ग्राफीन क्या है? यहां वह है जो आपको जानना चाहिए

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• पानी को छानने से लेकर स्मार्ट पेंट तक, ग्राफीन के नौ अद्भुत उपयोग
• हाइपरलूप क्या है? यहां वह सब कुछ है जो आपको जानना आवश्यक है

आज, एक नई सामग्री भविष्य को बदलने की क्षमता रखती है। "सुपरमटेरियल" कहे जाने वाले ग्राफीन को दुनिया भर के शोधकर्ता इसे बेहतर ढंग से समझने के लिए संघर्ष कर रहे हैं। ग्राफीन के चमत्कारी गुणों की लंबी सूची इसे लगभग जादुई लगती है, लेकिन भौतिकी और इंजीनियरिंग के भविष्य के लिए इसके बहुत वास्तविक और कठोर प्रभाव हो सकते हैं।

ग्राफीन वास्तव में क्या है?

ग्राफीन का वर्णन करने का सबसे सरल तरीका यह है कि यह ग्रेफाइट की एक एकल, पतली परत है - पेंसिल लेड में उपयोग की जाने वाली नरम, परतदार सामग्री। ग्रेफाइट कार्बन तत्व का एक अपरूप है, जिसका अर्थ है कि इसमें समान परमाणु होते हैं लेकिन वे अलग-अलग तरीके से व्यवस्थित होते हैं, जिससे सामग्री को अलग-अलग गुण मिलते हैं। उदाहरण के लिए, हीरा और ग्रेफाइट दोनों कार्बन के रूप हैं, फिर भी उनकी प्रकृति बेहद अलग है। हीरे अविश्वसनीय रूप से मजबूत होते हैं, जबकि ग्रेफाइट भंगुर होता है। ग्राफीन के परमाणु षट्कोणीय व्यवस्था में व्यवस्थित हैं।

दिलचस्प बात यह है कि जब ग्रेफीन को ग्रेफाइट से अलग किया जाता है तो इसमें कुछ चमत्कारी गुण आ जाते हैं। यह मात्र एक परमाणु मोटा है, अब तक खोजा गया पहला द्वि-आयामी पदार्थ है। इसके बावजूद, ग्राफीन भी ज्ञात ब्रह्मांड में सबसे मजबूत सामग्रियों में से एक है। 130 GPa (गीगापास्कल) की तन्य शक्ति के साथ, यह स्टील से 100 गुना अधिक मजबूत है।

इतना पतला होने के बावजूद ग्राफीन की अविश्वसनीय ताकत इसे अद्भुत बनाने के लिए पहले से ही पर्याप्त है, हालांकि, इसके अद्वितीय गुण यहीं समाप्त नहीं होते हैं। यह लचीला, पारदर्शी, अत्यधिक प्रवाहकीय और अधिकांश गैसों और तरल पदार्थों के लिए अभेद्य प्रतीत होता है। ऐसा लगभग लगता है मानो ऐसा कोई क्षेत्र नहीं है जिसमें ग्राफीन उत्कृष्ट न हो।

ग्राफीन का इतिहास: टेप का एक रोल, और एक सपना

ग्रेफाइट लंबे समय से एक ज्ञात मात्रा रही है (मनुष्य नवपाषाण युग से इसका उपयोग कर रहा है)। इसकी परमाणु संरचना अच्छी तरह से प्रलेखित है, और लंबे समय तक, वैज्ञानिक इस बात पर विचार करते रहे कि क्या ग्रेफाइट की एकल परतों को अलग किया जा सकता है। हालाँकि, कुछ समय पहले तक ग्राफीन केवल एक सिद्धांत था, क्योंकि वैज्ञानिक अनिश्चित थे कि क्या कभी ग्रेफाइट को एक परमाणु-पतली शीट में काटना संभव होगा। ग्राफीन का पहला पृथक नमूना 2004 में मैनचेस्टर विश्वविद्यालय में आंद्रे गीम और कॉन्स्टेंटिन नोवोसेलोव द्वारा खोजा गया था। कोई उम्मीद कर सकता है कि उन्होंने मशीनरी के किसी विशाल, महंगे टुकड़े का उपयोग करके इस काल्पनिक पदार्थ को अलग कर दिया, लेकिन जिस उपकरण का उन्होंने उपयोग किया वह मनोरंजक रूप से सरल था: स्कॉच टेप का एक रोल।

