একটি ক্লাসিক রসায়ন সমস্যার জন্য মূল-গ্রুপভিত্তিক পথ
কোরিয়া অ্যাডভান্সড ইনস্টিটিউট অফ সায়েন্স অ্যান্ড টেকনোলজির প্রফেসর Seung Jun Hwang-এর নেতৃত্বাধীন গবেষকেরা একটি আণবিক প্ল্যাটফর্মের কথা জানিয়েছেন, যা একটি প্রতিক্রিয়ার সময় অক্সিজেন কীভাবে সক্রিয় হয় তা নির্দেশ করতে পারে; এই ফলাফল ব্যাটারি, ফুয়েল সেল এবং আরও পরিষ্কার অনুঘটক প্রক্রিয়ার জন্য গুরুত্বপূর্ণ হতে পারে। Chem-এ প্রকাশিত কাজটি জার্মেনিয়াম-সমৃদ্ধ একটি সিস্টেমকে কেন্দ্র করে, যা এইভাবে নকশা করা হয়েছে যাতে অক্সিজেন দুই-ইলেকট্রন নাকি চার-ইলেকট্রন পথ নেবে, তা নিয়ন্ত্রণ করা যায়.
এই পার্থক্য কোনো তুচ্ছ প্রযুক্তিগত ব্যাপার নয়। অক্সিজেন রসায়ন অনেক সময় ঠিক করে দেয় কোন পণ্য তৈরি হবে এবং কোনো শক্তি বা শিল্পব্যবস্থা কতটা দক্ষভাবে চলবে। বিস্তৃত অর্থে, দুই-ইলেকট্রন অক্সিজেন রিডাকশন পথ হাইড্রোজেন পারঅক্সাইড তৈরি করতে পারে, আর চার-ইলেকট্রন পথ তৈরি করে পানি। ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল ডিভাইস বা আরও সবুজ সংশ্লেষণ প্রক্রিয়া অনুকূল করতে চাওয়া প্রকৌশলী ও রসায়নবিদদের জন্য একটি পথকে অন্যটির তুলনায় বেশি অনুকূল করা দীর্ঘদিনের চ্যালেঞ্জ।
KAIST দলটি এই চ্যালেঞ্জকে একটি অস্বাভাবিক দৃষ্টিকোণ থেকে নিয়েছে। এ ধরনের অক্সিজেন প্রতিক্রিয়ার জন্য অধিকাংশ অনুঘটক ব্যবস্থা লোহা, কোবাল্ট বা নিকেলের মতো ট্রানজিশন ধাতুর ওপর নির্ভর করে। এ ধাতুগুলি ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয় কারণ তারা একাধিক ইলেকট্রনের স্থানান্তর সমন্বয় করতে পারে, যা অক্সিজেন অণু হ্রাস বা অন্যভাবে রূপান্তরিত হওয়ার সময় প্রায়ই অপরিহার্য। সিলিকনের একই পর্যায়ের গ্রুপে থাকা একটি মূল-গ্রুপ উপাদান জার্মেনিয়াম সাধারণত এ ধরনের কাজে প্রথম পছন্দ নয়।
এ কারণেই নতুন ফলটি উল্লেখযোগ্য। শুধু জার্মেনিয়ামের ওপর নির্ভর না করে, গবেষকেরা এটিকে একটি রেডক্স-সক্রিয় লিগ্যান্ডের সঙ্গে জুড়েছেন, যা এমন একটি আণবিক কাঠামো যা ইলেকট্রন সঞ্চয়, গ্রহণ ও স্থানান্তর করতে পারে। বাস্তবে, সেই লিগ্যান্ড একটি ইলেকট্রন ভাণ্ডারের মতো কাজ করে। পুরো আণবিক স্থাপত্য জুড়ে ইলেকট্রন চলাচলের বোঝা ভাগ করে দিয়ে এই সিস্টেম জার্মেনিয়াম কেন্দ্রকে বহু-ইলেকট্রন রসায়নে অংশ নিতে দেয়, যা অন্যথায় কঠিন হতো।
