ग्रैफ़ीन की सफ़ाई: व्यावसायीकरण की कुंजी

सालों के दौरान, ग्रैफ़ीन ने कई विशेषण अर्जित किए हैं। कुछ ने इसे ‘दिमाग़ हिला देने वाला अद्भुत पदार्थ’ कहा, जबकि अन्य ने इसे ‘प्रमाणित सुपरमैटेरियल’ कहा। दुनिया ने एक दशक से अधिक समय पहले ग्रैफ़ीन के चमत्कारों को पहचाना।

2012 में, नेचर ने ‘A roadmap for graphene‘ शीर्षक वाला लेख प्रकाशित किया, जिसमें बताया गया कि ग्रैफ़ीन वैज्ञानिक समुदाय की नजरों में क्यों तेज़ी से प्रमुख बन रहा था। शोधकर्ताओं ने ग्रैफ़ीन की विशेषताओं को इस रुचि का कारण बताया, कहते हुए:

“यह एक-परमाणु मोटी कार्बन की कपड़ा अनोखे तरीके से अत्यधिक यांत्रिक शक्ति, असाधारण रूप से उच्च इलेक्ट्रॉनिक और थर्मल चालकता, गैसों के प्रति अछेद्यता, तथा कई अन्य श्रेष्ठ गुणों को संयोजित करता है, जो इसे अनेक अनुप्रयोगों के लिए अत्यंत आकर्षक बनाते हैं।”

ग्रैफ़ीन की संभावनाओं को समझते हुए, यूरोपीय संघ ने 2013 से 2023 के बीच इसमें 1 बिलियन यूरो या US$1.3 बिलियन निवेश करने का निर्णय लिया। यह निवेश ग्रैफ़ीन की परिवर्तनकारी क्षमताओं को सिद्ध करने के लिए था, विशेषकर इलेक्ट्रॉनिक्स, ऊर्जा, स्वास्थ्य, निर्माण आदि क्षेत्रों में लागू होने पर। इन पहलों को एक लंबी शोध यात्रा का समर्थन मिला, क्योंकि 2005 से 2013 के बीच ग्रैफ़ीन पर 8,000 से अधिक पत्र लिखे गए। 

तब से, वैज्ञानिक समुदाय में ग्रैफ़ीन में रुचि नहीं घटी है। अब, शोधकर्ता इसे बड़े पैमाने पर व्यावसायीकरण के तरीकों की खोज कर रहे हैं। एक ऐसे अध्ययन में, कोलंबिया विश्वविद्यालय की इंजीनियरों की टीम, मॉन्ट्रियल विश्वविद्यालय और राष्ट्रीय मानक एवं प्रौद्योगिकी संस्थान के सहयोगियों के साथ, ग्रैफ़ीन को साफ़ करने की संभावनाओं की जाँच की, जिससे इसे बड़े पैमाने पर व्यावसायिक उत्पादन के लिए तैयार किया जा सके। 

रासायनिक वाष्प जमाव (CVD) द्वारा ग्रैफ़ीन संश्लेषण में आने वाली चुनौतियों का समाधान

CVD ग्रैफ़ीन संश्लेषण की दो पारंपरिक विधियों में से एक रहा है, दूसरी ‘स्कॉच-टेप’ विधि है। यह विधि, जिसे CVD ग्रोथ भी कहा जाता है, मीथेन जैसे कार्बन युक्त गैस को लगभग 1000 °C पर तांबे की सतह पर प्रवाहित करके अपने लक्ष्य को प्राप्त करती है। 

यह प्रक्रिया मीथेन को तोड़ देती है जिससे कार्बन परमाणु पुनः व्यवस्थित होकर एकल शहद-छत्र आकार की ग्रैफ़ीन परत बनाते हैं। ‘स्कॉच-टेप’ विधि की तुलना में इस विधि का लाभ यह है कि CVD ग्रोथ सेंटीमीटर या मीटर आकार के बहुत बड़े ग्रैफ़ीन नमूने बना सकती है। जबकि ‘स्कॉच-टेप’ विधि से प्राप्त उत्पाद बहुत छोटे ग्रैफ़ीन होते हैं, जिनका आकार कुछ दशकों माइक्रोमीटर तक सीमित रहता है।

ग्रैफ़ीन की CVD ग्रोथ से प्राप्त उत्पाद ‘स्कॉच-टेप’ विधि के उत्पादों की तुलना में अधिक व्यापक रूप से उपयोगी होते हैं। हालांकि, CVD द्वारा निर्मित नमूनों में पुनरुत्पादन समस्याएँ और गुणवत्ता में परिवर्तनशीलता होती है।

