ग्राफीनचा उपयोग काय आहे? दोन अनुप्रयोग प्रकरणे तुम्हाला ग्राफीनच्या अनुप्रयोगाची शक्यता समजण्यास मदत करतात.

२०१० मध्ये, ग्राफीनवरील त्यांच्या कामासाठी गेइम आणि नोवोसेलोव्ह यांना भौतिकशास्त्रातील नोबेल पारितोषिक मिळाले. या पुरस्काराने अनेक लोकांवर खोलवर छाप सोडली आहे. शेवटी, प्रत्येक नोबेल पारितोषिक प्रायोगिक साधन चिकट टेपइतके सामान्य नसते आणि प्रत्येक संशोधन वस्तू "द्विमितीय क्रिस्टल" ग्राफीनइतकी जादुई आणि समजण्यास सोपी नसते. २००४ मध्ये केलेले काम २०१० मध्ये दिले जाऊ शकते, जे अलिकडच्या काळात नोबेल पारितोषिकाच्या रेकॉर्डमध्ये दुर्मिळ आहे.

ग्राफीन हा एक प्रकारचा पदार्थ आहे ज्यामध्ये कार्बन अणूंचा एक थर असतो जो द्विमितीय मधाच्या पोळ्याच्या षटकोनी जाळीमध्ये बारकाईने व्यवस्थित केला जातो. हिरा, ग्रेफाइट, फुलरीन, कार्बन नॅनोट्यूब आणि अनाकार कार्बन प्रमाणे, तो कार्बन घटकांपासून बनलेला एक पदार्थ (साधा पदार्थ) आहे. खालील आकृतीत दाखवल्याप्रमाणे, फुलरीन आणि कार्बन नॅनोट्यूब हे ग्राफीनच्या एकाच थरातून काही प्रकारे गुंडाळलेले दिसतात, जे ग्राफीनच्या अनेक थरांनी रचलेले असते. विविध कार्बन साध्या पदार्थांचे (ग्रेफाइट, कार्बन नॅनोट्यूब आणि ग्राफीन) गुणधर्म वर्णन करण्यासाठी ग्राफीनच्या वापरावरील सैद्धांतिक संशोधन जवळजवळ 60 वर्षे चालले आहे, परंतु सामान्यतः असे मानले जाते की अशा द्विमितीय पदार्थांना एकट्याने स्थिरपणे अस्तित्वात राहणे कठीण आहे, ते फक्त त्रिमितीय सब्सट्रेट पृष्ठभागाशी किंवा ग्रेफाइट सारख्या पदार्थांच्या आत जोडलेले असतात. २००४ पर्यंत आंद्रे गेम आणि त्यांचे विद्यार्थी कॉन्स्टँटिन नोव्होसेलोव्ह यांनी प्रयोगांद्वारे ग्रेफाइटमधून ग्राफीनचा एक थर काढून टाकला नव्हता की ग्राफीनवरील संशोधनाने नवीन विकास साधला.

फुलरीन (डावीकडे) आणि कार्बन नॅनोट्यूब (मध्यभागी) हे दोन्ही ग्राफीनच्या एकाच थराने गुंडाळलेले मानले जाऊ शकतात, तर ग्रेफाइट (उजवीकडे) व्हॅन डेर वाल्स फोर्सच्या जोडणीद्वारे ग्राफीनच्या अनेक थरांनी रचलेले असते.

