Thursday, October 11, 2007

പ്രതല രസതന്ത്രത്തിന്റെ ആചാര്യന്‌ നോബല്‍

ജറാഡ്‌ എര്‍ട്ടല്‍ ആ പുത്തന്‍ പഠനശാഖയ്‌ക്ക്‌ ശാസ്‌ത്രീയ അടിത്തറ സ്ഥാപിക്കുകയായിരുന്നു എന്ന്‌ വിലയിരുത്തല്‍. ഖരപ്രതലങ്ങളില്‍ രാസപ്രവര്‍ത്തനം നടക്കുന്നതെങ്ങനെ എന്നതിന്റെ വിശദാംശങ്ങളാണ്‌ അദ്ദേഹം കണ്ടെത്തിയത്‌

രപ്രതലങ്ങളില്‍ എങ്ങനെയാണ്‌ ആറ്റങ്ങളും തന്മാത്രകളും പെരുമാറുന്നത്‌. രാസപ്രവര്‍ത്തന വേളയില്‍ അവയ്‌ക്ക്‌ എന്തു സംഭവിക്കും. ഇക്കാര്യം പഠിക്കുന്നത്‌, പരമ്പരാഗത കെമിസ്‌ട്രി ലാബില്‍ ടെസ്റ്റ്‌ട്യൂബില്‍ നടത്തുന്ന പരീക്ഷണങ്ങളുടെ അത്രയും ലളിതമല്ല. വാക്വം ചേമ്പറുകളും ഇലക്ട്രോണ്‍ മൈക്രോസ്‌കോപ്പും മാലിന്യമുക്തമായ മുറികളും, ഒപ്പം അതിനൂതന രീതിശാസ്‌ത്രങ്ങളും അത്യഗാധ സൂക്ഷ്‌മതയും ഒക്കെയുണ്ടെങ്കിലേ അതിന്‌ കഴിയൂ. അതാണ്‌ 'പ്രതല രസതന്ത്ര'ത്തിന്റെ (Surface Chemistry) ലോകം. എന്തുകൊണ്ട്‌ ഖരപ്രതലങ്ങളിലെ രാസപ്രവര്‍ത്തനങ്ങള്‍ പഠിക്കാന്‍ ഇത്രയും പണിപ്പെടണം എന്നു തോന്നാം. നിത്യജീവിതത്തില്‍ നമുക്ക്‌ പരിചിതമായ ഒട്ടേറെ സംഗതികളുടെ വിശദീകരണം ഈ പഠനമേഖലയാണ്‌ നല്‍കുന്നത്‌. അത്‌ ഇരുമ്പ്‌ തുരുമ്പു പിടിക്കുന്നതാകാം, കൃത്രിമ രാസവളങ്ങള്‍ നിര്‍മിക്കുന്നതാകാം, കാറിലെ പുകക്കുഴലില്‍ വെച്ച്‌ പുകയിലെ വിഷാംശം ഇല്ലാതാക്കുന്നതാകാം, ഓസോണ്‍ പാളിക്ക്‌ ശോഷണം സംഭവിക്കുന്നതാകാം (സ്‌ട്രാറ്റോസ്‌ഫിയറില്‍ മഞ്ഞുപരലുകളുടെ പ്രതലത്തില്‍ നടക്കുന്ന രാസപ്രക്രിയയിലൂടെ).

