বিশ্বের কঠিনতম হীরা তৈরি করলেন চীনা বিজ্ঞানীরা, ৬০ বছরের বৈজ্ঞানিক অনুসন্ধানের অবসান

অতিসুপারকঠিন পদার্থের নতুন যুগ

বিশ্বজুড়ে বিজ্ঞানীরা ছয় দশকেরও বেশি সময় ধরে যে লক্ষ্য অর্জনের চেষ্টা করেছেন, চীনা গবেষকেরা তা করে দেখিয়েছেন: বিশুদ্ধ ষড়ভুজাকার হীরা বাল্ক আকারে তৈরি। Nature সাময়িকীতে প্রকাশিত এই যুগান্তকারী গবেষণায় প্রথমবারের মতো বিজ্ঞানীরা এই বিরল কার্বন রূপের মিলিমিটার-আকারের নমুনা সংশ্লেষ করেছেন। ধারণা করা হয়, প্রজন্মের পর প্রজন্ম ধরে মোহস কঠোরতা স্কেলে শীর্ষে থাকা প্রচলিত ঘনকাকার হীরার চেয়েও কঠিন এই পদার্থ।

ঝেংঝৌ বিশ্ববিদ্যালয়, জিলিন বিশ্ববিদ্যালয় এবং সেন্টার ফর হাই প্রেসার সায়েন্স অ্যান্ড টেকনোলজি অ্যাডভান্সড রিসার্চের পদার্থবিজ্ঞানীদের নিয়ে গঠিত গবেষক দলটি ষড়ভুজাকার হীরা স্বতন্ত্র পদার্থ হিসেবে আদৌ আছে কি না, তা নিয়ে দীর্ঘদিনের বৈজ্ঞানিক বিতর্কের কার্যত অবসান ঘটিয়েছে। তাদের গবেষণায় নিশ্চিত হয়েছে, ১৯৬৭ সালে অ্যারিজোনার একটি উল্কাপিণ্ডে প্রথম আবিষ্কৃত লন্সডেলাইট শুধু ত্রুটিপূর্ণ ঘনকাকার হীরা নয়, বরং স্বতন্ত্র বৈশিষ্ট্যসম্পন্ন কার্বনের একটি প্রকৃত দশা। এই বৈশিষ্ট্য শিল্প উৎপাদন, মহাকাশ প্রকৌশল এবং কোয়ান্টাম সেন্সিং প্রযুক্তিতে বিপ্লব ঘটাতে পারে।

পৃথিবীর ম্যান্টলের গভীরে ঘনকাকার পরমাণু বিন্যাসে তৈরি প্রাকৃতিক হীরার বিপরীতে, ষড়ভুজাকার হীরায় কার্বন পরমাণুগুলো মৌচাকের মতো জালক কাঠামোয় সাজানো থাকে। এই বিন্যাসে স্তরগুলোর মধ্যে বন্ধন ছোট ও শক্তিশালী হয়। ফলে কাটার সরঞ্জাম, খননযন্ত্র এবং উচ্চক্ষমতাসম্পন্ন ইলেকট্রনিকসে ব্যবহৃত প্রচলিত হীরার তুলনায় এটি বেশি কঠিন ও তাপীয়ভাবে স্থিতিশীল হতে পারে।

এই সংশ্লেষণ কেবল পরীক্ষাগারের কৌতূহলের বিষয় নয়। কয়েক দশক ধরে পরীক্ষার উপযোগী পরিমাণে বিশুদ্ধ ষড়ভুজাকার হীরা তৈরি করতে না পারায় এর তাত্ত্বিক বৈশিষ্ট্য তত্ত্বেই সীমাবদ্ধ ছিল। আগের প্রচেষ্টায় তৈরি হয়েছিল কেবল ন্যানোস্কেল স্ফটিক, যা মাত্র কয়েক ন্যানোসেকেন্ড টিকত; অথবা গ্রাফাইট ও ঘনকাকার হীরার মিশ্রণ, ফলে নিশ্চিতভাবে বৈশিষ্ট্য নিরূপণ করা অসম্ভব হয়ে পড়ত। ১০০ মাইক্রোমিটার থেকে ১.৮ মিলিমিটার ব্যাসের স্ফটিক তৈরি করে চীনা দলটি এই দুর্লভ পদার্থের পূর্ণাঙ্গ যান্ত্রিক পরীক্ষা চালানোর প্রথম সুযোগ করে দিয়েছে।