ग्रेफाइट के एक बड़े ब्लॉक को पॉलिश करने के लिए टेप का उपयोग करते समय, शोधकर्ताओं ने टेप पर असाधारण रूप से पतले टुकड़े देखे। ग्रेफाइट के टुकड़ों से परत दर परत छीलना जारी रखते हुए, अंततः उन्होंने यथासंभव पतला नमूना तैयार किया। उन्हें ग्राफीन मिला था। यह खोज इतनी विचित्र थी कि वैज्ञानिक जगत को पहले तो संदेह हुआ। लोकप्रिय पत्रिका प्रकृति यहां तक ​​कि प्रयोग पर उनके पेपर को दो बार खारिज भी कर दिया। आख़िरकार, उनका शोध प्रकाशित हुआ और 2010 में गीम और नोवोसेलोव को उनकी खोज के लिए भौतिकी में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया।

संभावित अनुप्रयोग

यदि ग्राफीन में इसके कई उत्कृष्ट गुणों में से केवल एक होता, तो यह संभावित उपयोगों पर गहन शोध का विषय होता। कई मायनों में इतना उल्लेखनीय होने के कारण, ग्राफीन ने वैज्ञानिकों को उपभोक्ता तकनीक और पर्यावरण विज्ञान जैसे विविध क्षेत्रों में सामग्री के व्यापक उपयोग के बारे में सोचने के लिए प्रेरित किया है।

लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स

अपने शक्तिशाली विद्युत गुणों के अलावा, ग्राफीन अत्यधिक लचीला और पारदर्शी भी है। यह इसे पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग के लिए आकर्षक बनाता है। ग्राफीन का उपयोग करके स्मार्टफोन और टैबलेट अधिक टिकाऊ बन सकते हैं, और शायद इन्हें कागज की तरह मोड़ा भी जा सकता है। पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की लोकप्रियता हाल ही में बढ़ रही है। ग्राफीन के साथ, इन उपकरणों को और भी अधिक उपयोगी बनाया जा सकता है, जिन्हें विभिन्न प्रकार के व्यायाम को समायोजित करने के लिए अंगों और झुकने के आसपास अच्छी तरह से फिट होने के लिए डिज़ाइन किया गया है।

हालाँकि, ग्राफीन का लचीलापन और सूक्ष्म चौड़ाई केवल उपभोक्ता उपकरणों से परे अवसर प्रदान करती है। यह बायोमेडिकल रिसर्च में भी उपयोगी हो सकता है। ग्राफीन से छोटी मशीनें और सेंसर बनाए जा सकते हैं, जो मानव शरीर के माध्यम से आसानी से और हानिरहित तरीके से घूमने, ऊतकों का विश्लेषण करने या यहां तक ​​​​कि विशिष्ट क्षेत्रों में दवाएं पहुंचाने में सक्षम हैं। कार्बन पहले से ही मानव शरीर में एक महत्वपूर्ण घटक है; थोड़ा सा ग्राफीन मिलाने से शायद नुकसान न हो।

सौर सेल/फोटोवोल्टिक

ग्राफीन अत्यधिक प्रवाहकीय और पारदर्शी दोनों है। इस प्रकार, सौर कोशिकाओं में एक सामग्री के रूप में इसकी काफी संभावनाएं हैं। आमतौर पर, सौर सेल सिलिकॉन का उपयोग करते हैं, जो एक चार्ज उत्पन्न करता है जब एक फोटॉन सामग्री से टकराता है, जिससे एक मुक्त इलेक्ट्रॉन निकल जाता है। सिलिकॉन प्रति फोटॉन केवल एक इलेक्ट्रॉन छोड़ता है जो उससे टकराता है। अनुसंधान ने संकेत दिया है कि ग्राफीन प्रत्येक फोटॉन से टकराने पर कई इलेक्ट्रॉन छोड़ सकता है। इस प्रकार, ग्राफीन सौर ऊर्जा को परिवर्तित करने में कहीं बेहतर हो सकता है। जल्द ही, सस्ती, अधिक शक्तिशाली ग्राफीन कोशिकाएं नवीकरणीय ऊर्जा में भारी वृद्धि पैदा कर सकती हैं।

