துத்தநாக–காற்று பேட்டரி ஆய்வில் மின்முனை வினையூக்கியாக வைட்டமின் B12 பயன்பாடு

செய்திகளில் ஏன்?

ஸ்பெயினில் உள்ள கோர்டோபா பல்கலைக்கழக (University of Córdoba) ஆய்வாளர்கள், காற்று மின்முனையில் (air electrode) வினையூக்கியாக (catalyst) வைட்டமின் B12-ஐப் பயன்படுத்தும் ஆய்வக அளவிலான துத்தநாக–காற்று பேட்டரியை (zinc–air battery) உருவாக்கியுள்ளனர். மின்சாரத்தை வெளியிடுவதிலும் மின்கலத்தை மீண்டும் மின்னேற்றம் (recharge) செய்வதிலும் ஈடுபடும் வேதிவினைகளுக்கு இந்த வைட்டமின் உதவுகிறது. ஆய்வுக்குழுவின் பல்கலைக்கழக அறிவிப்பு 250 வரையிலான மின்னேற்ற–மின்இறக்கச் சுழற்சிகளைக் (charge–discharge cycles) குறிப்பிடுகிறது. Journal of Materials Chemistry A இதழில் வெளியான இந்த ஆய்வு, பேட்டரி பொருட்களில் ஓர் உயிரியல் மூலக்கூறின் புதிய பயன்பாட்டை ஆராய்கிறது. மீண்டும் மின்னேற்றம் செய்யக்கூடிய துத்தநாக–காற்று மின்கலத்திற்குத் தேவையான ஆக்சிஜன் வினையின் இரண்டு திசைகளுக்கும் துணைபுரியும் B12-அடிப்படையிலான மின்முனையே இதன் முக்கிய முன்னேற்றமாகும்.

துத்தநாக–காற்று பேட்டரி எதைப் பயன்படுத்துகிறது

ஒரு துத்தநாக–காற்று பேட்டரி என்பது துத்தநாக மின்முனையையும், சுற்றுப்புறக் காற்றிலிருந்து ஆக்சிஜனைப் பயன்படுத்தும் காற்று மின்முனையையும் ஒன்றிணைக்கிறது. மின்இறக்கத்தின்போது (discharge), துத்தநாகம் மற்றும் ஆக்சிஜன் சம்பந்தப்பட்ட வேதிவினைகள் மின் ஆற்றலை வெளியிடுகின்றன. ஒரு வெளிப்புற மின்சுற்று (external circuit) இயங்கும் சாதனத்தின் வழியாக எலக்ட்ரான்களைக் கொண்டு செல்கிறது.

பேட்டரியின் உள்ளே, அயனிகள் (ions) எனப்படும் மின்னூட்டம் பெற்ற துகள்கள் நகர்வதற்கு மின்பகுளி (electrolyte) வழிவகுக்கிறது. வெளிப்புற மின்சுற்றில் நிகழும் எலக்ட்ரான் நகர்வும் மின்கலத்தின் உள்ளே நிகழும் அயனி நகர்வும் இணைந்து மின்னூட்டத்தைக் (charge) கடத்துகின்றன. கோர்டோபா ஆய்வில், இந்த மின்பகுளி நீர்-அடிப்படையிலானதாகவும் காரத்தன்மை (alkaline) கொண்டதாகவும் உள்ளது.

வெளியிலிருந்து ஆக்சிஜனைப் பெறுவதால், மின்கலத்தின் உள்ளே சேமித்து வைக்கப்பட வேண்டிய வினைபடும் பொருளின் அளவு குறைகிறது. காது கேட்கும் கருவிகள் (hearing aids) போன்ற சிறிய சாதனங்களில் துத்தநாக–காற்று வேதியியல் ஏற்கெனவே பயன்படுத்தப்படுகிறது. இந்த வேதியியலை மீண்டும் மின்னேற்றம் செய்யக்கூடிய அமைப்பாகத் தொடர்ந்து செயல்பட வைக்க, பொருத்தமான மின்முனைப் பொருட்களும் இரண்டு திசைகளிலும் நடைபெறக்கூடிய வினைகளும் தேவைப்படுகின்றன.

