટ્રૉનીય લાક્ષણિકતા ખૂબ બદલાઈ જાય છે અને ખૂબ ઓછી માત્રામાં કાર્બન પિંજરના પાઇ (π) કક્ષકોમાં સંયુગ્મન બાકી રહે છે. ડાએઝોમિથેન સાથેની પ્રક્રિયા વડે વુડ્લ તથા સહકાર્યકર્તાઓએ પૅરાફુલેરૉઇડ તથા મેટાફુલેરૉઇડનું સંશ્લેષણ કર્યું છે. આ ઉપરાંત મિરર (ઍક્સૉન રિસર્ચ), સુ, હાન્સ થોમાન વગેરેએ ફુલેરીનની ક્રિયાત્મકતા વર્ણવી છે. બર્નાર્ડો તથા મિલરે દર્શાવ્યું છે કે ઉપચયન પામેલા C₆₀ની અનેક કેન્દ્રાનુરાગીઓ સાથે પ્રક્રિયા કરતાં સમમિતીય વિસ્થાપિત આલ્કૉક્સિયુક્ત તથા એરાઇલયુક્ત ફુલેરીન વ્યુત્પન્નો બને છે. C₆₀નું વીજરાસાયણિક ઉપચયન કરવું અઘરું છે; પરંતુ તે સુપર ઍસિડી પ્રોટિક માધ્યમમાં તરત ઉપચયન પામે છે. આ રીતે C₆₀-મૂલક ધનાયન બનાવી શકાય છે. (જૉર્જ ઓલાહ). ઉપચયિત C₆₀ને સહેલાઈથી યોગ્ય કેન્દ્રાનુરાગીઓ દ્વારા ઝડપી (trapped) શકાય છે. પરિણામે કેન્દ્રાનુરાગી યોગશીલ નીપજો બને છે. જૉર્જ ઓલાહે (યુનિવર્સિટી ઑવ્ સધર્ન કૅલિફૉર્નિયા) પણ પૉલિમોરીન ફુલેરીન બનાવ્યાં છે. ગ્લેન મિલર (ઍક્સોન)ના અભ્યાસ ઉપરથી સ્મૉલી ચાંગ, ફાઉફલર, વાંગ વગેરેએ ગ્રૅફાઇટમાં લૅન્થેનમ ઑક્સાઇડ ઉમેરી તેનું લેસર દ્વારા બાષ્પીભવન કરીને લૅન્થેનમયુક્ત ફુલેરીન બનાવ્યા છે. C₆₀વાળા એક લૅન્થેનમ પરમાણુ ધરાવતા સંયોજનને La @ C₆₀ (60 કાર્બન પરમાણુના ફુલેરીન પિંજરમાં એક લૅન્થેનમ પરમાણુ) કહેવામાં આવ્યું. આ રીતે La @ C₆₀ ઉપરાંત La @ C₈₂ પણ બનાવાયા છે. આમાંનું La @ C₈₂ એકમાત્ર ટોલ્વિન દ્રાવ્ય લૅન્થે-યુક્ત ફુલેરીન છે. આંતરફલકીય (endohedral) મેટલોફ્લેરિન્સ પણ સ્મૉલીએ બનાવ્યાં છે. લૅન્થેનમ માફક યિટ્રિયમ (Y) પણ ફુલેરીન સાથે સંયોજાઈ શકે છે.

Y @ C₆₀, Y₂ @ Cn, Y₂ @ C₈₂ વગેરે પણ હવે બનાવાયાં છે. નવાઈની વાત એ છે કે La @ C₈₂માં લૅન્થેનમ La⁺³ સ્વરૂપે રહેલો છે. IBMના જૉન્સને અનેક આંતરફલકીય ફુલેરીન સંકીર્ણો (La તથા Y ધરાવતાં) બનાવ્યાં છે. સ્મૉલી મુજબ C₇₀ અને C₈₄માં સર્પિલ(helix)માં ષટ્કોણરચના હોય છે. સ્મૉલી કહે છે કે આવા ફુલેરીન મોટા ગોળાકાર પદાર્થો નહિ, પરંતુ બકીટ્યૂબ્સ છે.