ग्राफीन के फोटोवोल्टिक गुणों का मतलब यह भी है कि इसका उपयोग कैमरे जैसे उपकरणों के लिए बेहतर छवि सेंसर विकसित करने के लिए किया जा सकता है।

अर्धचालक

इसकी उच्च चालकता के कारण, ग्राफीन का उपयोग अर्धचालकों में सूचना की गति को बढ़ाने के लिए किया जा सकता है। हाल ही में ऊर्जा विभाग ने परीक्षण किए जिससे पता चला कि अर्ध-प्रवाहकीय पॉलिमर सिलिकॉन की परत की तुलना में ग्राफीन की परत के ऊपर रखे जाने पर बहुत तेजी से बिजली का संचालन करते हैं। यह बात सच है, भले ही पॉलिमर मोटा हो। 50-नैनोमीटर मोटे पॉलिमर को, जब ग्राफीन परत के ऊपर रखा जाता है, तो पॉलिमर की 10-नैनोमीटर परत की तुलना में बेहतर चार्ज होता है। यह पिछले ज्ञान के विपरीत है जिसमें माना जाता था कि पॉलिमर जितना पतला होगा, वह उतना ही बेहतर चार्ज संचालित कर सकता है।

इलेक्ट्रॉनिक्स में ग्राफीन के उपयोग में सबसे बड़ी बाधा बैंड गैप की कमी है, एक सामग्री में वैलेंस और कंडक्शन बैंड के बीच का अंतर, जिसे पार करने पर, विद्युत प्रवाह के प्रवाह की अनुमति मिलती है। बैंड गैप वह है जो सिलिकॉन जैसी अर्ध-प्रवाहकीय सामग्री को ट्रांजिस्टर के रूप में कार्य करने की अनुमति देता है; वे विद्युत प्रवाह को इन्सुलेट करने या संचालित करने के बीच स्विच कर सकते हैं, यह इस पर निर्भर करता है कि उनके इलेक्ट्रॉनों को बैंड गैप में धकेला गया है या नहीं।

ग्राफीन को बैंड गैप देने के लिए शोधकर्ता विभिन्न तरीकों का परीक्षण कर रहे हैं; सफल होने पर, इससे ग्राफीन के साथ बहुत तेज़ इलेक्ट्रॉनिक्स का निर्माण हो सकता है।

जल निस्पंदन

ग्राफीन के कड़े परमाणु बंधन इसे लगभग सभी गैसों और तरल पदार्थों के लिए अभेद्य बनाते हैं। दिलचस्प बात यह है कि पानी के अणु इसका अपवाद हैं। क्योंकि ग्राफीन के माध्यम से पानी वाष्पित हो सकता है जबकि अधिकांश अन्य गैसें और तरल पदार्थ नहीं, ग्राफीन निस्पंदन के लिए एक असाधारण उपकरण हो सकता है। मैनचेस्टर विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने अल्कोहल के साथ ग्राफीन की पारगम्यता का परीक्षण किया और ऐसा करने में सफल रहे स्प्रिट के बहुत मजबूत नमूने आसवित किए गए, क्योंकि नमूनों में केवल पानी ही आर-पार हो सका ग्राफीन.