বৈজ্ঞানিক বিতর্কের ছয় দশক

ষড়ভুজাকার হীরার ইতিহাস শুরু হয় ১৯৬২ সালে। সে বছর পিটসবার্গ কয়লা গবেষণা কেন্দ্রের গবেষকেরা প্রথম প্রস্তাব করেন, কার্বন পরমাণু পরিচিত ঘনকাকার কাঠামোর বদলে ষড়ভুজাকার জালকে সাজতে পারে। বন্ধন বিন্যাসের স্বতন্ত্র বৈশিষ্ট্যের কারণে এই তাত্ত্বিক রূপটি বেশি কঠিন হওয়ার সম্ভাবনা তৈরি করেছিল। তবে এর অস্তিত্ব প্রমাণ করতে আরও পাঁচ বছর এবং পৃথিবীর বাইরের একটি উৎসের প্রয়োজন হয়।

১৯৬৭ সালে অ্যারিজোনার ব্যারিঞ্জার গর্ত থেকে পাওয়া ক্যানিয়ন ডায়াবলো উল্কাপিণ্ডের খণ্ড পরীক্ষা করে ভূতত্ত্ববিদেরা একটি নতুন খনিজ আবিষ্কারের ঘোষণা দেন। বেনজিনের গঠন নির্ধারণকারী পথিকৃৎ স্ফটিকবিজ্ঞানী ডেম ক্যাথলিন লন্সডেলের সম্মানে এর নাম রাখা হয় লন্সডেলাইট। ধারণা করা হয়, প্রায় ৫০ হাজার বছর আগে উল্কাপিণ্ডটি পৃথিবীতে আছড়ে পড়ার সময় সৃষ্ট প্রচণ্ড তাপ ও চাপে এই ষড়ভুজাকার হীরা তৈরি হয়েছিল। পরে ভারতের আসামের গোলপাড়া উল্কাপিণ্ডেও এর অনুরূপ চিহ্ন পাওয়া যায়।

তবে উদ্‌যাপনটা ছিল আগাম। সমালোচকদের দাবি, এই নমুনাগুলো প্রকৃত ষড়ভুজাকার হীরা নয়; বরং স্তর-বিন্যাসের ত্রুটি বা বিশৃঙ্খল গঠনযুক্ত ঘনকাকার হীরা, যা কেবল ষড়ভুজাকার প্রতিসাম্য অনুকরণ করে। ২০২১ সালে গবেষকেরা এমন কিছু গবেষণা প্রকাশ করেন, যেখানে বলা হয় আগে শনাক্ত করা সব লন্সডেলাইট আসলে ভুলভাবে শনাক্ত করা ঘনকাকার হীরার রূপ। এই সংশয় টিকে ছিল, কারণ বিতর্কের চূড়ান্ত নিষ্পত্তির মতো পর্যাপ্ত পরিমাণে বিশুদ্ধ ষড়ভুজাকার হীরা কোনো পরীক্ষাগারেই তৈরি করা যায়নি।

যুগান্তকারী সাফল্যের প্রকৌশল

ষড়ভুজাকার হীরার তাপগতীয় অস্থিতিশীলতা মোকাবিলায় নতুন উচ্চচাপ ও উচ্চতাপের কৌশল উদ্ভাবনই চীনা দলের সাফল্যের মূল চাবিকাঠি। ২ টেরাপাস্কাল পর্যন্ত চাপে sp3-বন্ধনযুক্ত কার্বনের সবচেয়ে স্থিতিশীল রূপ ঘনকাকার হীরা হলেও গবেষকেরা বুঝতে পারেন, পূর্ববর্তী পদার্থের গঠন ও সংশ্লেষণের শর্ত সতর্কভাবে নিয়ন্ত্রণ করে ষড়ভুজাকার হীরা তৈরির প্রক্রিয়াকে গতিবিদ্যাগতভাবে নিয়ন্ত্রণ করতে হবে।