1960-കള്‍ മുതല്‍ അര്‍ധചാലക നിര്‍മാണത്തില്‍ ഉപയോഗിച്ചു വന്ന വാക്വം സങ്കേതങ്ങളുടെ ചുവടുപിടിച്ചാണ്‌ പ്രതല രസതന്ത്രത്തിന്റെ മാര്‍ഗ്ഗങ്ങള്‍ ഉരുത്തിരിഞ്ഞത്‌. ഈ പുത്തന്‍ പഠനശാഖയുടെ സാധ്യത ആദ്യമേ തിരിച്ചറിയുകയും, അതിനാവശ്യമായ ശാസ്‌ത്രീയ അടിത്തറ സൃഷ്ടിക്കുകയും ചെയ്‌ത ഗവേഷകാനാണ്‌ ജറാഡ്‌ എര്‍ട്ടല്‍ (Gerhard Ertl) എന്ന ജര്‍മന്‍കാരന്‍. പ്രതല രസതന്ത്രത്തിന്റെ ആചാര്യപദവിക്ക്‌ അര്‍ഹനായ അദ്ദേഹം 1997-ലെ രസതന്ത്രത്തിനുള്ള നോബല്‍ സമ്മാനത്തിന്‌ അര്‍ഹനായി. നോബല്‍ സമ്മാനം പ്രഖ്യാപിക്കപ്പെട്ട ഒക്ടോബര്‍ 10-ന്‌ 71 തികഞ്ഞ എര്‍ട്ടലിന്‌ പിറന്നാള്‍ സമ്മാനം പോലെയായി ആ ബഹുമതി. "ഒരാള്‍ക്കു നല്‍കാവുന്ന ഏറ്റവും മുന്തിയ പിറന്നാല്‍ സമ്മാനമാണിത്‌"-അദ്ദേഹം പറയുന്നു. വ്യത്യസ്‌ത പരീക്ഷണങ്ങളിലൂടെ ഘട്ടംഘട്ടമായി പ്രതല രാസപ്രവര്‍ത്തനങ്ങളുടെ പൂര്‍ണചിത്രം കാട്ടിത്തരികയാണ്‌ എര്‍ട്ടല്‍ ചെയ്‌തതെന്ന്‌ നോബല്‍ കമ്മറ്റി വിലയിരുത്തി. അങ്ങേയറ്റം സൂക്ഷ്‌മതയും വൈദഗ്‌ധ്യവും ആവശ്യമുള്ള പരീക്ഷണങ്ങളിലൂടെ, പ്രതല രസതന്ത്രത്തിലെ അടിസ്ഥാന പ്രക്രിയകള്‍ എര്‍ട്ടല്‍ കണ്ടെത്തുകയായിരുന്നു.

ലോഹപ്രതലങ്ങളില്‍ ഹൈഡ്രജന്‍ വാതകം എങ്ങനെ പെരുമാറുന്നു എന്നായിരുന്നു എര്‍ട്ടലിന്റെ ആദ്യപഠനം. ഇലക്ട്രോകെമിക്കല്‍ സോളാര്‍സെല്ലുകളിലെ ഇലക്ട്രോഡുകളില്‍ ഒന്നില്‍ ഹൈഡ്രജന്‍ ഉത്‌പാദിപ്പിക്കപ്പെടാറുണ്ട്‌. ഈ രാസപ്രക്രിയ വിപരീത ദിശയില്‍ ഉപയോഗിച്ച്‌ ഇന്ധനസെല്ലുകളില്‍ (fuel cells) വൈദ്യുതി ഉത്‌പാദിപ്പിക്കാനും കഴിയും. ഖരപ്രതലത്തില്‍ ഹൈഡ്രജന്റെ പെരുമാറ്റവും പ്രവര്‍ത്തനവും നിര്‍ണായകമാകുന്ന ചില സന്ദര്‍ഭങ്ങളാണ്‌ ഇവ. ഖരപ്രതലത്തിലെ രാസപ്രവര്‍ത്തനങ്ങള്‍ വ്യവസായികമായി എത്ര പ്രാധാന്യമര്‍ഹിക്കുന്നു എന്ന്‌ ഈ ഉദാഹരം വ്യക്തമാക്കുന്നു. ഉത്‌പ്രേരകത്വം (catalysis) ആണ്‌ ഈ അറിവ്‌ നിര്‍ണായകമാകുന്ന മറ്റൊരു മേഖല. അതെപ്പറ്റി അറിയാന്‍ വേണ്ടി 'ഹാബെര്‍-ബോഷ്‌ (Haber-Bosch) പ്രക്രിയ'യില്‍ എന്താണ്‌ സംഭവിക്കുന്നതെന്ന്‌ പഠിക്കാന്‍ എര്‍ട്ടല്‍ പിന്നീട്‌ തീരുമാനിച്ചു.

