ग्रैफ़ीन से गोल्डेने तक: उन्नत एक-परमाणु परत सामग्री भविष्य की खोजों के लिए नए द्वार खोलती हैं

हममें से किसी को भी सोने के मूल्य के बारे में कोई संदेह नहीं है। आखिरकार, यह सबसे लोकप्रिय और दीर्घकालिक मूल्य भंडार है। हालांकि, मानव सभ्यता द्वारा हासिल किए गए वैज्ञानिक प्रगति ने हमें अब गोल्डेने के द्वार पर पहुँचा दिया है। और यह कम से कम कहा जाए तो एक गेम‑चेंजर हो सकता है। लेकिन गोल्डेने क्या है? वैज्ञानिक समुदाय इसके बारे में इतना उत्साहित क्यों है? आइए गहराई से देखें।

गोल्डेने: केवल एक परमाणु परत मोटी सोने की शीट्स

पहली बार, Linköping University के शोधकर्ता, स्वीडन, ने ऐसी सोने की शीट्स बनाई हैं जिनकी मोटाई केवल एक परमाणु परत के बराबर है। शोधकर्ताओं ने इस रूपांतरण को गोल्डेने नाम दिया है। गोल्डेने कार्बन डाइऑक्साइड रूपांतरण, हाइड्रोजन उत्पादन, और मूल्यवर्धित रसायनों के उत्पादन सहित कई उन्नत कार्यों में उपयोगी हो सकता है। 

सामग्री डिजाइन विभाग, विश्वविद्यालय के शोधकर्ता शुन काशिवाया के अनुसार:

“यदि आप किसी सामग्री को अत्यंत पतला बनाते हैं, तो कुछ असाधारण होता है – जैसे ग्रैफ़ीन के साथ होता है। सोने के साथ भी वही होता है। जैसा कि आप जानते हैं, सोना सामान्यतः एक धातु है, लेकिन यदि वह केवल एक परमाणु परत मोटा हो, तो सोना एक अर्धचालक बन सकता है।”

‘गोल्डेने’ कैसे बनाया गया?

यह आविष्कार तीन-आयामी आधार सामग्री के विकास से शुरू हुआ, जिसमें सोने को टाइटेनियम और कार्बन की परतों के बीच एम्बेड किया गया। उच्च तापमान पर, टाइटेनियम सिलिकॉन कार्बाइड की पतली सिलिकॉन परत को सोने द्वारा प्रतिस्थापित किया गया, जिससे टाइटेनियम गोल्ड कार्बाइड की खोज हुई। हालांकि, यह एक संयोगपूर्ण खोज थी। शोधकर्ता इलेक्ट्रिकली कंडक्टिव टाइटेनियम सिलिकॉन कार्बाइड को सोने से कोट करने का लक्ष्य रखे थे ताकि वह संपर्क बना सके।  

अपना काम करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक पारंपरिक विधि का उपयोग किया जो सौ से अधिक वर्षों से जापानी फोर्जिंग कला का हिस्सा रही है। इस घटक को मुराकामी रिएजेंट कहा जाता है। शोधकर्ताओं ने इसे विभिन्न सांद्रताओं और विभिन्न समयावधियों में उपयोग किया ताकि अंततः उस घटक तक पहुँच सकें। 

जबकि वे अंततः एक परमाणु की वांछित मोटाई में सोने की शीट्स बना पाए, उन्हें स्थिर करना अत्यंत महत्वपूर्ण था। उन्होंने एक टेंसाइड, एक लंबा अणु, को शीट्स को अलग करने और स्थिर करने के लिए सर्फेक्टेंट के रूप में उपयोग किया ताकि शीट्स मुड़ न जाएँ। 

अंतिम परिणाम और उसके वैज्ञानिक सत्यापन का वर्णन करते हुए, शुन काशिवाया, एक शोधकर्ता ने निम्नलिखित कहा:

“स्वर्ण शीट्स एक घोल में हैं, जैसे दूध में कॉर्नफ़्लेक्स। एक प्रकार के “छन्नी” का उपयोग करके, हम सोना एकत्र कर सकते हैं और इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप से जांच सकते हैं कि हमने सफलता प्राप्त की है। हमने कर ली है।”

