अनंत विकल्प: वर्ष 2025 का रसायन विज्ञान का नोबेल पुरस्कार

संदर्भ:

वर्ष 2025 का रसायन विज्ञान का नोबेल पुरस्कार सुसुमु कितागावा, रिचर्ड रॉबसन और उमर एम. याघी को “धातु-कार्बनिक ढाँचे (Metal-Organic Frameworks – MOFs) के विकास के लिए” प्रदान किया गया है।

धातु-कार्बनिक ढाँचे (MOFs) के बारे में

• संरचना: MOFs त्रि-आयामी (3डी) क्रिस्टलीय संरचनाएं हैं जिनमें धातु आयन नोड्स के रूप में और कार्बनिक अणु कनेक्टर के रूप में कार्य करते हैं। 
• विशेषताएँ: 
  • अति उच्च छिद्रता: MOFs क्रिस्टलीय संरचनाएं बनाते हैं, जिनमें बहुत अधिक खाली स्थान होता है, जिससे अनेक छिद्र का निर्माण होता है।
    • यह उच्च छिद्रता उन्हें तरल और गैस को अवशोषित करने की अनुमति देती है।
  • उच्च सतह क्षेत्र: लाखों छोटे छिद्रों के कारण, MOFs का आंतरिक सतह क्षेत्र असाधारण रूप से उच्च होता है।
    • इससे गैस या तरल अणुओं को रोकने के लिए पर्याप्त स्थान मिलता है।

धातु-कार्बनिक ढाँचे (MOFs) के विकास में प्रमुख योगदान:

• रिचर्ड रॉबसन – MOFs डिजाइन की नींव (1980 का दशक):
  • धातु-कार्बनिक ढाँचे (MOFs) की अवधारणा 1980 के दशक की है जब मेलबर्न विश्वविद्यालय के रिचर्ड रॉबसन ने यह प्रमाणित किया कि आणविक संरचनाओं को धातु आयनों और कार्बनिक अणुओं के बीच समन्वय का उपयोग करके उद्देश्यपूर्ण रूप से डिजाइन किया जा सकता है।
  • छिद्रयुक्त संरचनाओं का निर्माण: उनके प्रयोग से आंतरिक गुहाओं से भरे हीरे जैसे क्रिस्टल का निर्माण हुआ, जिसने भविष्य के MOFs अनुसंधान की नींव रखी।
  • सीमा: रॉबसन की संरचना अत्यधिक अस्थिर थी, जो जल या ऊष्मा के संपर्क में आने पर आसानी से ढह/बिखर जाती थी।
  • उन्होंने एक फाउंडेशन की स्थापना की, जिसे उन्होंने मेटल ऑर्गेनिक कोऑर्डिनेशन नेटवर्क नाम दिया।
• सुसुमु कितागावा – कार्यात्मक ढांचे का विकास (1997-1998):
  • 3D MOFs का निर्माण: जापान के, सुसुमु कितागावा ने बाइपिरिडीन अणुओं से जुड़े कोबाल्ट, निकल या जिंक आयनों का उपयोग करके त्रि-आयामी ढाँचे का निर्माण किया।
  • गैस भंडारण और उत्सर्जन: ये ढाँचे जल निकल जाने के बाद भी स्थिर बने रहे, जिससे गैसों को उनके परमाणु अंतरालों के माध्यम से संग्रहीत और उत्सर्जित किया जा सका।
  • रंध्रयुक्त सामग्री की अवधारणा (Concept of “Breathing” Solids): वर्ष 1998 में, कितागावा ने प्रस्तावित किया कि MOFs को रंध्र वाले या छिद्र्पूर्ण सामग्री (soft solids) से बनाया जा सकता है जो अणुओं के उनकी संरचना के अंदर और बाहर जाने पर “साँस लेने” में सक्षम होते हैं।
• उमर एम. याघी (जॉर्डन): पूर्वानुमान और औद्योगिक वास्तविकता:
  • याघी ने MOFs उत्पादन को पूर्वानुमान योग्य बनाने का प्रयास किया।
  • उन्होंने रेटिकुलर केमिस्ट्री की अवधारणा प्रस्तुत की, जिसमें परमाणु और आणविक इकाइयों का डिजाइन और संयोजन किया जाता है, जैसे एक भवन वास्तुकार एक संरचना को डिजाइन करता है।
  • उन्होंने उत्तम 3D क्रिस्टलीय संरचनाएं बनाने के लिए धातुओं (जैसे जिंक, कॉपर, कोबाल्ट) और कार्बनिक लिंकर्स (जैसे, बेंजीन डाइकार्बोक्सिलेट) के सटीक अनुपात का उपयोग किया।
  • याघी की टीम ने वर्ष 1995 में एक ऐसा MOFs बनाया जो इतना स्थिर था कि 350°C तक गर्म करने पर भी कायम रहा।
  • इस नवाचार ने MOFs को महज जिज्ञासा से औद्योगिक वास्तविकता में परिवर्तित कर दिया।