পথ-নিয়ন্ত্রণ কেন গুরুত্বপূর্ণ
অক্সিজেন রাসায়নিকভাবে প্রচুর এবং প্রযুক্তিগতভাবে কেন্দ্রীয়, কিন্তু একে বশে আনা সহজ নয়। ব্যাটারি, ফুয়েল সেল ও অনুঘটক রিঅ্যাক্টরে অক্সিজেন কীভাবে ইলেকট্রন গ্রহণ করে, তাতে সামান্য পরিবর্তনও ভিন্ন ভিন্ন পণ্য, দক্ষতা ও স্থায়িত্বের প্রোফাইল তৈরি করতে পারে। তাই নির্বাচনী ক্ষমতা ততটাই গুরুত্বপূর্ণ যতটা প্রতিক্রিয়াশীলতা। এমন একটি অনুঘটক যা অক্সিজেনকে সক্রিয় করে কিন্তু ভুল পথে পাঠায়, তা ডিভাইসের কর্মক্ষমতা সীমিত করতে পারে, অনাকাঙ্ক্ষিত উপজাত তৈরি করতে পারে বা পরবর্তী প্রক্রিয়া-নকশা জটিল করতে পারে।
এই গবেষণার অবদান হলো ওই পথগুলোর মধ্যে বেছে নেওয়ার জন্য একটি নকশাগত নীতি। সরবরাহিত উৎস-পাঠ অনুযায়ী, দলটি জার্মেনিয়ামকে এমন একটি লিগ্যান্ডের সঙ্গে যুক্ত করে অক্সিজেন সক্রিয়করণকে দুই-ইলেকট্রন ও চার-ইলেকট্রন পথে নির্বাচনীভাবে বদলানোর উপায় স্থাপন করেছে, যা সহযোগীভাবে ইলেকট্রন পরিচালনা করতে পারে। সেই সহযোগী আচরণই মূল অগ্রগতি বলে মনে হয়: কেন্দ্রীয় পরমাণুকে একমাত্র প্রতিক্রিয়াশীল স্থান হিসেবে না দেখে, গবেষকেরা এমন একটি সিস্টেম বানিয়েছেন যেখানে চারপাশের আণবিক কাঠামোও রেডক্স রসায়নে সক্রিয়ভাবে অংশ নেয়।
এই বিস্তৃত শিক্ষা নির্দিষ্ট যৌগটির চেয়েও বেশি সময় টিকে থাকতে পারে। রসায়নবিদেরা বহু বছর ধরে তথাকথিত রেডক্স-সক্রিয় লিগ্যান্ডের ব্যবহার বাড়াচ্ছেন, কারণ এগুলি কম প্রচলিত উপাদানগুলিকে এমন প্রতিক্রিয়ায় অংশ নেওয়ার সুযোগ দিতে পারে যা সাধারণত ট্রানজিশন ধাতুর আধিপত্যে থাকে। KAIST-এর ফল এই প্রবণতার সঙ্গেই মেলে, তবে অক্সিজেন পথ-নির্বাচনের নির্দিষ্ট লক্ষ্যে, যা শক্তি-সম্পর্কিত রসায়নের সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ সমস্যাগুলোর একটি।
অপরিচিত ভূমিকায় জার্মেনিয়াম
উৎস উপাদানটি এই কাজকে এমন এক বিরল উদাহরণ হিসেবে বর্ণনা করে যেখানে একটি মূল-গ্রুপ আণবিক ব্যবস্থা এইভাবে অক্সিজেনের প্রতিক্রিয়াশীলতা নির্বাচনভিত্তিকভাবে নিয়ন্ত্রণ করতে পারে। এটি গুরুত্বপূর্ণ, কারণ এটি অনুঘটক নকশা সম্পর্কে প্রচলিত ধারণার বিরুদ্ধে যায়। ট্রানজিশন ধাতু শিল্প ও ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল অনুঘটনে কেন্দ্রীয় থাকলেও বহু-ইলেকট্রন রূপান্তরের একমাত্র পথ নয়। যদি রসায়নবিদরা নিয়মিতভাবে তুলনীয় নিয়ন্ত্রণ-সক্ষম মূল-গ্রুপ সিস্টেম নকশা করতে পারেন, তবে খরচ, প্রাপ্যতা, প্রতিক্রিয়াশীলতা ও নির্বাচনী ক্ষমতা সামঞ্জস্য করার জন্য ক্ষেত্রটি আরও বিস্তৃত হাতিয়ার পাবে।