পরমাণুর স্তরগুলো সুশৃঙ্খলভাবে সাজানো কৃত্রিম কার্বন পদার্থ, উচ্চমাত্রায় অভিমুখী পাইরোলাইটিক গ্রাফাইট নিয়ে কাজ করেন গবেষকেরা। তারা উচ্চ-শক্তির ঘন অ্যালুমিনিয়াম অক্সাইড ব্যবহার করে তৈরি পিস্টন-সিলিন্ডার প্রেসকে মাল্টি-অ্যানভিল প্রেসের সঙ্গে যুক্ত করে একটি স্বতন্ত্র যন্ত্রব্যবস্থা তৈরি করেন। এতে তারা গ্রাফাইটকে পাশ থেকে নয়, বরং কার্বন-স্তরের লম্বভাবে z-অক্ষ বরাবর প্রধানত সংকুচিত করতে সক্ষম হন।

নমুনাগুলোকে ২০ গিগাপাস্কাল চাপে, অর্থাৎ সমুদ্রপৃষ্ঠে পৃথিবীর বায়ুমণ্ডলীয় চাপের প্রায় ২ লাখ গুণ চাপে, ১০ ঘণ্টা ধরে সংকুচিত করা হয়। তাপমাত্রা ছিল ২,৩০০ থেকে ৩,৪৫০ ডিগ্রি ফারেনহাইট (১,৩০০ থেকে ১,৯০০ ডিগ্রি সেলসিয়াস)। ইন-সিটু এক্স-রে ডিফ্র্যাকশন ব্যবহার করে তাৎক্ষণিক পর্যবেক্ষণের মাধ্যমে বিজ্ঞানীরা রূপান্তরের অণুবীক্ষণিক প্রক্রিয়াটি দেখতে পান। এতে মার্টেনসাইটীয় রূপান্তর নিশ্চিত হয়: স্তরগুলোর মধ্যে স্লাইডিং এবং গ্রাফাইটের স্তরগুলোর সরাসরি বন্ধনের মাধ্যমে ষড়ভুজাকার গ্রাফাইট ষড়ভুজাকার হীরায় রূপান্তরিত হয়।

উন্নত কর্মক্ষমতা পরিমাপ

অবশেষে মিলিমিটার-আকারের নমুনা পাওয়ায় গবেষক দলটি নিশ্চিতভাবে যান্ত্রিক পরীক্ষা চালাতে পেরেছে। ভিকার্স কঠোরতা পরীক্ষা ও অন্যান্য পদ্ধতিতে তারা আঁচড় ও বিকৃতির বিরুদ্ধে পদার্থটির প্রতিরোধ মাপেন। ফলাফলে দেখা যায়, ষড়ভুজাকার হীরার কঠোরতা ১১৪ থেকে ১৬৫ গিগাপাস্কাল। প্রাকৃতিক ঘনকাকার হীরার ক্ষেত্রে এই মান প্রায় ১১০ গিগাপাস্কাল। অর্থাৎ কঠোরতায় উল্লেখযোগ্য বৃদ্ধি হয়েছে, তবে প্রাথমিক পূর্বাভাসে ধারণা করা ৫০ শতাংশ বৃদ্ধির চেয়ে কিছুটা কম।

কঠোরতার পাশাপাশি, পদার্থটি অসাধারণ তাপীয় স্থিতিশীলতা দেখিয়েছে এবং ১,১০০ ডিগ্রি সেলসিয়াস পর্যন্ত তাপমাত্রায় জারণ প্রতিরোধ করেছে। এই বৈশিষ্ট্য ঘনকাকার হীরার একটি গুরুত্বপূর্ণ সীমাবদ্ধতা মোকাবিলা করে: শিল্পক্ষেত্রে খনন বা কাটার কাজের সময় উচ্চ তাপমাত্রায় অক্সিজেনের সংস্পর্শে এলে এর উপরিভাগে ত্রুটি তৈরি হতে পারে। ষড়ভুজাকার কাঠামোর দৃঢ়তা ও জারণ-প্রতিরোধের কারণে প্রচলিত হীরা যেখানে অকার্যকর, এমন চরম পরিবেশে এটি ব্যবহারের সম্ভাবনা রয়েছে।