आजकाल, ग्राफीन अनेक प्रकारे मिळवता येते आणि वेगवेगळ्या पद्धतींचे स्वतःचे फायदे आणि तोटे आहेत. गीम आणि नोवोसेलोव्ह यांनी सोप्या पद्धतीने ग्राफीन मिळवले. सुपरमार्केटमध्ये उपलब्ध असलेल्या पारदर्शक टेपचा वापर करून, त्यांनी उच्च दर्जाच्या पायरोलिटिक ग्रेफाइटच्या तुकड्यातून कार्बन अणूंचा फक्त एक थर जाड असलेला ग्राफाईट शीट, ग्राफीन काढून टाकला. हे सोयीस्कर आहे, परंतु नियंत्रणक्षमता तितकी चांगली नाही आणि १०० मायक्रॉन (मिलीमीटरचा दशांश भाग) पेक्षा कमी आकाराचे ग्राफीन फक्त मिळवता येते, जे प्रयोगांसाठी वापरले जाऊ शकते, परंतु व्यावहारिक अनुप्रयोगांसाठी वापरणे कठीण आहे. रासायनिक वाष्प संचयनामुळे धातूच्या पृष्ठभागावर दहा सेंटीमीटर आकाराचे ग्राफीन नमुने वाढू शकतात. जरी सुसंगत अभिमुखतेचे क्षेत्रफळ फक्त १०० मायक्रॉन [३,४] असले तरी, ते काही अनुप्रयोगांच्या उत्पादन गरजांसाठी योग्य आहे. आणखी एक सामान्य पद्धत म्हणजे सिलिकॉन कार्बाइड (SIC) क्रिस्टल व्हॅक्यूममध्ये ११०० ℃ पेक्षा जास्त तापमानात गरम करणे, जेणेकरून पृष्ठभागाजवळील सिलिकॉन अणू बाष्पीभवन होतील आणि उर्वरित कार्बन अणूंची पुनर्रचना केली जाईल, ज्यामुळे चांगल्या गुणधर्मांसह ग्राफीन नमुने देखील मिळू शकतात.

ग्राफीन हे अद्वितीय गुणधर्म असलेले एक नवीन पदार्थ आहे: त्याची विद्युत चालकता तांब्याइतकीच उत्कृष्ट आहे आणि त्याची औष्णिक चालकता कोणत्याही ज्ञात पदार्थापेक्षा चांगली आहे. ते खूप पारदर्शक आहे. उभ्या आपाती दृश्यमान प्रकाशाचा फक्त एक छोटासा भाग (२.३%) ग्राफीनद्वारे शोषला जाईल आणि बहुतेक प्रकाश त्यातून जाईल. ते इतके दाट आहे की हेलियम अणू (सर्वात लहान वायू रेणू) देखील त्यातून जाऊ शकत नाहीत. हे जादुई गुणधर्म थेट ग्रेफाइटमधून नसून क्वांटम मेकॅनिक्समधून मिळाले आहेत. त्याचे अद्वितीय विद्युत आणि ऑप्टिकल गुणधर्म हे ठरवतात की त्याच्या वापराच्या विस्तृत शक्यता आहेत.

जरी ग्राफीनला अवघ्या दहा वर्षांपेक्षा कमी काळ झाला असला तरी, त्याचे अनेक तांत्रिक उपयोग दिसून आले आहेत, जे भौतिकशास्त्र आणि भौतिक विज्ञानाच्या क्षेत्रात फारच दुर्मिळ आहे. सामान्य पदार्थांना प्रयोगशाळेतून वास्तविक जीवनात येण्यासाठी दहा वर्षांपेक्षा जास्त किंवा दशके लागतात. ग्राफीनचा उपयोग काय आहे? चला दोन उदाहरणे पाहूया.

