நவீன வேதியியலை ஆராய்வதற்கான புதிய அறைகள்

ரிச்சர்ட் ராப்சன் (Richard Robson), ஓமர் எம். யாகி (Omar M. Yaghi), மற்றும் சுசுமு கிடகாவா (Susumu Kitagawa) என்ற மூவரின் ஆய்வுகள், பலகாலமாக கருதி வந்த

“இயற்கையானது நிலைத்தன்மை காரணமாக நுண்துளைகள் கொண்ட பொருட்களை விட அடர்த்தியான பொருட்களையே விரும்புகிறது”

என்ற கூற்றை மாற்றி உலோக கரிம கட்டமைப்புகள் (metal  organic frameworks or MOFs) என்ற புதிய வகை நுண்துளை திடப்பொருள்கள் உருவாக்கியதற்காக. உலோக அயான்கள் மற்றும் கரிம இணைப்பிகள் மூலம் அமைக்கப்பட்ட இவர்களின் ஆய்வுகள், படிக ஸ்பாஞ்சுகள்  (crystal  sponges) பசுமை இல்ல வாயுக்களை பிடிக்கவும், அவற்றின் சுழற்சியான துளைகளுக்குள் உலோகத்தை வினையூக்கியாகப் பயன்படுத்தி அசாதாரண வேதியியல் வினைகளைச் செய்யவும், பாலைவனக் காற்றிலிருந்து நீரை கைப்பற்றவும், மற்றும் மாசுபட்ட நீரை சுத்திகரிக்கவும் முடியும் என்பதற்கு எடுத்துக்காட்டாக விளங்கின. 

இவை வெறும் திடப்பொருட்கள் அல்ல; இவை கட்டிடக்கலை அதிசயங்கள், வேதியியலின் கண்ணுக்குத் தெரியாத கையால் வழிநடத்தப்பட்ட lego செங்கற்களைப் போல சுயதொகுப்பு (self assemble) செய்து விரிவான, துளையுடைய அடுக்குகளாக (லேட்டிஸ்) உருவாகும், அவை நமது உலகத்தை மறுவடிவமைக்க உறுதியளிக்கின்றன.

MOFன் புரிந்துகொள்ள, நாம் சற்று பின்னோக்கி செல்ல வேண்டும். 1974இல், ரிச்சர்ட் ராப்சன், மெல்போர்ன் பல்கலைக்கழகத்தில் ஒரு இளம் விரிவுரையாளர். ஒருங்கிணைப்புச் சேர்மங்களின் வேதியியலை கற்பிக்கும் பணியில் ஈடு பட்டிருந்த போது, தனது அலுவலகத்தில் 3D படிக மாதிரிகளைத் தயாரிக்கும் போது, ஒரு உள்ளுணர்வு தாக்கியது. உலோக அணுக்களும், இணைப்புகளும் (ligands) இணையும் போது,

“மூலக்கூறுகளிலிருந்தே முழு கட்டமைப்புகளை உருவாக்கலாம், அவற்றை lego செங்கற்களைப் போல இணைத்து வேதியியலின் கண்ணுக்குத் தெரியாத கையால் வழிநடத்தலாம்

என்ற எண்ணம் தோன்றியது. 

இது வெறும் கற்பனை அல்ல. ஒருங்கிணைவு (Coordination) வேதியியலில், உலோகங்களை பிணைப்பால் இணைக்கும் கலை, நீண்ட காலமாக தனிமைப்படுத்தப்பட்ட உலோகத் தொகுதிகளை (metal complexes) உருவாக்கியுள்ளது. ராபின்சனுக்கு, ‘இந்த உலோக இணைப்பு தேன்கூடு கட்டமைப்புகள் போல் துளைகளுடன் உருவாக்க  முடியுமா?’ என்ற கேள்வி எழுந்தது.

ஏனென்றால் அக்காலங்களில், ஜியோலைட்கள் (zeolites) என்ற அலுமினோசிலிகேட்டினால் அமைக்கப்பட்ட  நுண் சல்லடைகள் 1930களிலிருந்து எண்ணெய் சுத்திகரிப்பு நிலையங்களில் பயன்படுத்தப்பட்டன. இதற்கு துளையுடைமையின் சக்தியை ஒரு பார்வையை வழங்கின. ஆனால் அவை கடினமான, கனிம கட்டப்பமைப்பால்  உருவானவை. ஒரு கட்டிடக் கலைஞர் ஒரு கட்டிடத்தை வரைபடத்துடன் வடிவமைப்பது போல, துளையுடன் கூடிய கனிம கட்டமைப்பை  உருவாக்குவதற்கான ரசாயன வழிமுறைகள் அறியப்படாத காலம். 