गोल्डेने के कई संभावित अनुप्रयोग

गोल्डेने के संभावित अनुप्रयोग विभिन्न क्षेत्रों में फैले हैं, जिसमें कार्बन डाइऑक्साइड रूपांतरण, हाइड्रोजन उत्पन्न करने वाली उत्प्रेरक प्रक्रिया, मूल्यवर्धित रसायनों का चयनात्मक उत्पादन, हाइड्रोजन उत्पादन, जल शोधन, संचार, और कई अन्य शामिल हैं।

आगे के अनुसंधान में, शोधकर्ता इन अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाने वाले सोने की मात्रा को कम करने और सोने को अन्य कीमती धातुओं से बदलने की संभावना का पता लगाने की योजना बना रहे हैं। इन नए यौगिकों के कई और नए अनुप्रयोग हो सकते हैं। 

जबकि गोल्डेने अपने वैज्ञानिक और प्रौद्योगिकी अनुप्रयोगों के संदर्भ में कई नए द्वार खोलने का वादा करता है, एक-परमाणु परत सामग्री के प्रति वैज्ञानिक समुदाय का आकर्षण नया नहीं है। 

एक-परमाणु परत सामग्री का रोचक मामला: ग्रैफ़ीन और अधिक

जब भी हम एक-परमाणु परत सामग्री की बात करते हैं, हमें अनिवार्य रूप से ग्रैफ़ीन पर चर्चा करनी पड़ती है। यह अपनी संभावनाओं के कारण लोकप्रिय है। ग्रेफ़ाइट, कार्बन के क्रिस्टलीय रूप से निकाला गया, ग्रैफ़ीन हल्का, लचीला और मजबूत है। अपनी पतलापन के अलावा, इसकी प्रतिरोध शक्ति बहुत अधिक है, जो स्टील से 200 गुना अधिक है। फिर भी, यह एल्युमीनियम से पाँच गुना हल्का है। इसमें प्रकाश अवशोषण क्षमता और उच्च विद्युत तथा थर्मल चालकता भी है।

ग्रैफ़ीन आज अधिक चर्चा में है क्योंकि हाल ही में एक बड़ी उपलब्धि हासिल हुई, जहाँ शोधकर्ताओं ने सफलतापूर्वक पहला कार्यात्मक ग्रैफ़ीन अर्धचालक प्रदर्शित किया। यह खोज कंप्यूटिंग और इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में नाटकीय परिवर्तन ला सकती है। 

जबकि ग्रैफ़ीन सबसे लोकप्रिय और व्यापक रूप से लागू एक-परमाणु परत सामग्री हो सकता है, इस श्रेणी में कई अन्य उदाहरण भी हैं। 

एक-परमाणु परत सामग्री को 2D गैर-परत सामग्री भी कहा जाता है। इन्हें इस नाम से बुलाया जाता है क्योंकि उनका निर्माण रासायनिक बंधन द्वारा तीन आयामों (3D) में होता है, जिससे सतह पर असंतृप्त लटके हुए बंध बनते हैं और उच्च सक्रियता तथा उच्च ऊर्जा वाली सतह उत्पन्न होती है। 

ग्रैफ़ीन के अलावा, इस प्रकार की एक-परमाणु परत सामग्री का उदाहरण ब्लैक फॉस्फोरस है, जिसे फॉस्फोरिन कहा जाता है। अन्य गैर-परत सामग्री में सिलिकॉन और जर्मेन भी उदाहरण हैं। 

इनकी परत-निर्भर गुणों, परत-किनारे प्रभावों, और परिवर्तनीय बैंड संरचनाओं के कारण, ये सामग्री अक्सर किनारों पर एक विशिष्ट गुणों का सेट प्रदर्शित करती हैं। इन्हें तनाव या लागू विद्युत क्षेत्रों द्वारा संशोधित किया जा सकता है, जिससे इन्हें ट्यूनिंग गुण मिलते हैं। 

धातु चालकोजेनाइड, धातु ऑक्साइड, III-V अर्धचालक, और जैव-अकार्बनिक पेरोव्स्काइट कुछ सबसे सामान्य एक-परमाणु परत या दो-आयामी गैर-परत सामग्री में से हैं। 