B12 வினையூக்கியின் பணி

ஒரு வினையூக்கி வேதிவினை எளிதாக நடைபெற உதவுகிறது. கோபாலமின் (cobalamin) என்றும் அழைக்கப்படும் வைட்டமின் B12, ஒரு பெரிய மூலக்கூறு கட்டமைப்பிற்குள் கோபால்ட் (cobalt) மையத்தைக் கொண்டுள்ளது. காற்று மின்முனையில் நடைபெறும் வினைகளுக்குத் துணைபுரிய ஆய்வாளர்கள் இந்தக் கட்டமைப்பைப் பயன்படுத்துகின்றனர்.

மின்இறக்கத்தின்போது, காற்று மின்முனையில் உள்ள ஆக்சிஜன் ஆக்சிஜன் ஒடுக்க வினையில் (oxygen reduction reaction) எலக்ட்ரான்களை ஏற்றுக்கொள்கிறது. மின்னேற்றத்தின்போது, வெளிப்புற மின் விநியோகம் ஆக்சிஜனை வெளியிடும் ஆக்சிஜன் வெளியேற்ற வினை (oxygen evolution reaction) உள்ளிட்ட எதிர் செயல்முறையை இயக்குகிறது. ஆய்வுக்குழுவின் B12-அடிப்படையிலான பொருள் இந்த இரண்டு வினைகளையும் ஊக்குவிக்கிறது. இந்த இருவழிச் செயல்பாடே சோதனை மின்கலத்தை மீண்டும் மின்னேற்றம் செய்யக்கூடியதாக மாற்ற உதவும் சிறப்பம்சமாகும்.

மின்இறக்கத்தின்போது ஆக்சிஜன் எலக்ட்ரான்களை ஏற்பதையும், மீள்-மின்னேற்றத்தின்போது ஆக்சிஜன் வெளியிடப்படுவதையும், கார்பன் மீது நிலைநிறுத்தப்பட்டுள்ள B12 வினையூக்கியையும் விளக்கப்படம் காட்டுகிறது. — காற்று மின்முனை இரண்டு திசைகளிலும் ஆக்சிஜன் வினைகளுக்குத் துணைபுரிகிறது. கிளாரிட்டியின் அசல் கருத்தியல் விளக்கப்படம்.

வைட்டமினைக் கார்பனுடன் ஏன் இணைக்க வேண்டும்?

வைட்டமின் B12 நீரில் எளிதில் கரையும் தன்மை கொண்டது. எனவே, நீர்-அடிப்படையிலான மின்கலத்தில் வினையூக்கிப் பொருளை அதனதன் இடத்தில் நிலைநிறுத்த ஒரு வழி தேவைப்படுகிறது. ஆய்வுக்குழுவினர் B12 மூலக்கூறுகளை ஒற்றைச் சுவர் கார்பன் நானோகுழாய்களுடன் (single-walled carbon nanotubes) இணைத்தனர்; இவை தாங்கும் மேற்பரப்பை வழங்கும் குழாய் வடிவிலான மிக நுண்ணிய கார்பன் கட்டமைப்புகளாகும்.

இதன் மூலம் உருவாகும் கூட்டுப்பொருள், மூலக்கூறு வினையூக்கியை மின்முனையுடன் இணைந்திருக்கச் செய்கிறது. மேலும், இது வினையூக்கியை ஒரு மின் சாதனத்தில் பயன்படுத்தக்கூடிய பொருளாக மாற்றுகிறது. இந்த கூட்டுப்பொருள் எவ்வாறு செயல்படுகிறது என்பதைப் புரிந்துகொள்ள, ஆய்வாளர்கள் அதன் வேதியியல் கட்டமைப்பையும் மின்வேதியியல் (electrochemical) செயல்பாட்டையும் ஆராய்ந்தனர்.