1980களின் பிற்பகுதியில், ராப்சன், காப்பர் அயான்களைத் தேர்ந்தெடுத்து அதனுடன் விளிம்பில் நைட்ரஜனைக் கொண்ட ஒரு  நான்முகி கரிம  மூலகத்துடன் இணைக்க முயன்றார். காப்பர் நைட்ரஜன் சார்ந்த இணைப்புகளுடன் எளிதாக எதிர்வினையாற்றும் என்பது வேதியியலாளர்கள் அறிந்த விஷயம்.

இது வைரத்தில் உள்ள கரிம வலையமைப்பை போல் ஒரு படிகத்தை உருவாக்கியது. ராப்சன் 1989 இதழ் கட்டுரையில் (J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, 5962–5966), “infinite polymeric frameworks consisting of three-dimensionally linked rod-like segments” என்று விவரித்தார். மேலும் அவர் நுண்ணிய துளைகளை கண்டு வியந்தார். விருந்தினர் மூலக்கூறுகள் சுதந்திரமாக திரிவதற்கு  போதுமான அளவு பெரியதாக உள்ளது, ஆனால் நிலைத்திருக்க முடிகிறது. “இந்த கட்டமைப்புகள் தேர்ந்தெடுக்கப்பட்ட வினையூக்கம் அல்லது உறிஞ்சுதல் போன்ற இயற்பியல் மற்றும் வேதியியல் பண்புகளைக் கொண்டிருக்கலாம்” என்று கூறினார். திடப்பொருளின் உடையக்கூடிய தன்மையை விமர்சகர்கள் கண்டித்தாலும், ராப்சன் சாத்தியமான அயனி பரிமாற்ற பண்புகளை ஆராய்ந்தார் (J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1990, 676–677). 

அவரது ஆய்வு ஒரு நிலையான அடிக்கல்லை நாட்டியது:

இது வெறும் அழகிய படிகம் அல்ல:  சுய-அசெம்பிளி வேதியியல் மூலம் நுண்துளைகள் கொண்ட திடப்பொருளை உருவாக்க முடியும்

என்று காண்பித்தது.

பசிபிக்கின் இன்னொரு பக்கம், ஜோர்டனிலிருந்து குடி பெயர்ந்து, யூனிவர்சிட்டி ஆஃப் இல்லினாய்ஸில் பட்டம் பெற்ற, ஓமர் யாகி வேறு விதமாக சிந்திக்க தொடங்கினார். அதிக வெப்பத்தைப் புறக்கணித்து, பாரம்பரிய திட நிலை வினைகளைத் தவிர்த்து, “ஏன் ஒரு பொறியாளரைப் போல் உலோகத்தையும் இணைப்பையும் பிணைக்க முடியாது?” என்ற கேள்வியை எழுப்பினார்.

1992இல், யாகி, ராப்சனின் கருத்துக்களை அடிப்படையாகக் கொண்டு காப்பருக்குப் பதிலாக மேலும் நிலையான துத்தநாகத்தையும் கோபால்ட்டையும் இன்னொரு கரிம மூலகத்துடன் இணைத்தார். இக்கட்டுரையில் தான் (“Design and Construction of a Novel Porous Three-Dimensional Framework Material”, Nature 1995, 378, 703-706), இவர் முதன் முதலில் உலோக கரிம கட்டமைப்பு (Metal Organic Framework  or MOF) என்ற சொற்றொடரை உருவாக்கினார்.

அவரது படிகங்கள் 2D-தாள்களாக இருந்தாலும், 350°C வரை கரைப்பான் மூலகங்களை தனது துளையில் நிலையாக வைத்திருந்தது. ராப்சனின் படிகங்கள் போல் அல்லாமல், யாகியின் படிகங்கள் வெற்றிடத்தை  நிலையாக வைத்திருந்தது. 