അന്തരീക്ഷവായുവില്‍ നിന്ന്‌ നൈട്രജനെ ആഗിരണം ചെയ്‌ത്‌ കൃത്രമരാസവളം നിര്‍മിക്കാന്‍ സഹായിക്കുന്ന ഒന്നാണ്‌ ഹാബെര്‍-ബോഷ്‌ പ്രക്രിയ. വളരെയേറെ വ്യവസായിക പ്രാധാന്യമുള്ള രാസപ്രക്രിയയാണിത്‌. അന്തരീക്ഷത്തില്‍ നിന്ന്‌ നൈട്രജനെ നേരിട്ട്‌ ആഗിരണം ചെയ്യാനുള്ള കഴിവ്‌ സസ്യങ്ങള്‍ക്കില്ല. ഇടിമിന്നലിലൂടെ മഴവെള്ളത്തില്‍ കലര്‍ന്നും, ചില സസ്യങ്ങളുടെ വേരുകളില്‍ കാണപ്പെടുന്ന ബാക്ടീരിയയുടെ സഹായത്തോടെയുമാണ്‌ മണ്ണില്‍ നൈട്രജന്‍ എത്തുന്നത്‌. ഇത്തരത്തില്‍ പരിതമിതമായ തോതില്‍ ലഭ്യമാകുന്ന നൈട്രജനെ വന്‍തോതിലുള്ള കൃഷിയില്‍ ആശ്രയിക്കാനാകില്ല, വിള മോശമാകും. അവിടെയാണ്‌ കൃത്രിമരാസവളങ്ങളുടെയും അവയുണ്ടാക്കാന്‍ സഹായിക്കുന്ന രാസപ്രക്രിയയുടെയും പ്രാധാന്യം. ഹാബെര്‍-ബോഷ്‌ പ്രക്രിയ കണ്ടെത്തിയതിന്‌ ഫ്രിറ്റ്‌സ്‌ ഹാബെര്‍ എന്ന ഗവേഷകന്‌ 1918-ല്‍ രസതന്ത്രത്തിനുള്ള നോബല്‍ സമ്മാനം ലഭിച്ചു.

ഹാബെര്‍-ബോഷ്‌ പ്രക്രിയ എങ്ങനെ സംഭവിക്കുന്നു എന്നതിന്റെ വിശദാംശങ്ങള്‍ കണ്ടെത്തുകയാണ്‌ എര്‍ട്ടല്‍ ചെയ്‌തത്‌. ക്രമമായ പരീക്ഷണ നിരീക്ഷണങ്ങളിലൂടെ പ്രതല രസതന്ത്രതത്ത്വങ്ങള്‍ പ്രയോഗിക്കപ്പെട്ട ഒന്നായിരുന്നു എര്‍ട്ടലിന്റെ ആ പരിശ്രമം. പ്രതല രസതന്ത്രം എന്ന പഠനശാഖയുടെ രീതിശാസ്‌ത്രം രൂപപ്പെടാന്‍ അത്‌ സഹായിച്ചു. അന്തരീക്ഷ വായുവില്‍ മുഖ്യഘടകമായ നൈട്രജന്‍, ഹൈഡ്രജനുമായി പ്രവര്‍ത്തിച്ച്‌ അമോണിയ ഉണ്ടാവുകയാണ്‌ ഹാബെര്‍-ബോഷ്‌ പ്രക്രിയയില്‍ സംഭവിക്കുന്നത്‌. ഇരുമ്പാണ്‌ ഉത്‌പ്രേരകം (catalyst); ഇരുമ്പുതരികള്‍. ഇരുമ്പുതരികളുടെ പ്രതലത്തിന്റെ പിന്തുണയോടെയാണ്‌ രാസപ്രവര്‍ത്തനം നടക്കുന്നത്‌. ആ പ്രതല രാസപ്രവര്‍ത്തനത്തിന്റെ സൂക്ഷ്‌മ വിശാദാംശങ്ങളാണ്‌ എര്‍ട്ടല്‍ തേടിയത്‌. അതില്‍ ഏത്‌ ഘട്ടമാണ്‌ സാവധാനത്തില്‍ നടക്കുന്നതെന്ന സുപ്രധാന ചോദ്യത്തിന്‌ ഉത്തരം കണ്ടെത്താന്‍ അദ്ദേഹം പ്രത്യേകം ശ്രദ്ധിച്ചു. രാസപ്രക്രിയ കൂടുതല്‍ ഫലപ്രദമാക്കാന്‍, മെല്ലെ നടക്കുന്ന ഘട്ടം വേഗത്തിലാക്കിയാല്‍ മതിയല്ലോ.

