টোকিও বিশ্ববিদ্যালয়ের একদল রসায়নবিদ প্রথমবারের মতো সোনার ন্যানোক্লাস্টার গঠনের প্রাথমিক পর্যায় পর্যবেক্ষণ করেছেন। তারা এই প্রক্রিয়ায় এক অভাবনীয় স্থাপত্যের সন্ধান পেয়েছেন, যা ‘গোল্ড কোয়ান্টাম নিডল’ নামে পরিচিতি লাভ করেছে। এক্স-রে ক্রিস্টালোগ্রাফি (X-ray crystallography) প্রযুক্তির সহায়তায় এই যুগান্তকারী আবিষ্কার সম্ভব হয়েছে, যা এই পারমাণবিক সমাবেশগুলির গঠন প্রক্রিয়া সম্পর্কে অভূতপূর্ব অন্তর্দৃষ্টি প্রদান করেছে। এতদিন ধরে এই প্রক্রিয়াটি একটি ‘ব্ল্যাক বক্স’ হিসেবেই পরিচিত ছিল।
পদার্থ বিজ্ঞানের জগতে সোনার ন্যানোক্লাস্টার, যা শতাধিক পরমাণু দ্বারা গঠিত, এক বিশেষ আগ্রহের বিষয়। এদের আচরণ সাধারণ সোনার থেকে সম্পূর্ণ ভিন্ন, যা এদের অনন্য আলোক ও বৈদ্যুতিক বৈশিষ্ট্য প্রদান করে। এই বৈশিষ্ট্যগুলি অনুঘটন (catalysis), শনাক্তকরণ (detection) এবং চিকিৎসাবিজ্ঞানে (medicine) বিশেষভাবে উপযোগী। কয়েক দশক ধরে গবেষণা চললেও, এদের সংশ্লেষণ পদ্ধতি রহস্যে আবৃত ছিল, যা সাধারণত জৈব লিগ্যান্ডের (organic ligands) উপস্থিতিতে দ্রবণে সোনার আয়ন বিজারিত করে সম্পন্ন করা হয়।
গবেষণার প্রধান গবেষক তাতসুয়া সুকুদা (Tatsuya Tsukuda) ব্যাখ্যা করেছেন যে, গঠন ও ভৌত-রাসায়নিক বৈশিষ্ট্যের মধ্যে সম্পর্ক বোঝার জন্য অনেক প্রচেষ্টা করা হয়েছে, কিন্তু এদের গঠন প্রক্রিয়াকে একটি ‘ব্ল্যাক বক্স’ হিসেবেই গণ্য করা হতো। দলটি অ্যাগ্রিগেট গঠনের প্রাথমিক পর্যায়গুলি বোঝার লক্ষ্য স্থির করেছিল, যাতে নতুন ও নির্দিষ্ট সংশ্লেষণ পদ্ধতি তৈরি করা যায়। এই রহস্য উন্মোচনের জন্য, শিনজিরো তাকানো (Shinjiro Takano), ইউয়া হামাসাকি (Yuya Hamasaki) এবং তাতসুয়া সুকুদা একটি সাহসী কৌশল অবলম্বন করেছিলেন: তারা কৃত্রিমভাবে ন্যানোক্লাস্টারের বৃদ্ধিকে ধীর করে দিয়েছিলেন। সংশ্লেষণ পদ্ধতিকে সূক্ষ্মভাবে পরিবর্তন করে, তারা সোনার অ্যাগ্রিগেটগুলিকে তাদের অত্যন্ত প্রাথমিক পর্যায়ে ‘ফ্রিজ’ করতে সক্ষম হয়েছিলেন, যা একটি অত্যন্ত ধীর গতির চলচ্চিত্রের স্থিরচিত্রের মতো। এই মূল্যবান নমুনাগুলি একক-স্ফটিক এক্স-রে ডিফ্র্যাকশন (single-crystal X-ray diffraction) দ্বারা বিশ্লেষণ করা হয়েছিল।