அசலான புரட்சி 1999ல் வந்தது. யாகியின் குழு MOF-5 என்ற துத்தநாகம் கணுக்கள்   டெரெஃப்தலேட் (terephthalate) என்ற இணைப்புடன் பிணைந்து ஒரு கனசதுரத் திடப்பொருளை உருவாக்கினர். இதில் விருந்தினர் மூலகங்கள் ஏதும் இல்லை. ஆச்சர்யமான விஷயம் என்னவென்றால், இதில் அமைந்துள்ள நுண்துளைகள், வேறு எந்த திடப்பொருள்களிலும் காணப்படாத அளவிற்கு மேற்பரப்பு பகுதி (surface area 2900 m²/g) கொண்டிருந்தன. இது ஜியோலைட்ஸ்களை (500–800 m²/g) விட அதிகமானது. ஒன்றிரண்டு கிராம் பொருளில் ஒரு கால் பந்து மைதானம் அளவிற்கு ஸ்பாஞ்சு பண்பு கிடைக்கும். “This porosity provides unprecedented gas storage and separation ” என்று நேசர் இதழில் Nature 1999, 402, 276–279) குறிப்பிட்டார். 

யாகி இத்துடன் நிற்கவில்லை. 2002 முதல் 2003 வரை, அவர் வலையுருவான ரெடிகுலர் வேதியியல், மூலக்கூறு கம்பிகளிலிருந்து முடிவற்ற, மீண்டும் மீண்டும் வரும் வடிவங்களை நெய்யும் கலையை கண்டுபிடித்து, அவர் இந்த துறையை மேம்படுத்தினார். யாகியின் கட்டமைப்புகளில் ஒரு சர்க்கரைத் துகளுக்குள்  ஒரு கால்பந்து மைதானத்தை அடைக்கும் அளவு பெரிய துளைகள் உள்ளன, ஆனால் அவை இலகுவானவை மற்றும் கரிமம், நீரியம், உயிரியம் மற்றும் உலோகங்கள் போன்ற அன்றாட தனிமங்களால் மலிவாக உருவாக்கப்படுகின்றன. MOFகள் வெறுமனே துளையிடப்பட்டவை அல்ல; அவை தனிப்பயனாக்கக்கூடியவை. பாலைவன காற்றில் இருந்து தண்ணீரைப் பிடிக்க வேண்டுமா? அவர் அதைச் செய்தார். தூய ஹைட்ரஜன் எரிபொருளாக தண்ணீரைப் பிரிக்க வேண்டுமா? முடிந்தது. 

ஜப்பானில் ஒரு அமைதியான கண்டுபிடிப்பாளரான சுசுமு கிடகாவா, உலோக அணுக்களை எளிய கரிம அடிப்படையிலான “இணைப்பிகளுடன்” (பிளாஸ்டிக் அல்லது சர்க்கரையில் உள்ளவை போன்ற கரிம மூலக்கூறுகள்) இணைக்கும் வழிகளை ஆராய்ந்தார். தனது ஆராய்ச்சி வாழ்க்கை முழுவதும், சுசுமு கிடகாவா ஒரு முக்கியமான கொள்கையைப் பின்பற்றியுள்ளார்: “பயனற்றதன் பயனை” காண முயற்சிப்பது.

அதன்படி, கிடகாவா நுண்துளை மூலக்கூறு கட்டமைப்புகளை உருவாக்குவதற்கான சாத்தியக்கூறுகளை ஆராயத் தொடங்கியபோது, ​​அவை ஒரு குறிப்பிட்ட நோக்கத்தைக் கொண்டிருக்க வேண்டும் என்று அவர் நம்பவில்லை. 1992 இல் அவர் தனது முதல் மூலக்கூறு கட்டுமானத்தை வழங்கியபோது, ​​அது உண்மையில் குறிப்பாக பயனுள்ளதாக இல்லை. இருப்பினும், மூலக்கூறுகளைக் கொண்டு கட்டும் கலை பற்றிய புதிய சிந்தனையின் விளைவாக இது ஏற்பட்டது. ராப்சனைப் போலவே, அவர் செப்பு அயனிகளை பெரிய மூலக்கூறுகளால் இணைக்கப்பட்ட மூலக்கற்களாகப் பயன்படுத்தினார். 