ഹാബെര്‍-ബോഷ്‌ പ്രക്രിയ പഠിക്കാന്‍ ഒരു കുറ്റമറ്റ സംവിധാനമാണ്‌ എര്‍ട്ടല്‍ ഉപയോഗിച്ചത്‌. ഒരു വാക്വം ചേംബറില്‍ സ്ഥിതി ചെയ്യുന്ന ശുദ്ധവും മിനുസമേറിയതുമായ ഇരുമ്പു പ്രതലത്തിലേക്ക്‌, നിയന്ത്രിത അളവില്‍ വാതകങ്ങള്‍ പ്രയോഗിച്ചു. ലോഹപ്രതലത്തില്‍ നൈട്രജന്‍ വാതകം എത്തുമ്പോള്‍, തന്മാത്രാരൂപത്തില്‍ അവിടെ ആദ്യം ബന്ധിക്കപ്പെടുന്നു. രസതന്ത്രത്തിലെ ഏറ്റവും കരുത്തേറിയ ബോണ്ടുകളില്‍ ഒന്നാണ്‌ രണ്ട്‌ നൈട്രജന്‍ ആറ്റങ്ങള്‍ പരസ്‌പരം ബന്ധിക്കപ്പെട്ടുള്ള നൈട്രജന്‍ തന്മാത്രയിലേത്‌. ഇരുമ്പു പ്രതലവുമായി കൂട്ടുചേരുന്ന തന്മാത്രകള്‍ പിന്നീട്‌ നൈട്രജന്‍ ആറ്റങ്ങളായി വേര്‍പെടുന്നു. ഈ പ്രക്രയയ്‌ക്ക്‌ കുറച്ചു കാലതാമസമുള്ളതായി എര്‍ട്ടല്‍ നിരീക്ഷിച്ചു. നൈട്രജന്‍ തന്മാത്രാരൂപത്തിലാണോ ആറ്റമികരൂപത്തിലാണോ ഹൈഡ്രജനുമായി പ്രവര്‍ത്തിച്ച്‌ അമോണിയ ഉണ്ടാകുന്നത്‌ എന്നറിയുകയായിരുന്നു പരീക്ഷണത്തിന്റെ മുഖ്യലക്ഷ്യം. അതിന്‌ ഹൈഡ്രജന്‍ പ്രയോഗിക്കുമ്പോള്‍ ലോഹപ്രതലത്തില്‍ ആറ്റമികനൈട്രജന്റെ അളവാണോ തന്മാത്രാരൂപത്തിലുള്ള നൈട്രജന്റെ അളവാണോ കുറയുന്നതെന്ന്‌ കണ്ടെത്തിയാല്‍ മതി. അതിനായി വിവിധ സ്‌പെക്ട്രോസ്‌കോപ്പിക്‌ രീതികള്‍ ഉപയോഗിച്ചു. കൂടുതല്‍ ഹൈഡ്രജന്‍ പ്രയോഗിക്കുമ്പോള്‍, ഇരുമ്പിന്റെ പ്രതലത്തിലെ ആറ്റമികനൈട്രജന്റെ അളവ്‌ കുറയുന്നതായി കണ്ടു. ഹാബെര്‍-ബോഷ്‌ പ്രക്രിയ നടക്കുന്നത്‌ ഹൈഡ്രജനും ആറ്റമിക നൈട്രജനും പ്രവര്‍ത്തിച്ചാണെന്ന്‌ അങ്ങനെ ആദ്യമായി തെളിയിക്കപ്പെട്ടു.