इन चुनौतियों से निपटने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक ऑक्सीजन-रहित रासायनिक वाष्प जमाव (OF-CVD) विधि विकसित की है, जो बड़े पैमाने पर उच्च गुणवत्ता वाले ग्रैफ़ीन नमूने बना सकती है।

नवाचार और इसकी अग्रणी गुणवत्ता के बारे में बात करते हुए, जेम्स होन, इस शोध के वरिष्ठ लेखक और कोलंबिया इंजीनियरिंग में वांग फोंग-जेन मैकेनिकल इंजीनियरिंग प्रोफेसर, ने यह कहा:

“हम दिखाते हैं कि विकास प्रक्रिया से लगभग सभी ऑक्सीजन को हटाना पुनरुत्पादनीय, उच्च‑गुणवत्ता वाले CVD ग्रैफ़ीन संश्लेषण की कुंजी है। यह ग्रैफ़ीन के बड़े‑पैमाने पर उत्पादन की दिशा में एक मील का पत्थर है।”

यह शोध, विज्ञान और प्रौद्योगिकी के क्षेत्र में अपनी उपलब्धियों के अलावा, यह भी दर्शाता है कि शैक्षणिक सहयोग कैसे काम करना चाहिए। छह साल पहले, मॉन्ट्रियल के इस शोध के सह-लेखक रिचर्ड मार्टेल और पियरे लेवेस्क ने दिखाया था कि ऑक्सीजन के ट्रेस मात्रा विकास प्रक्रिया को धीमा कर सकती है और ग्रैफ़ीन को एच कर सकती है। उस समय, मार्टेल और लेवेस्क की खोजों के आधार पर, क्रिस्टोफ़र डीमार्को, GSAS 19, ने एक CVD ग्रोथ सिस्टम डिजाइन और निर्मित किया जहाँ स्वचालन प्रक्रिया के दौरान ऑक्सीजन की मात्रा को नियंत्रित किया जा सकता था।

वर्तमान अध्ययन मार्टेल, लेवेस्क और डीमार्को के कार्य का निरंतरता है, जहाँ वर्तमान पीएचडी छात्र शिंगझोउ यान और जैकब अमोंट्री ने पाया कि जब ट्रेस ऑक्सीजन को हटाया गया तो CVD ग्रोथ बहुत तेज़ हो गई। इन ऑक्सीजन‑रहित CVD‑उत्पन्न नमूनों की गुणवत्ता लगभग एक्सफ़ोलिएटेड ग्रैफ़ीन के समान है, जो काफी साफ़ और अशुद्धियों से मुक्त है, जो अन्यथा ग्रैफ़ीन के वांछित गुणों में बाधा डाल सकती थीं।

साफ़ और शुद्ध ग्रैफ़ीन का उत्पादन करने के अलावा, शोधकर्ताओं ने पाया कि विभिन्न पैरामीटरों जैसे गैस दबाव और तापमान के आधार पर CVD ग्रोथ दर की भविष्यवाणी करना संभव है।

आने वाले दिनों में, शोधकर्ता ग्रैफ़ीन के साथ आगे बढ़ने की योजना बना रहे हैं, जिसमें उच्च‑गुणवत्ता वाले ग्रैफ़ीन को धातु विकास उत्प्रेरक से सिलिकॉन जैसे अन्य कार्यात्मक सब्सट्रेट पर साफ़ तरीके से स्थानांतरित करने की विधि विकसित की जाएगी। यह ग्रैफ़ीन की संभावनाओं को और अधिक विस्तारित करेगा। 

‘साफ़’ ग्रैफ़ीन: व्यावसायीकरण की कुंजी 

ग्रैफ़ीन ने अपने शुरुआती दिनों से ही अपनी कई विशेषताओं के कारण ध्यान आकर्षित किया है। इसके कार्बन परमाणु एक षट्कोणीय शहद-छत्र संरचना में पूरी तरह वितरित होते हैं, केवल 0.3 नैनोमीटर मोटे, और प्रत्येक परमाणु के बीच केवल 0.1 नैनोमीटर की दूरी होती है। यह संरचनात्मक सरलता और शुद्धता ग्रैफ़ीन को कई गुण प्रदान करती है।

उदाहरण के लिए, यह इस्पात से 200 गुना अधिक मजबूत है फिर भी छह गुना हल्का है। इसकी पारदर्शिता लगभग पूर्ण है, जो लगभग 98% प्रकाश को पारित होने देती है जबकि केवल 2% को अवशोषित करती है। ग्रैफ़ीन गैसों के प्रति भी अछेद्य है, और इसकी विशेषताओं को सतह पर रासायनिक घटकों को जोड़कर बदला जा सकता है। नेशनल ऑफिस फॉर एयरोस्पेस स्टडीज़ एंड रिसर्च (ONERA) के एन्निक लोसियो ने एक नारा तैयार किया: “The future lies in pencil graphite!“