मऊ पारदर्शक इलेक्ट्रोड
अनेक विद्युत उपकरणांमध्ये, पारदर्शक वाहक पदार्थांचा इलेक्ट्रोड म्हणून वापर करावा लागतो. इलेक्ट्रॉनिक घड्याळे, कॅल्क्युलेटर, टेलिव्हिजन, लिक्विड क्रिस्टल डिस्प्ले, टच स्क्रीन, सोलर पॅनेल आणि इतर अनेक उपकरणे पारदर्शक इलेक्ट्रोडचे अस्तित्व सोडू शकत नाहीत. पारंपारिक पारदर्शक इलेक्ट्रोड इंडियम टिन ऑक्साईड (ITO) वापरतात. उच्च किंमत आणि इंडियमच्या मर्यादित पुरवठ्यामुळे, सामग्री ठिसूळ आणि लवचिकतेचा अभाव आहे, आणि इलेक्ट्रोडला व्हॅक्यूमच्या मधल्या थरात जमा करावे लागते आणि त्याची किंमत तुलनेने जास्त आहे. बर्याच काळापासून, शास्त्रज्ञ त्याचा पर्याय शोधण्याचा प्रयत्न करत आहेत. पारदर्शकता, चांगली वाहकता आणि सोपी तयारी या आवश्यकतांसह, जर सामग्रीची लवचिकता चांगली असेल तर ते "इलेक्ट्रॉनिक पेपर" किंवा इतर फोल्डेबल डिस्प्ले डिव्हाइसेस बनवण्यासाठी योग्य असेल. म्हणून, लवचिकता देखील एक अतिशय महत्त्वाचा पैलू आहे. ग्राफीन ही अशी सामग्री आहे, जी पारदर्शक इलेक्ट्रोडसाठी खूप योग्य आहे.

दक्षिण कोरियातील सॅमसंग आणि चेंगजुंगुआन विद्यापीठातील संशोधकांनी रासायनिक वाष्प संचयनाद्वारे ३० इंच कर्ण लांबीचे ग्राफीन मिळवले आणि ते १८८ मायक्रॉन जाडीच्या पॉलीथिलीन टेरेफ्थालेट (पीईटी) फिल्ममध्ये हस्तांतरित केले जेणेकरून ग्राफीन आधारित टच स्क्रीन तयार होईल [४]. खालील आकृतीत दाखवल्याप्रमाणे, तांब्याच्या फॉइलवर उगवलेले ग्राफीन प्रथम थर्मल स्ट्रिपिंग टेप (निळा पारदर्शक भाग) सह जोडले जाते, नंतर तांब्याच्या फॉइलला रासायनिक पद्धतीने विरघळवले जाते आणि शेवटी ग्राफीन गरम करून पीईटी फिल्ममध्ये हस्तांतरित केले जाते.

नवीन फोटोइलेक्ट्रिक इंडक्शन उपकरणे
ग्राफीनमध्ये अतिशय अद्वितीय प्रकाशीय गुणधर्म आहेत. जरी अणूंचा एकच थर असला तरी, तो दृश्यमान प्रकाशापासून ते इन्फ्रारेडपर्यंतच्या संपूर्ण तरंगलांबी श्रेणीमध्ये उत्सर्जित प्रकाशाच्या २.३% शोषू शकतो. या संख्येचा ग्राफीनच्या इतर भौतिक पॅरामीटर्सशी काहीही संबंध नाही आणि तो क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स [6] द्वारे निश्चित केला जातो. शोषलेल्या प्रकाशामुळे वाहकांची निर्मिती (इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रे) होईल. ग्राफीनमध्ये वाहकांची निर्मिती आणि वाहतूक पारंपारिक अर्धवाहकांपेक्षा खूप वेगळी आहे. यामुळे ग्राफीन अल्ट्राफास्ट फोटोइलेक्ट्रिक इंडक्शन उपकरणांसाठी खूप योग्य बनते. असा अंदाज आहे की अशी फोटोइलेक्ट्रिक इंडक्शन उपकरणे ५०० गिगाहर्ट्झच्या वारंवारतेवर कार्य करू शकतात. जर ते सिग्नल ट्रान्समिशनसाठी वापरले गेले तर ते ५०० अब्ज शून्य किंवा प्रति सेकंद एक प्रसारित करू शकते आणि एका सेकंदात दोन ब्लू रे डिस्कमधील सामग्रीचे प्रसारण पूर्ण करू शकते.