ফলাফল প্রত্যাশার চেয়েও বেশি ছিল। গোলকাকারে সুষমভাবে বৃদ্ধি পাওয়ার পরিবর্তে, সোনার ন্যানোক্লাস্টারগুলি অ্যানাইসোট্রপিকভাবে (anisotropically) বিকশিত হয়েছিল, অর্থাৎ, বিভিন্ন দিকে বিভিন্ন গতিতে বৃদ্ধি পেয়েছিল। এই বৃদ্ধির অসমতা একটি সম্পূর্ণ নতুন জ্যামিতিক আকার তৈরি করেছিল: ত্রিকোণাকার ট্রাইমার (triangular trimers) এবং চতুষ্কোণ টেট্রামার (tetrahedral tetramers) দ্বারা গঠিত পেন্সিল-আকৃতির সমাবেশ। এই দীর্ঘায়িত আকার এবং অভ্যন্তরীণ গঠন ‘কোয়ান্টাম নিডল’ নামকরণের অনুপ্রেরণা জুগিয়েছে। ‘কোয়ান্টাম’ শব্দটি একটি মৌলিক ঘটনার উল্লেখ করে, যেখানে এই ক্ষুদ্র কাঠামোতে আবদ্ধ ইলেকট্রনগুলি কেবল বিচ্ছিন্ন শক্তি স্তর (discrete energy levels) দখল করতে পারে, যা কোয়ান্টাম সিস্টেমের একটি সাধারণ আচরণ।
এই কোয়ান্টাইজেশন সোনার নিডলগুলিকে অসাধারণ আলোক বৈশিষ্ট্য প্রদান করে, যার মধ্যে নিকট-অবলোহিত অঞ্চলে (near-infrared region) আলোর প্রতি শক্তিশালী প্রতিক্রিয়া অন্তর্ভুক্ত। এই আলো জৈব টিস্যুতে গভীরভাবে প্রবেশ করতে পারে এবং কোনও ক্ষতি ছাড়াই রোগ নির্ণয় ও চিকিৎসায় সহায়ক হতে পারে। তাতসুয়া সুকুদা উল্লেখ করেছেন যে, তারা তাদের অস্বাভাবিক সংশ্লেষণ পরিস্থিতিতে বেশ কয়েকটি ছোট সোনার ন্যানোক্লাস্টারের গঠনকে পূর্ববর্তীভাবে ব্যাখ্যা করতে পেরেছেন। তবে, প্রায়-গোলকাকার ক্লাস্টারের পরিবর্তে তিনটি সোনার পরমাণুর ত্রিকোণাকার ভিত্তির উপর নির্ভর করে নিডলের উদ্ভব একটি অপ্রত্যাশিত আবিষ্কার ছিল, যা তাদের কল্পনার বাইরে ছিল।
এই ‘কাঠামোগত স্থিরচিত্রগুলি’ পারমাণবিক স্কেলে পদার্থের সমাবেশ নিয়ন্ত্রণকারী মৌলিক প্রক্রিয়াগুলি বোঝার ক্ষেত্রে একটি বড় অবদান রেখেছে। এটি মধ্যবর্তী পর্যায়গুলির একটি বিশদ মানচিত্র সরবরাহ করে, যা সংশ্লেষণকে একটি এলোমেলো প্রক্রিয়া হিসাবে নয়, বরং একটি সুচিন্তিত, প্রায় স্থাপত্য নির্মাণের মতো দেখার সুযোগ করে দেয়। ভবিষ্যতে নির্দিষ্ট বৈশিষ্ট্যযুক্ত টেইলর-মেড ন্যানোমেটেরিয়াল ডিজাইন করার জন্য এই প্রাথমিক পর্যায়গুলি আয়ত্ত করা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। টোকিও দলের পরিকল্পনা রয়েছে তাদের সংশ্লেষণ পদ্ধতি আরও উন্নত করার, যাতে তারা অন্যান্য বহিরাগত, অজানা স্থাপত্যগুলি অন্বেষণ করতে পারে। তারা বায়োফিজিক্স বা ফোটোনিক ইঞ্জিনিয়ারিং বিশেষজ্ঞদের সাথে সহযোগিতা করতে চায় তাদের কোয়ান্টাম নিডলগুলির ব্যতিক্রমী বৈশিষ্ট্যগুলি সম্পূর্ণরূপে কাজে লাগানোর জন্য। উদাহরণস্বরূপ, ইনফ্রারেড আলোর সাথে তাদের মিথস্ক্রিয়া বর্তমান প্রযুক্তির চেয়ে অনেক বেশি রেজোলিউশনের সাথে মেডিকেল ইমেজিং সক্ষম করতে পারে বা আরও কার্যকর সৌর শক্তি রূপান্তর ডিভাইস তৈরি করতে পারে।