উচ্চ-রেজোলিউশনের ট্রান্সমিশন ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপি দিয়ে কাঠামো বিশ্লেষণ করে ষড়ভুজাকার হীরার বৈশিষ্ট্যসূচক এবি স্তর-বিন্যাসযুক্ত বাঁকানো মৌচাকের মতো স্তর নিশ্চিত করা হয়েছে। বর্ণালিবীক্ষণিক বিশ্লেষণে দেখা গেছে, সব বন্ধনই sp3 সিগমা বন্ধন; অবশিষ্ট গ্রাফাইটের দূষণ নির্দেশ করে এমন কোনো sp2 পাই বন্ধন নেই। উল্লেখযোগ্যভাবে, স্তরগুলোর মধ্যে একটি বন্ধন বাকি তিনটির তুলনায় ছোট। ঘনকাকার হীরার তুলনায় কাঠামোগত শক্তি বেশি হওয়ার কারণ এটি ব্যাখ্যা করে।

শিল্প ও বৈজ্ঞানিক প্রয়োগ

বাল্ক আকারে ষড়ভুজাকার হীরা তৈরির ফলে ঘনকাকার হীরার কর্মক্ষমতার সীমায় আটকে থাকা বিভিন্ন প্রয়োগের পথ খুলেছে। গবেষণাটির সহ-প্রধান লেখক এবং ঝেংঝৌ বিশ্ববিদ্যালয়ের পদার্থবিজ্ঞানী চং-শিন শান কয়েকটি সম্ভাবনাময় ক্ষেত্রের কথা উল্লেখ করেছেন।

কাটার সরঞ্জাম, তাপ ব্যবস্থাপনার উপকরণ এবং কোয়ান্টাম সেন্সিংসহ অনেক ক্ষেত্রে এর প্রয়োগের সম্ভাবনা রয়েছে,

Nature-কে বলেন শান।

মহাকাশ ও প্রতিরক্ষা খাত বিশেষভাবে লাভবান হতে পারে। ষড়ভুজাকার হীরার বেশি কঠোরতা ও তাপীয় স্থিতিশীলতা একে অত্যন্ত নির্ভুলতা ও স্থায়িত্ব প্রয়োজন এমন যন্ত্রাংশ তৈরি এবং খননকাজের জন্য উপযোগী করে তোলে। খনির সীমাবদ্ধতা ও নৈতিক উদ্বেগের কারণে প্রাকৃতিক হীরার সরবরাহ বাধাগ্রস্ত হতে পারে। বিপরীতে, পরীক্ষাগারে তৈরি ষড়ভুজাকার হীরা উন্নত কর্মক্ষমতাসম্পন্ন টেকসই বিকল্প হতে পারে।

ভূতাত্ত্বিক দিক থেকে, এই সংশ্লেষণ উল্কাপিণ্ডের আঘাতজনিত প্রক্রিয়া সম্পর্কে গুরুত্বপূর্ণ ধারণা দেয়। চরম চাপ ও তাপমাত্রায় কীভাবে ষড়ভুজাকার হীরা তৈরি হয়, তা বোঝা বিজ্ঞানীদের আঘাতের ঘটনা শনাক্ত করতে এবং আমাদের সৌরজগতের গ্রহ গঠনের ইতিহাস পুনর্গঠন করতে সাহায্য করে। ক্যানিয়ন ডায়াবলোর মতো উল্কাপিণ্ডে লন্সডেলাইটের উপস্থিতির কারণ এখন বোধগম্য: নির্দিষ্ট অভিঘাতজনিত রূপান্তরের শর্তে এটি তৈরি হয়, যা চীনা দলটি সফলভাবে পুনরুৎপাদন করেছে।

বিশ্বজুড়ে বৈজ্ঞানিক স্বীকৃতি

আন্তর্জাতিক বৈজ্ঞানিক মহলে গবেষণাটি ব্যাপক মনোযোগ পেয়েছে। নেচাদা বিশ্ববিদ্যালয়, লাস ভেগাসের স্ফটিকবিজ্ঞানী অলিভার শাউনার Nature-এর জন্য গবেষণাটি পিয়ার রিভিউ করার সময় এর ফলাফলের জোরালো স্বীকৃতি দেন।

এটি দেখেছেন বলে দাবি করা মানুষের সংখ্যা শত শত, কিন্তু এই দুর্লভ পদার্থের অত্যন্ত নির্ভুল বৈশিষ্ট্য নিরূপণ এই প্রথম,