आइए इन सामग्री के कुछ वास्तविक जीवन के उदाहरणों को संक्षेप में देखें। धातु चालकोजेनाइड के उदाहरणों में मोलीब्डेनम डिसल्फाइड (MoS2), टंगस्टन डिसल्फाइड (WS2), और टंगस्टन डिसेलेनाइड (WSe2) शामिल हैं, जबकि इंडियम ऑक्साइड (In2O3), टिन ऑक्साइड (SnO2), और जिंक ऑक्साइड (ZnO) धातु ऑक्साइड के प्रमुख उदाहरण हैं। 

III-V अर्धचालक अपने नाम इस तथ्य से प्राप्त करते हैं कि वे समूह III के तत्व, जैसे एल्यूमीनियम, गैलियम या इंडियम, को समूह V के तत्व, जैसे फॉस्फोरस, आर्सेनिक या एंटिमनी, के साथ बंधित होते हैं। गैलियम आर्सेनाइड और इंडियम फॉस्फेट III-V अर्धचालकों के उदाहरण हैं। 

जैव-अकार्बनिक पेरोव्स्काइट के उदाहरणों में मेथाइल अमोनियम लीड आयोडाइड (MAPbI3) और फॉर्मामिडिनियम लीड आयोडाइड (FAPbI3) शामिल हैं। 

इन सामग्रियों के कई अनुपयोग हो सकते हैं। इन पर समाधान बनाने वाले व्यवसाय मौजूद हैं। आगामी भाग में, हम इनके बारे में देखेंगे। 

#1. Haydale Graphene Industries

ग्रैफ़ीन की निष्क्रिय प्रकृति के कारण इसे अपनाना कठिन था। Haydale Graphene Industries ने इस समस्या को हल करने के लिए एक पाउडर-इन, पाउडर-आउट प्रक्रिया विकसित की, जो प्लाज़्मा कार्यात्मककरण की समस्या को सहजता से दूर कर सकती है। 

यह प्रक्रिया, जो ग्रैफ़ीन की संभावनाओं को उजागर कर सकती है, Haydale HDPlas के नाम से जानी गई, एक सूखी, साफ़ और पर्यावरणीय रूप से स्वस्थ विधि है जो ग्रैफ़ीन और अन्य नैनोमैटेरियल को आवश्यक यांत्रिक शक्ति और उन्नत विद्युत तथा थर्मल चालकता प्रदान करके बेहतर बनाती है। 

Haydale ने कई रोचक ग्रैफ़ीन-आधारित समाधान विकसित किए हैं, जिसमें बायोमेडिकल डिवाइस, लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स, हीटिंग एलिमेंट और पहनने योग्य तकनीक के लिए अनुकूलन योग्य ग्रैफ़ीन इंक की विविध श्रृंखला शामिल है। यह फंक्शनलाइज़्ड बोरॉन नाइट्राइड, जिसे व्हाइट ग्रैफ़ीन कहा जाता है, भी प्रदान करता है। यह सिंथेटिक सिरेमिक सामग्री विषरहित है और ठोस तथा पाउडर रूप में उपलब्ध है। इसके कुछ गुणों में इन्सुलेशन, शक्ति, वजन, और विद्युत चालकता शामिल हैं। 

Haydale के फंक्शनलाइज़्ड ग्रैफ़ीन और नैनोमैटेरियल एडिटिव्स का पोर्टफोलियो इलास्टोमर उत्पाद निर्माण में भी प्रभावी साबित होता है। इन्हें रबर साइकिल और सड़क टायर, जूते के रबर सोल, सील और गैस्केट में उपयोग किया जा सकता है। Haydale के सिलिकॉन कार्बाइड ग्रैफ़ीन उत्पाद सिरेमिक-पॉलीमर सतह उपचार में कंक्रीट उत्पादों की सुरक्षा के लिए उपयोग होते हैं। 

ग्रैफ़ीन का उपयोग करके, Haydale ने उपयोगी कंपोजिट, थर्मोप्लास्टिक और सौर कटिंग टूल्स भी विकसित किए हैं। 

हाल ही में Haydale (AIM: HAYD) ने 31 दिसंबर 2023 (“FY23”) को समाप्त वर्ष के अपने अंतरिम परिणामों की घोषणा की। रिपोर्ट के अनुसार, उसके समूह राजस्व में 38% की वृद्धि होकर £2.47 मिलियन (H1 FY23 £1.78 मिलियन) हो गया। 