മാത്രമല്ല, ഹാബെര്‍-ബോഷ്‌ പ്രക്രിയയുടെ തോതിനെ മൊത്തില്‍ പരിമിതപ്പെടുത്തുന്നത്‌, നൈട്രജന്‍ തന്മാത്രകള്‍ ഇരുമ്പു പ്രതലത്തില്‍ വെച്ച്‌ വേര്‍പെട്ട്‌ ആറ്റങ്ങളായി മാറുന്ന ഘട്ടമാണെന്നും വ്യക്തമായി. ഒരിക്കല്‍ നൈട്രജന്‍ ആറ്റങ്ങളായി മാറിക്കഴിഞ്ഞാല്‍ ബാക്കിയെല്ലാം പെട്ടന്നു നടക്കുന്നതായി വ്യക്തമായി. ഇതിനര്‍ഥം ഈ രാസപ്രക്രിയ കൂടുതല്‍ കാര്യക്ഷമമാക്കാന്‍ നൈട്രജന്‍ തന്മാത്രകള്‍ ആറ്റങ്ങളാകുന്ന ഘട്ടം വേഗത്തിലാക്കിയാല്‍ മതിയെന്നാണ്‌. പൊട്ടാസ്യം ചേര്‍ക്കുന്നത്‌ ഹാബെര്‍-ബോഷ്‌ പ്രക്രിയയുടെ വേഗം കൂട്ടുമെന്ന്‌ നേരത്തെ അറിയാമായിരുന്നു. അത്‌ എന്തുകൊണ്ടാണെന്നും എര്‍ട്ടല്‍ കണ്ടെത്തി. അവിടം കൊണ്ട്‌ അദ്ദേഹം അവസാനിപ്പിച്ചില്ല, ഹാബെര്‍-ബോഷ്‌ പ്രക്രിയ മുഴുവന്‍ വിപരീതദിശയില്‍ നടത്താനാകുമെന്നും അദ്ദേഹം തെളിയിച്ചു. എങ്ങനെയാണ്‌ അമോണിയ ലോഹപ്രതലത്തില്‍ പെരുമാറുന്നതെന്ന്‌ അദ്ദേഹം പഠിച്ചു. അതുവഴി, അതെങ്ങനെ ഘട്ടംഘട്ടമായി അതിന്റെ ഘടകങ്ങളായ ഹൈഡ്രജനും നൈട്രജനുമായി വേര്‍പെടുന്നുവെന്നും. ശരിക്കൊരു നിയന്ത്രിത മാതൃകയുടെ സഹായത്തോടെ ഹാബെര്‍-ബോഷ്‌ പ്രക്രിയ പോലൊരു സുപ്രധാന രാസപ്രക്രിയയുടെ അഴകളവുകള്‍ കണ്ടെത്താന്‍ എര്‍ട്ടലിന്റെ പരീക്ഷണങ്ങള്‍ സഹായിച്ചു. അടിസ്ഥാന ഗവേഷണ മേഖലയില്‍ മാത്രമല്ല, വ്യവസായിക രംഗത്തും ഈ കണ്ടെത്തലിന്റെ പ്രധാന്യം സുവ്യക്തമാണ്‌.