मूल रूप से, ग्रैफ़ीन व्यावसायीकरण के लिए तैयार था। यह बड़े कदम के लिए तैयार किया गया था। फिर भी, एक क्षेत्र जिसमें विवाद बना रहा वह था ग्रैफ़ीन को साफ़ करना जबकि उसके आकार को बनाए रखना। वर्तमान शोध दिखाता है कि कैसे सेंटीमीटर या मीटर आकार का साफ़ ग्रैफ़ीन बनाया जाए और इसे पूर्ण‑स्तर के व्यावसायीकरण के लिए तैयार किया जाए। 

ग्रैफ़ीन के लाभ सभी के लिए उपलब्ध होने के साथ, वैज्ञानिक समुदाय ने अन्य मोनोलेयर तत्वीय संरचनाओं की संभावनाओं की जाँच में रुचि ली। वह तत्व जिसने विशिष्टता हासिल की वह बोरॉन था, जिसकी मोनोलेयर को बोरोफ़ीन कहा जाता है। 

ग्रैफ़ीन और बोरोफ़ीन की तुलना

ग्रैफ़ीन और बोरोफ़ीन अपने-अपने तत्वों की एकल शीट्स से बनते हैं। इनकी संरचनात्मक शक्ति उच्च होती है, ये अत्यधिक लचीले होते हैं, और आसानी से टूटते नहीं हैं। 

कुछ अंतर भी हैं। उदाहरण के लिए, ग्रैफ़ीन सपाट शीट्स और षट्कोणीय जाली संरचना के साथ आता है। बोरोफ़ीन शीट्स में हल्का वक्रता होती है और यह तीन उप‑एलोट्रोप्स में मौजूद है, जिनमें त्रिकोण और षट्कोण के विभिन्न व्यवस्थाएँ होती हैं।

हमने पहले ही ग्रैफ़ीन की विशेषताओं पर चर्चा की है। बोरोफ़ीन की विशेषताएँ इसे फोटोवोल्टाइक, लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स और डिस्प्ले तकनीकों में एक महत्वपूर्ण तत्व बनाती हैं, क्योंकि इसकी उच्च विद्युत चालकता और ‘a’ दिशा में प्रकाशीय पारदर्शिता तथा विभिन्न प्रकार की नई अनिसोट्रॉपी है। 

समग्र रूप से, ग्रैफ़ीन और बोरोफ़ीन के विकास ने विभिन्न तकनीकी नवाचारों को रोचक अनुप्रयुक्त गुणों के साथ आज़माने को संभव बनाया है। 

आज की चर्चा, जो ग्रैफ़ीन के इर्द‑गिर्द केंद्रित है, में हम उन कंपनियों को देखेंगे जिन्होंने ग्रैफ़ीन के अनुप्रयोग में नवाचार किया है। लेकिन व्यक्तिगत कंपनियों और उनकी उपलब्धियों को देखने से पहले, हमें ग्रैफ़ीन फ़्लैगशिप की जाँच करनी चाहिए, वह अग्रणी संघ जो ग्रैफ़ीन के साथ विभिन्न समाधान विकसित करने के लिए नए क्षितिज खोल रहा है। 

ग्रैफ़ीन फ़्लैगशिप

यूरोपीय संघ द्वारा वित्तपोषित, ग्रैफ़ीन फ़्लैगशिप 12 अनुसंधान और नवाचार परियोजनाओं तथा एक समन्वय और समर्थन परियोजना में 118 शैक्षणिक और औद्योगिक साझेदारों को एकत्र करता है, जिसका उद्देश्य ‘ग्रैफ़ीन और अन्य 2D सामग्री पर निर्भर प्रौद्योगिकियों में यूरोप की रणनीतिक स्वायत्तता को आगे बढ़ाना’ है। 

पिछले दस वर्षों में, ग्रैफ़ीन फ़्लैगशिप ने कई मील के पत्थर हासिल किए हैं। अब तक के इन मील के पत्थरों में से नवीनतम और संभवतः सबसे महत्वपूर्ण ग्रैफ़ीन के अग्रणी 2D सामग्री अर्धचालक एकीकरण परियोजना की सफलता रही है। 