#2. Siemens

ग्रैफ़ीन फॉयल के एक और अत्यधिक उन्नत उपयोग केस को Siemens के साइक्लोट्रॉन निर्माण में देखा जा सकता है। शोधकर्ताओं के एक समूह ने 11-MeV Siemens Eclipse Cyclotron में एक्सट्रैक्टर (स्ट्रिपर) फॉयल के रूप में ग्रैफ़ीन फॉयल का उपयोग किया। 

इन फॉयलों ने कार्बन की तुलना में अत्यधिक उच्च थर्मल चालकता और उल्लेखनीय यांत्रिक शक्ति प्रदर्शित की। उनका जीवनकाल 16,000 PA*H से अधिक था। ग्रैफ़ीन फॉयलों के उपयोग से ट्रांसमिशन फैक्टर में भी उल्लेखनीय वृद्धि हुई—स्ट्रिपर फॉयल पर बीम करंट का लक्ष्य पर करंट से अनुपात—जो 90% से अधिक था। 

प्रयोग ने दिखाया कि एक-परमाणु-परत ग्रैफ़ीन फॉयल अन्य कार्बन फॉयलों, जो सामान्यतः स्ट्रिपर फॉयल के रूप में उपयोग होते हैं, के साथ प्रभावी रूप से प्रतिस्पर्धा कर सकती है। 

Siemens विश्वभर में उच्च-स्तरीय, परिष्कृत और प्रौद्योगिकी-गहन उत्पादों के निर्माण के लिए जाना जाता है। फॉयल रूप में एक-परत परमाणु सामग्री का उपयोग करने वाली ऐसी कंपनी इस श्रेणी की संभावनाओं को दर्शाती है। 

FY 2023 में, Siemens ने 19.66 बिलियन यूरो का राजस्व अर्जित किया, जो 2022 में दर्ज 17.39 बिलियन यूरो से उल्लेखनीय वृद्धि है। 

एक-परमाणु परत सामग्री के आसपास और अधिक अन्वेषण

हालिया शोध ने दिखाया कि गोल्डेने या ग्रैफ़ीन जैसी सामग्रियों के अलावा, मोनोलायर ब्लैक फॉस्फोरस, जिसे फॉस्फोरिन भी कहा जाता है, सेंसर अनुप्रयोगों में विशिष्ट लाभ प्रदान करता है। वैज्ञानिक और शोधकर्ता इन अनूठे लाभों को फॉस्फोरिन की “पुकर” लैटिस संरचना को देते हैं, जो सामग्री को ग्रैफ़ीन और ट्रांज़िशन मेटल डाइकल्कोजेनाइड (TMDCs) की तुलना में अधिक सतह-से-आयतन अनुपात देती है। फॉस्फोरिन अपने अनुप्रयोगों में बहुमुखी है और गैस सेंसरिंग, नमी सेंसरिंग, फोटो-डिटेक्शन, बायो-सेनसरिंग और आयन-सेनसरिंग सहित विभिन्न सेंसरिंग परिदृश्यों में उपयोग किया जा सकता है।

फॉस्फोरिन इलेक्ट्रॉनिक्स और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स में भी उल्लेखनीय संभावनाएँ दिखाता है। वैज्ञानिक प्रकाशनों ने उजागर किया है कि इसकी अंतर्निहित अनिसोट्रॉपिक इलेक्ट्रॉनिक, ट्रांसपोर्ट, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक, थर्मोइलेक्ट्रिक और यांत्रिक गुण ग्रैफ़ीन और ट्रांज़िशन-मेटल डाइकल्कोजेनाइड की तुलना में स्पष्ट रूप से भिन्न हैं। फॉस्फोरिन की निर्माण में आसानी और नवीन गुणों ने नए नैनोडिवाइसों के डिजाइन और प्रदर्शन को प्रेरित किया है।