এই ক্ষেত্রে, মূল বিষয়টি জার্মেনিয়াম–লিগ্যান্ড রেডক্স সহকারিতা বলে মনে হচ্ছে। প্রতিবেদিত স্কিম্যাটিকে চার-ইলেকট্রন স্থানান্তর করতে সক্ষম একটি জার্মেনিয়াম কমপ্লেক্সের পাশাপাশি মিথাইলেশনের মাধ্যমে গঠিত একটি দুই-ইলেকট্রন মধ্যবর্তী পদার্থের নির্বাচনী দুই-ইলেকট্রন প্রক্রিয়ায় রূপান্তর এবং অ্যাম্বিফিলিক প্রতিক্রিয়াশীলতা দেখানো হয়েছে। অন্যভাবে বললে, সূক্ষ্ম রাসায়নিক পরিবর্তন বদলে দেয় সিস্টেম কীভাবে অক্সিজেনের সঙ্গে যুক্ত হয় এবং প্রক্রিয়ায় কত ইলেকট্রন সরায়।
অক্সিজেন রিডাকশন এক-ধরনের সমস্যা নয় বলে এই মাত্রার নিয়ন্ত্রণ বিশেষভাবে আকর্ষণীয়। কিছু পরিস্থিতিতে হাইড্রোজেন পারঅক্সাইড উৎপাদন উপকারী। অন্য ক্ষেত্রে লক্ষ্য হলো ন্যূনতম উপজাতসহ অক্সিজেনকে সম্পূর্ণরূপে পানিতে হ্রাস করা। এই ফলগুলোর মধ্যে ইচ্ছামতো সুর মিলিয়ে নেওয়া যায় এমন একটি প্ল্যাটফর্ম, একক মোডের জন্য সংকীর্ণভাবে অপ্টিমাইজ করা প্ল্যাটফর্মের চেয়ে বেশি মূল্যবান।
শক্তি ও সবুজ রসায়নে সম্ভাব্য প্রভাব
উৎস পাঠ সরাসরি এই কাজকে ব্যাটারি, ফুয়েল সেল এবং পরিবেশগতভাবে টেকসই রাসায়নিক প্রক্রিয়ার সঙ্গে যুক্ত করে। সেগুলো যুক্তিসংগত লক্ষ্য। ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল শক্তি ব্যবস্থায় অক্সিজেন প্রতিক্রিয়া প্রায়ই দক্ষতার বাধার কেন্দ্রে থাকে। উন্নত নির্বাচনী ক্ষমতা রূপান্তর দক্ষতা বাড়াতে, অবক্ষয় কমাতে এবং ব্যয়বহুল সিস্টেম-স্তরের বিকল্পের প্রয়োজন কমাতে পারে। রাসায়নিক উৎপাদনে, পথ-নিয়ন্ত্রণ অনাকাঙ্ক্ষিত মধ্যবর্তী পদার্থ বা অতিরিক্ত হ্রাস দমন করে বর্জ্যও কমাতে পারে।
এই গবেষণাকে এখনই প্রস্তুত বাণিজ্যিক সমাধান হিসেবে ধরা ঠিক হবে না। সরবরাহিত উপকরণে ডিভাইস-স্তরের প্রদর্শন, খরচের মানদণ্ড বা স্কেল-আপ তথ্যের দাবি নেই। যা এটি সমর্থন করে, তা হলো আরও মৌলিক একটি উপসংহার: দলটি এমন একটি আণবিক নকশা-ধারণা দেখিয়েছে যা রসায়নবিদদের মূল-গ্রুপ উপাদানকে রেডক্স-সক্রিয় কাঠামোর সঙ্গে জুড়ে অক্সিজেনকে ভিন্ন ভিন্ন ইলেকট্রন-স্থানান্তর পথে চালিত করার উপায় দেয়।