बेशक, फिल्टर के रूप में ग्राफीन का उपयोग मजबूत आत्माओं को आसवित करने से परे क्षमता रखता है। ग्राफीन पानी को विषाक्त पदार्थों से मुक्त करने में भी काफी मददगार हो सकता है। द रॉयल सोसाइटी ऑफ केमिस्ट्री द्वारा प्रकाशित एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि ऑक्सीकृत ग्राफीन भी हो सकता है पानी में मौजूद यूरेनियम और प्लूटोनियम जैसे रेडियोधर्मी पदार्थों को खींच लें, जिससे तरल पदार्थ मुक्त हो जाए प्रदूषक। इस अध्ययन के निहितार्थ बड़े पैमाने पर हैं। परमाणु अपशिष्ट और रासायनिक अपवाह सहित इतिहास के कुछ सबसे बड़े पर्यावरणीय खतरों को ग्राफीन की बदौलत जल स्रोतों से साफ किया जा सकता है।

चूंकि अधिक जनसंख्या दुनिया की सबसे गंभीर पर्यावरणीय चिंताओं में से एक बनी हुई है, इसलिए स्वच्छ जल आपूर्ति बनाए रखना और भी महत्वपूर्ण हो जाएगा। दरअसल, दुनिया भर में एक अरब से अधिक लोग पानी की कमी से पीड़ित हैं, मौजूदा रुझानों को देखते हुए यह संख्या बढ़ती ही रहेगी। ग्राफीन फिल्टर में जल शुद्धिकरण में सुधार करने, उपलब्ध ताजे पानी की मात्रा बढ़ाने की अपार क्षमता है। वास्तव में, लॉकहीड मार्टिन ने हाल ही में "पेरफोरीन" नामक एक ग्राफीन फिल्टर विकसित किया है, जिसके बारे में कंपनी का दावा है कि यह अलवणीकरण प्रक्रिया में क्रांतिकारी बदलाव ला सकता है।

वर्तमान अलवणीकरण संयंत्र समुद्री जल से नमक को फ़िल्टर करने के लिए रिवर्स ऑस्मोसिस नामक एक विधि का उपयोग करते हैं। रिवर्स ऑस्मोसिस एक झिल्ली के माध्यम से पानी को स्थानांतरित करने के लिए दबाव का उपयोग करता है। बड़ी मात्रा में पीने योग्य पानी का उत्पादन करने के लिए दबाव के कारण भारी मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता होती है। ए लॉकहीड मार्टिन के इंजीनियर का दावा उनके पेर्फोरिन फिल्टर अन्य फिल्टर की तुलना में ऊर्जा आवश्यकताओं को सौ गुना कम कर सकते हैं।

एमआईटी ने "नैनोपोर्स" के साथ ग्राफीन बनाया

निस्पंदन ग्राफीन के सबसे स्पष्ट उपयोगों में से एक है, और एमआईटी इंजीनियरों ने अणुओं को अलग करने की ग्राफीन की क्षमता को बेहतर बनाने में काफी प्रगति की है। 2018 में, एमआईटी की एक टीम ग्राफीन की शीटों में छोटे, "पिनप्रिक" छेद बनाने की एक विधि लेकर आई। एमआईटी के शोधकर्ता ग्राफीन का उत्पादन करने के लिए "रोल-टू-रोल" दृष्टिकोण का उपयोग करते हैं। उनके सेटअप में दो स्पूल शामिल हैं: एक स्पूल तांबे की एक शीट को भट्टी में डालता है जहां इसे गर्म किया जाता है उचित तापमान, फिर इंजीनियर मीथेन और हाइड्रोजन गैस जोड़ते हैं, जो अनिवार्य रूप से ग्राफीन के पूल का कारण बनता है रूप देना। ग्राफीन फिल्म भट्ठी से बाहर निकलती है, दूसरे स्पूल पर घूमती है।