एक अन्य अध्ययन ने ग्रैफ़ीन और फॉस्फोरिन को मिलाने के लाभों की ओर इशारा किया। यह समझने के लिए कि यह संयोजन कैसे उपयोगी हो सकता है, हम सोडियम-आयन बैटरियों की लिथियम-आयन बैटरियों के विकल्प के रूप में तुलनात्मक स्थिति को देखते हैं। जबकि सोडियम-आयन बैटरियों का प्रदर्शन उनके लिथियम-आयन समकक्षों के समान है, चुनौती अधिक व्यावहारिक एनोड सामग्री विकसित करने में है। और यही वह जगह है जहाँ ग्रैफ़ीन-फॉस्फोरिन संयोजन काम आता है।

एक वैज्ञानिक प्रयोग में, शोधकर्ताओं ने इसकी संभावनाओं को प्रदर्शित किया। कुछ फॉस्फोरिन परतों को ग्रैफ़ीन परतों के बीच में रखकर बना हाइब्रिड सामग्री 2,440 mA h g−1 (केवल फॉस्फोरस के द्रव्यमान से गणना) की विशिष्ट क्षमता 0.05 A g−1 करंट घनत्व पर दिखा सकती है और 0 से 1.5 V के बीच संचालन करते हुए 100 चक्रों के बाद 83% क्षमता प्रतिधारण रखती है।

शोधकर्ताओं ने विकसित किए गए एनोड की बड़ी क्षमता को समझाने के लिए इन-सिटू ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी और एक्स-सिटू एक्स-रे डिफ्रैक्शन तकनीकों का उपयोग किया। उन्होंने इसे दोहरी तंत्रिका द्वारा विकसित किया: फॉस्फोरिन परतों के x-अक्ष के साथ सोडियम आयनों का इंटरकलेशन, उसके बाद Na3P मिश्रधातु का निर्माण।

एक अन्य एक-परमाणु परत सामग्री जिसने वैज्ञानिक समुदाय की कल्पना को सफलतापूर्वक आकर्षित किया है, वह जर्मेन है। जर्मेन में रुचि मुख्यतः उसकी प्रकाशीय गुणों के कारण है। संबंधित गणना ने दिखाया है कि जर्मेन शीट में सौर स्पेक्ट्रम में महत्वपूर्ण प्रकाश अवशोषण है और यह प्रकाशीय अनिसोट्रॉपी प्रदर्शित करता है।

जर्मेन अनोखा है क्योंकि यह शून्य बैंड गैप और K बिंदु के आसपास रैखिक बैंड डिस्पर्शन वाला अर्धचालक है। जबकि बैंड गैप बायस वोल्टेज की उपस्थिति में खुलता है, यह बढ़ते बायस वोल्टेज शक्ति के साथ रैखिक रूप से बढ़ता है।

इसलिए, केवल गोल्डेने ही नहीं, बल्कि ग्रैफ़ीन, फॉस्फोरिन, जर्मेन और अन्य सहित कई एक-परमाणु परत सामग्री नई वैज्ञानिक सीमाओं को भविष्य की खोजों के लिए खोलने वाली हैं।

हमें इन सामग्रियों के गुणों पर अपना ध्यान स्थिर रखना चाहिए। तभी हम अधिक अनुप्रयोगों की खोज कर पाएंगे। हमें याद रखना चाहिए कि 2D गैर-परत सामग्री की उच्च सतह सक्रियता उन्हें कार्बन डाइऑक्साइड के ऑक्सीकरण और जल के अपचयन जैसी महत्वपूर्ण प्रतिक्रियाओं के लिए उपयोगी उत्प्रेरक बनाती है।

इन सामग्रियों ने ईंधन सेल और सौर सेल विकसित करने में मदद करके ऊर्जा भंडारण और रूपांतरण में अपनी मूल्य सिद्ध की है। ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स में, उनके गुण उच्च गुणवत्ता वाले लाइट-एमिटिंग डायोड, लेज़र और सेंसर के उत्पादन में परिणत होते हैं। उनके टोपोलॉजिकल इन्सुलेशन गुण भी ऐसे इन्सुलेटर बनाने में मदद करते हैं जो सतह पर विद्युत प्रवाह को संचालित करते हैं लेकिन ठोस में इन्सुलेटेड होते हैं।

समग्र रूप से, उन्नत एक-परमाणु परत सामग्री अवसरों की बहुलता के द्वार हैं। भविष्य में, हम निश्चित रूप से व्यापक अपनापन देखेंगे!

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