പ്രതല രസതന്ത്രത്തിന്റെ രീതിശാസ്‌ത്രം വ്യക്തമാക്കിത്തരുന്നു ഹാബെര്‍-ബോഷ്‌ പ്രക്രിയയുടെ പുനപ്പരിശോധന. അതേപോലെ തന്നെയാണ്‌ കാറുകളുടെ പുകക്കുഴലില്‍ കാര്‍ബണ്‍മോണോക്‌സയിഡ്‌ എന്ന വിഷവാതകത്തെ കാര്‍ബണ്‍ഡയോക്‌സയിഡാക്കാന്‍ പ്ലാറ്റിനം പ്രതലം സഹായിക്കുന്നത്‌ എങ്ങനെയെന്ന്‌ എര്‍ട്ടല്‍ നടത്തിയ പഠനം. വളരെയേറെ പ്രായോഗിക ഉപോയഗമുള്ള പഠനമായിരുന്നു അത്‌. ആ പ്രവര്‍ത്തനത്തിന്റെ വിവിധ ഘട്ടങ്ങള്‍ അദ്ദേഹം ക്രമമായി കണ്ടെത്തി. കാര്‍ബണ്‍മോണോക്‌സയിഡ്‌ ഒരു അധിക ഓക്‌സിജന്‍ ആറ്റം സ്വീകരിച്ച്‌ കാര്‍ബണ്‍ഡയോക്‌സയിഡ്‌ ആയി മാറുന്നത്‌ ലളിതമായ ഒരു പ്രവര്‍ത്തനം എന്നാണ്‌ പൊതുവില്‍ കരുതിയിരുന്നത്‌. അത്‌ തെറ്റാണെന്നും, അതിസങ്കീര്‍ണമായ ഒരു രാസപ്രവര്‍ത്തനമാണ്‌ പുകക്കുഴലുകളില്‍ നടക്കുന്നതെന്നും എര്‍ട്ടല്‍ തെളിയിച്ചു. പ്രതല രസതന്ത്രം എന്ന പുത്തന്‍ ശാസ്‌ത്രശാഖയാണ്‌ ഇത്തരം പരീക്ഷണങ്ങളിലൂടെ കരുത്താര്‍ജിച്ചത്‌.

ജറാഡ്‌ എര്‍ട്ടര്‍: 1936-ല്‍ ജര്‍മനിയിലെ ബാഡ്‌ കാനസ്‌റ്റഡ്‌റ്റില്‍ ജനിച്ചു. ജര്‍മനിയില്‍ ടെക്‌നിക്‌ യൂണിവേഴ്‌സിറ്റി മന്‍ചെനില്‍ നിന്ന്‌ 1965-ല്‍ ഫിസിക്കല്‍ കെമിസ്‌ട്രിയില്‍ ഗവേഷണ ബിരുദം നേടി. ഇപ്പോള്‍ ബെര്‍ലിനില്‍ മാക്‌സ്‌-പ്ലാങ്ക്‌ സൊസൈറ്റിക്കു കീഴിലെ ഫ്രിറ്റ്‌സ്‌-ഹാബര്‍ ഇന്‍സ്റ്റിട്ട്യൂട്ടിലെ പ്രൊഫസര്‍.(അവലംബം: നോബല്‍ കമ്മറ്റിയുടെ വാര്‍ത്താക്കുറിപ്പ്‌).

1 comment:

JA said...

1960-കള്‍ മുതല്‍ അര്‍ധചാലക നിര്‍മാണത്തില്‍ ഉപയോഗിച്ചു വന്ന വാക്വം സങ്കേതങ്ങളുടെ ചുവടുപിടിച്ചാണ്‌ പ്രതല രസതന്ത്രത്തിന്റെ മാര്‍ഗ്ഗങ്ങള്‍ ഉരുത്തിരിഞ്ഞത്‌. ഈ പുത്തന്‍ പഠനശാഖയുടെ സാധ്യത ആദ്യമേ തിരിച്ചറിയുകയും, അതിനാവശ്യമായ ശാസ്‌ത്രീയ അടിത്തറ സൃഷ്ടിക്കുകയും ചെയ്‌ത ഗവേഷകാനായ ജറാഡ്‌ എര്‍ട്ടല്‍ ആണ്‌ ഇത്തവണ രസതന്ത്രത്തിനുള്ള നോബല്‍ സമ്മാനം കരസ്ഥമാക്കിയത്‌.