1997 ஆம் ஆண்டு, கோபால்ட், நிக்கல் அல்லது துத்தநாக இயான்களை 4,4′-பைபிரிடைன் மூலம் இணைத்து 3D கட்டமைப்புகளை உருவாக்கி, வாயுக்கள் உள்ளேயும் வெளியேயும் பயணிக்க முடியும் என்பதை நிரூபித்தார். மேலும், சுற்றுச்சூழல் தூண்டுதல்களுக்கு ஏற்ப வடிவம் மாறும் “மூச்சு விடும்” நெகிழ்வான MOF-களின் கருத்தை முன்னோடியாக அறிமுகப்படுத்தினார், இது வாயு சேமிப்பு, பிரிப்பு மற்றும் கரிமப் பிடிப்பு போன்ற பயன்பாடுகளுக்கு அவற்றின் திறனை விரிவாக்கியது. இந்த இணைப்புகள் நீட்டவும் வளையவும் முடியும், மிகப் பெரிய, துளையிடப்பட்ட கட்டமைப்புகளை—வீட்டு கடற்பஞ்சை விட அதிக வெற்றிட இடைவெளிகளைக் கொண்ட கட்டமைப்புகளை உருவாக்க முடியும் என்பதை அவர் கண்டறிந்தார். இது மூலக்கூறு அளவில் ஒரு உயரமான கட்டிடத்தின் கட்டமைப்பை உருவாக்குவது போல இருந்தது, அதன் துளைகள் வாயுக்களைப் பிடிக்கும் அளவு பெரியவை, ஆனால் உள்ளேயும் வெளியேயும் செல்வதைக் கட்டுப்படுத்தும் அளவு சிறியவை. 

கரிமப் பிடிப்புக்கான புதிய பொருட்களை அடையாளம் காண செயற்கை நுண்ணறிவு

ஆராய்ச்சியாளர்கள் ஏராளமான மாறுபட்ட மற்றும் செயல்பாட்டு MOFகளை உருவாக்கியுள்ளனர். இதுவரை, பெரும்பாலான சந்தர்ப்பங்களில், இந்தப் பொருட்கள் சிறிய அளவில் மட்டுமே பயன்படுத்தப்பட்டு வருகின்றன. மனிதகுலத்திற்கு MOF பொருட்களின் நன்மைகளைப் பயன்படுத்த, பல நிறுவனங்கள் இப்போது அவற்றின் பெருமளவிலான உற்பத்தி மற்றும் வணிகமயமாக்கலில் முதலீடு செய்கின்றன. சில வெற்றி பெற்றுள்ளன.  உதாரணமாக, மின்னணுத் துறை இப்போது குறைக்கடத்திகளை உற்பத்தி செய்யத் தேவையான சில நச்சு வாயுக்களைக் கட்டுப்படுத்த MOF பொருட்களைப் பயன்படுத்தலாம். மற்றொரு MOF, ரசாயன ஆயுதங்களாகப் பயன்படுத்தக்கூடிய சிலவற்றை உள்ளடக்கிய தீங்கு விளைவிக்கும் வாயுக்களை உடைக்க முடியும். பசுமை இல்ல வாயு வெளியேற்றத்தைக் குறைக்க, தொழிற்சாலைகள் மற்றும் மின் நிலையங்களிலிருந்து கார்பன் டை ஆக்சைடைப் பிடிக்கக்கூடிய பொருட்களையும் பல நிறுவனங்கள் சோதித்து வருகின்றன. 