अमेरिकेतील आयबीएम थॉमस जे. वॉटसन रिसर्च सेंटरमधील तज्ज्ञांनी ग्राफीनचा वापर करून १० गीगाहर्ट्झ फ्रिक्वेन्सीवर काम करू शकणारे फोटोइलेक्ट्रिक इंडक्शन डिव्हाइस तयार केले आहेत [8]. प्रथम, ३०० एनएम जाडीच्या सिलिकाने झाकलेल्या सिलिकॉन सब्सट्रेटवर "टेप फाडण्याच्या पद्धतीने" ग्राफीन फ्लेक्स तयार केले गेले आणि नंतर त्यावर १ मायक्रॉन अंतराल आणि २५० एनएम रुंदी असलेले पॅलेडियम गोल्ड किंवा टायटॅनियम गोल्ड इलेक्ट्रोड बनवले गेले. अशा प्रकारे, ग्राफीनवर आधारित फोटोइलेक्ट्रिक इंडक्शन डिव्हाइस मिळते.

ग्राफीन फोटोइलेक्ट्रिक इंडक्शन उपकरणांचे योजनाबद्ध आरेख आणि स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोप (SEM) प्रत्यक्ष नमुन्यांचे फोटो. आकृतीतील काळी छोटी रेषा ५ मायक्रॉनशी संबंधित आहे आणि धातूच्या रेषांमधील अंतर एक मायक्रॉन आहे.

प्रयोगांद्वारे, संशोधकांना असे आढळून आले की हे धातूचे ग्राफीन धातू संरचना असलेले फोटोइलेक्ट्रिक इंडक्शन उपकरण जास्तीत जास्त १६ गिगाहर्ट्झच्या कार्यरत वारंवारतेपर्यंत पोहोचू शकते आणि ३०० एनएम (अल्ट्राव्हायोलेट जवळ) ते ६ मायक्रॉन (इन्फ्रारेड) पर्यंत तरंगलांबी श्रेणीत उच्च वेगाने कार्य करू शकते, तर पारंपारिक फोटोइलेक्ट्रिक इंडक्शन ट्यूब जास्त तरंगलांबी असलेल्या इन्फ्रारेड प्रकाशाला प्रतिसाद देऊ शकत नाही. ग्राफीन फोटोइलेक्ट्रिक इंडक्शन उपकरणांच्या कार्यरत वारंवारतेमध्ये अजूनही सुधारणा करण्यासाठी भरपूर जागा आहे. त्याच्या उत्कृष्ट कामगिरीमुळे त्यात संप्रेषण, रिमोट कंट्रोल आणि पर्यावरणीय देखरेखीसह विस्तृत अनुप्रयोग शक्यता आहेत.

अद्वितीय गुणधर्मांसह एक नवीन पदार्थ म्हणून, ग्राफीनच्या वापरावरील संशोधन एकामागून एक उदयास येत आहे. येथे त्यांची गणना करणे आपल्यासाठी कठीण आहे. भविष्यात, ग्राफीनपासून बनवलेल्या फील्ड इफेक्ट ट्यूब, ग्राफीनपासून बनवलेले आण्विक स्विचेस आणि ग्राफीनपासून बनवलेले आण्विक डिटेक्टर दैनंदिन जीवनात असू शकतात... प्रयोगशाळेतून हळूहळू बाहेर येणारे ग्राफीन दैनंदिन जीवनात चमकेल.

आपण अशी अपेक्षा करू शकतो की नजीकच्या भविष्यात ग्राफीन वापरणारी मोठ्या संख्येने इलेक्ट्रॉनिक उत्पादने येतील. जर आपले स्मार्टफोन आणि नेटबुक गुंडाळले जाऊ शकतील, कानांना चिकटवले जाऊ शकतील, खिशात भरले जाऊ शकतील किंवा वापरात नसताना मनगटाभोवती गुंडाळले जाऊ शकतील तर ते किती मनोरंजक असेल याचा विचार करा!