લૅન્થેનમ, સિઝિયમ તથા પોટૅશિયમ પરમાણુઓ ધરાવતાં C₆₀નાં ઝૂમખાંઓનું લેસર કિરણો દ્વારા વિયોજન કરતાં તે ધાતુ અણુઓ ન ગુમાવાતાં માત્ર કાર્બન માળખું દૂર થાય છે, જે દર્શાવે છે કે ધાતુનો અણુ ફુલેરીન માળખામાં અંદર સ્થિત રહે છે.

ફુલેરીનનો ઉપયોગ અતિમજબૂત રેસાઓ તેમજ વિશિષ્ટ વિદ્યુતીય તથા પ્રકાશીય ગુણધર્મો ધરાવતી વસ્તુઓ બનાવવા માટે, સ્નેહક તરીકે અથવા નાના અણુઓને સંપુટિત (encapsulate) કરવા માટે થઈ રહ્યો છે.

આનાથી વધુ રસિક વાત અવકાશમાં કાર્બનસમૃદ્ધ રક્ત-મહાકાય તારાઓમાં C₆₀ સંયોજનોનું શક્ય સ્થાન શોધવાનો પ્રયત્ન છે. આ અણુ ખૂબ સ્થાયિત્વ ધરાવતો હોઈ એક વાર તે બન્યો હોય તો તે સ્થાનાંતર કરવા તથા લાંબા સમય સુધી આંતરતારકીય (inter stellar) અવકાશમાં ટકી રહેવા સક્ષમ રહેશે. આથી શક્યત: લાંબા સમયથી ખગોલ-રસાયણમાં કોયડારૂપ ગણાતા ઝાંખી (diffuse) તારકીય (stellar) રેખાઓના અસ્તિત્વની સમજૂતી પણ કદાચ મળી રહે છે. ખરેખર તો બકમિન્સ્ટર ફુલેરીન પોતે આવું કોઈ અવશોષણ સ્પેક્ટ્રમ દર્શાવતું નથી, પરંતુ C₆₀⁺ આયનમાં અનેક અનુમત વીજાણ્વીય સંક્રમણો શ્ય તથા પારજાંબલી પ્રદેશમાં જોવા મળે છે. જો આ C₆₀⁺ આવા અવશોષણનો સ્રોત (source) હોય તો આંતરતારકીય અવકાશમાં એ એક ખૂબ અગત્યનો ઘટક હોઈ શકે.

બકમિન્સ્ટર ફુલેરીન (C₆₀) અણુ તથા એઇડ્ઝ–પ્રતિરોધક (AIDS inhibitors) વચ્ચેનો સંબંધ અત્યારે ખૂબ ચર્ચામાં છે. 1993માં જૉર્જ કેન્યન તથા સાઇમન ફ્રાઇડમૅને (કૅલિફૉર્નિયા વિશ્વવિદ્યાલય, સાનફ્રાન્સિસ્કો) જળ-દ્રાવ્ય C₆₀નો એક વ્યુત્પન્ન બનાવ્યો છે, જે એઇડ્ઝ–વાયરસની વૃદ્ધિ અટકાવવાનો નોંધપાત્ર ગુણ ધરાવે છે કેન્યને એવી ધારણા રજૂ કરી છે કે C₆₀નો મોટો અણુ HIV-1 પ્રોટીએઝ નામના વાઇરસના ચાવી(key)રૂપ ઉત્સેચકના ક્રિયાશીલ સ્થળ(site)ને, જેમ શીશીને બૂચથી બંધ કરી દેવાય છે તેમ, બંધ કરી દે છે; પરિણામે જૈવિક ઉદ્દીપક તરીકે તેના કાર્યમાં ખલેલ પહોંચાડે છે.

રિચાર્ડ સ્મૉલી, રૉબર્ટ કર્લ જુનિયર તથા હૅરોલ્ડ ક્રોટોને ફુલેરીનના સંશોધન માટે 1996નું નોબેલ પારિતોષિક સંયુક્ત રીતે આપવામાં આવ્યું હતું.

જ. પો. ત્રિવેદી