सिद्धांत रूप में, यह प्रक्रिया अपेक्षाकृत कम समय में ग्राफीन की बड़ी शीट बनाने की अनुमति देती है, जो व्यावसायिक अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है। शोधकर्ताओं को ग्राफीन को पूरी तरह से बनाने के लिए प्रक्रिया को ठीक करना पड़ा, और दिलचस्प बात यह है कि रास्ते में किए गए अपूर्ण प्रयास बाद में उपयोगी साबित हुए। जैसे ही एमआईटी टीम ने ग्राफीन में छिद्र बनाने की कोशिश की, उन्होंने उन्हें बनाने के लिए ऑक्सीजन प्लाज्मा का उपयोग करना शुरू कर दिया। चूँकि यह प्रक्रिया समय लेने वाली साबित हुई, वे कुछ तेज़ चाहते थे और समाधान के लिए अपने पिछले प्रयोगों पर ध्यान दिया। ग्राफीन की वृद्धि के दौरान तापमान कम करके, उनमें छिद्र दिखाई देने लगे। विकास प्रक्रिया के दौरान दोष के रूप में जो दिखाई दिया वह झरझरा ग्राफीन बनाने का एक उपयोगी तरीका बन गया।

अतिचालकता

अधिक लंबे समय बाद तक नहीं कैंब्रिज के वैज्ञानिकों ने प्रदर्शित किया एमआईटी के शोधकर्ताओं का कहना है कि जब प्रेजोडायमियम सेरियम कॉपर ऑक्साइड के साथ जोड़ा जाता है तो ग्राफीन एक सुपरकंडक्टर (बिना विद्युत प्रतिरोध वाली सामग्री) के रूप में कार्य कर सकता है। की खोज की एक और आश्चर्यजनक गुण: यह स्पष्ट रूप से सही कॉन्फ़िगरेशन में अकेले सुपरकंडक्टर के रूप में कार्य कर सकता है। शोधकर्ताओं ने ग्राफीन के दो स्लाइस को ढेर कर दिया, लेकिन उन्हें 1.1 डिग्री के कोण से ऑफसेट कर दिया। नेचर में प्रकाशित एक रिपोर्ट के अनुसार, “मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट में भौतिक विज्ञानी पाब्लो जारिलो-हेरेरो कैम्ब्रिज में टेक्नोलॉजी (एमआईटी) और उनकी टीम ने जब अपनी स्थापना की तो वे सुपरकंडक्टिविटी की तलाश में नहीं थे प्रयोग। इसके बजाय, वे यह पता लगा रहे थे कि जादुई कोण नामक अभिविन्यास ग्राफीन को कैसे प्रभावित कर सकता है।

उन्होंने जो खोजा वह यह है कि, जब उन्होंने ऑफ-किल्टर ग्राफीन स्टैक के माध्यम से बिजली चलाई, तो यह एक सुपरकंडक्टर के रूप में कार्य करता था। बिजली लगाने की यह सरल प्रक्रिया समान वर्ग की तुलना में ग्राफीन का अध्ययन करना आसान बनाती है सुपरकंडक्टर्स, कप्रेट्स, हालांकि वे सामग्रियां बहुत अधिक उच्च स्तर पर सुपरकंडक्टिविटी प्रदर्शित करती हैं तापमान. अधिकांश सामग्रियां जो अतिचालकता प्रदर्शित करती हैं वे ऐसा केवल परम शून्य तापमान के निकट ही प्रदर्शित करती हैं। कुछ तथाकथित "उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टर्स" 133 केल्विन (-140 सेल्सियस) के आसपास के तापमान पर अतिचालकता प्रदर्शित कर सकते हैं, जो अपेक्षाकृत अधिक है; हाइड्रोजन सल्फाइड, पर्याप्त दबाव में, गुण प्रदर्शित करता है एक चमत्कारी -70 डिग्री सेल्सियस!

ग्राफीन व्यवस्था को पूर्ण शून्य से 1.7 डिग्री ऊपर तक ठंडा किया जाना था, हालांकि, शोधकर्ता इसके व्यवहार को कप्रेट्स के समान मानते हैं, और इसलिए उन्हें उम्मीद है कि यह अपरंपरागत अतिचालकता का अध्ययन करने के लिए बहुत आसान सामग्री होगी, जो अभी भी लोगों के बीच बड़ी असहमति का क्षेत्र है। भौतिक विज्ञानी क्योंकि सुपरकंडक्टिविटी आमतौर पर केवल इतने कम तापमान पर ही होती है, सुपरकंडक्टर्स का उपयोग केवल एमआरआई मशीनों जैसी महंगी मशीनरी में किया जाता है, लेकिन वैज्ञानिकों को उम्मीद है कि एक दिन ऐसा सुपरकंडक्टर मिल जाएगा जो कमरे के तापमान पर काम करता है, जो शीतलन की आवश्यकता को हटाकर लागत में कमी लाएगा इकाइयाँ।