यह परियोजना अक्टूबर 2020 में शुरू हुई ताकि ग्रैफ़ीन और संबंधित सामग्री (GRM) को प्रयोगशाला से बाहर निकालकर स्केलेबल व्यावसायिक उत्पादन और उपयोग में लाया जा सके। चार वर्षों में 20 मिलियन यूरो के बजट के साथ, 2D एक्सपेरिमेंटल पायलट लाइन (2D‑EPL) परियोजना ने प्रोटोटाइपिंग, वेफ़र निर्माण और प्रक्रिया सक्षम करने पर ध्यान केंद्रित किया।

परिणाम कम से कम आशाजनक थे। परियोजना की उपलब्धियों के कारण, शैक्षणिक, शोधकर्ता और निजी कंपनियों को 2D सामग्री उपकरणों के लिए नवीन विचारों का परीक्षण और प्रोटोटाइप बनाने का पहला‑का‑पहला अवसर मिला। इससे मल्टी‑प्रोजेक्ट वेफ़र (MPW) रन हुए, जिसने कम लागत, बड़े‑पैमाने के प्रोटोटाइप विकास को संभव बनाया।  

प्रक्रिया सक्षम करने के क्षेत्र में, ग्रैफ़ीन फ़्लैगशिप ने वैज्ञानिक समुदाय की मदद दो विशेष नए उपकरणों के निर्माण से की, जिसमें Aixtron का मेटालऑर्गेनिक रासायनिक वाष्प जमाव (MOCVD) रिएक्टर और SUSS MicroTec (SMHN.SW ) का स्वचालित 2D लेयर ट्रांसफ़र टूल शामिल है। इन उपकरणों ने 2D सामग्री की वृद्धि और लेयर ट्रांसफ़र प्रक्रियाओं का विस्तृत परीक्षण और संशोधन संभव बनाया, जो भविष्य में उच्च उत्पादन क्षमता प्राप्त करने के लिए आवश्यक हैं। 

नवाचार और इसकी अग्रणी गुणवत्ता के बारे में बात करते हुए, जेम्स होन, इस शोध के वरिष्ठ लेखक और कोलंबिया इंजीनियरिंग में वांग फोंग-जेन मैकेनिकल इंजीनियरिंग प्रोफेसर, ने यह कहा:

“पायलट लाइन केवल कठोर डेटा और वैज्ञानिक‑तकनीकी प्रगति के बारे में नहीं है जो हमने एकत्र की है, बल्कि — और शायद इससे भी अधिक महत्वपूर्ण — व्यक्तिगत अंतःक्रियाओं के बारे में है जिन्होंने यूरोप में 2D सामग्री नवाचार के भविष्य के लिए विचारों के परस्पर उर्वरता के लिए एक खेल का मैदान बनाया है। जैसा कि वैश्विक ग्रैफ़ीन बाजार आकार में घातीय रूप से बढ़ने के लिए निर्धारित है, 2022 में वार्षिक राजस्व 380 मिलियन अमेरिकी डॉलर से लेकर केवल पाँच वर्षों में 1.5 बिलियन अमेरिकी डॉलर तक, 2D‑EPL जैसी परियोजनाएँ यूरोप को विकास और नवाचार के अग्रभाग में बनाए रखने के लिए महत्वपूर्ण हैं।”

संघ के अलावा, कुछ व्यक्तिगत कंपनियों और व्यवसायों ने इस क्षेत्र में उत्कृष्ट कार्य किया है। नीचे के खंडों में, संक्षेप में, हम ऐसी कुछ कंपनियों पर चर्चा करेंगे। 

#1. NanoXplore

2011 में स्थापित और मॉन्ट्रियल, क्यूबेक में मुख्यालय वाली NanoXplore (GRA.TO ) के पास एक मॉड्यूलर संरचना वाला 4,000 मीट्रिक टन प्रति वर्ष ग्रैफ़ीन पाउडर उत्पादन सुविधा है। कंपनी थर्मोप्लास्टिक और थर्मोसेट्स में औद्योगिक सामग्रियों के प्रदर्शन को सुधारने के लिए एडिटिव के रूप में ग्रैफ़ीन‑आधारित समाधान विकसित करने और तैयार करने में विशेषज्ञता रखती है। 