MOFs के वास्तविक वैश्विक अनुप्रयोग:

• जल संचयन: MOFs को रात के समय आर्द्र वायु से जल के अणुओं को आकर्षित करने और अवशोषित करने के लिए डिजाइन किया जा सकता है, जिससे दिन के दौरान सूर्य द्वारा गर्म होने पर जल प्राप्त किया जाता है, जिससे शुष्क क्षेत्रों में भी जल संग्रहण संभव हो जाता है।
• खाद्य संरक्षण: विशेष MOFs कंटेनर एथिलीन गैस को अवशोषित कर सकते हैं, जो फल पकने पर उत्सर्जित होती है और फलों को जल्दी खराब कर देती है, जिससे भोजन की ताजगी बढ़ जाती है।
• प्रदूषण नियंत्रण (स्वच्छ जल): MOFs को जल में घुले हानिकारक रसायनों और प्रदूषकों को अवशोषित करने के लिए “सुपर स्पंज” के रूप में डिजाइन किया जा सकता है।
• जलवायु परिवर्तन शमन: धातु-कार्बनिक ढाँचे (MOFs) को कारखानों से निकलने वाले धुएं को फिल्टर करने, कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂) को संग्रहित करने के लिए डिजाइन किया जा सकता है, जबकि अन्य गैसों को प्रवाहित होने दिया जा सकता है।
  • उदाहरण: CALF-20 नामक एक MOFs, कारखानों से निकलने वाले कार्बन डाइऑक्साइड को कुशलतापूर्वक संग्रहित कर सकता है और इसका परीक्षण पहले से ही औद्योगिक संयंत्रों में किया जा रहा है।

धातु-कार्बनिक ढाँचे (MOFs) के समक्ष विद्यमान चुनौतियाँ:

• वास्तविक परिस्थितियों में स्थायित्व: MOFs के स्थायित्व में निरंतर सुधार की आवश्यकता है ताकि वे आर्द्रता और तापमान में उतार-चढ़ाव जैसे वास्तविक विश्व के वातावरण का सामना कर सकें।
• आर्थिक मापनीयता: MOFs का बड़े पैमाने पर और लागत प्रभावी उत्पादन एक प्रमुख वैज्ञानिक और औद्योगिक चुनौती बनी हुई है।
• उपकरणों में एकीकरण: बैटरियों और उत्प्रेरक फिल्टरों में MOFs का उपयोग उनके जटिल रासायनिक संरचना के बराबर इंजीनियरिंग परिशुद्धता की मांग करता है।

निष्कर्ष:

अपने अग्रणी योगदान के माध्यम से, पुरस्कार विजेताओं ने न केवल अणुओं के लिए जगह बनाई, बल्कि अपनी कल्पना के लिए भी जगह बनाई, जिससे रिक्त स्थान को भी ठोस पदार्थ की तरह सटीक रूप से डिजाइन किया जा सकता है।

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