में 2019 में प्रकाशित एक अध्ययनशोधकर्ताओं ने दिखाया कि कैसे विशिष्ट "जादुई" कोणों पर ग्राफीन की परतों को घुमाने से पहले की तुलना में कम तापमान पर अतिचालक गुण उत्पन्न हो सकते हैं।

मच्छर बचाव

कुछ जीव मच्छर जितने घृणित होते हैं, उनके काटने में खुजली होती है और वे मलेरिया जैसी भयानक बीमारियाँ फैलाने की प्रवृत्ति रखते हैं। शुक्र है, ब्राउन यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने ग्राफीन का उपयोग करके एक संभावित समाधान ढूंढ लिया है। अनुसंधान, 2019 में प्रकाशित, दर्शाता है कि त्वचा पर ग्राफीन फिल्म ने न केवल मच्छरों को काटने से रोका बल्कि उन्हें पहली बार में त्वचा पर उतरने से भी रोका। एक संभावित व्याख्या यह है कि ग्राफीन ने मच्छरों को शिकार को सूंघने से रोक दिया।

ग्राफीन अनुसंधान का भविष्य

ग्राफीन की शक्तियों की प्रतीत होने वाली अंतहीन सूची को देखते हुए, कोई भी इसे हर जगह देखने की उम्मीद करेगा। फिर, ग्राफीन को व्यापक रूप से क्यों नहीं अपनाया गया है? अधिकांश चीज़ों की तरह, बात पैसे पर आती है। ग्राफीन का बड़ी मात्रा में उत्पादन करना अभी भी बेहद महंगा है, जिससे बड़े पैमाने पर उत्पादन की मांग करने वाले किसी भी उत्पाद में इसके उपयोग को सीमित किया जा सकता है। इसके अलावा, जब ग्राफीन की बड़ी शीट का उत्पादन किया जाता है, तो सामग्री में छोटी दरारें और अन्य खामियां दिखाई देने का खतरा बढ़ जाता है। वैज्ञानिक खोज चाहे कितनी भी अविश्वसनीय क्यों न हो, अर्थशास्त्र हमेशा सफलता तय करेगा।

उत्पादन के मुद्दे एक तरफ, ग्राफीन अनुसंधान किसी भी तरह से धीमा नहीं हो रहा है। दुनिया भर में अनुसंधान प्रयोगशालाएँ - जिनमें मैनचेस्टर विश्वविद्यालय भी शामिल है, जहाँ पहली बार ग्राफीन की खोज की गई थी - लगातार ग्राफीन बनाने और उपयोग करने के नए तरीकों के लिए पेटेंट दाखिल कर रहे हैं। यूरोपीय संघ ने 2013 में एक प्रमुख कार्यक्रम के लिए वित्त पोषण को मंजूरी दी, जो इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग के लिए ग्राफीन अनुसंधान को वित्त पोषित करेगा। इस बीच, सैमसंग सहित एशिया की प्रमुख तकनीकी कंपनियां ग्राफीन पर शोध कर रही हैं।

क्रांतियाँ रातोरात नहीं होतीं। सिलिकॉन की खोज 19वीं शताब्दी के मध्य में हुई थी, लेकिन सिलिकॉन अर्धचालकों द्वारा कंप्यूटर के उदय का मार्ग प्रशस्त करने में लगभग एक शताब्दी लग गई। क्या ग्राफीन, अपने लगभग पौराणिक गुणों के साथ, वह संसाधन हो सकता है जो मानव इतिहास के अगले युग को संचालित करता है? केवल समय बताएगा।

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