NanoXplore सुविधा में पॉलीओलेफिन्स और इंजीनियर्ड पॉलिमर्स में ग्रैफ़ीन‑सुधारित मास्टरबैच बनाने के लिए सर्वश्रेष्ठ एक्सट्रूज़न क्षमताएँ हैं। अपने पेटेंटेड स्वामित्व वाले क्लीन तकनीक के माध्यम से, NanoXplore अपने ग्राहकों को ग्रैफ़ीन‑आधारित समाधान की एक श्रृंखला प्रदान करती है, जिसमें GrapheneBlackTM पाउडर और ग्रैफ़ीन‑सुधारित मास्टरबैच पेलेट्स शामिल हैं। NanoXplore के कॉम्पोजिट्स व्यवसाय विभाग विभिन्न ग्राहकों को परिवहन, पैकेजिंग, इलेक्ट्रॉनिक्स और अन्य औद्योगिक क्षेत्रों में मानक और कस्टम प्लास्टिक और कॉम्पोजिट उत्पाद प्रदान करता है।

NanoXplore का Graphene Black एक बहु‑उपयोगी ग्रैफ़ीन पाउडर है जिसमें मिश्रणीयता और निर्माणीयता का सर्वोत्तम संतुलन है। यह ग्रैफ़ीन को उसकी व्यावसायिक व्यवहार्यता बढ़ाने और प्लास्टिक व पॉलिमर्स के गुणों को उल्लेखनीय रूप से सुधारने की अनुमति देता है।

NanoXplore वर्तमान लिथियम‑आयन रसायनों में सिलिकॉन‑सक्षम लिथियम‑आयन एनोड्स में GrapheneBlack जोड़ने का प्रयास भी कर रहा है, जिससे उसकी ग्रैफ़ीन‑सुधारित बैटरियों में ऊर्जा क्षमता और चार्जिंग गति में सुधार हो, जो इलेक्ट्रिक वाहन, ऊर्जा भंडारण प्रणाली, तथा इलेक्ट्रिक ट्रक और बसों में उपयोगी साबित होते हैं।

अपने नवीनतम वित्तीय रिपोर्टों के अनुसार, NanoXplore ने क्रमशः 31 मार्च, 2024 को समाप्त तीन‑महीने और नौ‑महीने की अवधि के लिए 33.87 मिलियन और लगभग 92 मिलियन कैनेडियन डॉलर की आय अर्जित की। 

ग्रैफ़ीन पाउडर के स्वच्छ निर्माण में सफल रही एक और कंपनी GMG या Graphene Manufacturing Group Limited है। 

#2. Graphene Manufacturing Group Limited

यह एक क्लीन‑टेक्नोलॉजी कंपनी है जिसके पास एक स्वामित्व वाला उत्पादन प्रक्रिया है, जो आसानी से उपलब्ध कम‑लागत वाले फीडस्टॉक से ग्रैफ़ीन पाउडर बनाती है। यह प्रक्रिया ‘उच्च गुणवत्ता, कम लागत, स्केलेबल, ट्यूनेबल और अशुद्धि‑रहित ग्रैफ़ीन’ उत्पन्न करती है, जो ऊर्जा बचत और ऊर्जा भंडारण क्षेत्रों में समाधान विकसित करने में मदद करती है। 

विशेष रूप से, GMG की उत्पाद श्रृंखला में ग्रैफ़ीन‑सुधारित हीटिंग, वेंटिलेशन, एयर कंडीशनिंग, रेफ्रिजरेशन (HVAC‑R) कोटिंग्स, लुब्रिकेंट्स और फ्लुइड्स शामिल हैं। कंपनी GMG ग्रैफ़ीन एल्यूमीनियम‑आयन बैटरियों के व्यावसायीकरण पर भी काम कर रही है, जिनकी ऊर्जा घनत्व लिथियम‑आयन बैटरियों से बेहतर होने की संभावना है। 

31 मार्च, 2024 को समाप्त तीन‑महीने और नौ‑महीने की अवधि के लिए, GMG ने क्रमशः 53,000 और 212,000 ऑस्ट्रेलियन डॉलर की आय अर्जित की। 

भविष्य का अद्भुत पदार्थ?

ग्रैफ़ीन की क्रांतिकारी विशेषताएँ और गुण इसे भविष्य में और अधिक उपलब्धियों के लिए सक्षम करेंगे। इसका उपयोग इलेक्ट्रॉनिक्स, फोटोनिक्स, ऊर्जा, बायोमेडिकल, कॉम्पोजिट्स, और भविष्य के 2D सामग्री के डिजाइन में किया जाएगा। 

ये 2D सामग्री असाधारण भौतिक और रासायनिक गुण प्रदान करती हैं, जो ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स, ऊर्जा, सेंसरिंग, कॉम्पोजिट्स और अधिक में क्रांतिकारी अनुप्रयोगों को सशक्त बनाती हैं। तेज़ी से विकास की कुंजी यह होगी कि ग्रैफ़ीन के साथ सबसे टिकाऊ और कम‑लागत वाले तरीकों को विकसित किया जाए। 

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