এ ধরনের ফল বাইরে তরঙ্গ তৈরি করতে পারে। নির্বাচনী প্রতিক্রিয়া নিয়ন্ত্রণে মৌলিক অগ্রগতি প্রায়ই পরবর্তী অনুঘটক পরিবারের জন্য সক্ষমতামূলক ধারণায় পরিণত হয়, তা সমজাতীয় রসায়ন, উপাদান নকশা বা ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল ইন্টারফেস যাই হোক না কেন। এই নির্দিষ্ট সিস্টেম যদি পরীক্ষাগারের প্ল্যাটফর্ম হিসেবেই থাকে, তবুও এর অন্তর্নিহিত যুক্তি ভবিষ্যতের অনুঘটক নকশায় সাহায্য করতে পারে, যা বাস্তব শক্তি-হার্ডওয়্যার বা পরিষ্কার শিল্প রসায়নের জন্য তৈরি হবে।
অনুঘটক নকশায় বৃহত্তর পরিবর্তন
KAIST গবেষণার গভীর তাৎপর্য সম্ভবত ধারণাগত। এটি ইঙ্গিত করে যে ট্রানজিশন-ধাতু সিস্টেম থেকে রসায়নবিদরা যা আশা করেন এবং মূল-গ্রুপ রসায়ন থেকে যা দাবি করতে পারেন, সেই সীমারেখা স্থির নয়। লিগ্যান্ড পরিবেশে ইলেকট্রন সংরক্ষণ ও স্থানান্তরকে প্রকৌশলগতভাবে সাজিয়ে গবেষকেরা একটি সম্পূর্ণ আণবিক সমাবেশে প্রতিক্রিয়াশীলতা পুনর্বণ্টন করতে পারেন। এর ফলে এমন উপাদান ও কাঠামোর নতুন সমন্বয়ের দরজা খুলে যায়, যেগুলিকে আগে জটিল রেডক্স রসায়নের জন্য অনুপযুক্ত মনে করা হতো।
উদীয়মান প্রযুক্তি খাতগুলোর জন্য এটি গুরুত্বপূর্ণ, কারণ শক্তি রূপান্তর এবং টেকসই রাসায়নিক উৎপাদন অত্যন্ত সূক্ষ্মতার সঙ্গে ছোট আণবিক ঘটনাকে নিয়ন্ত্রণ করার ওপর অনেকটাই নির্ভরশীল। অক্সিজেন সক্রিয়করণ সেই ঘটনাগুলোর অন্যতম। পরীক্ষানির্ভর ঘোরাঘুরির বদলে নকশার মাধ্যমে প্রতিক্রিয়ার ফলাফলকে প্রভাবিত করতে পারে এমন একটি প্ল্যাটফর্ম অর্থবহ অগ্রগতি।
তাৎক্ষণিক সিদ্ধান্তটি স্পষ্ট: KAIST-নেতৃত্বাধীন দল দেখিয়েছে যে জার্মেনিয়ামকে রেডক্স-সক্রিয় লিগ্যান্ডের সঙ্গে যুক্ত করলে এমন একটি আণবিক ব্যবস্থা গড়ে ওঠে, যা দুই-ইলেকট্রন ও চার-ইলেকট্রন অক্সিজেন পথে একটির বেছে নিতে পারে। দীর্ঘমেয়াদি প্রশ্ন হলো, এই নকশা-নীতি কত দূর যেতে পারে। যদি এটি সাধারণভাবে প্রয়োগযোগ্য হয়, তবে তা শক্তি ও পরিবেশগত প্রয়োগের জন্য পরবর্তী প্রজন্মের অনুঘটকে ব্যবহৃত রসায়নের পরিসর বাড়াতে পারে।
এই নিবন্ধটি Phys.org-এর প্রতিবেদনের ভিত্তিতে লেখা। মূল নিবন্ধ পড়ুন.
Originally published on phys.org