বলেন শাউনার।

কার্বনের বিভিন্ন রূপ নিয়ে আগে কাজ করা টোকিও বিশ্ববিদ্যালয়ের অজৈব রসায়নবিদ এইচি নাকামুরা পদ্ধতিটির গুরুত্ব তুলে ধরেন।

এই নতুন দুই-ধাপের পদ্ধতি স্বতন্ত্র ও পুনরুদ্ধারযোগ্য বাল্ক পদার্থ হিসেবে ষড়ভুজাকার হীরার প্রথম অকাট্য প্রমাণ দিয়েছে,

বলেন নাকামুরা।

উচ্চচাপবিষয়ক বিজ্ঞানী এবং চীনা বিজ্ঞান একাডেমির বিদেশি সদস্য হো-কোয়াং মাও উপকরণবিজ্ঞানের জন্য এর বৃহত্তর তাৎপর্যের কথা উল্লেখ করেন।

এই সংশ্লেষিত ষড়ভুজাকার হীরা অতিসুপারকঠিন উপকরণ এবং উচ্চমানের ইলেকট্রনিক যন্ত্রের উন্নয়নে নতুন পথ খুলে দেবে বলে আশা করা হচ্ছে,

সাউথ চায়না মর্নিং পোস্টকে বলেন মাও।

উচ্ছ্বাস থাকলেও গবেষকেরা স্বীকার করেছেন, বাণিজ্যিক উৎপাদনের আগে এখনও কিছু চ্যালেঞ্জ রয়েছে। সংশ্লেষণের জন্য প্রয়োজনীয় বিশেষ উচ্চচাপের সরঞ্জাম উৎপাদনক্ষমতা সীমিত করে। ফলে প্রাথমিক পর্যায়ে এর ব্যবহার গণবাজারের গয়নার বদলে নির্ভুল বৈজ্ঞানিক যন্ত্রপাতি এবং বিশেষায়িত শিল্পকারখানার কাটার সরঞ্জামের মতো উচ্চমূল্যের বিশেষ বাজারে সীমাবদ্ধ থাকার সম্ভাবনা বেশি।

মূল কথা

• চীনা বিজ্ঞানীরা প্রথমবারের মতো মিলিমিটার-আকারের বিশুদ্ধ ষড়ভুজাকার হীরা (লন্সডেলাইট) সংশ্লেষ করেছেন। স্বতন্ত্র পদার্থ হিসেবে এর অস্তিত্ব নিয়ে ৬০ বছরের বৈজ্ঞানিক বিতর্কের অবসান ঘটেছে।
• পদার্থটির কঠোরতা ১১৪ থেকে ১৬৫ গিগাপাস্কাল, যা প্রাকৃতিক ঘনকাকার হীরার প্রায় ১১০ গিগাপাস্কালের চেয়ে বেশি। পাশাপাশি এটি ১,১০০ ডিগ্রি সেলসিয়াস পর্যন্ত তাপীয়ভাবে স্থিতিশীল।
• রূপান্তর ঘটাতে গবেষকেরা উচ্চমাত্রায় অভিমুখী পাইরোলাইটিক গ্রাফাইটকে ২০ গিগাপাস্কাল চাপে (বায়ুমণ্ডলীয় চাপের ২ লাখ গুণ) এবং ১,৩০০ থেকে ১,৯০০ ডিগ্রি সেলসিয়াস তাপমাত্রায় ১০ ঘণ্টা ধরে সংকুচিত করেন।
• সম্ভাব্য প্রয়োগের মধ্যে রয়েছে উন্নত কাটার সরঞ্জাম, ইলেকট্রনিকসের তাপ ব্যবস্থাপনা ব্যবস্থা, কোয়ান্টাম সেন্সিং যন্ত্র এবং চরম স্থায়িত্ব প্রয়োজন এমন মহাকাশযানের যন্ত্রাংশ।
• ষড়ভুজাকার হীরা স্বতন্ত্র কার্বন দশা হিসেবে আছে, নাকি এটি কেবল ত্রুটিপূর্ণ ঘনকাকার হীরার কাঠামো, তা নিয়ে দীর্ঘদিনের সংশয় এই সাফল্যে দূর হয়েছে।