சோதனைகள் என்ன காட்டுகின்றன

இந்த மாதிரி மின்கலம் (prototype) 250 வரையிலான மின்னேற்ற–மின்இறக்கச் சுழற்சிகளை எட்டியதாகப் பல்கலைக்கழகம் தெரிவித்துள்ளது. ஒரு சுழற்சி என்பது மின்கலத்தை மின்னேற்றம் செய்து, பின்னர் அதிலிருந்து ஆற்றலைப் பெறுவதை உள்ளடக்கியது. வினைகள் ஒவ்வொரு திசையிலும் இயக்கப்படும்போது மின்முனை எவ்வாறு தொடர்ந்து செயல்படுகிறது என்பதைத் தொடர்ச்சியான சுழற்சிகள் சோதிக்கின்றன.

பயன்பாட்டின்போது திறன் குறைவதையும் இந்த ஆய்வுக்கட்டுரை ஆராய்கிறது. வினையூக்கியின் மேற்பரப்பில் துத்தநாகம் கலந்த பொருள் படிவதே காலப்போக்கில் ஏற்படும் திறன் குறைவுக்குக் காரணம் என இதன் பகுப்பாய்வு சுட்டிக்காட்டுகிறது. இந்தப் படிவு வினைபுரியும் பகுதியை மூடி, வேதிவினைகள் தொடர்ந்து நடைபெறுவதைக் கடினமாக்கலாம். தொடக்கத்தில் திறம்படச் செயல்படும் ஒரு மின்முனை காலப்போக்கில் ஏன் செயல்திறனை இழக்கிறது என்பதை விளக்க, இந்த மாற்றத்தைப் புரிந்துகொள்வது உதவுகிறது.

பேட்டரி-பொருள் சார்ந்த ஆய்வு ஏன் முக்கியமானது

மீண்டும் மின்னேற்றம் செய்யக்கூடிய ஒரு பேட்டரி பல பண்புகளை ஒருங்கே கொண்டிருக்க வேண்டும்: பயனுள்ள ஆற்றல் சேமிப்பு, திறமையான மின்னேற்றம் மற்றும் மின்இறக்கம், தகுந்த ஆயுட்காலம் மற்றும் நடைமுறைக்கு உகந்த பொருட்கள். மின்கலத்தின் உள்ளே நடைபெறும் வேதியியலிலிருந்து இந்தப் பண்புகள் எவ்வாறு உருவாகின்றன என்பதை மின்முனைகள் மற்றும் மின்பகுளி குறித்த ஆய்வுகள் ஆராய்கின்றன.

கோர்டோபா ஆய்வு அந்தப் பணியில் மூலக்கூறு வினையூக்கி அணுகுமுறையைச் சேர்க்கிறது. இதன் வடிவமைப்பு ஓர் உயிரியல் மூலக்கூறைக் கார்பன் தாங்குதளத்துடன் இணைத்து, அதனால் உருவாகும் காற்று மின்முனை எவ்வாறு செயல்படுகிறது என்பதைச் சோதிக்கிறது. மூலக்கூறு கட்டமைப்பு, ஆக்சிஜன் வினைகள் மற்றும் பேட்டரியின் தொடர்ச்சியான செயல்பாடு ஆகியவற்றுக்கு இடையிலான தொடர்பை ஆராய இது ஆய்வாளர்களுக்கு ஒரு வழியைத் தருகிறது.

முடிவுரை

மீண்டும் மின்னேற்றம் செய்யக்கூடிய துத்தநாக–காற்று மாதிரி மின்கலத்தின் காற்று மின்முனைக்கான B12-அடிப்படையிலான வினையூக்கியை இந்த ஆய்வு நிரூபித்துக் காட்டுகிறது. இரண்டு ஆக்சிஜன் வினைகளுக்கும் துணைபுரிவதிலும், வினையூக்கியின் இணைப்பும் மேற்பரப்பு நிலையும் தொடர்ச்சியான பயன்பாட்டை எவ்வாறு பாதிக்கின்றன என்பதைக் காட்டுவதிலுமே இதன் முக்கியத்துவம் அடங்கியுள்ளது.

ஆதாரங்கள்

முதன்மைப் படம்: Clarity AI விளக்கப்படம்.