MOFs இருந்து கோவேலென்ட் ஆர்கானிக் ஃப்ரேம்வொர்க்ஸ் (COFs) நோக்கிய  மாற்றம் ‘கரிமப்பிடிப்பு’ தொழில்நுட்பத்தில் ஒரு முக்கிய முன்னேற்றமாகும். COFs, தங்களின் வலுவான கோவாலென்ட் பிணைப்புகளுடன், MOFs-ஐ விட மேம்பட்ட இரசாயன மற்றும் வெப்ப நிலைத்தன்மையை வழங்குகின்றன. இதனால், அவை நேரடி காற்று பிடிப்பு பயன்பாடுகளுக்கு மிகவும் பொருத்தமாக இருக்கின்றன. AI இந்த துறையை மாற்றி அமைக்கிறது, குறிப்பாக பொருட்களின் கண்டுபிடிப்பு மற்றும் மேம்பாட்டை வேகமாக்குவதில். ஜெனரேட்டிவ் மாடல்கள் மற்றும் மூலக்கூறு சிமுலேஷன்கள் போன்ற AI சார்ந்த ஆல்காரிதம்கள் CO2 உறிஞ்சும் திறன் மற்றும் நிலைத்தன்மையை மேம்படுத்திய MOFs மற்றும் COFs-ஐ விரைவாக வடிவமைக்கவும் திரையிடவும் உதவுகின்றன. இதனால், மாதங்கள் ஆகும் ஆராய்ச்சி நேரத்தை சில மணி நேரங்களுக்கு குறைக்க முடிகிறது. இரசாயனத்துடன் AI இணைவது, அளவளாவிய மற்றும் செலவு குறைந்த கரிமப் பிடிப்பு தீர்வுகளுக்கான வழியை உருவாக்குகிறது.

தற்போது ஆராய்ச்சியாளர்கள் மெட்டல்-ஆர்கானிக் கட்டமைப்புகளுக்கான (MOFs) நிலைகளை முன்னறிவிக்க ChatGPT ஐப் பயன்படுத்தியுள்ளனர், இது கடந்த ஆய்வு ஆராய்ச்சியின் பகுப்பாய்வு மற்றும் வடிவமைப்பிற்கான காலத்தை குறிப்பிடத்தக்க அளவிற்கு குறைக்கிறது, இதனால் இரசாயன ஆராய்ச்சியில் உற்பத்தியை மேம்படுத்தும் என்று கருதப்படுகிறது.

ஆனால் இன்றைய கரிமப் பிடிப்பு தொழில்நுட்பங்கள் மின் உற்பத்தி நிலைய வெளியேற்றம் போன்ற கார்பனின் செறிவூட்டப்பட்ட மூலங்களுக்கு மட்டுமே நன்றாக வேலை செய்கின்றன. அதே முறைகளால் சுற்றுப்புற காற்றில் இருந்து கார்பன் டை ஆக்சைடை திறம்பட பிடிக்க முடியாது, அங்கு செறிவுகள் ஃப்ளூ வாயுக்களை  விட நூற்றுக்கணக்கான மடங்கு குறைவாக இருக்கும். ஆயினும்கூட, நேரடி காற்று பிடிப்பு (Direct Air Capture), CO2 அளவுகளின் உயர்வை மாற்றியமைக்கிறது, இது ஒரு மில்லியனுக்கு 426 பாகங்களை (பிபிஎம்) எட்டியுள்ளது, இது தொழில்துறை புரட்சிக்கு முந்தைய அளவை விட 50% அதிகமாகும். இது இல்லாமல், காலநிலை மாற்றத்திற்கான அரசுகளுக்கிடையேயான குழுவின் படி, வெப்பமயமாதலை உலக சராசரியை விட 1.5°C குறைக்கும் வரை  மனிதகுலத்தின் இலக்கை அடைய முடியாது.

சமீபத்தில் ஓமர் யாஹி குழு, காற்றில் கரைந்துள்ள கார்பன் டைஆக்சைடு பிடிக்க COF-999 என்ற மஞ்சள் நிற படிகப் பொருளை உருவாக்கியுள்ளது. இதன் கட்டமைப்பிலுள்ள கார குணம் கொண்ட அமின் குழுக்கள், அமில குணம்கொண்ட கார்பன் டையாக்சைடு வாயுவைப் பிடிக்க உதவுகின்றன. ஓராண்டில் 200 கிராம் தூளானது, 20kg CO2 ஐ உறிஞ்ச முடியும்.  மேலும் இது ஈரமான சூழ்நிலைகளில் கூட செயல்படக்கூடியது, பாரம்பரிய பொருட்களை விட 10 மடங்கு வேகமாக CO2 ஐ பிடிக்கிறது. COF-999 இல் உள்ள கோவேலன்ட் பிணைப்புகள் இந்த கட்டமைப்பை மிகவும் நிலையானதாகவும், ஈரப்பதம் மற்றும் அமிலமான சூழ்நிலைகளில் கூட மாறாமல் இருக்க உதவுகிறது. இதன் குறைந்த வெளியீட்டு வெப்பநிலை (60°C), கழிவுக் காய்ச்சல்களைப் பயன்படுத்தி மீண்டும் செயல்படுத்துவதற்கு ஏதுவாக உள்ளதால், இது எரிசக்தி திறனை அதிகரிக்கும். மேலும், இந்த பொருளின் வடிவமைப்பு நூற்றுக்கணக்கான சுழற்சியிலும் செயல்திறனை பராமரிக்க உதவுகிறது. இது பல்வேறு சுற்றுச்சூழல் நிலைகளில் நீண்டகால பயன்பாட்டிற்கு உறுதியாக இருக்கும். 

இந்த COF-999 வடிவமைப்பதில் ChatGPT மற்றும் AI, முக்கிய பங்கு வகிக்கின்றன. AI நிரல் நெறிமுறைகள், அதாவது இயற்கை கற்றல் மற்றும் ஆழ்ந்த கற்றல்,  பொருட்களின் பண்புகளை கணிக்கவும், வடிவமைப்புகளை திறம்பட மேம்படுத்தவுது மட்டுமில்லாமல் புதிய பொருட்களை கண்டுபிடிக்கும் செயல்முறையையும் விரைவுபடுத்துகிறது. COF-999 இன் மூலக கட்டமைப்பு, மிகுந்த தரவுத்தொகுப்புகளை பகுப்பாய்வு செய்து சிறந்த கட்டமைப்புகளை அடையாளம் காண AI இன் திறனைப் பயன்படுத்தி, கரியம் பிடிப்பிற்கு மேம்பட்டதாக உருவாக்கப்பட்டது. AI மற்றும் பொருட்கள் அறிவியல் இடையே உள்ள இந்த ஒத்துழைப்பு கரிமப் பிடிப்பு தொழில்நுட்பங்களுக்கு புதுமையான தீர்வுகளை உருவாக்குகிறது.

ChatGPT Research Group for Optimizing the Crystallinity of MOFs and COFs

Zhiling Zheng, Oufan Zhang, Ha L. Nguyen, Nakul Rampal, Ali H. Alawadhi, Zichao Rong, Teresa Head-Gordon, Christian Borgs, Jennifer T. Chayes, and Omar M. Yaghi ACS Central Science

20239 (11), 2161-2170 DOI: 10.1021/acscentsci.3c01087

https://pubs.acs.org/doi/epdf/10.1021/acscentsci.3

நிலைத்தன்மையை நோக்கி விரையும் உலகில், ராப்சன், யாகி மற்றும் கிடாகாவா, ஆகியோர் மிகச் சிறிய கட்டுமானத் தொகுதிகளில் மிகப் பெரிய தீர்வுகள் இருக்க முடியும் என்பதை நமக்கு நினைவூட்டுகின்றனர். அவர்களின் MOFகள் வெறும் திடப்பொருள்கள் அல்ல. நாளை கடலில் உள்ள நுண்நெகிழிகளை (மைக்ரோபிளாஸ்டிக்ஸ்) உறிஞ்சும் ஒரு MOF ஆகவோ அல்லது குளிர்சாதன பெட்டி இல்லாமல் தடுப்பூசிகளை சேமிக்கும் ஒரு MOF ஆகவோ மாறலாம். நோபல் பரிசு கடந்த காலத்தை மட்டும் கொண்டாடவில்லை—அது எதிர்காலத்தை தீபாக்கினியாக்குகிறது. 

இதுதான் வேதியியல் அதன் மிகவும் ஈர்க்கும் வடிவத்தில்: “என்னவாக இருக்கும்” என்பதை “நாங்கள் செய்தோம்” என்று மாற்றுகிறது.

---

தொடர்புள்ள பதிவு

நாளைய வேதியியல் ஆய்வக உதவியாளர்கள்

---

நேற்றைய பரிசு

இயற்பியல் நோபல் பரிசு 2025

---

சென்ற ஆண்டிற்கான பரிசு

கணக்கீட்டு புரத வடிவமைப்பு மற்றும் கணிப்பு

---

உசாத்துணை

• Popular science background: They have created new rooms for chemistry (pdf) 
• Scientific background to the Nobel Prize in Chemistry 2025 (pdf)
• Susumu Kitagawa
• Richard Robson
• Omar M. Yaghi